再過幾天神舟十二號航天員乘組就將返回地球，這意味著天宮空間站“關鍵技術驗證階段”任務已經行程過半。

天宮空間站首批進駐航天員即將搭乘神舟十二號返回地球

按照規劃此一階段共有6次發射，已經實施的任務有長征5B遙一、長征5B遙二/天和一號核心艙、長征七號遙三/天舟二號貨運飛船、長征2F遙十二/神舟十二號載人飛船。

關鍵技術驗證階段最后兩發任務也將在接下來不到一個月時間內連續發射，即長征七號遙四/天舟三號與長征2F遙十三/神舟十三號。

關鍵技術驗證階段任務規劃

關鍵技術驗證階段已經實施的4次任務

神舟十二號與天和一號核心艙分離后還將驗證徑向交會技術，之后天舟二號與天和一號核心艙后向對接口分離并繞飛至前向對接口對接。

天舟二號繞飛至核心艙前向對接口

新發射的天舟三號與神舟十三號將分別對接天和一號核心艙后向與徑向兩個對接口，屆時天宮空間站將在短期內形成一個由天和一號核心艙、天舟二號貨運飛船、天舟三號貨運飛船、神舟十三號載人飛船組成的呈T字形構型近50噸級在軌規模的四艙（船）組合體。

神舟十三號對接后天宮空間站的組合體形態

天舟二號為什么沒有緊隨神舟十二號撤離？因為它還要驗證核心艙前向對接口推進劑在軌補加功能，以及執行機械臂輔助轉位試驗。

關鍵技術驗證階段對天宮空間站具有奠基意義，主要驗證七大關鍵技術，分別是，空間站推進劑補加、再生生保、柔性太陽電池翼和驅動機構、大型柔性組合體控制、組裝建造、艙外操作、在軌維修。

天和一號核心艙配置的大型柔性太陽翼

天宮空間站航天員第二次出艙任務畫面

與神舟十二號乘組為期3個月在軌駐留時間不同，神舟十三號乘組在軌駐留時間將延長至6個月，這一時間也將是此后各批次航天員乘組的常態化駐留時間。待神舟十三號乘組完成為期半年在軌任務后，明年天宮空間站將迎來另一個激動人心的時刻，即“在軌建造階段”。按照計劃我們將在2023年之前完成在軌建造任務，從而進入常態化運營階段。

天宮空間站的三大任務階段

隨著關鍵技術驗證階段任務陸續展開，人們對該階段任務流程已逐漸熟悉，然而對于明年即將開始的“在軌建造階段”尚缺乏足夠的認知。

無獨有偶，一部全新的載人航天工程宣傳片在近期航天員天地連線活動中得以公開，該片展示了許多在軌建造階段的任務細節。

我們都知道天和一號是天宮空間站核心艙，然而鮮為人知的是，現階段天和一號的準確身份是“試驗核心艙”，完成關鍵技術驗證階段任務并通過狀態評審后將在軌直接轉正為“核心艙”，屆時天和一號核心艙將為迎接在軌建造階段任務做好一切準備。

天和一號艙內畫面

在軌建造階段大部分任務都將在神舟十四號任務期間展開實施，該飛船將對接于天和一號核心艙對地方向的徑向對接口，為后續到來的兩個大型實驗艙讓出軸向對接口。

神舟十四號航天員乘組進駐天和一號不久，很快長征5B遙三大型運載火箭就將托舉問天號實驗艙發射入軌，該艙段的目標對接位置是天和一號核心艙第四象限徑向停泊口。

問天號實驗艙與空間站組合體交會

身為追蹤飛行器的問天號實驗艙有著22噸級的身板，而作為目標飛行器的空間站組合體也是40噸級規模，加上異體同構周邊對接機構需要較大撞擊能量，如果直接徑向對接將使得空間站姿態控制變得更加復雜，為此我們采取了先軸向對接再轉位徑向對接的方案。

問天號實驗艙與空間站組合體軸向對接

問天號實驗艙的到來相當于為天宮空間站帶來一個超值大禮包，首先是數量可觀的科研機柜與艙外載荷掛點，再就是該艙段的小柱段配置了一部小型機械臂，它可以與天和核心艙主機械臂對接形成長度達15米的超長機械臂，基于天和機械臂爬行功能，可以實現天宮空間站整站全觸達。

天和機械臂與問天號實驗艙機械臂雙臂組合

問天號實驗艙還配置有人員專用氣閘艙，它可以與天和一號氣閘艙（節點艙）互為備份。在沒有人員專用氣閘艙情況下航天員實施出艙活動任務期間空間站艙段間交通將被阻斷，比如神舟十二號乘組執行兩次出艙活動任務期間神舟十二號飛船與天和核心艙之間的交通就是阻斷狀態，一旦出現危險情況難以做出有效應對。

