中国空间站T字构型：约束条件下的最优解

王翔

神舟十三号飞船上天后，中国空间站的核心舱和靠泊飞船会共同呈现为一个小型的T字构型。2022年，两个实验舱发射升空后，整个中国空间站就是一个大大的T 字构型。昔日建造空间站的远景目标，今天正在开枝生叶。

构型，是指物体以特定的形式、图案或组合构成某事物。这个在自然科学和社会科学里都有的概念，投射至航天领域，特指航天器的形状与结构型式。大道有形，积厚成器。中国空间站为什么长成这样，T字构型中蕴藏了哪些科学、技术与工程原理？驱动这个庞然大物的设计思想和使命又是什么呢？

航天器构型原则一：适配天地环境

有人问：科幻电影里的宇宙飞船奇形怪状，为什么现实中全世界的航天器，有些看上去长得差不多，而有些又大相徑庭？

“看上去差不多”，是因为航天器作为飞出地球大气层的空间探索平台，面临许多共同的约束条件。

在发射段，运载火箭通常通过整流罩对航天器进行防护。在整流罩圆锥加圆柱形的空间约束下，航天器的发射状态是相似的，比如SpaceX 的星链，也得60颗一起组合成一根“大玉米”。

进入在轨飞行段，没有了大气，航天器的各种设备就可以根据工作需要伸展出来，航天器的形状也因此“大相径庭”。但有一点是相通的：为了使航天器易于运动控制，构型要保证主结构和质量分布尽量对称、紧凑，以获得好的质量特性。

到了着陆段，情况就不一样了。对地球、火星这样拥有大气层的星球，气动控制、防热等“刚需”决定了着陆飞行器长得比较像，比如神舟飞船和嫦娥返回器，就是典型的钟罩加球形底。而对月球这种没有大气层的星球，仍然可以像嫦娥着陆器、阿波罗登月舱那样，根据各自功能需求，进行有棱有角的个性化设计。

航天器构型原则二：满足功能和性能要求

航天器是要上天干活儿的，它承担的任务在很大程度上决定了它的构型。

以形赋意的这一逻辑，典型案例来自载人飞船。

载人飞船通常有两舱（密封的载人舱段+ 非密封的动力舱段）和三舱（密封的轨道舱或多功能舱段+ 密封的返回舱段+ 非密封的动力舱段）两大类构型。作为三舱构型的代表，联盟号飞船在研制之初，就是为频繁执行天地往返任务所做的设计。

在当时的研制条件下，正常及各种应急情况下的返回技术难度很大，气动外形、热防护、降落伞、着陆缓冲等技术的实现代价相对很大。最终，联盟号采用的设计策略是：返回部分（实际也是应急救生时依赖的部分）尽可能小，以降低上述各项设计和产品实现的难度，提高返回着陆的可靠性。

因此，联盟号飞船的返回舱是保证人的生存环境、具备返回气动外形及返回着陆基本功能的最小配置。飞行期间，航天员可以到轨道舱获得更舒适的活动空间，交会对接测量设备、对接机构等只有在天上才使用的设备也都配置在轨道舱，返回之前就分离扔掉了，不再占用宝贵的返回重量。三舱构型体现了载人飞船设计的均衡优化，与早期两舱设计的东方号、水星号等相比，有很大进步。

最近几年，SpaceX 的“龙”飞船、波音公司的Starliner、洛马公司的Orion以及我国已开展一次试验飞行的新一代载人飞船，构型又都是两舱。不过，此两舱非彼两舱。这几款新飞船都采用了重复使用设计，而在重复使用的前提下，返回部分占比越大越经济。不仅如此，这几款飞船也都兼顾无人飞行时的货运返回，更大的返回舱空间也有利于货物装载。

三舱还是两舱，各舱占比多少，都取决于飞船的功能和性能要求;舱段布局，同样体现了载人航天的设计思想。

仍以联盟号飞船为例，三舱选择“轨- 返- 推”还是“返-轨- 推”构型？考虑飞船在地面和低空的逃逸需求，返回舱布局在船箭组合体的最顶端更有利，即“返- 轨- 推”。但是，返回舱要保证航天员能够进入轨道舱，并且能够与空间站对接，就得在两端开门。而若在返回舱大底上开门，在保证密封及返回防热等方面，其安全性和可靠性远不如封闭结构。因此，联盟号定型为“轨-返-推”构型，同时将逃逸方案设计为逃逸火箭带轨- 返组合体一起飞行，之后以俗称“下蛋”的方式将返回舱单独分离扔下来。

