中国空间站工程技术与管理创新

杨宏 张昊 周昊澄

摘 要：空间站是一个国家科技水平和制造能力综合实力的体现，世界上只有前苏联的“和平号”空间站和正在轨运行的以美国为主导、16国参与的国际空间站。面对国外技术封锁，我们发挥我国新型举国优势，创新了一条适合我国国情的空间站建造方案，提出了“独立自主、创新引领、体系保障、规模适度、留有发展空间”的我国空间站研制管理模式，成功研制、发射和运行空间站首个航天器“天和”核心舱。本文对我国空间站工程的总体方案、组装建造方案和工程任务安排进行了介绍，阐述了我国空间站工程的主要技术特点，并从技术体系、研制体系、发展体系和风控体系等四个方面总结了我国空间站研制和运行过程的工程管理创新。

关键词：中国空间站;工程技术与管理;技术与管理创新

中图分类号：V57文献标识码：A文章编号：2097-0145（2022）03-0001-06doi：10.11847/fj.41.3.1

Engineering Technology and Management Innovation of China Space Station

YANG Hong， ZHANG Hao， ZHOU Hao-cheng

（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering， Beijing 100094， China）

Abstract：The space station is the embodiment of the comprehensive strength of a country’s technological level and manufacturing capability. Currently， there are only the former Soviet Union’s MIR space station and the on-orbit International Space Station led by the United States and participated by 16 countries. However， due to the blockade of foreign technology， China needs to give full play to our country’s new national advantages and innovates a space station construction plan which is suitable for Chinese situations. Therefore， we put forward a development and management model for our country’s space named “independence， innovation leadership， system guarantee， appropriate scale， and room for development”. Based on this model， the first spacecraft “Tianhe” core module of China Space Station has been successfully developed， launched and operated. This paper introduces the overall scheme， assembly and construction scheme and engineering task arrangement of China Space Station project， expounds the main technical characteristics of China Space Station project， and summarizes the engineering management innovation in the development and operation process of China Space Station from four aspects： technical system， management system， development system and risk control system.

Key words：China Space Station; engineering technology and management; technology and management innovation

1 引言

中國空间站是一个长期在近地轨道运行的载人空间站，命名为“天宫”，由核心舱、实验舱I和实验舱II三舱组成，提供三个对接口，支持载人飞船、货运飞船及其他来访飞行器的对接和停靠。围绕建设具有中国特色和时代特征的空间站这一宏伟目标，中国空间站工程方案坚持以下基本原则：符合中国国情，有所为、有所不为;规模适度，留有发展空间;具有突出的中国元素和核心内涵;体现国家发展的战略目标，创新驱动发展;追求技术进步，充分采用当代先进技术建造和运营空间站，全面掌握大型空间设施的建造和操作技术;注重应用效益，在空间站应用领域取得重大创新科技成果;追求运营经济性，走可持续发展的道路[1，2]。基于以上原则，我们提出了“独立自主、创新引领、体系保障、规模适度、留有发展空间”的空间站系统研制管理模式，并按此模式完成了空间站核心舱的研制，成功发射入轨正常运行。

2 空间站工程概述

2.1 总体构型

空间站的基本构型是由核心舱、实验舱Ⅰ和实验舱Ⅱ三个舱段组成的T字构型，其中核心舱居中，实验舱Ⅰ和实验舱Ⅱ永久停泊于核心舱节点舱的两侧，载人飞船和货运飞船分别对接于核心舱的前向和后向，如图1所示。

空间站运行轨道为倾角41°～43°、高度340km～450km的近圆轨道。三舱组合体质量约68.5吨，额定乘员3人，乘员轮换期间短期可达6人，具备不小于20吨载荷设备的安装和支持能力。建造形成三舱组合体后在轨运行寿命不小于10年，具有通过维护维修延长使用寿命的能力，并具备一定扩展能力[3]。