使用天和氣閘艙執行出艙任務時核心艙與神舟飛船交通阻斷

人員專用氣閘艙到位后將完美化解這一問題，屆時它將是航天員實施出艙活動的第一選擇。

問天號實驗艙人員專用氣閘艙

值得注意的是，問天號實驗艙人員專用氣閘艙艙門是面向地球一側，這與天和一號氣閘艙面向太空一側不同，空間站完成在軌建造任務后將由連續偏航姿態轉三軸對地穩定姿態運行，面向地球一側的出艙口將背對太陽，有助于航天員執行出艙任務時的環境感知。

核心艙氣閘艙進出艙成像受陽光干擾問題突出

與之對比神舟十二號乘組在使用核心艙氣閘艙執行出艙任務時，當組合體運行至陽照區時出艙口全景相機受強烈陽光干擾畫面過度曝光問題比較嚴重，而出艙過程恰恰是非常關鍵的階段，需要艙內航天員與地面通過鏡頭畫面指導出艙航天員做出正確動作。

在問天實驗艙機械臂輔助下進行出艙活動

在軌建造階段最為關鍵的任務就是兩個實驗艙的“轉位對接”，事關整個空間站的成敗。假設問天號實驗艙無法轉位，意味著軸向對接口被占用，后續夢天實驗艙無法對接，甚至飛船對接口也將因此由3個縮減至2個，空間站總體任務目標將無法達成。

基于轉位任務的不可逆性質，空間站總體為此準備了兩套互為備份的轉位方案。首先是實驗艙自備的轉位機械臂，轉臂通過與節點艙基座相連帶動實驗艙進行上翻、旋轉、下翻實現轉位對接，該轉位機械臂運動關節少，優勢是可靠性高。

用于對接實驗艙轉位機械臂的基座

轉位機械臂控制問天號實驗艙轉位對接

天和核心艙主機械臂則是轉位機械臂的備份手段，該機械臂自設計伊始就確立了25噸級的承載力指標，目的就是為服務實驗艙轉位對接。目前正對接于天和一號核心艙后向對接口的天舟二號貨運飛船在任務末期就將繞飛至前向對接口，并配合天和機械臂進行在軌轉位試驗。

天舟二號貨運飛船配合天和機械臂進行轉位試驗

問天號實驗艙完成轉位對接后，夢天號實驗艙也將緊隨其后在神舟十四號任務期間完成對接，該艙段目標對接位置是天和一號核心艙第二象限徑向停泊口，對接方法與問天號實驗艙完全一致。

夢天號實驗艙與空間站組合體軸向對接

夢天號實驗艙轉位對接

天宮空間站在軌組裝過程猶如太空變形金剛，需要歷經一字形、L形、T形等多個構型演變，進一步凸顯其姿態控制系統的強大適應力。

兩個實驗艙完成對接后就意味著天宮空間站三艙組合體在軌組裝任務大功告成，接下來就是驗證最后一項核心能力，即航天員在軌輪換。

完成在軌組裝任務的天宮空間站組合體

是否具備航天員在軌輪換能力，決定了天宮空間站能否具備連續不間斷的有人駐留能力，這也是永久性載人空間站的一項標志性能力。

屆時神舟十五號飛船將搭乘長征2F遙十五運載火箭升空，并與天和一號核心艙軸向對接口對接，此時天宮空間站的艙（船）段成員有：天和一號核心艙、問天實驗艙、夢天實驗艙、天舟五號貨運飛船、神舟十四號載人飛船、神舟十五號載人飛船，組合體在軌規模將達到90噸級，站內航天員人數由3人升級至6人。

天宮空間站航天員首次在軌輪換組合體形態

話說天和一號核心艙自身就具備同時對接兩艘神舟飛船能力，為什么一定要等到空間站完成組裝任務后再進行航天員在軌輪換呢？這是因為問天號實驗艙另外配置有3個獨立睡眠區，加上天和一號核心艙3個獨立睡眠區，總計有6個獨立睡眠區，可以保障航天員輪換期間6人同時短期駐留需求，在睡眠區全部到位后進行在軌輪換可以更加全面的檢驗空間站綜合保障能力。

在上一篇文章里筆者提到22噸級的天和一號核心艙以一己之力就能夠匹敵國際空間站星辰號核心艙+曙光號多功能貨艙+團結號節點艙三艙相加的各項功能，甚至有所超出。其實遠遠不止如此，天宮空間站不僅實現了功能超越，更是在設計理念上完成了新的蛻變。

天和一號PK國際空間站三大艙段

載人航天工程空間站系統總指揮王翔對此指出，基于系統科學思想的理念，組成天宮空間站的各艙段（包括來訪飛船）原為獨立飛行器，對接后形成一個由空間站統一控制和管理的組合體；其組合過程實際上是控制權的交接或接管，新艙段將控制權交與空間站，將艙體與艙內資源融入空間站并形成擴展后新的空間站的一部分。最終實現1+1等于1的工程效果。

1+1等于1的背后是空間站各艙段資源的高效整合，反觀國際空間站在諸多領域則是1+1小于1，其表現如下：

1.電力系統只具備單向供電能力，比如國際空間站諸多艙段只能由桁架太陽翼供電，桁架太陽翼又對俄艙段太陽翼形成遮擋，導致后者電力供應能力受損。

國際空間站桁架太陽翼對俄艙段太陽翼遮擋問題突出

2.熱控資源無法集中，國際空間站非俄艙段建立了以命運號實驗艙為中心的公共流體回路系統，實現了局部熱控資源的共享，但俄艙段由于流體介質與非俄艙段不同，導致兩者無法構建更加完整的公共流體回路。

