天和核心舱
中国空间站核心舱
天和核心舱(代号“TH”,英文名:Tianhe Core Module)是中国天宫空间站的核心舱,也是首个被发射入轨的舱段。它由(航天科技五院)总体设计部抓总研制,是天宫空间站的管理和控制中心,也是航天员长期驻留的主要活动场所,具备长期自主飞行能力。
天和核心舱由节点舱、小柱段、大柱段、后端通道和资源舱组成。整体轴向总长16.6米,舱体最大外直径4.2米,翼展宽度28.4米,平台重量21.1吨,起飞质量22.5吨,设计寿命不小于15年。
北京时间2021年4月29日中午11时23分,天和核心舱在文昌航天发射场101工位由长征五号B遥二运载火箭发射升空。2022年,天和核心舱先后与问天实验舱、梦天实验舱完成对接及转位,建成了总重约60吨的中国空间站“T”字基本构型。2024年10月30日11时,神舟十九号载人飞船与空间站天和核心舱前向端口成功对接,整个对接过程历时约6.5小时。
发展沿革
发展背景
中国载人航天发展战略总体规划
1992年9月,中国开始实施载人航天工程,并确定了载人航天“三步走”的发展战略,其中建造空间站为第三步也就是最后一步的建设目标:
随着载人航天工程开展,到2005年10月,通过神舟一号六艘载人飞船(含试验船),突破和掌握了载人天地往返技术,中国成为第三个具有独立开展载人航天活动能力的国家,中国载人航天工程第一步任务目标已经实现。
到2008年,航天员顺利完成,按后续规划,与数艘交会对接的相关任务,突破和掌握航天员出舱活动技术和空间交会对接技术,建成我国首个试验性空间实验室,第二步第一阶段任务已全面完成。2010年9月,中国批准《载人空间站工程实施方案》,空间站工程立项,并提出了分步完成载人空间站的工程设想。工程分两个阶段,第一阶段是在2016年前后,研制并发射8吨级,突破和掌握航天员中期驻留、再生式生命保障以及中国货运飞船补加等空间站关键技术,开展一定规模的空间应用;第二阶段是在2020年前后,研制并发射基本模块为20吨级舱段组合的空间站,突破和掌握近地空间站组合体的建造和运营技术、近地空间长期载人飞行技术,开展较大规模的空间应用,为经济社会发展提供先进的空间技术平台。
任务明确
按照中国载人空间站的工程规划,由一个核心舱、两个实验舱组成基本构型,其中核心舱为空间站建设第一阶段——关键技术验证阶段的任务核心,发射入轨后需要先后与、十三号以及对接,完成空间站补加、再生生保、柔性电池翼和驱动机构、大型柔性组合体控制、组装建造、舱外操作、在轨维修等七大关键技术验证,为实施空间站组装建造和长期运营任务奠定基础。
研制历程
2012年3月,中国空间站进入方案设计阶段,首先将空间站组合体作为一个整体进行系统方案设计,得到对各组成舱段的技术要求,然后再据此开展各舱段方案设计。2014年6月,进入初样研制阶段,首先开展空间站系统详细方案设计,然后各舱段并行开展详细方案设计和试验测试验证工作。
2018年11月,天和核心舱的工艺验证舱在中国国际航空航天博览会亮相,该舱段与真实舱段为1:1关系,状态几乎一致,说明天和核心舱的基本方案已经确定,设有3个对接口和2个停泊口、1个出舱口。次年9月,天和核心舱完成初样研制,转入正样研制阶段,并完成了力学、热学试验,在出厂之前,又进行了三舱联试试验,验证了三舱接口的匹配性、三舱功能融合设计以及组合体飞行方案与飞行程序的正确性。
2020年5月5日18时,长征五号B运载火箭首飞取得圆满成功,本次发射成功将搭载的和柔性充气式货物返回舱试验舱送入预定轨道,实现空间站阶段飞行任务首战告捷,也拉开了中国载人航天工程“第三步”任务序幕。2021年初,天和核心舱完成出厂评审,建造任务转入实施阶段,同一时期,航天员乘组已经确定。2021年4月23日,空间站天和核心舱与组合体已转运至发射区,后续将按计划开展发射前的各项功能检查、联合测试等工作。发射场设施设备状态良好,工程各参研参试单位正在全力备战。
2021年5月30日5时01分,天舟二号货运飞船和天和核心舱顺利实现快速交会对接。天舟二号货运飞船成为首个停靠空间站核心舱的航天器。
命名由来
在对征集结果都评审和研究过程中,强调既注重单个名称的内涵,又要保持全套名称的系统性、协调性和互补性,同时还应体现时代特色和进取精神。