这样做虽然增加了逃逸的重量和机构以及动作复杂性，但保证了每次返回时处于高温迎风面的返回舱大底的安全可靠。权衡利弊后取舍，这种构型的代价是值得付出和可以接受的。

航天器构型原则三：保障重要设备在轨工作

天线、帆板、敏感器等重要设备，需要视场无遮挡。因此，在航天器的构型设计中，这些设备应当被布局在航天器几何外形的端部或者其他对天、对地、对目标可视、无遮挡的部位，以方便设备的展开及工作。这是对航天器构型的硬约束。

载人航天器还要为航天员和大型设备创造好的工作条件。因此，空间站上的密封舱通常采用大尺寸圆柱形作为主体构型，好为航天员提供尽可能大的有效活动空间，也可容纳大型试验设备。国际空间站甚至打破常规，以突出于舱段外表面、近似阁楼的形式设计了穹顶舱。

今天，这个穹顶舱是国际空间站的宇航员喜欢待着观察地球的“全景窗”。又因其突出于主结构之外，对空间站自身的观察条件也远优于普通舷窗，穹顶舱在来访飞行器对接空间站时，也被用作站上飞行工程师观察和辅助机械臂操作的工位。

空间站特有的建造方式，让三大原则更复杂

空间站由多个飞行器或结构件拼接而成，既要设计单个飞行器的构型，又要统筹在轨组合的整体构型;既充分考虑空间站本身，还要顾及来访飞行器各种可能的对接形式。

对照前文所述三项原则，以及空间站作为多舱段组合体的特殊性，人类历史上的空间站有什么代表性构型？这些构型成功吗？

苏联的和平号空间站，是世界上第一个采用多模块积木式结构构建的长期性空间站。整个空间站化整为零，各舱段功能各异、分期发射，在轨进行装配，逐步扩展空间和功能，达到了单舱空间站无法企及的规模和能力。组成和平号的每个飞行器都有独立的飞行能力，对接组装后拥有既可独立亦可并网的电源。各舱段通过节点舱连接，最终的组合体构型呈辐射状。

和平号以多舱组合体提供了足够大的设备安装空间，通过分期上行配置了再生式的生保设备，解决了多种科学实验及乘员长期驻站的需求;辐射状构型保持了对称紧凑的质量特性，且不影响交会对接和在轨飞行控制，进而保障了舱外天文和对地观测设备的工作。

但是，部分在单舱段阶段正常工作的设备进入组合体状态后，工作受到了影响。影响最显著的是太阳能帆板。由于辐射状舱段的相互遮挡，无论何种姿态下，太阳能帆板的总受晒率都不高，导致整站的发电效率降低。有资料表明，由于相互遮挡，和平号组合体的帆板共损失了40% 的发电能力。与帆板的工作条件类似，用于各舱段散热的辐射器也因受到几何遮挡而效率降低。再把视线投向仍在天上飞行的国际空间站。它的前身从20世纪80年代初即开始论证，各种方案均以桁架为构型主体，桁架的个数、规模、形态及组成方法有所差异。最终方案采用了单桁架挂舱结构，以109米长的桁架结构为承载主体，在其中间部位挂载并拼接所有的密封舱段，桁架与舱段组合体近似呈十字构型，桁架两端各配置两对太阳电池翼。

这一构型的优点是很多的：密封舱以飞行方向为主要的扩展拼接方向，有利于来访飞行器的交会对接;桁架垂直于轨道面，两端的太阳翼拉开了足够距离，不仅安装空间不受限，而且运行时相互之间，以及受舱段的遮挡影响很小，桁架上安装的其他设备也能够不受遮挡;桁架还实现了一个独特的功能，配置了机械臂导轨，机械臂甚至航天员可以利用移动基座系统沿导轨运动，变换作业地点。

前者像朵绽放的花，后者像多段圆柱体和长条拼接的积木，这两个空间站为什么构型迥异？因为建设手段不同。

和平号每个舱段要靠自己交会对接连上组合体，之后最多通过转位机构改变对接口即在节点舱球体上的安装角度，最终形成辐射状的构型。而国际空间站的主体部分是由航天飞机运输上天，利用机械臂辅助进行组装，因此能够组装安装桁架结构，并扩展没有飞行能力的舱段。

2000—2007年，航天飞机完成了9次专门运输桁架组件的飞行——大多数单次上天的桁架组件重量在14～16吨。另有两次飞行，分别运输加拿大臂-2及其导轨。有了机械臂的辅助，空间站构型扩展的约束小了很多，而且能够在运输之后“改变”构型。前文提到的国际空间站的穹顶舱，就是与宁静号节点舱-3串列布置在航天飞机货舱中发射上天，再用机械臂单独安装在宁静号的侧面，形成“凸出”的构型。

中国空间站三舱的模样是怎么来的？

中国空间站以三舱段组合形成基本构型。从各舱段到组合体，它们的“模样”都是系统功能驱动的结果：每个舱段构型设计必须满足发射和独立在轨飞行的要求，组合体则要作为完整系统形成有利于在轨长期工作的构型，并要有可行的组装手段。