國際空間站星辰號服務艙（俄）

3.信息系統難以共享，國際空間站各艙段之間通常可以看到頗為凌亂的線路連接，這些都是航天員在出艙任務中進行手動拉線連接。

國際空間站艙段間凌亂的線路連接

再比如他們航天員在出艙期間頭盔攝像機傳輸畫面經常有傳輸中斷的現象，這些都是信息鏈路阻塞的表現。

NASA艙外航天服成像畫面傳輸中斷現象

天宮空間站不僅完美解決了上述問題，更實現了新的創新。基于航天器交會對接技術的結構與運動控制，以及流體回路資源共享這都是基本技能。

載人空間站通常都是由一個核心艙為基點開枝散葉，而我們則是在天和一號這個強核心艙基礎上創新了“三艙核心組合體（天和一號+問天號+夢天號）”方案，該方案之所以能夠實現得益于結構與運動控制、信息系統、能源系統、熱控流體回路、載人環境、推進系統的高度融合。

天宮空間站“三艙核心組合體”地面驗證艙

電力供應方面，徑向對接于天和一號的兩個大噸位實驗艙形成了近40米的大跨度，兩部雙自由度大型太陽翼布置在兩個實驗艙的兩端，達到了類似國際空間站桁架結構克服太陽翼相互遮擋問題的作用，同時高光電轉化效率的三結柔性砷化鎵電池技術的應用，使得電池翼更加輕質，且發電效率更高。

在解決太陽翼遮擋問題上我們進一步創新了電力系統在軌重構功能，天和一號核心艙太陽翼可由航天員在機械臂輔助下拆卸，并轉移至兩個實驗艙末端的桁架處安裝，徹底解決電池翼遮擋問題，而這就是“三艙核心組合體”的一個顯著特征。

機械臂輔助航天員轉移核心艙太陽翼

同時天宮空間站實現了雙向供電，新對接艙段既能從站上獲取電力，同時也可以反向供電以滿足其他艙段更大的用電需求。

天地通話是空間站的基礎功能，國際空間站在進行此項任務時通常需要佩戴有線耳機或者是麥克風。

國際空間站航天員使用有線設備進行天地通話

而天宮空間站在高速互聯網絡支持下航天員只需佩戴無線骨傳導耳機，甚至不需要耳機只需手機打開外音就能天地通話。同時我們還可以實現跨艙段信息互聯，航天員無需頻繁的跨艙段移動就能在一個艙段對另一個艙段進行控制。

天宮空間站航天員天地通話甚至無需佩戴任何設備

“三艙核心組合體”還體現在問天實驗艙的功能備份上，該艙段有控制力矩陀螺、綜合顯示儀表、姿軌控動力等備份設備，它與天和一號核心艙之間的發射間隔僅有一年時間，與之相比國際空間站備份核心艙功能的科學號則間隔了將近二十三年才發射上天。

天宮空間站“三艙核心組合體”可以看作是一個規模更大且功能更強大的核心艙，其功能有多強大？國際空間站人員專用氣閘艙、貨物專用氣閘艙、暴露實驗平臺、外部掛點、桁架等幾乎所有硬件配置都能在我們的“三艙核心組合體”中一一對應。

夢天實驗艙可展開式暴露實驗平臺

除此之外，“三艙核心組合體”的空間利用率也非常高，400噸級的國際空間站僅配置了31個科研機柜，而我們呢？

根據空間站科學實驗資源手冊披露，60噸級的“三艙核心組合體”就能夠容納23個科研機柜，待拓展工程實施后，后續實驗艙由于無需備份核心艙功能，因此將有更大的空間放置科研機柜，屆時科研機柜規模就不僅僅是23乘以2這么簡單，大幅超越國際空間站在軌科研能力更是必然結果。

天宮空間站由T字形向干字形演化的拓展方案

天宮空間站不僅是人類載人航天科技的集大成者，其運營理念也非常先進，如此優秀的平臺必將吸引全球有實力選手參與其中。

天宮不同于國際空間站的門戶有別，首先這是我們的國家太空實驗室，在這個基礎上確立了共享開放的合作模式，即由我方提供天地往返運輸與在軌科研服務，所有參與其中的外方則需滿足向我方共享科研數據與成果的條件，如此一來就真正做到了全球資源為我所用。

第一批入選天宮空間站的外方科研項目

強大平臺+先進運營方案，可以說天宮空間站將成為我國航天工業乃至整個工業體系快速發展的力量倍增器，我們將以前所未有的速度快速向前突破。

天宮空間站變重力科研機柜

許多國人每每談到中外科技對比話題時總有一個預設思維框架，就是我們要以一己之力PK全球，任何一個領域對比某個國家有不足時都會有所抱怨，而天宮空間站就是以一己之力PK全球的經典之作。