天宫空间站组成、轨道、运行与日常

天宫空间站，作为中国自主建造的载人空间站，是一个在近地轨道运行的大型空间设施。它并非一个单一的整体，而是由多个模块在太空中组装而成，执行着科学研究、技术验证和载人驻留等多项任务。本文旨在围绕天宫空间站的具体构成、运行方式、轨道特性以及航天员的日常等方面，解答一些关于它是什么、在哪里、如何运行等核心问题，提供详实具体的信息。

天宫空间站是什么？它的主要构成有哪些？

天宫空间站是一个模块化设计的空间站，由多个舱段在轨组装而成。它的基本构型是稳固的“T”字形，包括三个主要舱段：

• 天和核心舱 (Tianhe, TH): 这是空间站的管理和控制中心，也是航天员居住、生活和进行部分科学实验的主要场所。核心舱拥有三个对接端口（前向、后向、径向）和一个节点舱，用于连接其他舱段和来访飞船。它提供了空间站的动力、控制、通信、环控生保等核心功能。
• 问天实验舱 (Wentian, WT): 作为空间站的第二个舱段和第一个科学实验舱，它主要用于开展空间科学与应用实验，提供航天员工作和休息空间，并配备了气闸舱和小型机械臂。问天实验舱也具备备份核心舱的功能，可以在核心舱出现故障时接管部分控制任务。其气闸舱是航天员出舱活动（太空行走）的主要通道。
• 梦天实验舱 (Mengtian, MT): 这是空间站的第三个也是最后一个主要舱段，同样是一个重要的科学实验平台，专注于微重力科学、空间材料科学等实验。梦天实验舱也拥有一个货物气闸舱，可以实现自动化或半自动化的小型载荷出舱和返回站内。它与问天实验舱对称分布在核心舱两侧，共同构成“T”字的两个横臂。

这三个主要舱段通过核心舱的节点舱段对接形成主体结构。未来，天宫空间站还计划对接“巡天”空间望远镜，它将与空间站共轨飞行，进行独立观测，并在需要维护或补给时对接空间站。

天宫空间站运行在哪里？它的轨道有什么特点？

天宫空间站运行在距离地球表面约 340 至 450 公里的近圆轨道上，这个高度范围被称为近地轨道（LEO）。选择这个高度有几个原因：

• 发射和补给的可行性: 较低的轨道高度使得发射载人和货运飞船到达空间站所需的能量和成本相对较低。
• 地球观测: 处于近地轨道便于对地球进行高分辨率的观测和研究。
• 大气阻力: 虽然轨道高度有微弱的大气，会产生阻力导致轨道衰减，但这个高度的大气密度较低，衰减速度相对缓慢，可以通过少量轨道维持操作来抵消。

其轨道倾角约为 41.5 度。这意味着空间站的轨道平面与地球赤道平面之间有一个大约 41.5 度的夹角。这个角度的选择，使得空间站能够覆盖中国绝大部分国土上空，方便地面测控站进行跟踪、通信和数据交换。同时，这个倾角也使其能够覆盖全球大部分人口聚居的区域，有利于国际合作。

在这个轨道上，天宫空间站每天绕地球飞行约16圈，每90分钟左右即可完成一个完整的轨道周期，这意味着在空间站上的航天员每天会经历大约16次日出和日落的循环。

天宫空间站有多大？可以容纳多少人？

天宫空间站完全建成后的总质量约为 66 吨（包括核心舱和两个实验舱）。虽然相比国际空间站（ISS）约420吨的质量小，但其内部空间设计紧凑高效。

内部可用容积方面，天和核心舱、问天实验舱和梦天实验舱的总内部容积超过 110 立方米，为航天员提供了相对宽敞的生活和工作环境，这大致相当于一个三居室公寓的内部空间。

在常态下，天宫空间站可以支持 3 名航天员长期在轨工作和生活，这构成了一个标准的乘组。在乘组轮换期间，当新的乘组到达而旧的乘组尚未离开时，空间站最多可实现 6 名航天员的短期在轨共存，以确保任务的顺利交接和适应。

天宫空间站开展哪些类型的科学实验？

天宫空间站是中国重要的空间科学研究平台，其核心舱和两个实验舱内配置了多种先进的实验柜，支持在轨开展跨越多学科领域的科学实验，主要包括：

• 空间生命科学与生物技术: 研究微重力、空间辐射等环境对细胞生长、发育、遗传、生理生化过程的影响，进行空间生物培育（如植物、小型动物），以及在轨药物研发、空间组织工程等。
• 空间材料科学: 在微重力环境下研究晶体生长、合金凝固、材料合成、燃烧过程等现象，探索地面重力环境下难以实现或观察到的物理和化学过程，以获得高性能新材料或理解基础物理规律。
• 微重力流体物理与燃烧科学: 研究流体在微重力下的表面张力驱动行为、相变过程、热物理过程以及燃料在微重力下的燃烧特性和火焰行为，这对航天器热控、燃料管理以及地面消防安全研究具有重要意义。
• 空间天文与地球科学: 利用安装在空间站舱体外部的载荷对宇宙进行观测，例如X射线探测、伽马射线暴监测等。同时，通过高分辨率相机等设备对地球进行观测，用于环境监测、资源勘查、防灾减灾等。未来共轨飞行的巡天望远镜将进行更深入和广阔的天文观测。
• 空间应用新技术: 验证和测试用于未来深空探测、月球探测、行星探测的新型航天技术、设备性能以及航天员在长期太空飞行中的健康监测、心理支持等保障技术。

