空間實(shí)驗(yàn)室（載人航天科學(xué)實(shí)驗(yàn)空間站）

載人航天科學(xué)實(shí)驗(yàn)空間站空間實(shí)驗(yàn)室（載人航天科學(xué)實(shí)驗(yàn)空間站）01基本認(rèn)識(shí)關(guān)鍵技術(shù)性能與功用結(jié)構(gòu)與組成特性國(guó)際相關(guān)發(fā)展目錄030502040607各國(guó)實(shí)驗(yàn)室與空間站區(qū)別各國(guó)研制模式目錄0908基本信息空間實(shí)驗(yàn)室又稱太空實(shí)驗(yàn)室（SpaceLaboratory）是一種可長(zhǎng)期自主在軌飛行，供航天員中短期駐留并具備開(kāi)展一定規(guī)?？臻g應(yīng)用的載人航天器。前蘇聯(lián)、美國(guó)和歐洲航天局已于20世紀(jì)七八十年代率先研制成功出空間實(shí)驗(yàn)室。中國(guó)空間實(shí)驗(yàn)室的雛形“天宮一號(hào)”已于2011年9月29日發(fā)射升空。中國(guó)首個(gè)真正意義上的空間實(shí)驗(yàn)室——天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室于2016年9月15日成功發(fā)射?；菊J(rèn)識(shí)與空間站區(qū)別實(shí)驗(yàn)室信息基本認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)室信息空間實(shí)驗(yàn)室1空間實(shí)驗(yàn)室是用于開(kāi)展各類空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室?？臻g實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)過(guò)程是先發(fā)射無(wú)人空間實(shí)驗(yàn)室，而后再用運(yùn)載火箭將載人飛船送入太空，與停留在軌道上的實(shí)驗(yàn)室交會(huì)對(duì)接，航天員從飛船的附加段進(jìn)入空間實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)展工作。航天員的生活必需品和工作所需的材料、設(shè)備均由飛船運(yùn)送，載人飛船停靠在實(shí)驗(yàn)室外邊，作為應(yīng)急救生飛船。如果實(shí)驗(yàn)室發(fā)生故障，可隨時(shí)載航天員返回地面，航天員工作完成后，乘飛船返回。與空間站區(qū)別關(guān)于空間實(shí)驗(yàn)室，還沒(méi)有明確的定義，其基本概念是：空間實(shí)驗(yàn)室是為發(fā)展空間站，從載人飛船過(guò)渡到載人航天基礎(chǔ)設(shè)施的試驗(yàn)性航天器；而空間站的概念是：可供多名航天員巡訪、長(zhǎng)期工作和居住生活的載人航天器?？臻g實(shí)驗(yàn)室與空間站在概念上的區(qū)別，在于前者強(qiáng)調(diào)功能，可能是一種空間站，也可能作為空間站附屬，或航天飛機(jī)搭載的空間設(shè)備。理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)都表明，研制空間實(shí)驗(yàn)室是建造空間站的重要前提和技術(shù)保障，可對(duì)空間站的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，獲取經(jīng)驗(yàn)，降低風(fēng)險(xiǎn)，為建造空間站打基礎(chǔ)?？臻g實(shí)驗(yàn)室和空間站既有聯(lián)系，又有明顯區(qū)別，在任務(wù)目標(biāo)、功能規(guī)模、技術(shù)指標(biāo)、資金投入和研制周期等方面都存在一些不同。對(duì)此，要有明確的界定，否則會(huì)走彎路。結(jié)構(gòu)與組成資源艙實(shí)驗(yàn)艙結(jié)構(gòu)與組成實(shí)驗(yàn)艙實(shí)驗(yàn)艙由密封的前錐段、圓柱段和后錐段組成，密封艙可保證艙壓、溫濕度、氣體成分等航天員生存條件，可用于航天員駐留期間在軌工作和生活，密封的后錐段安裝再生生保等設(shè)備。中國(guó)天宮一號(hào)示意圖實(shí)驗(yàn)艙前端安裝一個(gè)對(duì)接機(jī)構(gòu)，以及交會(huì)對(duì)接測(cè)量和通信設(shè)備，用于支持與飛船實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接。資源艙資源艙為軌道機(jī)動(dòng)提供動(dòng)力，為飛行提供能源。一般包括發(fā)動(dòng)機(jī)和電源裝置等，外部安置太陽(yáng)翼，用于提供軌道與姿態(tài)控制、電力能源供應(yīng)、熱控環(huán)控。