基于各界对“”的好评和喜爱,也由于载人航天一线科技工作者对“天宫一号”的深厚感情,最终决定沿用“天宫”作为载人空间站的整体名称,它既有中国人对空间站的想象,也有浑厚、大气的特质。
在核心舱的命名选择上,工程一线科技人员提出取名“天和”的意见,既有“天地人和”之意,喻指宇宙和谐相处,并可较好地体现核心舱聚拢、团结其它各舱段的含义。这一提法得到了认可,并成为核心舱的最终名称。
技术特点
总体设计
天和核心舱是组合体控制和管理的主份舱段,是空间站的管理和控制中心,具备交会对接、转位与停泊、乘组长期驻留、航天员出舱、保障空间科学实验的各项能力。天和核心舱全长16.6米,最大直径4.2米,发射质量22.5吨,整个舱内空间总容积约为50m³,可支持3名航天员长期在轨驻留。核心舱从前到后按功能分为三个舱段:节点舱、生活控制舱和资源舱,共配置了3个对接口、2个停泊口和1个出舱口,设计寿命为15年(经维修)。对接口用于载人飞船中国货运飞船及其他飞行器访问空间站,停泊口用于两个实验舱与核心舱组装形成空间站组合体,出舱口主要供航天员出舱活动。
节点舱
节点舱是核心舱作为空间站系统与其他舱段相连的主要部位,具有2个对接口、2个停泊口,同时兼做空间站早期阶段航天员出舱活动使用的气闸舱,还具有1个出舱口。2个停泊口位于节点舱的左右两侧,称为侧向停泊口;出舱活动口在节点舱上方(远离地球方向);2个对接口分别位于节点舱的前端和下方,分别称为前向对接口和径向对接口。
生活控制舱
生活控制舱从尺寸上看,前半部分为小柱段、后半部分为大柱段,大柱段直径4.2米,小柱段直径2.8米,主要用于空间站的统一控制和管理,以及航天员生活,具备长期自主飞行能力,能够支持航天员长期驻留,支持开展航天医学和空间科学实验。小柱段有三个睡眠区,每名航天员都有一个独立的睡眠区,还有卫生间。大柱段是乘组工作、控制、锻炼和休闲的地方,环境非常舒适。
资源舱
资源舱位于核心舱的后端,直径4.2米、高度2.1米,舱内安装的推进模块携带了1.8吨推进剂,该模块是空间站三个组成舱体中,唯一具备接收推进剂补加功能的模块,为空间站组合体的长期在轨运行提供动力支持。
特色分系统
环控生保系统
为了让航天员实现更久在轨停留,空间站设计了完整的可再生生命保障系统。由水处理、尿处理、电解制氧、去除、二氧化碳还原和微量有害气体去除六大子系统构成,在密封的舱室内建立了一个类似地球环境的可循环系统。航天员呼出的水蒸气会通过冷凝水方式回收,排泄的尿液也会回收净化,重新作为饮用水和生活用水使用。而电解制氧时产生的与航天员呼出的二氧化碳,将通过化学反应生成
机械臂系统
天和核心舱携带了一支长10米、最大负载25吨的机械臂,采用了仿生设计,如同人的手臂,分为肩、肘、腕关节,具备7个自由度的活动能力,能真实地模拟人手臂的灵活转动。在机械臂的末端,还配备了视觉测量系统、力传感器、执行器等,能够像人的一样,抓取在轨的舱段或者货物,也可以带着航天员在空间站外部转移,比航天员自己移动要快很多。机械臂还应用了重定向技术,也就是能够在空间站的外表自行移动,通过机械臂两端的执行器和空间站表面的适配器,机械臂的活动范围可以覆盖整个空间站,能够用来完成舱段转位、辅助出舱、货物转移等许多复杂的任务。
能源系统
天和核心舱上使用了大面积的柔性可展开太阳能电池翼和配套的能源管理系统。
柔性可展开太阳能电池翼是中国首次应用相关技术,由增强铝基复合材料制成,集成了面积轻量化、重复展收高可靠、低轨10年在轨长寿命、刚柔并济高承载等四大全新技术。与传统的刚性或半刚性太阳电池翼相比,柔性翼体积小、展开面积大、功率重量比高,天和所携带的太阳能电池翼双翼展开后完整面积达到134㎡,但全部折叠收拢后只有一本书那么厚,是传统太阳能电池翼的1/15,与此同时,仅单翼的发电功率就达到了9kW,在满足舱内所有设备正常运转的同时,也完全可以保证航天员在空间站中的日常生活。
电源系统则采用转换效率30%以上的三结电池片以及先进的锂蓄能电池,当空间站建成后,多个舱段实行电源并网、统一发电,当空间站运行到地球的阴影区、无法利用太阳能发电时,锂离子蓄电池将保持对舱体的供电。
推进系统