每个实验柜都根据不同实验需求提供了特定的环境控制（如温度、湿度、真空）、电源、数据接口以及显微镜、离心机、培养箱等辅助设备。航天员在轨根据地面指令和预设程序操作这些实验设备。

天宫空间站是如何在太空组装和维护的？

天宫空间站的组装是一个分阶段进行的复杂过程，主要依赖于精确的发射、对接和机器人操作：

1. 核心舱发射: 首先，天和核心舱由长征五号B运载火箭发射入轨，它是空间站的基础和第一个组成部分。
2. 实验舱发射与前期对接: 随后，问天实验舱和梦天实验舱也分别由长征五号B火箭发射。它们会自主或在地面控制下，通过精确的交会对接技术，与核心舱的前向对接口进行对接。
3. 平面转位: 实验舱对接至核心舱前向对接口后，并非永久位置。利用实验舱自身携带的机械臂（问天）或通过地面指令配合核心舱的机械臂操作，实验舱会进行一个复杂的180度平面转位操作，将其从核心舱的前向对接口转移并重新对接至核心舱的侧向对接口上，最终形成“T”字构型。
4. 货运与载人飞船访问: 定期发射天舟货运飞船和神舟载人飞船。天舟飞船主要负责运送补给物资（食物、水、空气、备件、实验耗材、推进剂等）和新的实验载荷，对接在核心舱的后向对接口或实验舱的对接口。神舟飞船则负责运送航天员往返，通常对接在核心舱的径向对接口或前向对接口。

空间站的日常维护是保障其长期稳定运行的关键：

• 轨道维持: 空间站会受到稀薄大气的阻力影响导致轨道高度缓慢下降。地面会定期监测轨道参数，并通过空间站自身携带的推力器点火或利用对接的天舟货运飞船上的发动机进行轨道提升（“再补燃”操作），将空间站推回预定轨道高度范围。
• 环境控制与生命保障: 空间站内部有一套复杂的环境控制和生命保障系统（ECLSS），自动化运行以维持舱内适宜的温度、湿度、气压和气体成分（主要是氧气和氮气），并处理航天员产生的废水、废气和固体废物。部分水和氧气可以通过电解水等方式循环再生。
• 设备检修与升级: 航天员在轨负责检查和维护空间站内的各种设备，根据地面指令进行故障排查、部件更换或系统升级。地面团队则持续监控所有系统状态。
• 出舱活动（EVA）: 航天员通过问天实验舱的气闸舱执行太空行走任务，进行舱外设备的安装、维修、检查、载荷取出或放入等工作，这对于维护和升级空间站的外部设施至关重要。

神舟飞船和天舟飞船如何与天宫空间站互动？

神舟载人飞船和天舟货运飞船是天宫空间站的“生命线”和重要的交通工具，它们通过精确的交会对接技术与空间站连接，完成人员和物资的运输任务。

• 神舟载人飞船:

  神舟飞船的主要任务是运送航天员往返地球和天宫空间站。每艘神舟飞船通常搭载3名航天员。发射后，神舟飞船自主追踪并接近空间站，最终通过自动对接系统与空间站的对接端口连接。神舟飞船具备多个对接能力，可以对接在核心舱的径向端口或前向端口（当实验舱未永久对接时）。神舟飞船在新的乘组到达前，会一直停靠在空间站，作为航天员在紧急情况下的“救生艇”。当轮换进行时，新的神舟飞船到来，旧的乘组乘坐原飞船返回地球。

• 天舟货运飞船:

  天舟飞船是专门为天宫空间站设计的货运飞船，承担着向空间站运送各种必需品和实验载荷的任务。这些货物包括航天员的食物、饮用水、空气（通过气瓶或电解水补充）、衣物、个人卫生用品、备件、维修工具、科学实验设备和耗材，以及用于空间站轨道维持的推进剂。天舟飞船通常对接在核心舱的后向对接口或实验舱的对接口。在完成卸货和接收空间站内的废弃物后，天舟飞船会脱离空间站，再入地球大气层烧毁，其货物舱的设计确保了再入时的彻底销毁，不会对地面造成威胁。天舟飞船的运载能力强大，单次可以运送数吨的物资。

