中国空间技术研究院团队：中国天宫空间站在轨航天技术试验与验证项目展望

中国的天宫空间站已于2022年建成，具有载荷容量大、在轨运行周期长、支持天地往返运输、全球测控通信、航天员可在轨照料、试验设备可替换升级等特点，为空间技术在轨试验提供了良好条件。空间站为中国空间技术的发展提供了前所未有的机遇，充分发挥中国天宫空间站的优势，利用空间站工程独特的试验资源开展在轨试验，解决制约空间技术高水平发展的问题，获得一系列有影响力的技术研究成果，促进空间技术的创新发展，将为掌握航天新技术和关键核心技术、实现跨越式发展奠定基础，为建设航天强国提供有力技术支撑，推动航天科技带动经济社会效益高质量创新发展，为人类科技认知迈上新台阶贡献“中国力量”。在Space: Science & Technology（《空间科学与技术》（英文））新发表的观点文章中，来自北京空间飞行器总体设计部的专家们针对航天技术发展需求和空间技术前沿，从顶层提出未来空间站空间技术试验的发展规划。

本文首先介绍了中国天宫空间站空间技术试验的任务目标。任务目标主要分为航天基础技术、先进装备或子系统、先进空间任务系统三个维度。

（1）夯实空间技术基础，提高航天基础水平。持续推进国产化核心部件、基础材料、工艺、精密部件的规模化模型应用，实现航天基础技术自主可控和持续提升。

（2）核心部件和先进设备应用的评估和验证。发展和掌握一批新的空间核心技术，积累技术储备，实现航天技术跨越式发展。

（3）促进新型空间系统或空间应用。促进形成更强的复杂空间任务应对能力，加快建设更完整的空间系统和设施，掌握更全面的复杂空间任务系统管理方法和技术，促进新空间系统或创新空间应用的实质性应用和效益（Fig. 1）。

Fig. 1 System of mission objectives.

其次，作者梳理了中国天宫空间站开展空间技术试验的条件（Fig. 2）。

（1）空间站舱内支持能力。航天基础试验机柜可作为通用支持系统，为试验装置提供机械、热控、供电、信息、抽真空等标准接口支撑，保证在轨试验项目的顺利实施。

（2）空间站舱外支持能力。开放试验平台通过载荷适配器为舱外有效载荷提供机械安装接口，并在供电、信息和热控制方面为有效载荷提供接口支持。

（3）货运飞船支持能力。货运飞船利用货物运输的剩余资源，建立常规载荷试验支持平台，可支持各种类型的搭载和试验任务。

（4）载人飞船下行能力。目前，一些具有下行要求的试验载荷可通过神舟载人飞船返回舱运至地面。综上，空间站有人参与空间技术试验具有试验条件更好、试验资源更丰富、试验手段更多样、试验过程更灵活可控、试验结果更可靠等特点；空间站工程的航天技术试验可以覆盖航天技术试验的全部领域范畴，具有其他航天器无法比拟的优势。

Fig. 2 Logical relationship among space technology experiment conditions of China's Tiangong Space Station.

然后，作者对天宫空间站空间技术试验任务进行了系统布局。根据航天技术方向，共规划了五个研究主题（Fig. 3）。

（1）开发机器人和自主系统技术以提高复杂航天任务应对能力和加快建设更加完善的航天系统设施，包括：人机协同在轨操作技术和空间碎片捕获与清除技术。

（2）开发空间在轨组装与建造技术以满足未来载人深空探测任务和在轨服务任务的需求，包括：大型空间设施在轨装配与制造技术、在轨增材制造技术、以及在轨可展开结构与机构技术。

（3）能源与推进新技术主要面向新一代高效电源和高性能推进技术，包括：能源系统新技术和推进系统新技术。

（4）环境控制与生命支持系统（ECLSS）技术主要针对更长周期、更远距离的载人航天探索任务，包括：高度密闭的受控生态生命保障系统、长期空间环境下的微生物防腐技术、以及地外生存资源利用技术。

（5）航天器共性新技术，包括：空间热管理技术、元器件原材料和工艺上的新技术、新型测量技术、先进导航信息和控制技术、卫星在轨部署技术、以及在轨维修技术。

Fig. 3 Mission layout of on-orbit technology experiments and verification on China's Tiangong Space Station.

最后，中国空间站空间技术在轨试验与验证项目的发展思路对中国空间技术的未来发展具有借鉴意义，具体可总结为如下三点：

（1）建议坚持“在科技和应用方面取得重要效益”的首要目标；

（2）顶层规划和整体布局；

（3）系统规划和分类实施。

根据前文规划的五个研究主题，作者对未来天宫空间站的空间技术在轨试验和验证项目提出以下建议：

（1）在机器人技术和自主系统技术方面，建议围绕提高空间站平台运行能力、提高航天员在轨作业能力和机械臂系统能力等任务需求，分阶段开展人机协同、多机协同等关键在轨技术的验证。

（2）在轨组装与建造技术方面，建议对大型光学望远镜、大型桁架结构、空间焊接等关键技术进行阶段性验证。

（3）在能源和推进新技术方面，建议开展开展高转换效率太阳电池、高比能量蓄电池等新一代能源系统技术验证。

（4）在ECLSS技术方面，建议验证高闭合度生命保障系统核心功能模块的在轨集成，扩展现有ECLSS功能，分阶段构建典型的可控生态功能系统，并直接应用于空间站任务。

（5）在航天器共性新技术方面，建议发展空间液态金属热管理关键技术，并针对空间环境对国产部件和原材料影响开展技术试验。随着未来空间任务需求的不断变化，空间技术发展也将发生日新月异的变化，相应的在轨空间技术试验验证项目也应动态调整，以满足总体任务布局和动态匹配航天技术发展的长期规划。

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