核心舱命名为“天和”，如图2所示，是空间站的管理和控制中心，负责空间站组合体的统一管理和控制，可完成与实验舱、载人飞船、货运飞船等飞行器的交会对接和停靠，接纳航天员长期访问和物资补给，配置机械臂支持航天员出舱活动。

实验舱I命名为“问天”，作为核心舱关键平台功能的备份舱段，也具备空间站统一管理和控制能力;配备航天员出舱活动专用气闸舱，支持开展密封舱内及舱外载荷实验，配置实验舱机械臂对舱外载荷进行操作。

实验舱II命名为“梦天”，用于开展密封舱内和舱外载荷实验，配置货物气闸舱用于载荷及设备进出舱。

航天员天地往返运输由神舟载人飞船完成，在酒泉航天发射场由长征二号F运载火箭发射，可支持3名航天员天地往返。货物运输由天舟货运飞船完成，在海南航天发射场由长征七号运载火箭发射，可为空间站上行运送航天员生活物资、推进剂、消耗品、载荷设备等补给物资，下行销毁废弃物。

2.2 组装建造

在没有航天飞机规模的大型运输工具情况下，空间站三舱利用舱段交会对接和平面转位方式完成积木加局部桁架混合构型大型空间站的组装建造。实验舱I和实验舱II依次对接于核心舱节点舱的轴向端口，然后通过舱段平面转位操作，将其转移到节点舱的左右两侧，与节点舱刚性连接，构成三舱基本构型。组装建造过程如图3所示。

在货运飞船、航天员和机械臂支持下，可完成类似国际空间站的复杂舱外建造和操作活动，是大型空间设施建设的更为经济、合理的建造方式。

2.3 工程任务安排

空间站任务分为空间站关键技术验证阶段、组装建造阶段和应用与发展阶段。

在关键技术验证阶段，发射试验核心舱、载人飞船和货运飞船，对推进剂补加、物化再生生保、太阳翼和驱动机构技术、大型组合体控制技术、空间站组装建造技术、出舱活动技术、在轨维修技术等关键技术进行飞行验证和评估，对系统平台功能和长期驻留功能进行考核。

在组装建造阶段，分别发射实验舱I和实验舱II与之对接，完成空间站建造。其间将发射神舟载人飞船和货运飞船，支持完成建造任务，同步开展科学技术实验。

在进入应用与发展阶段后，航天员乘组将分批长期驻站生活和工作，开展科学技术研究和探索活动，择机进行空间站扩展和应用载荷的更换。

3 工程技术特点与创新

3.1 空间站电源系统

核心舱采用单自由度柔性太阳电池翼，提供核心舱单舱飞行时的能源供应，空间站采用了柔性太阳电池翼技术。核心舱通过2个柔性太阳翼单自由度转动实现对日定向。单翼展开长度超10m，供电能力不低于4kW。两个实验舱安装了国内最大的柔性太阳翼，分别通过双自由度驱动机构实现对日定向，单翼展开长度超过25m，阵面面积超过110m2，供电能力不低于7kW。采用转换效率 30%以上的三结砷化镓电池片及锂蓄能电池。

空间站设置了并网系统，预留与天舟货运飞船、神舟载人飞船、巡天空间望远镜的并网供电接口，支持为不同电压体制的来访飞行器进行并网供电。空间站三舱采用100V全调节多母线体制，由核心舱统一能量管理，实现空间站各构型下能量的统一管理，动态调配，支持组合体中各舱段的载荷用电。两个实验舱之间可实现2kW的舱间能源动态调配，为所需舱段的载荷用电提供支持。

3.2 空间站控制系统

空間站以天和核心舱控制系统为主、实验舱I控制系统为备份实现组合体的姿轨融合控制及太阳翼转动控制。各舱段控制计算机、姿态测量敏感器、交会对接敏感器、控制力矩陀螺、推进控制驱动器、太阳翼驱动机构控制器等设备组成控制系统网络，通过1553B专用跨舱总线实现了舱间互连及空间站三舱50余台敏感器、100余台发动机、20余台测量与控制陀螺等设备的融合使用，并可通过总线调用货运飞船发动机进行组合体姿态轨道控制。

