揭秘中国空间站系统总体设计

  11月1日凌晨，随着梦天实验舱与天和核心舱、问天实验舱在太空紧紧相拥，中国空间站在轨建造阶段的最后一个舱段，配齐。

  独具特色、浑然天成的中国空间站系统总体设计，是对我国航天器系统设计的又一次创新跨越，闪耀着中国智慧，昭显了匠心之美。下面，就让记者带您走进抓总设计研制空间站系统的中国航天科技集团有限公司第五研究院（以下简称“航天科技集团五院”），一探究竟。

“立足当下、着眼长远”的战略观

  “结果源自开头，起点通往终点”，航天科技集团五院空间站系统总指挥王翔认为，对于系统工程实践来说，科学思想先于工程实践——而这，正反映了我国建设空间站“立足当下、着眼长远”的战略观。

  “必须独立自主，靠中国人自己的力量建成空间站！”航天科技集团五院空间站系统总设计师杨宏坚定地表示，“要依靠自立自强打破封锁，通过增强顶层设计，瞄准前沿系统谋划，提出适合我国国情的组装建造方案。”为此，他带领总体设计团队，秉持“1+N=1”的设计理念，以“规模适度、留有发展空间”为设计思路，踏上了巧思释放、活力涌流的设计之旅。最终，他们创造性地提出“利用舱段交会对接和转位机械臂进行平面转位、研制大型组合机械臂并与航天员协同进行舱外大型设施构建”的方案。这一独具特色的总体设计方案，可以使我国在没有航天飞机等大型运输工具的情况下，完成积木加桁架混合构型的大型空间站在轨组装建造。

  从理想走向现实，需要科学、统一的技术体制有力地组织。于是，“一个系统总体、三个舱段总体加上一套专业分系统团队”的工程组织架构如宏伟的建筑拔地而起，辅以“整体统一”管理（天和、问天、梦天三个舱段通用化率达80%），不仅促进了空间站系统的方案优化，还令系统设计与工程管理深度融合，相得益彰。

  在天和核心舱与问天实验舱组合形成L形后，梦天实验舱的就位，使三舱构成一个可靠的T字形组合体，成为空间站的基本部分，为后续扩展巡天光学舱等舱段奠定坚实的基础。未来，中国空间站还能够在机械臂的辅助下继续组装，形成“十”字形、“干”字形等扩展构型。

  在王翔看来，变化的过程和结果都源自设计，“万变而不离其宗”。

“天-地-人”和谐共处的整体观

  中国人讲求“天地人和”，把整个宇宙看作一个大系统。这样的智慧，在空间站系统的总体设计中体现得淋漓尽致。通过在众多约束条件下创造最大价值的总体设计，让天、地、人三大要素融为相辅相成的有机整体。

  先看天上。组成空间站的各个舱段和来访飞船都是独立的飞行器，交会对接后形成组合体，通过“最强大脑”统一管控。除了在结构上对接，组合体的信息和能源系统也相互连接，动态并网、能力共享，像“神经”和“血液”一样畅通无阻。此外，通过热控流体回路，热量也能实现跨舱传输、相互兼容。“如此，三舱互联互通，且具备跨航天器的系统重构能力，整体性能大幅超越各航天器功能的简单集合。”杨宏说。

  再看地面。航天科技集团五院建设了一个与“天宫”等比例的物理空间站，并采用数字孪生技术创建数字空间站，共同形成“天-地-数字”三站协同的新型运行模式，用飞行数据实时驱动、开展在轨状态预测、趋势评估。此外，该院还抽调骨干力量成立飞控队伍，从天和核心舱发射前夕开始就坚持三班倒、连轴转的空间站作息模式，24小时不停监控天上的状态，默默守护。“一年多来，这支队伍经受住各种复杂在轨构型和各类任务的考验，身经百战，具备了过硬本领，将为后续长期在轨运营任务提供可靠支撑。”王翔评价。

  人，是空间站系统里具有决定性的要素。不论是最初设计空间站，还是每次执行任务的全过程，总体设计团队都会和航天员进行充分沟通，将以人为本的理念贯彻到底。干净整洁的舱内环境、扫码识别的物资管理系统、天地双向视频、智能厨房等，都蕴藏着设计师们的精巧构思与人本情怀。“一方面，从航天员的需求出发，通过设计不断提升舒适性和便利性，打造一个让航天员身体健康、心情愉悦的太空之家；另一方面，确保航天员的安全是首要任务，在设计之初就要系统地将安全性、可靠性考虑充分。”杨宏介绍。

  首次飞天前，航天英雄杨利伟对总体设计人员说，“我信任你们”。在他们看来，这句话既是最重的责任，也是最棒的肯定。“人为天地客”，在中国空间站系统工程中，“天-地-人”和谐共处、相互成就。

发挥新型举国体制优势的发展观

  纵观空间站系统的总体设计，既有胸怀宇宙万象、驰骋天地间的酣畅写意，也曾屡遭“大象在瓷器店里跳舞”的棘手难题，更有横刀立马誓要守住的底线红线。只是，后者被总体设计人员以发展的眼光和辩证的思维极早洞见并巧妙化解了。

  早在空间站任务起步之初，杨宏便意识到，关键核心元器件一定是制约空间站长期可持续发展的瓶颈。遵循“以国家重大型号引领基础技术突破”的思路，他带领技术团队驻扎元器件研制一线，一举突破550万个宇航用元器件的技术瓶颈，解决了核心元器件“卡脖子”问题。目前，中国空间站系统的核心元器件已全部实现国产化。

  早在数年前，航天科技集团五院就提早布局，打造宇航智造工程空间站示范项目，打通研制过程全周期、全三维的模型数字化流程，开辟新型数字化研制模式，将研制周期缩短了30%。同时，空间站总体设计团队执着追求，攻克了可爬行机械臂等一系列拥有自主知识产权的关键技术，在发供电、物资循环利用和运行经济性等关键性能指标上不断超越，使一个又一个中国创新奇迹闪耀太空。

  面对空间站系统可靠性的难题，总体设计团队潜心钻研、匠心独运，创立了在轨航天器安全性、可靠性、维修性“三性融合”的综合工作体系——这种不中断飞行、化繁为简的维修设计，能在各种约束条件下实现整体系统的优化和功能增强。

  在王翔眼中，中国空间站系统工程无疑是新时代发挥新型举国体制优势、集中力量办大事的生动范例。创新+匠心，使中国空间站成为宇宙空间一颗耀眼的“明星”。我们有理由相信，以总体设计赋能美好太空家园的图景，将在更多的空间技术领域得到充分演绎和生动展现。

  （本报记者 张蕾 本报通讯员 潘晨）