为实现至少在轨运行15年的设计寿命要求,核心舱推进系统成为了截至目前中国航天飞行器当中最为复杂的推进系统。
天和核心舱配置了补加系统,且首次实现了完全自动化,即核心舱在进行在轨推进剂补加的过程中,使用自动补加程序,可实现完全自主补加,不再需要地面指令干预或是航天员的辅助。在天和核心舱的前、后向对接端口均配置了补加接口,保证了在天和核心舱前向对接口或后向对接口对接时均可为中国空间站补加推进剂,提高了任务的可靠性。
天和核心舱的推进系统同时配备了化学推进系统和电推进系统,其中化学推进系统作为航天常用的常规动力系统,配备了4台轨控发动机、22台姿控发动机。
除了传统的化学推进系统,天和核心舱上还配置有中功率(0.5一10kW)霍尔电推进系统,包括4台80mN和2个贮气模块,推力器的工质为,贮气模块可通过机械臂在轨更换。具有精确调整、工作时间长的特性,可减缓空间站轨道衰减速度,还可为空间站节省,减轻了补给运输的压力,这也是人类首次在载人航天领域应用电推进技术。
天和的推进系统还首次配备了航天员出舱更换维修的方案,控制驱动器、霍尔电推进发动机气瓶等设备均可由航天员出舱在轨更换维修,全力确保至少15年使用寿命期间内推进系统始终保持正常可靠工作。
姿控系统
为满足空间站长期、稳定运行的需要,天和核心舱搭载了6台大型控制陀螺,角动量达到1500Nms,安装在核心舱大柱段与小柱段连接锥面外壁上,具有精度高、响应快、寿命长、可靠性高等优点,除了零燃料消耗,还能对航天器柔性部件的干扰缩减到最小。
实验载荷
天和核心舱承载有开展空间科学研究的任务,舱内除空间站运行所需的必要设备和系统外,还搭载了科学实验柜,根据发布的科学实验资源手册,天和核心舱内搭载的实验柜有:
(资料来源:)
研究规划
根据飞行任务规划,空间站工程分为关键技术验证,建造和运营分3个阶段实施,其中关键技术验证阶段安排了长征五号B运载火箭首飞、天和一号试验核心舱、神舟飞船天舟一号货运飞船飞船等6次飞行任务;建造阶段安排了问天舱、梦天舱、神舟飞船、天舟一号货运飞船飞船等6次飞行任务。
中国空间站命名为“天宫”,具有鲜明的中国特色和时代特征,总体方案优化,通过交会对接和转位组装构成空间站本体。其基本构型包括天和核心舱、问天实验舱Ⅰ和梦天实验舱Ⅱ,每个舱段规模20吨级。空间站在轨运行期间,由神舟载人飞船提供乘员运输,由天舟货运飞船提供补给支持。空间站设计寿命10年,可根据需要,通过维护维修进一步延长寿命。额定乘员3人,乘组轮换期间短期可达6人。
天和舱用于空间站的统一管理和控制以及航天员生活,有3个对接口和2个停泊口。停泊口用于问天舱、梦天舱与天和舱组装形成空间站组合体;对接口用于神舟飞船、天舟飞船及其他飞行器访问空间站。
发射及在轨活动情况
中国空间站关键技术验证
2021年4月23日,天和核心舱与组合体在文昌发射中心转运至发射区,按计划开展发射前的各项功能检查、联合测试等工作。
2021年4月29日,搭载空间站天和核心舱,在海南文昌航天发射场发射升空。中国空间站建设任务正式启动。
2021年5月30日,天和核心舱与完成在轨对接,补充了航天员生活物资、舱外航天服及空间站平台设备、应用载荷和等物资。本次对接采用自主快速交会对接模式,历时约8小时,对接于天和核心舱后向端口,按计划开展了推进剂在轨补加和空间站应用项目设备测试等工作。2022年3月31日,飞船返回大气层,整个任务期间,天和核心舱与天舟二号进行了4次交会对接,验证了与空间站的2小时快速交会对接技术和舱段转位技术,为后续空间站在轨组装建造积累了经验。
2021年6月17日,天和核心舱(与天舟二号组合体)与神舟十二号载人飞船完成对接,航天员聂海胜进入核心舱。本次对接采用自主快速交会对接模式,历时约6.5小时,这也是天和核心舱首次与进行的交会对接。9月17日,返回并成功着陆,任务期间先后与天和核心舱完成了前向对接、绕飞和径向交会,并验证了相关技术。
2021年9月20日,天和核心舱(与组合体)与完成对接,补充了航天员生活物资、舱外航天服及出舱消耗品、空间站平台物资、部分载荷和等物资。本次对接采用自主快速交会对接模式,历时约6.5小时,飞船对接在核心舱后向端口,构成三船(舱)组合体。2022年7月17日,撤离空间站,27日,天舟三号飞船再入大气层,任务期间,核心舱与飞船进行了2次交会对接,进行了绕飞试验,为空间站在轨建造和运营管理积累了重要经验。