为了实现在轨长期运行，空间站采用控制力矩陀螺为主、喷气控制为辅的控制方式进行姿态控制，减少推进剂的消耗需求。同时配置了推进剂补加系统[4]，可接受由天舟货运飞船进行推进剂补加。补加系统采用基于膜盒贮箱和增压气体复用的推进补加方案，实现了推进气体的重复利用。在核心舱前、后向对接机构均配置了补加接口，既保证了补加功能的充分可靠，又实现了为巡天空间望远镜及其他来访飞行器提供跨舱补加的需求。

另外， 在核心舱配置了霍尔电推进系统，作为化学推进系统的有效补充。这是世界载人航天领域首次应用电推进系统，利用4台80mN的霍尔推力器进行组合体轨道维持，可有效抵消大气阻力。在太阳活动均年，电推进系统可为空间站节省约不小于1200kg/年的化学推进剂。

3.3 空间站信息系统

空间站采用当代信息技术的最新成果，统一构建空间站信息系统，各舱段均采用相同的体系架构，设备、软件、通信协议采用通用化设计。单舱飞行时各舱信息系统独立工作，形成组合体后，基于网络技术，进行空间站各舱段及来访航天器的信息管理与共享，以及利用相关设备进行系统重构，由天和核心舱实现组合体统一管理，问天实验舱作为系统功能备份，梦天实验舱配合支持管理。信息传输与测控采用天地一体化设计、天基和地基相结合的测控通信体制。各舱段测控通信设备融合使用，保障各种飞行姿态下测控通信覆盖率，提高天地间测控、通信和网络交互能力和效率。

空间站提供了无线Wi-Fi通信功能。舱内外区域均设置2.4G与5G Wi-Fi通信网络，实现了航天员活动范围100%全覆盖。通过引入地面智能家居、物联网技术，航天员可通过智能终端（手机、PAD、笔记本）实现智能家居管理、情景照明管理、智能视频监控、智能遥测报警管理、智能医学监测以及智能物资管理，提高航天员生活、工作的通信保障支持能力和对舱内舱外状态的感知能力。

3.4 空间站环境控制和生命保障系统

空间站采用物化再生生命保障系统，实现资源再生利用。再生生命保障系统包括电解制氧、再生式二氧化碳去除、微量有害气体吸收、冷凝水收集与处理、尿液收集与处理等设备。核心舱和实验舱I均配置全套的再生生保系统。组合体期间，核心舱统一进行密封舱气体成分、压力、温湿度控制，以及水回收管理、微生物控制和废弃物管理。配置一定数量非再生生保物品，供应急情况下保障维修时使用[5]。再生生保技术可以较好地实现资源再生利用，综合水回收率≥83%，大幅降低货运保障需求。运营期间，还将发展二氧化碳还原技术和生活垃圾处理和再利用技术，进一步提高物资再生循环利用水平和效率。

3.5 出舱活动和舱外操作

出舱活动是保障空间站长期可靠运行，完成舱外组装建造和舱外作业，开展舱外载荷操作的必要手段。核心舱节点舱和实验舱I专用气闸舱均支持航天员出舱活动。核心舱单舱飞行期间利用节点舱出舱;实验舱I对接后，使用专用气闸舱出舱，节点舱作为备份。空间站支持2名航天员同时出舱。航天员舱外活动期间，采用无线通信模式，UHF通信用于传输话音及航天员生理数据，Wi-Fi通信用于传输高清图像。