關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)空間交會(huì)對(duì)接空間實(shí)驗(yàn)室階段關(guān)鍵要突破飛船空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)?？臻g交會(huì)對(duì)接技術(shù)難度很大，在對(duì)接過(guò)程中，如果計(jì)算不準(zhǔn)，就可能發(fā)生飛船相撞事故。因此，需要進(jìn)行大量試驗(yàn)才能掌握這一技術(shù)。兩個(gè)或兩個(gè)以上的航天器通過(guò)軌道參數(shù)的協(xié)調(diào)，在同一時(shí)間到達(dá)太空同一位置的過(guò)程稱為交會(huì)。對(duì)接是在交會(huì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)專門(mén)的對(duì)接機(jī)構(gòu)將兩個(gè)航天器連接成一個(gè)整體。實(shí)現(xiàn)兩個(gè)航天器在太空交會(huì)對(duì)接的系統(tǒng)稱為交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)。交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)通常包括跟蹤測(cè)量系統(tǒng)、姿態(tài)與軌道控制系統(tǒng)、對(duì)接機(jī)構(gòu)系統(tǒng)等。兩個(gè)航天器在太空進(jìn)行對(duì)接，其初始條件是兩者保持對(duì)接機(jī)構(gòu)的同軸接近方式和確定的縱向速度，以及在其他線坐標(biāo)和角坐標(biāo)上的速度為零。但兩個(gè)航天器之間的實(shí)際相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)總是有偏差的。一般情況下，兩個(gè)航天器之間的相對(duì)位置及其平動(dòng)速度通常是靠主動(dòng)航天器軌道控制系統(tǒng)和兩個(gè)航天器的姿態(tài)控制系統(tǒng)來(lái)維持的，前者適用于控制質(zhì)心的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，后者適用于控制繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。航天器的空間交會(huì)對(duì)接控制方法有兩種，一種是人工控制、另一種是自動(dòng)控制。用人工控制來(lái)完成太空交會(huì)對(duì)接可以提高交會(huì)對(duì)接的成功率。自動(dòng)控制交會(huì)對(duì)接可靠性高，不需考慮人員的安全和救生問(wèn)題。在航天器的交會(huì)對(duì)接技術(shù)方面，未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是人工控制和自動(dòng)控制相結(jié)合，以提高交會(huì)對(duì)接的靈活性、可靠性和成功率。特性特性空間實(shí)驗(yàn)室是試驗(yàn)性的空間站，以突破和驗(yàn)證空間站關(guān)鍵技術(shù)為主要任務(wù)目標(biāo)，以“短期有人照料、長(zhǎng)期無(wú)人值守”為主要工作模式，具有相對(duì)較短壽命(1年左右)的低軌道中小型載人航天器?？臻g實(shí)驗(yàn)室一般具有如下主要特性：(1)通過(guò)一次性攜帶的物資，可實(shí)現(xiàn)少批量、短時(shí)間航天員在軌駐留，不支持長(zhǎng)期載人；(2)一般沒(méi)有在軌補(bǔ)給和補(bǔ)加功能，壽命較短；(3)規(guī)模小，不具有可擴(kuò)展性；(4)只能進(jìn)行空間站關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證試驗(yàn)，可開(kāi)展有限的空間應(yīng)用。從任務(wù)目標(biāo)、功能、基本指標(biāo)等方面看，空間實(shí)驗(yàn)室與空間站均存在較大差異。性能與功用性能與功用發(fā)展飛行器技術(shù)空間實(shí)驗(yàn)室（1）進(jìn)一步掌握飛行器空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)；（2）突破飛行器長(zhǎng)期在軌自主飛行、再生式生保和貨運(yùn)飛船?？臻g應(yīng)用試驗(yàn)試驗(yàn)用遙感器有波長(zhǎng)為31毫米、分辨率25米、45°視角時(shí)掃描寬度為9公里的合成孔徑雷達(dá)以及頻率為9.62～9.67赫茲、分辨率為8×21公里2的微波散射計(jì)等。