空间不够？“太空之家”扩建花样翻新

近日，据央视报道，中国空间站将迎来“二次扩容”。放眼全球，“太空之家”的扩建思路各有千秋，背后暗藏着顶尖航天技术的考验和较量。而“太空之家”每一次扩建升级，都在为航天工作者探索、利用太空资源搭建更合适的支持平台，以便拓展新用途，收获更多成果。

“立骨架”与“搭积木”

随着任务不断深化，“太空之家”逐渐面临航天员驻留、物资存储、设备运行等“空间饱和”的情况。随着太空科研任务、国际合作任务越来越多，中国空间站有必要在不久的将来启动扩容升级，避免科研项目“长期排队”，还能为飞船、航天飞机、新舱段等提供对接“泊位”，创造更多机遇。那么，怎样扩建“太空之家”？

随着航天技术迭代、运营方需求多样化，空间站扩建思路也不断花样翻新，形成了各具特色的模式。

国际空间站以桁架为基本“骨架”

国际空间站是目前规模最大的多国合作载人航天设施，各方在规划和建设之初“心气高”，于是选择了桁架式结构，耗时10余年不断完善。简单地说，国际空间站将大型金属桁架当作整体“骨架”，允许美、俄、欧、日等多方分别研制实验舱、居住舱、节点舱等，逐步对接在桁架上，最终总重超过400吨。

这种扩建模式有利于快速整合多方技术与资源，但也存在不足：各方研制的舱段技术标准不统一，对接接口、能源系统、通信系统等互不兼容，后期维护难度更大。而且，“骨架”固定后，国际空间站后续灵活扩展就比较麻烦了，运营成本居高不下。

中国空间站选择了模块化渐进式扩建的特色方案。形象地比喻，这座“太空之家”就像“搭积木”，先部署核心舱，再逐步对接舱段，稳步升级构型，确保每一步扩建都有成熟的在轨验证技术基础，安全可控。

据公开信息显示，中国空间站“二次扩容”的核心措施是在天和核心舱的前向对接口增加一个多功能扩展舱段，也就是从“T”字构型升级为“十”字构型。未来，它还有可能继续扩建为“干”字构型，总重量将达到180吨级。

此外，全球航天界正在探索更轻便、更廉价的空间站扩建方案。比如，充气式柔性舱段可以在发射时压缩、折叠，大幅节省火箭整流罩内部空间，便于部署入轨。随后，它能够迅速充气展开，形成超大舱段。我国已完成充气式柔性密封舱全流程技术验证，未来也许会给“太空之家”带来新的惊喜。

“精细活”攻克难关

在距离地面约400公里高度的近地轨道上，中国空间站以7.8公里/秒的高速绕地球飞行。想扩建这座100吨级“太空之家”，堪称在太空中完成“精密微创手术”，必须在每一个环节做好“精细活”。

中国空间站目前维持着“T”字构型

大吨位舱段的发射与精准交会对接，是空间站扩建需要攻克的第一道难关。

为了满足新任务的需求，新舱段的尺寸和吨位往往会更大，对火箭运力、整流罩尺寸提出了更高的要求。因此，大型火箭和整个发射系统需要“勇担重任”，积极升级。

随后，新舱段将与空间站交会对接，被誉为“太空穿针”。两个大尺寸、大吨位的高速飞行航天器必须做到毫米级位置对接、0.1度以内姿态对齐，还要精细控制相对速度。这时候，全相位自主快速交会对接技术迎来了“用武之地”。它融合了激光雷达、视觉导航等高精度感知设备，助力新舱段自主规划飞行路径，实时调整飞行姿态，无论从哪个方向接近空间站，都能实现精准、安全对接。

新舱段成功对接空间站后，怎样确保结构稳定与姿态控制，成为第二道难关。

空间站构型改变后，质量分布、重心位置必然会有较大变化。而微流星撞击、貌似微弱的高层大气阻力、舱段对接产生的冲击力等都可能会造成“太空之家”异常振动、姿态偏移，甚至影响整体结构安全。

科研人员需要通过海量的力学仿真模拟，“提前”测算“太空之家”的情况，再借助形成弱撞击的对接机构，缓冲对接产生的冲击力。同时，高精度陀螺、控制力矩陀螺、姿控发动机等“并肩上阵”，毫秒级微调修正，确保“太空之家”平稳运行。

之后，还有第三道难关，就是空间站扩建后必须系统适配顺利、保障能力升级。简单地说，新舱段接入后，整个空间站的能源供应、热控循环、生命保障、通信数据等都要“无缝兼容”，确保所有接口、数据、功能完全匹配。

为此，新一代空间站设计之初就采用了全标准化接口，舱段能够“即插即用”，帮助新舱段尽快融入整体。

随着空间站的能源需求持续提高，天地团队需要为它安装更多的新型柔性太阳能电池翼，大幅增强发电能力，再借助智能电力调度系统，给各舱段合理分配能源。

热控系统也需要升级辐射散热器与温控材料，应对超过300摄氏度的太空极端温差，维持舱内恒温环境。

生命保障系统有必要进一步优化水资源再生、氧气循环技术，帮助更多航天员长期生活更安全、更舒适。

“解锁”新功能新业务

随着空间站持续扩建，摆脱空间不足、“泊位”紧张的限制，有潜力从科研实验平台进一步升级为多功能“太空母港”。

未来中国空间站扩建为“干”字构型想象图

在空间科学研究领域，空间站的实验空间大增后，可以部署更多实验机柜，同时开展大量科研任务，覆盖空间生命科学、微重力物理、空间材料、天文观测、地球科学等更多领域。

新舱段还能开辟前沿科学研究的“专属领地”，高效联动空间望远镜等，深入探索宇宙奥秘。舱外暴露平台也可以搭载更多大型试验设备，充分利用近似真空、强辐射、微重力的特殊环境，为航天器升级、新材料制备等提供宝贵数据。

在国际航天合作领域，由于扩建后对接口增加，“太空之家”将停靠更多载人飞船、货运飞船、航天飞机等，显著提升人员、物资的资天地周转效率，进一步扩大开放，迎接更多国家航天员入驻，承接各国、各国际组织的科研载荷，促进国际太空实验合作、技术交流，让太空探索在更活跃的思想“碰撞”中收获更大的成果价值。

随着航天产业蓬勃发展，更广泛的社会力量积极参与航天活动。空间站扩建后，有潜力成为新技术“孵化器”与商业航天“服务站”。

一方面，空间站将有更多扩展接口，可以对接创新实验舱，助力研究在轨维修机器人、太空3D打印机、新型推进系统等前沿技术设备，不断为深空探测和太空资源开发、太空制造等“磨炼功力”，加强技术储备，成为沟通近地轨道与深空的重要“枢纽”。

另一方面，相关技术测试成熟后，空间站将不断拓展业务，如在轨维修、大容量“太空加油”、灵活寄存/部署多功能服务航天器等，降低商业卫星和高价值航天器的运行成本。

未来，空间站还有可能创新运营模式，灵活接受商业舱段“挂靠”，助力新概念技术转化应用，不断扩大太空旅游、太空拍摄等新兴市场，推动航天事业可持续发展。

总之，“太空之家”扩建历程是人类航天技术稳步发展、积极创新的生动缩影。人类探索太空的脚步永不停歇，空间站每一次扩容都意味着人类开发利用太空资源的水平不断提高。未来，随着空间站持续升级扩容，人类更多太空探索梦想终将照进现实。

来源/中国航天报、《飞天科普周刊》