图4为航天员从核心舱节点舱执行出舱活动任务舱外相机拍摄的照片。

核心舱配置大型机械臂 1 个，实验舱配置小型机械臂 1 个，大机械臂作业半径不小于10m，负载能力25吨;小机械臂作业半径不小于5m，负载能力3吨，大、小机械臂均具有7个自由度。两个机械臂可独立或协同工作，也可级联组合为一个机械臂，扩大作业范围。大机械臂主要负责大负载大范围转移，小机械臂主要负责小负载精细化操作，组合臂主要执行航天员或舱外载荷的大范围操作任务。在航天员、机械臂、舱外服以及货运飞船支持下，可具备大型空间设施的操作能力，完成复杂的舱外建造任务[6]。

在实验舱II配置货物气闸舱，可将暴露载荷设施和舱外设备从舱内自动转移至舱外，再由机械臂抓捕、转移和安装。货物气闸舱转移设施或设备出舱过程如图5所示。

3.6 空间应用实验支持

天宫空间站建造完成后，支持开展多学科领域的空间科学与技术实验，以标准化资源为主、专用化资源为辅。其中标准化资源为应用载荷提供统一标准的机电热接口，支持应用载荷项目的轮换更替，适用于实验周期短的载荷项目;专用化资源为应用载荷提供订制的机电热接口资源，能适应载荷的特别需求，适用于有重大科学和应用价值的永久性载荷项目[7]。

安装在空间站上的应用载荷可分为三类：舱内载荷、舱外标准载荷以及舱外专用载荷，如图6所示。密封舱内为载荷提供25个实验机柜装载空间，支持载荷通过整体机柜和载荷单元两种装载形式开展实验。载荷单元配置了标准的机、电、信息和热接口，支持载荷以抽屉形式滚动轮替开展实验，方便航天员在轨安装和更换。实验舱I和实验舱II舱外设置暴露平台，共计提供67个通用载荷适配器的接口空间，为暴露载荷提供标准的机、电、信息、热接口。两个实验舱均为舱外载荷提供流体回路散热支持。利用实验舱II配置的货物气闸舱，可与机械臂协同完成舱外载荷自动进出舱任务，极大地提高了舱外载荷的操作效率。天宫空间站为载荷提供不小于12kW的供电支持，以及提供不小于1.1Gbps的数据下行能力[8，9]。

4 工程管理特点和创新

国际空间站由美俄为首、16个国家参与建造，然而研制技术体制不统一导致其整体优化程度不高，许多系统间、舱段间存在不兼容问题。例如，推进剂补加系统使用俄罗斯的推进系统，欧洲ATV货运飞船需要在自身推进系统之外再单独配置俄罗斯燃料和推进系统，才能实现国际空间站的推进剂补加;俄罗斯舱段和美国、欧洲舱段的控制、热控、载人环境设备无法融合统一使用。我国空间站的建设充分发挥了我国独立研制的特点，在技术体系、研制体系、发展体系和风控体系等四个方面开展了工程管理创新与实践。

4.1 整体最优的技术体系

不同于以往在单个飞行器设计基础上进行组合体设计的方式，我国空间站在设计之初就高度重视系统层面的一体化设计，构型结构、能源系统、信息系统、环热控系统等均统一设计，在形成组合体后三舱的各系统均能互联互通，形成一个有机的整体。在系统设计满足任务功能要求和可靠性安全性要求的基础上，合理分配三舱的功能：由天和核心舱负责空间站功能的统一管理和控制，问天实验舱对能源管理、信息管理、控制系统和载人环境等关键功能进行冗余备份，并开展舱内外空间科学与技术实验，梦天实验舱主要开展舱内外空间科学与技术实验。

我国空间站在供电体制和信息体制上也兼顾神舟载人飞船、天舟货运飞船，使得载人飞船和货运飞船与空间站对接后也能构成有机整体，空间站既可对载人飞船、货运飞船进行并网供电，也可接受天舟货运飞船的反向供电支持，空间站还可控制货运飞船的发动机进行组合体轨道和姿态控制，也可通过货运飞船的中继天线下行数据和上行指令。