神舟和天舟飞船与空间站的交会对接过程高度自动化，地面测控中心进行全程监控和控制。航天员在站内或飞船内也具备手动控制对接的能力，作为自动模式的备份，以确保对接的成功率和安全性。

航天员在天宫空间站的日常生活是怎样的？

航天员在天宫空间站的生活虽然充满挑战，但也尽可能地模拟地面生活，以确保他们的健康、效率和心理状态。他们的日常生活遵循严格但有规律的作息安排：

• 作息时间: 通常按照北京时间（UTC+8）工作和休息。典型的一天包括约8小时的睡眠、约8小时的工作以及约8小时的个人时间，用于用餐、锻炼、个人卫生和休息。
• 睡眠: 航天员在核心舱或实验舱内有独立的睡眠区域，通常是一个小隔间，里面有一个睡袋。在微重力环境下，身体会飘浮，所以需要将自己固定在墙壁或睡袋中以防止撞到舱壁。
• 饮食: 空间站提供种类丰富的航天食品，这些食品经过特殊处理，易于储存、复水或加热，并考虑了营养均衡和口味。航天员会使用托盘和绑带固定食物，避免食物碎屑飘散。饮用水由地面运送或在站内通过回收系统（如尿液、汗液凝结水）净化产生。
• 个人卫生: 在微重力下洗澡是困难的。航天员主要使用湿巾擦拭身体进行清洁。洗头则使用免冲洗的洗发剂。刷牙、洗脸的方式与地面类似，但需要注意收集污水和泡沫。排泄物使用特殊的太空马桶，通过气流将固体和液体废物收集起来，固体废物压缩后储存在货运飞船中带回或随货运飞船焚毁，液体废物则进入水循环系统。
• 锻炼: 这是航天员在轨生活中至关重要的一部分。微重力会导致肌肉萎缩和骨密度下降。航天员每天需要进行约2小时的体育锻炼，包括在有束缚装置的跑步机上跑步、使用太空自行车以及拉力器等阻力训练设备，以维持肌肉力量和骨骼健康。
• 工作内容: 除了日常维护和检查站内设备，航天员的主要工作是进行科学实验、准备和执行出舱活动、与地面进行通信、操作机器人手臂、管理物资等。他们会根据地面团队的指令和预设的时间表进行各项操作。
• 休闲娱乐与沟通: 为了缓解长期隔离和单调环境带来的心理压力，空间站为航天员提供了多种休闲方式，包括阅读、听音乐、观看电影、玩游戏等。他们可以通过视频和语音通信与地面家人和朋友联络，保持与外部世界的连接。

尽管太空生活有诸多不便和挑战，但通过精心的设计和安排，天宫空间站努力为航天员提供一个尽可能舒适和高效的工作生活空间。

天宫空间站如何获取能量并与地面通信？

天宫空间站的能源供应和与地面的通信是确保其正常运行和任务执行的两个核心系统。

• 能量获取:

  天宫空间站的主要能量来源是太阳能。天和核心舱、问天实验舱和梦天实验舱都展开了巨大的太阳能帆板。这些帆板采用了先进的柔性或半刚性材料，具有高能量转换效率和良好的展开性能。它们可以自动调整角度，始终朝向太阳以最大化吸收太阳光能。收集到的电能通过电力系统分配给空间站的各个子系统，并储存在高性能的蓄电池中，供空间站在处于地球阴影区（即没有阳光照射时）使用。这种设计确保了空间站能够持续稳定地获得和使用电能。

• 地面通信:

  天宫空间站与地面之间的通信是保障任务指挥、数据传输、航天员交流以及测控的关键。中国为此建设了庞大的航天测控通信网络，主要包括：

  1. 地面测控站: 遍布中国的多个地面测控站可以在空间站飞临其上空时与其建立通信连接。
  2. 海上测量船: 在远洋地区部署的测量船队补充了地面站的覆盖盲区。
  3. 中继卫星系统: 中国的“天链”系列地球同步轨道数据中继卫星是天宫空间站通信的关键环节。它们位于高轨道，可以同时“看见”空间站和地面测控站，充当通信的“桥梁”。通过中继卫星，空间站与地面的通信时间大大延长，甚至可以实现近似实时的连续通信，这对于指令传输、遥测数据回传以及高清视频对话至关重要。

  通信内容包括空间站的遥测数据（各种传感器收集的运行状态信息）、地面发送的遥控指令、航天员与地面控制中心的语音和视频通信、以及科学实验数据的上传和下传。这些系统协同工作，确保地面团队能够全面掌握空间站的状态，并有效地管理和支持在轨任务。

通过上述问答，我们详细了解了天宫空间站从构成模块、轨道特性到内部运作、航天员生活以及能量通信等多个方面的具体细节。它是一个复杂的工程系统和重要的科研平台，通过精密的组装、持续的补给和地面的协同支持，在太空中稳定运行，执行着各项既定任务，为人类探索宇宙和开展空间科学研究贡献力量。