接到《中学生数理化》杂志编辑约稿，为该刊物撰写“封面”系列科普文章;这里是第二篇。

筑梦天宫：中国空间站

同济大学 沈海军

载人航天是世界科技发展水平的集中体现，是衡量一个国家综合国力的重要标志。1992年9月，中国载人航天工程正式立项，中国向空间站领域进发迈出了第一步；2022年年底，中国空间站全面建成。仰望苍穹，在浩瀚的宇宙中，中国人终于有了属于自己的“太空家园”。

30年来，中国载人航天从无到有，从无人航行到载人飞行，从一人一天到多人多天，从舱内实验到出舱活动，再从单船飞行到空间站巡天，披荆斩棘，书写了一幅幅自立自强、创新超越的辉煌篇章。

一、载人航天“三步走”

上世纪90年代初，党中央果断做出了实施载人航天的伟大决策。1992年，我国载人航天工程确立了“三步走”的发展战略。“三步走”中的第一步：发射载人飞船，建成配套的试验性载人飞船，并开展适量的空间实验。第二步：掌握航天员出舱活动技术、空间飞行器交会对接技术，发射空间实验室，解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题。第三步：正式建造空间站，解决大规模、长期有人照料的空间应用问题。

2003年10月我国第一艘载人飞船“神舟”5号成功发射，此后又相继突破了太空出舱、交会对接、在轨补加等多项核心技术，第一步阶段所取得的成就使我国成为世界上第三个独立掌握载人天地往返、空间出舱，以及交会对接技术的国家。

“神舟”10号完成我国载人航天首次应用性飞行；“神舟”11号完成太空33天中期驻留；我国首艘货运飞船“天舟”1号，与“天宫”2号空间实验室完成“太空加油”……通过探索，中国航天人突破和掌握了大量关键技术，实现载人航天工程“第二步”全部既定任务目标，为空间站正式建造和运营积累了宝贵经验。

在载人航天工程的第三步，即空间站正式建设阶段，“天和”核心舱成功发射，“神舟”12号航天员入驻；“神舟”13号航天员首次完成长达半年之久的太空飞行任务；“天舟”4号飞船补充供给；“神舟”14号航天员见证空间站三舱“合拢”；“问天”“梦天”入列……中国空间站在轨组装建造一气呵成，终于在2022年年底大功告成。

二、名称纷繁知多少？

在我国空间站建设中，“天宫”、 “天和”、 “问天”、“梦天”、“天舟”、“神舟”、“长征”、“天宫一号”、“天宫二号”等与中国空间站相关的名称频现于媒体上。名称之纷繁，让不少普通老百姓摸不着头脑。因此需要科普一下。

“天宫”是中国空间站的名字，是中国神话传说中天帝的宫殿，寓意对未知天空的探索，也有让航天员“在太空中生活得舒服”之意。中国“天宫”空间站包含有一个核心舱和两个实验舱。核心舱命名为“天和”，谓自然和顺之理，天地之和气，是空间站的管理与控制中心；两个实验舱分别被命名为“梦天”和“问天”，是航天员做实验的地方 ，它们通过接口与“天和”核心舱相连、相通，组合在一起！“问天”和“梦天”的名称分别来自于屈原的长诗《天问》和诗鬼李贺的代表作《梦天》，表达了中华民族追求真理的坚韧与执着，寓意探求科学真理征途漫漫，科技创新永无止境。

“天舟”指的是货运飞船 ，是往返天地间专门为空间站运送补给物资和推进剂的，同时也负责把空间站产生的废物运回地球。“神舟”是载人飞船，用来运送航天员的，负责将航天员送入轨道 ，同时将他们安全送回地面。目前，中国已经相继成功发射了“天舟”1号、2号、3号，以及“神舟”1号至16号等近20艘“天舟”或“神舟”飞船。

“长征”指的是运载火箭 。卫星、飞船、空间站核心舱/实验舱等，所有航天器都要由它发射上天。1970年4月24日推送第一颗人造卫星上天的是“长征”1号。由此，我国拉开了进军太空的序幕。时至今日，我国“长征”系列火箭已经发展成为拥有11个大型号和30多个小型号的火箭家族。我国的“神舟”15号载人飞船由长征二号F运载发射的，而空间站“天和”核心舱则是由长征五号B发射。

“天宫”1号和2号则属于中国载人航天 “三步走”战略第二步中发射的两个空间实验室，主要目的在于为后续中国“天宫”空间站正式建造和运营奠定技术基础和积累宝贵经验的。“天宫”1号和2号分别发射于2011年9月和2016年9月，曾先后完成了与飞船的对接、航天员中期驻留，考核了面向长期飞行的乘员生活、健康和工作保障，验证了推进剂在轨补加技术，开展了航天医学、空间科学实验和应用技术，以及在轨维修等。