先看看每个舱段的构型。中国空间站三舱的模样是怎么来的？

核心舱

天宫一号和货运飞船都采用了大尺寸密封舱加小直径资源舱的构型，资源舱外侧安装帆板和天线等需占据包络空间的舱外设备。然而，中国空间站核心舱并没有沿用这一思路，因为它有一个最重要的功能和约束条件——前后都得接纳飞船和其他来访飞行器对接。

前端是节点舱，后端也要有对接口和人员通道，因此只能将资源舱设计为直径达到包络上限的环形，“套”在密封通道之外。而对于密封舱部分，设计师将其分为大小直径两个柱段，帆板、中继天线、机械臂等大尺寸舱外设备都布置在小柱段，从而使其加上了各种“外挂”后的外包络仍在火箭整流罩允许范围内。小柱段内部则不能布置大尺寸設备，用于航天员生活休息。

就这样，核心舱演化出了大小尺寸密封舱加大直径资源舱的模样，同时各部分沿轴向形成节点舱-小柱段-大柱段-资源舱的顺序。基于这样的排列顺序及设备布局，发射时重量较轻的小柱段在上，有利于整体基频和强度设计，减少结构重量;入轨后，航天员生活区能够与工作区分开，相对安静、私密并且离节点舱近，应急情况便于撤离。

实验舱

实验舱没有前后对接的需求，只在一端对接即可。因此，实验舱的资源舱采用了传统的小尺寸“实心”布局，外部布置帆板、天线。

此外，兼顾到组合体构型，两个实验舱不仅尺寸、质量特性大体一致，从而获得整体构型下较好的动力学特性，而且从布局上都采用了工作舱-气闸舱-资源舱的顺序。对接之后，气闸舱成为所有密封舱组合的“端部”，发生意外时可以隔离而不影响其他舱段。

T字构型的安全、效率与未来拓展

各舱段的构型有理有据，舱段组合同样不是随意的。

由于中国空间站采用运载火箭发射各舱段入轨、上天后交会对接的建设方式，整体构型仍然得在“以节点舱为球心的辐射状”构型上做文章。但我们没有走和平号的老路，而是设计了中国特色的T 字构型。

三舱布于同一平面，形成T 字;两个尺寸、质量特性大体一致的实验舱对向布置，形成T 字的一横;利用每个实验舱自身近20米长的结构，结合各自资源舱末端配置的双自由度太阳翼驱动机构，两对大型太阳翼成为T 字一横远端的两个“大风车”，不管空间站以何种姿势飞行，都能照上太阳从而获得高效的发电效果;两个实验舱的气闸舱分别位于T 字一横的端头，正常工作泄压或异常隔离时均不影响其他密封舱段构成连贯空间，保证了安全性。

作为T字那一竖的核心舱，在这个对称关系中仍然保持着前、后、下三向对接的能力。后向对接货运飞船，使得组合体可以直接利用货运飞船的发动机进行轨道机动;前向、径向两个对接口不仅可以接纳两艘载人飞船实现轮换，而且保持正常三轴稳定对地姿态时两对接口都在轨道平面内，即可让载人飞船在轨道面内沿飞行方向和沿轨道半径方向直接对接，无须对接后再转换对接口。对于航天任务流程而言，简洁不仅美，更是安全。

动态的构型与设计的智慧

“设计不仅仅是外观和感觉，设计就是其工作原理（Designis not just what it looks like and feels like. Design is how itworks）。”美国苹果公司联合创始人史蒂夫·乔布斯的这句话，笔者非常赞成。

像所有航天器，以及在地球上工作的设备和系统一样，中国空间站的构型是设计出来的。设计，意味着它承载了特定的功能和使命，意味着它是在特定的众多约束条件下取得的优化解，意味着它凝聚了航天设计师在现有条件下创造最大价值的智慧。

当然，空间站的构型并非一成不变，而是在空间、时间两个维度上动态发展：

实验舱I对接上核心舱之初，两舱空间站将呈大一字构型;实验舱I 转位而实验舱II 尚未对接时，两舱空间站为L 构型;实验舱II刚对接上未转位时，三舱空间站是横向且不对称的T 字构型……除去这些在建设过程中出现的临时构型，中国空间站未来还可能在机械臂的辅助下进行扩展舱段的组装，进而形成十字、干字等扩展构型。

看上去，它像变形金刚一样不断改换构型。然而，变化的过程和结果都来自设计，万变而不离其宗。

人类空间站发展已历4代。什么才是更好、更强大的空间站？简单比较没有意义，也没有标准答案。基于当代的科学技术，满足自身需求、契合自身能力，够用、好用、安全、高效的空间站，就是我们中国人自主设计、正在建设的空间站。