1985年7月29日空間實(shí)驗(yàn)室2號(hào)由“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)送上軌道，進(jìn)行多種科學(xué)實(shí)驗(yàn)。國(guó)際相關(guān)發(fā)展蘇聯(lián)-俄羅斯美國(guó)歐洲日本中國(guó)12345國(guó)際相關(guān)發(fā)展蘇聯(lián)-俄羅斯蘇俄首先通過(guò)載人飛船突破載人飛行技術(shù)，然后開(kāi)展空間站的研制工作。蘇聯(lián)航天工作者建造了“禮炮”號(hào)系列空間實(shí)驗(yàn)室，能長(zhǎng)期保證乘組的生命活動(dòng)及工作?！岸Y炮”計(jì)劃從1971年到1982年，包括發(fā)射了9艘單模塊的空間實(shí)驗(yàn)室(后期升級(jí)為空間站)，用于開(kāi)展對(duì)人長(zhǎng)期在軌生活以及其它生物、天文領(lǐng)域進(jìn)行長(zhǎng)期試驗(yàn)研究，驗(yàn)證地面的設(shè)計(jì)結(jié)果。美國(guó)美國(guó)發(fā)展空間實(shí)驗(yàn)室(站)與蘇聯(lián)不同，其注重先進(jìn)性，但欠缺連續(xù)性和繼承性。美國(guó)首先研制了“天空實(shí)驗(yàn)室”，于1973年5月14日發(fā)射，它有兩個(gè)目的：一是作為未來(lái)空間站計(jì)劃的過(guò)渡環(huán)節(jié)，帶有試驗(yàn)性質(zhì)，二是進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)。歐洲歐洲采用化整為零、分布實(shí)施的模式建設(shè)空間實(shí)驗(yàn)室，但由于其技術(shù)發(fā)展沒(méi)有系統(tǒng)性，許多方面依賴美國(guó)，因而沒(méi)有能力獨(dú)立發(fā)展自己的載人航天和空間站技術(shù)；但通過(guò)國(guó)際合作的方式也獲取了一部分進(jìn)展。歐洲建造的空間實(shí)驗(yàn)室包括“空間實(shí)驗(yàn)室”和“哥倫布艙”。日本日本的發(fā)展模式與歐盟相近，不具備獨(dú)立研制和發(fā)射載人航天器的能力?！跋Ｍ碧?hào)是日本建造的第一個(gè)空間軌道載人設(shè)施。中國(guó)相關(guān)規(guī)劃根據(jù)中共中央1992年9月確定的中國(guó)載人航天“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略方針，2005年l0月中國(guó)神舟六號(hào)載人飛行任務(wù)取得了圓滿成功，標(biāo)志著第一步任務(wù)目標(biāo)已順利完成。2004年12月，中央批準(zhǔn)起動(dòng)中國(guó)載人航天第二步任務(wù)，并明確第二步任務(wù)重點(diǎn)放在航天器交會(huì)對(duì)接和航天員空間活動(dòng)等重大技術(shù)突破上。載人航天工程總體組織確定了中國(guó)載人航天二期工程第一階段的主要任務(wù)目標(biāo)為：(1)實(shí)施航天員出艙活動(dòng)，突破航天員出艙活動(dòng)技術(shù)；(2)實(shí)施航天器交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)，突破和掌握載人航天器交會(huì)對(duì)接技術(shù)；(3)開(kāi)展有效的空間應(yīng)用和空間科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)；(4)為工程的進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)造基本條件。神舟七號(hào)飛船于2008年9月25日發(fā)射，2008年9月28日回收，承載3名航天員，突破了出艙活動(dòng)技術(shù)。各國(guó)實(shí)驗(yàn)室各國(guó)實(shí)驗(yàn)室前蘇聯(lián)“禮炮”空間實(shí)驗(yàn)室空間實(shí)驗(yàn)室蘇聯(lián)是首先發(fā)射載人空間實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家。其“禮炮1號(hào)”在1971年4月19日發(fā)射，由軌道艙，服務(wù)艙和對(duì)接艙組成，呈不規(guī)則的圓柱形，總長(zhǎng)約12.5米，最大直徑4米，總重約18.5噸。它在約200多千米高的軌道上運(yùn)行，站上裝有各種試驗(yàn)設(shè)備，照相攝影設(shè)備和科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。后在太空與聯(lián)盟號(hào)載入飛般對(duì)接組成居住艙，容積100立方米，可住6名宇航員。