虽然我国空间站在规模上不如国际空间站，但正是我国空间站从系统统筹设计，三舱功能合理分配，使得我国空间站三舱组合体在功能上可与国际空间站相媲美。我国空间站载荷重量占比超过30%，高于国际空间站的7.9%;载荷供电功率占比为44.4%，与国际空间站相当，加上对载人飞船、货运飞船和光学舱供电并网功率输出，空间站平台对外提供功率占比为63%，而平台自身用电仅占37%;功率/重量比为0.41kW/t，超过了国际空间站的0.26kW/t;空间站下行数据传输速率达1.2Gbps，远大于国际空间站100Mbps下行数据传输速率[10]。

4.2 标准统一的研制体系

空间站参研方涉及全国军工、地方、高校和科研院所等超过3000家单位，其中既有航天系统内單位，也有系统外单位，有长期承研载人航天任务的单位，也有新承担空间站阶段研制任务的单位。因此，各单位在研制体系、生产规范和试验标准等方面均有较大不同。

為避免参研单位多、研制体系和技术水平不统一的问题，确保空间站产品可靠，空间站在研制初期，根据以往研制经验和空间站任务特点，制定了空间站系统16份设计与建造规范，涉及产品设计、元器件和原材料选用、生产、试验、软件等各环节，构建起空间站研制标准化体系，实行“整体覆盖、适度超前、逐级传递、监督执行”标准化管理，三舱统一采用相同的研制规范，保证各单位研制体系统一。空间站标准体系如图7所示。

除此之外，空间站还构建系统、航天器、专业三层次共用一套专业队伍的组织架构，如图8所示，用一套专业分系统团队统一研制空间站各舱，产品通用化率达80%，从而在重要功能上在舱段备份的基础上实现设备级备份，进一步提高整站可靠性。

4.3 逐步递进的发展体系

我国是在经过空间实验室阶段任务，突破了交会对接等关键技术的基础上，经充分地面试验验证，引入新技术进行天宫空间站的建造，走出了一条稳健的跨越式发展道路。新技术比重大是天宫空间站的显著特征，其采用的空间机械臂技术、物化式再生生保技术、大面积柔性太阳翼技术等均为我国首次在轨开展应用的全新技术，应用难度大、研制风险高。

在工程发展方面，空间站阶段又分为关键技术验证、组装建造、应用与扩展三个任务阶段。利用核心舱、载人飞船和货运飞船，对空间站建造及后续阶段所需技术进行在轨飞行验证。验证并评估技术性能满足要求后，再进行空间站三舱的组装建造，继而开展在轨应用。整个过程逐步开展、稳步推进。

在运行模式方面，空间站预留了扩展接口，具有舱段扩展、能源扩展、舱外实验扩展能力。空间站最大可增加 3个舱、4 个大型舱外暴露实验平台，并可在舱外外挂大型实验载荷。扩展后的最大规模可达 180吨。我国空间站的扩展能力为运营阶段空间科学和技术的新需求预留了发展空间，也为开展国际合作，进一步提高空间站应用效益提供了发展空间。

另外，空间站还创新设计了共轨飞行航天器在轨服务模式，充分利用其长期有人驻留、配置空间机械臂的优势，为后续来访航天器提供在轨维修维护服务，并能将天舟货运飞船携带的推进剂过路补加至来访航天器。巡天空间望远镜将作为第一个接受天宫空间站在轨服务的共轨飞行航天器，在天宫空间站建造完成后发射入轨，相较美国“哈勃”空间望远镜每一次维修都需要发射航天飞机的情况，这种共轨飞行服务模式在经济性方面有着巨大优势[11，12]。