除“天宫”1号、2号外，在“天和”核心舱发射之前，我国曾有一个“天宫”3号空间实验室计划，不过后来发射任务取消了。其原因主要是为了加快工程步伐，减少经费，将“天宫”3号的任务并入了“天宫”2号。

三、“天宫”号属于第几代空间站？

　1971年4月，苏联成功发射了世界第一座空间站“礼炮”1号。在此后的几年里又再接再厉，先后发射了“礼炮”2号至5号。作为回应， 1973年5月美国利用“阿波罗”工程的剩余材料研制并发射了名为“天空实验室”的空间站，并创下了当时连续载人航天84天的世界纪录。上述空间站均具有试验性质，也被称作试验性空间站，属于第一代空间站。第一代空间站的主要特征是只有1个对接口，仅能接纳1艘客货两用飞船，在轨运行寿命比较短。

“天空实验室”上天后，美国觉得空间站玩不出新花样，于是便将精力转向航天飞机。相比之下，苏联对空间站一直格外青睐，又分别于1977年9月和1982年4月先后发射了“礼炮”6号和7号。“礼炮”6号和7号为第二代空间站，其主要特点是具有两个对接口，可同时接纳两艘飞船，能把载人与运货分开，空间站寿命和航天员在轨时间被大大延长。第二代空间站具有实用性，因此也叫实用性空间站

1986年2月苏联开始建造的“和平”号空间站。该空间站采用积木式或叫舱体式构型，属于第三代空间站，苏联解体后由俄罗斯接管。“和平”号运行寿命为15年，属于长久性空间站。它的核心舱能用于航天员生活居住，控制整个空间站正常运行，其上还有6个对接口，能像搭积木一样对接5个专用实验舱及“联盟”系列载人飞船、“进步”系列货运飞船，并形成庞大的空间复合体。“和平”号于2001年3月退役。

第四代空间站，即国际空间站，由美俄主导，由欧洲、日本等16个国家联合建造。它采用桁架挂舱式构型，在长达几十米或上百米的展开式桁架，安装有多个舱段和设备，桁架就像“空中阁楼”的大梁。国际空间站于2011年建成，设计寿命约20年，属于永久性空间站。建成后的国际空间站容积约1000多立方米，有13个增压舱，其中6个用于科学实验，3个供航天员居住，1个为多功能货舱，3个为对接用的节点舱。

从结构上看，中国“天宫”空间站由三个舱段组成，“天和”核心舱居中，“问天”、“梦天”实验舱分别连接于两侧，呈现为“T”形，为典型的“多舱段”+“积木式”构型，故属于第三代空间站。

四、“天宫”号空间站有何优势？

和国际空间站相比，中国空间站存在以下三大优势。

首先是设计更为合理。由于美俄标准不统一，国际空间站舱室利用上存在大量冗余，不少地方设计并不合理。国际空间站十几个舱段中真正用于科研实验的只有“命运”、“哥伦布”和“希望”号实验舱，可用实验机柜数量为31个。中国空间站舱室比国际空间站数量少很多，但实验机柜数量却达到了23个。中国空间站升级潜力巨大，未来若再发射一组核心舱、实验舱，及货运/载人飞船，可对现有中国空间站进行拼接、“扩容”。

第二是后发优势，部分技术已超越国际空间站。譬如，中国空间站太阳能帆板比国际空间站效率更高。其大型太阳能柔性电池翼采用先进的砷化镓材料，转化率达到了30%，两部电池翼加上核心舱电池翼发电功率可达100千瓦以上。而国际空间站的太阳能电池板效率只有15%，发电总功率仅为90千瓦。中国空间站具有两个高性能的机械臂，核心舱一个，实验舱一个，它们可以在舱体上移动和操作，极大方便了舱段的安装、对接等工作。此外，在通讯、电子技术和能源管理方面，相比国际空间站，中国空间站也略胜一筹。

第三是性价比高。国际空间站重420余吨，是目前在轨运行最大的空间平台。中国空间站仅为百吨级别。国际空间站12年建造期内共投入了2000亿美元，加上定期任务发射与维护，开销巨大，因此，不得不采用多国合作的运营模式。鉴于第四代空间站规模过大，代价过高，而第一、第二代又过于陈旧，结合实际国情和实效，中国果断将“天宫”空间站定位为第三代空间站，走出了一条符合中国国情的空间站可持续发展道路。值得一提的是，中国空间站完全由我国自主建造，因此在后续的空间站科研与国际合作中，我国可以按照自己的意愿进行，具有绝对的话语权。