空间站

定义

空间站是一种体积较大、具备一定试验或生产能力，可容纳多名航天员巡访并在轨长期工作和生活的载人航天器^[2]。它与载人飞船、航天飞机同属载人航天器，区别在于空间站在太空长期运行、不返回地面，主要承担观天看地、空间科学研究、太空生产和在轨服务等任务，而飞船与航天飞机主要起天地往返运输作用^[2]。

空间站在轨期间依靠载人飞船或航天飞机接送航天员，依靠货运飞船运送物资与设备^[1]。按构型可分两类：单模块式空间站由运载火箭一次送入轨道，多模块式空间站则由多个舱段在轨道上对接组装而成^[2]。

原理

空间站在近地轨道上高速环绕地球运行，其速度与地球引力共同作用使航天器持续处于自由落体状态，舱内因此呈现失重环境^[4]。失重并不意味着引力消失，而是人、物与站体以相同加速度一并下落，彼此之间不再有支撑的感觉，这一环境成为微重力科学实验的基础^[4]。

舱内环境由环境控制与生命保障系统维持，其功能包括供氧、供水、去除二氧化碳、过滤空气、保持气压与温湿度，并在各舱段之间分配空气^[5]。该系统通常包含水回收与制氧两个主要部分：前者把乘员的尿液和废水净化后重复使用，后者以电解方式把水分解为氧和氢^[5]。中国空间站采用再生式生命保障方案，涵盖电解制氧、再生式二氧化碳去除、微量有害气体吸收以及冷凝水与尿液处理等设备，由核心舱统一控制舱内气体成分、压力、温湿度并管理水回收^[6]。

电力来自太阳能电池帆板。以国际空间站为例，其太阳翼由大量硅太阳能电池组成，通过光伏效应把光直接转换为直流电，四组太阳翼合计可发出 84 至 120 千瓦电力，日照期约 60% 的电量用于给蓄电池充电，以便在地影期继续供电^[5]。中国空间站的电源采用转换效率 30% 以上的三结砷化镓电池片与锂蓄能电池，实验舱使用两自由度柔性太阳翼，可借助驱动机构对日定向^[6]。

在真空中热量无法依靠传导和对流散失，只能以辐射方式交换，因此空间站外表面需要专门的热控设计^[4]。舱段之间的连接与人员物资转运依托交会对接技术，航天器须精确进入与空间站相匹配的轨道后才能完成对接。

发展历程

1971 年 4 月 19 日，苏联发射礼炮 1 号，这是人类第一座空间站，由轨道舱、服务舱和对接舱组成，总重约 18.5 吨^[3]。此后苏联在 1971 年至 1985 年间共发射礼炮 1 号至礼炮 7 号，开展天体物理、航天医学、航天生物学等研究^[7]。美国于 1973 年 5 月 14 日用土星 5 号运载火箭发射天空实验室，全长 36 米，总重 77.5 吨，可提供约 360 立方米工作场所，先后接纳 3 批航天员^[3]。

苏联于 1986 年 2 月 20 日发射和平号核心舱，此后逐步对接多个模块，形成世界上第一座采用多模块积木式构型的长久性空间站，其设计工作始于 1976 年^[3]。和平号于 2001 年 3 月 23 日受控再入大气层，残骸落入南太平洋预定海域^[8]。

1998 年 11 月 20 日，国际空间站第一个组件、由美国出资、俄罗斯制造的曙光号功能货舱由质子号火箭从拜科努尔发射场发射入轨，该舱重约 20 吨、长 13 米，用作空间站的基础舱^[9]。国际空间站由美国、俄罗斯、日本、加拿大及欧洲航天局成员国等 16 国共同建设，其计划最早于 20 世纪 80 年代由美国提出。2000 年 11 月起航天员开始长期驻留，站体总重约 472 吨，运行高度约 352 千米^[9][10]。

中国于 1992 年 9 月 21 日立项实施载人航天工程，确定分三步走，建造空间站是第三步目标^[11]。2021 年 4 月 29 日 11 时 23 分，天和核心舱在文昌航天发射场由长征五号 B 遥二火箭发射入轨，中国空间站在轨组装建造全面展开^[12]。天和核心舱起飞质量 22.5 吨，全长 16.6 米，最大直径 4.2 米，用作空间站统一控制与管理的主份舱段^[12][13]。此后问天、梦天两个实验舱先后与核心舱对接，形成 T 字构型组合体，2022 年 12 月 31 日中国空间站全面建成^[14][15]。

应用

空间站的首要用途是提供长期微重力实验平台。微重力条件下对流与浮力基本消失，可实现地面上难以获得的材料凝固、流体行为与燃烧过程观测条件^[16]。空间生命科学也借此研究长期失重与空间辐射对人体的影响，相关数据显示人在空间生活一个月约损失 1% 骨质，肌肉亦会萎缩^[17]。

对地观测与天文观测是另一类内容。天空实验室携带阿波罗望远镜等仪器，主要观测太阳和地球。2011 年，由丁肇中主持建造的阿尔法磁谱仪被安装在国际空间站上，用于探测宇宙粒子，参与机构来自 16 个国家和地区的 56 家单位^[18]。

中国空间站建成后进入应用与发展阶段。截至 2025 年 1 月，已在轨实施 181 项科学与应用项目，上行科学物资近 2 吨，获取科学数据超过 300TB，并首次在空间获得水稻与再生稻新种质资源^[15]。空间站建成两年间共完成 4 次载人飞行、3 次货运补给、4 次飞船返回，5 个航天员乘组、15 人次在轨长期驻留^[15]。

局限

空间站无法自行往返地面，其运转高度依赖运输系统。航天员的接送与物资补给全需由飞船或航天飞机完成，一旦运输中断，站上活动即受制约^[1]。早期单模块空间站受运载能力限制，一次发射即定型，容积与扩展余地都较小，多模块方案才缓解了这一限制^[2]。

造价与维持费用高昂。国际空间站耗资近 1000 亿美元，美国航天局每年为其投入约 37 亿美元，其余伙伴国合计约 15 亿美元，其科学产出与经济回报长期受到讨论^[9][19]。该站原设计寿命 10 至 15 年，实际使用期被多次延长，结构完整性评估可维持到 2028 年^[9][19]。

长期失重环境对人体构成生理负担，骨质流失、肌肉萎缩、心血管与免疫功能改变等问题难以完全避免，因此驻留时间与防护措施受到限制^[17]。退役后的处置也需严格控制：体积庞大的空间站不能留在轨道成为碎片源，须受控再入，让残骸落入预定海域，和平号即按此方式于 2001 年 3 月 23 日坠入南太平洋^[8]。

参见

• 载人飞船 —— 承担空间站乘员往返与应急救生的天地往返运输器。

• 货运飞船 —— 为空间站运送推进剂、物资与设备的补给航天器。

• 国际空间站 —— 由 16 国合作建造、目前在轨规模最大的空间站。

• 中国空间站 —— 由天和核心舱与问天、梦天实验舱组成的 T 字构型空间站。

• 和平号空间站 —— 世界上第一座采用多模块积木式构型的长久性空间站。

• 交会对接 —— 航天器与空间站在轨道上精确接近并连接的关键技术。