天宫空间站的系统设计为:1(天和)+1(问天)+1(梦天)=1(天宫)

天宫空间站:我们怎样在天上搭积木?

我国“天宫”空间站的三舱T字基本构型,大家应该很熟悉了。把它转化为公式,天宫空间站的系统设计为:1(天和)+1(问天)+1(梦天)=1(天宫)。等式右侧的“1”是一个完整系统,具备完整的功能、性能及系统冗余配置,所有的系统设计被分配至左侧的三个“1”实现,而这三个“1”又分别是独立的飞行器。这四个“1”,是同步设计出来的。

左侧的三个“1”中,核心舱为组合体的管理中心。但与和平号及国际空间站不同的是,天宫并非直接以核心舱为基础扩展若干舱段,而是在核心舱上组装两个实验舱后构成一个更加完整和可靠的T字形“核心组合体”。在官方发布的空间站任务规划中,此三舱的组装任务被称为“空间站建造阶段”,正是说明了三舱作为空间站基本部分为后续扩展舱段奠定基础的地位。

和平号空间站和国际空间站,都是以核心舱的单舱为基础进行拓展。其中,作为第一个以搭积木方式组建的多舱段空间站,和平号的整体功能随着舱段的增加而不断拼接完整;国际空间站则是在航天飞机支持下采用桁架结构,因而具有规模扩展性好的优势。

而中国空间站在采用新技术多维度实现“1+1=1”的基础上加强系统集成,独创性地一体化设计出整站三舱,尔后再开枝散叶地继续生长。三舱以“1+1+1=1”的方式构建了一个“组合体核心”、或者说强化版核心,作为“最强大脑”对整个空间站进行统一管理,保证各舱段、飞行器动作协调,并且在通过信息和能源网络并网实现系统重构后,正常情况下能实现资源的统一优化使用,故障情况下则有了更多的系统冗余。

这样的总体设计,是对历史上航天器系统的创新发展,更充分体现了我国空间站建设“在规模适度条件下追求高效率”的目标,具有极高的资源利用效率和较强的系统冗余度。

从天宫构型来看,三舱强耦合组成对称的一体结构,实验舱横置,端部分别配置了双自由度大帆板。两实验舱对向连接,形成近40米的结构跨度,实际上起到了类似国际空间站桁架结构的作用,较好地解决了帆板相互遮挡的问题,明显优于和平号各舱段的辐射状连接形式。

从信息系统能力来看,核心舱发射后大家看到的高清天地图像以及舱内WiFi应用、蓝牙耳机等等表现,证明了高速信息网络的性能,说明基于此实现三舱并网融合及系统重构有非常好的技术基础。这么好的网络不进行动态并网、能力共享的话,简直就是暴殄天物。

此外,从天舟货运飞船的任务规划来看,货运飞船不仅要配合进行推进剂补给,而且必须在对接期间以自身发动机提供组合体的变轨动力——这又能给核心舱或“核心组合体”加上一个“1”。

俄罗斯的进步号与欧洲的ATV这类典型的货运飞船,同样能够在交会对接后配合空间站对全站进行姿态控制和轨道维持。但由于种种技术和非技术障碍,国际空间站还有更多“1+1”不等于“1”的时候。例如,由于推进剂补给统一使用俄罗斯的推进系统,欧洲ATV飞船不得不单独配置不同于自身推进系统的补加贮箱装载俄方使用的燃料,才能实现推进剂补给;国际空间站上俄罗斯舱段的热控系统采用乙二醇作为回路工质,美国舱段则采用水,两者间的流体回路无法连通。

与之相比,“1+1=1”的思想贯穿于我国空间站设计的方方面面,从技术到管理都绝不会允许出现国际空间站上述系统不兼容的问题。

“1+1=1”、或者说“1+1+1=1”是我国建设空间站的核心理念之一,也是难点所在。比如,三舱并非同步研制且核心舱先于实验舱一年发射,这样的安排能够使空间站的建造更加稳妥,但也带来了三舱系统设计与集成验证的难度;作为第一个“1”,核心舱既要能独立以单舱空间站模式运行,又要作为枢纽将两个实验舱多维度融合,要求其功能必须最完整,系统能力最强;两个实验舱必须以完好的功能性能构成完整的T形“核心组合体”,无形中又对实验舱发射、交会对接、以及转位任务实施的可靠性提高了要求。

系统工程实践,科学思想先于工程。纵是千难万险,轻舟正过万重山峦。

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