2021年10月16日,天和核心舱(与、三号组合体)与神舟十三号载人飞船完成对接,航天员、王亚平、进入核心舱。本次对接采用自主快速交会对接模式,历时约6.5小时,飞船对接于天和核心舱径向端口,构成四舱(船)组合体。这是核心舱和中国的首次径向交会对接。2022年4月16日,神舟十三号飞船顺利返回,标志着关键技术验证阶段最后一次任务圆满成功。
中国空间站在轨建造
2022年5月10日,天和核心舱(与组合体)与天舟四号完成对接,补充了分属于航天员系统、空间站系统、空间应用领域、货运飞船系统的共计200余件(套)物资,补加约750千克。本次对接采用自主快速交会对接模式,历时约6.5小时,飞船对接在核心舱的后向端口。天舟四号飞船任务揭开了中国空间站在轨建造阶段的大幕,是一艘全密封货运飞船,2022年11月15日,天舟四号返回。
2022年6月5日,天和核心舱(与天舟三号货运飞船、四号组合体)与神舟十四号载人飞船完成对接,航天员、刘洋、进入核心舱。核心舱与三艘飞船组成了“一舱三船”构型。2022年7月25日,天和核心舱(与、天舟四号组合体)与问天实验舱对接成功,问天舱对接与核心舱的前向端口,当天,航天员进入实验舱。9月30日,问天舱与核心舱分离后完成转位,重新对接在天和核心舱节点舱的侧向端口,组成了组合体的“L”形构型。
2022年11月1日,空间站组合体(含神舟十四号、天舟四号)与梦天实验舱完成对接,梦天舱对接于天和核心舱前向端口。3日,梦天实验舱完成转位,中国空间站“T”字构型组装完成。2022年11月12日,中国空间站组合体与完成对接,本次对接采用自主快速交会对接模式,历时约2小时,创下了航天器最快交会对接的世界纪录,并为空间站补加1.4吨、补充物资5.3吨。
2022年11月30日,组合体与神舟十五号载人飞船完成对接,飞船对接于天和核心舱前向端口,整个对接过程历时约6.5小时。2022年12月4日,乘组成功返回。2022年12月31日,中国国家主席习近平在新年贺词中向全世界郑重宣布:“中国空间站全面建成”。
中国空间站在轨运营
2023年5月11日,空间站组合体与完成对接,飞船对接于天和核心舱后向端口,中国空间站进入应用与发展阶段。
2023年5月30日,空间站组合体与神舟十六号载人飞船完成对接,飞船对接于天和核心舱径向端口。2023年6月4日,乘组成功返回。
2024年10月30日11时,神舟十九号载人飞船入轨后,成功对接于空间站天和核心舱前向端口,整个对接过程历时约6.5小时。按任务计划,3名航天员随后将从神舟十九号载人飞船进入空间站天和核心舱。
获得荣誉
2022年2月28日,中国空间站天和核心舱成功发射,神舟十二号、十三号载人飞船成功发射并与天和核心舱成功完成对接事项被选入2021年度中国科学十大进展。
参考资料
空间站天和核心舱发射任务取得圆满成功.中国载人航天工程.2023-06-23
中国空间站轨道参数.中国载人航天工程.2023-06-23
工程简介.中国载人航天工程.2023-06-18
2005――人类航天成就辉煌.中国政府网.2023-06-18
回眸|我国天宫空间站研制及建造进展.中国载人航天工程.2023-06-27
有品质的新闻.人民日报-.2021-04-23
集大众智慧于探索 融中华文化于飞天.中国载人航天工程.2023-06-28
天舟四号受控再入大气层任务顺利完成.中国载人航天工程.2023-06-27
天舟五号“问天”记.中国政府网.2023-06-27
2021年度中国科学十大进展揭晓!.微信公众平台.2023-11-27
目录
概述
发展沿革
发展背景
中国载人航天发展战略总体规划
任务明确
研制历程
命名由来
技术特点
总体设计
节点舱
生活控制舱
资源舱
特色分系统
环控生保系统
机械臂系统
能源系统
推进系统
姿控系统
实验载荷
研究规划
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中国空间站关键技术验证
中国空间站在轨建造
中国空间站在轨运营
获得荣誉
参考资料