相繼與聯(lián)盟10號(hào)，聯(lián)盟11號(hào)兩艘飛船對(duì)接組成軌道聯(lián)合體，有3名航天員進(jìn)站內(nèi)生活工作近24天，完成了大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，但這3名航天員乘聯(lián)盟11號(hào)飛船返回地球過(guò)程中，由于座艙漏氣減壓，不幸全部遇難?！岸Y炮2號(hào)”發(fā)射到太空后由于自行解體而失敗。蘇聯(lián)發(fā)射的禮炮3、4、5號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室均獲成功，航天員進(jìn)站內(nèi)工作，完成多項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)。美國(guó)的“天空實(shí)驗(yàn)室”天空實(shí)驗(yàn)室美國(guó)在1973年5月14日發(fā)射成功一座叫天空實(shí)驗(yàn)室的空間站，它在435千米高的近圓空間軌道上運(yùn)行，先后接待3批9名宇航員到站上工作。這9名宇航員到站上工作。這9名宇航員在站上分別居留28天，59天和84天。天空實(shí)驗(yàn)室全長(zhǎng)36米，最大直徑6.7米，總重77.5噸，由軌道艙，過(guò)渡艙和對(duì)接艙組成，可提供360立方米的工作場(chǎng)所。各國(guó)研制模式蘇聯(lián)的模式歐日的模式美國(guó)的模式各國(guó)研制模式蘇聯(lián)的模式蘇聯(lián)/俄羅斯把發(fā)展空間實(shí)驗(yàn)室作為國(guó)策，采取了慎重穩(wěn)妥的方式，最大限度地利用成熟技術(shù)。其采用三步走發(fā)展戰(zhàn)略:先是陸續(xù)發(fā)射5個(gè)“禮炮”系列空間實(shí)驗(yàn)室用來(lái)試驗(yàn)空間站的有關(guān)技術(shù)；取得一定經(jīng)驗(yàn)后進(jìn)一步發(fā)射單模塊艙段式“禮炮”系列實(shí)用性空間站；在此基礎(chǔ)上再建造多模塊積木式長(zhǎng)久性空間站“和平號(hào)”。蘇聯(lián)解體后，俄羅斯參與了“國(guó)際空間站”工程。其路線圖是：衛(wèi)星式載人飛船→空間實(shí)驗(yàn)室（也叫試驗(yàn)性空間站）→實(shí)用性空間站→積木式長(zhǎng)久性空間站→桁架掛艙式永久性空間站（國(guó)際合作）。“禮炮”系列空間實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)原則是：①簡(jiǎn)單性：可大大縮短研制時(shí)間；②通用性：盡可能采用已有的且比較成熟的技術(shù)，以減小風(fēng)險(xiǎn)較小；③漸改性:力求使空間實(shí)驗(yàn)室具有較大的發(fā)展?jié)摿ΑＫ鼈兇罅繎?yīng)用了聯(lián)盟號(hào)飛船的技術(shù)和成果，因此不需要重新發(fā)展高難度的技術(shù)。為了縮短研制時(shí)間，采用了比較簡(jiǎn)單的艙段式構(gòu)型，因而具有外形簡(jiǎn)單、硬件數(shù)少、容易實(shí)現(xiàn)和造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)，體積也能適應(yīng)已有運(yùn)載火箭運(yùn)載能力一次發(fā)射的限制，尤其是由于不需要在軌道上對(duì)接組合或裝配大型系統(tǒng)的復(fù)雜過(guò)程，所以風(fēng)險(xiǎn)和難度都較小，安全性較高。美國(guó)的模式美國(guó)采取跨越的發(fā)展方式，但至今只發(fā)射過(guò)1個(gè)空間實(shí)驗(yàn)室——“天空實(shí)驗(yàn)室”。其在設(shè)計(jì)思想上強(qiáng)調(diào)盡可能利用已有的硬件和技術(shù)。它利用“阿波羅”載人登月工程的剩余材料和部件研制，于1973年發(fā)射入軌。它帶有試驗(yàn)性質(zhì)，加之為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，所以沒(méi)有安裝軌道機(jī)動(dòng)系統(tǒng)，這一點(diǎn)與蘇聯(lián)截然不同。因此，其本身不能進(jìn)行軌道調(diào)整，只有當(dāng)“阿波羅號(hào)”飛船同它對(duì)接后，才能利用飛船的發(fā)動(dòng)機(jī)改變其軌道。另外，其專用氣閘過(guò)渡艙多次供航天員出艙活動(dòng)。此后，美國(guó)曾與歐洲、日本聯(lián)合研制“自由號(hào)”（freedom）純桁架掛艙式永久性空間站，但中途下馬，改為吸收俄羅斯參加，聯(lián)合研制與“自由號(hào)”不同的“國(guó)際空間站”。其