4.4 全面有效的风控体系

为了确保空间站10年以上在轨飞行安全可靠，空间站从静态功能分析和动态任务事件进行风险分析，构建了多维度的风险管理体系。静态功能方面，采用故障模式影响分析（FMEA）和故障树分析（FTA），分别从底向上和从顶向下，对系统功能故障模式进行分析，对重大故障模式作为系统级风险进行控制，加强可靠度设计，对故障所涉及的关键产品进行过程控制，严把产品质量关。动态任务事件方面，以飞行事件为线索，识别影响任务成功的故障模式和风险，通过指令、测控站、硬件备份设计、裕度设计和设计确认，实现事件可靠执行。尤其对涉及分系统间、功能间的故障开展关联性故障树分析（CFTA），设计了能源、信息、热管理和推进等关键功能的自主安全模式，确保一次故障下空间站仍可正常飞行，二次故障下可保证空间站和航天员安全。

此外，为了避免空间站关键核心元器件被国外封锁禁运的风险，在空间站方案论证期间，就提前开展了核心元器件国产化攻关，突破了550万门FPGA、100VDC/DC电源转换模块等8类核心元器件的国产化，实现了空间站元器件100%的自主可控，有效规避了受国外“卡脖子”的风险。

空间站还创建了在轨空间站、地面模拟空间站和数字空间站三站协同运营的模式。基于MBSE数字孪生技术建立的数字空间站，在飞行任务期间实时数据驱动伴飞，预测空间站健康趋势，保证安全可靠飞行。

5 结论与展望

我国空间站工程在控制、信息、电源、资源再生利用、物资补给需求、运营成本、应用效益等方面均达到当代国际先进水平，也创立了有自身特点的技术、研制、发展和风控体系，为确保空间站高效研制、可靠飞行和有序发展奠定了坚实基础。我国空间站的建成将为我国和全球的科学家提供先进的空间科学技术研究和实验平台，为空间科学和应用领域取得重大成果创造良好条件，成为国家太空实验室，可望在物理学、天文学、材料、生物等科学领域，以及对地观测、信息、航天等技术领域获取具有重大科学价值的研究成果和重大战略意义的应用成果。

参 考 文 献：

[1]周建平.我国空间站工程总体构想[J].载人航天，2013，（19）：1-10.

[2]中国载人航天办公室.空间站工程发展[R].北京：中国载人航天工程办公室，2016.

[3]Yang H. The “Tiangong” Chinese Space Station project[J]. Frontiers of Engineering Management， 2018， 5（2）： 278-283.

[4]Wang T M， Wang H， Li H Y. Research on location deployment of Space Station co-orbital spacecraft for refueling mission[J]. Manned Spaceflight， 2017， 23： 582-596.

[5]Wu Z Q， Gao F， Deng Y B， et al.. Key technology review of research on regenerative environmental control and life support system for Space Station[J]. Space Medicine and Medical Engineering， 2018， 31： 105-111.

[6]Li D M， Rao W， Hu C W， et al.. Key technology review of the research on the Space Station manipulator[J]. Manned Spaceflight， 2014， 20： 238-242.

[7]Yang H， Zhang Q. Introduction to manned environment and scientific experimental resources of China Space Station[A]. The 69th International Astronautical Congress[C]. Bremen， 2018.

[8]Yang H， Yang B， Wei C F. Design on experiment support onboard manned Space Station[A]. The 64th International Astronautical Congress[C]. Beijing， 2013.

[9]Yang H， Yang B， Wei C F. The open experimental resources to serve payloads for international cooperation onboard Space Station[A]. Global Space Exploration Conference[C]. Beijing， 2017.

[10]Fan W N. Study on system characteristics of International Space Station[J]. Spacecraft Engineering， 2012， 21： 94-100.

[11]Joseph B， Kristine F， Gregory R， et al.. On-orbit servicing of department of defense and national security Space Assets[A]. AIAA SPACE 2012 Conference and Exposition[C]. Pasadena， California， 2012.

[12]Yan H J， Jin Y Q， Wei X Q， et al.. Analysis of on-orbit servicing technique demonstrations on International Space Station and developments[J]. Scientia  Sinica Technological， 2018， 48： 185-199.