中国空间站的独门绝技

邱林

根据中国的航天规划，从2021年到2022年是中国空间站建设的关键期，通过11次航天发射，中国将在太空轨道上建成自己的首座空间站。

航天员利用意念实施操作

航天员在太空中“动动脑子”就能实施各种操作，这种以往只有在科幻影片中才能看到的情景，很快将成为现实。中国空间站将在太空轨道上开展脑机交互前沿技术的实验，将航天员的思维活动转化为操作指令，并监测航天员的脑力负荷等。这在全球属于首创性科学研究。

脑机交互被科技大国列为优先发展的颠覆性创新技术，是未来人机通信交互的最高形态。中国空间站开展的太空脑机交互实验，是对这一技术在太空中的适用性的关键验证。航天员在太空环境中完成复杂的作业任务，受到极大的限制，脑机交互可以不依赖外围神经和运动系统，将航天员的思维活动转化为操作指令，同时又能监测航天员的神经功能状态，实现人机互适应，减轻作业负荷，是最理想的人机交互方式。

中国空间站想象图

据美国《大众科学》杂志报道，中国的太空脑机交互系统，针对空间站运行过程中的各种约束条件开发了高识别度、高稳定性的自适应检测与处理技术，构建了针对航天员个体的脑机接口模型，设计了脑电波特征强化诱导训练策略，优化了脑电波特征与系统模型的耦合效率，大幅提升了脑机在线操作的工作效率。脑力负荷与视觉功能测试系统，能实时获取并解析航天员在作业时的感觉（视觉），以及与认知（脑力负荷）功能相关的生理变化，为中国载人航天工程的新一代保障系统提供关键技术支撑。

中国研究机构获取太空飞行中航天员的脑机交互生理特征变化信息，并验证意念控制在航天任务中的可行性后，可以为未来脑机接口技术在航天领域的扩大应用提供技术支持。

中国在航天员意念操控领域的研究全球领先，得益于在AI和神经控制领域取得的成果。太空脑机交互及脑力负荷、视觉功能等神经功能测试系统，由天津大学神经工程团队设计研发。该团队长期从事以助老、助残、助特为目的的新一代脑机交互基础理论与关键技术研究，曾设计出适用于全肢体中风患者的意念控制神经机器人系统。

空间站的“卫星”

中国空间站的第二个独特之处是配备伴飞的光学舱。在空间站建造完成后，中国将单独发射一个十余吨重的名为“巡天”的光学舱，与空间站保持共轨飞行。我们可以将它视为中国空间站的“卫星”，它是具备自主飞行能力、机动能力和精密指向能力的空间飞行器。它搭载的“巡天”望远镜能进行高分辨率天文观测，开展天体物理和空间天文学研究。在需要燃料补给和设备维修时，“巡天”可与中国空间站对接，以提高工作性能。

“巡天”望远镜直径2米，其分辨率与美国哈勃望远镜相当，将成为中国的“宇宙之眼”。如果在太空轨道上运行10年，它可以对40%以上的天区进行观测，从而源源不断地为中国科学家研究宇宙提供海量观测数据。按照计划，“巡天”将花费3年时间进行大面积多色成像观测，覆盖约3万平方度的天区;随后将用3年时间进行大面积多色无缝光谱观测。

空间天文望远镜比地面大型天文望远镜口径小，但具有系统误差小、分辨率高的优势。中国“巡天”望远镜的有效视场和成像质量都优于欧洲的欧几里德和美国的WFIRST望远镜。美国新一代巡天望远镜WFIRST的视场是哈勃望远镜的100倍，而中国“巡天”望远镜在接近哈勃望远镜的成像质量的同时，视场是哈勃望远镜的300多倍。“巡天”可以通过其弱引力透镜探测暗能量存在的证据，为中国科学家开展暗能量研究并取得重大原创性科学成果提供有力支持。

“巡天”不仅“上知天文”，而且“下知地理”，可以用來进行对地观测，这种设计和应用是世界首创。美国的哈勃望远镜和“锁眼”卫星分工不同——哈勃用于天文观测，“锁眼”用于对地观测，对天和对地观测在设计上有不同的要求，鱼与熊掌不可兼得。中国“巡天”光学舱集成了多种功能模块，可以用同一部望远镜开展多波段对天和对地观测。如果按照393千米高度的空间站轨道以及2米的主镜口径来推算，“巡天”对地观测的极限分辨率为0.132米，接近美国新型KH-11B“锁眼”卫星对地观测的分辨率。

一流的太空实验平台

除了上述“独门绝技”，中国空间站还是航天员的“太空之家”，以及科学研究的太空实验室。一流的实验平台将为科学家取得重大突破提供有力保障。

中国空间站的核心舱名为“天和”，全长16.6米，最大直径4.2 米，发射质量22.5 吨，可支持3名航天员长期驻留，是中国迄今为止研制的最大的航天器。它既是空间站的管理和控制中心，也是航天员的主要生活场所，还能支持开展少量的空间科学实验和技术试验。为了让航天员在太空中的长期生活更加舒适，“天和”在设计上有很大突破，供航天员工作生活的空间约为50立方米，加上两个实验舱，航天员的活动空间可达110立方米。

核心舱是空间站的主控舱段，主要对整个空间站的飞行姿态、动力性能、载人环境进行控制。核心舱大柱段部位主要是航天员工作和实验的地方，小柱段则是航天员的睡眠区和卫生区。

核心舱包括节点舱、生活控制舱和资源舱三部分，有3个对接口和2个停泊口。停泊口用于连接两个实验舱，它们与核心舱组装形成空间站。3个对接口供载人飞船、货运飞船及其他飞行器访问空间站，另有一个出舱口供航天员出舱活动。核心舱前端的两个对接口接纳载人飞船对接停靠，后端的一个对接口接纳货运飞船停靠补给。需要指出的是，对接口不仅可以供飞行器停靠，还能与新的舱段对接——这是空间站未来扩大规模的基础。

在太空活动方面，空间站支持开展遥控技术、在轨组装与维修维护、人机联合作业等应用技术试验，增强人类的太空活动能力和轨道服务能力。

可用于构建中国空间站的“长征—2F”火箭

中国空间站核心舱模型

根据规划，中国空间站将在轨道上运行10年以上。空间站上搭载包括生物学、材料科学、基础物理、微重力、流体力学等相关的科学研究实验设施。连同与空间站共轨飞行的“巡天”，中国空间站规划部署了密封舱内的十多个科学实验柜，以及舱外实验平台。每个科学实验柜都可以被视为一个小型太空实验室，支持一个或多个方向的空间科学与应用研究。具体来说，中国空间站将围绕人类长期在太空中生存以及提高地球上的生活质量两个方面开展研究与应用。

并非最先进的第四代空间站

据美国《航空航天技术周刊》报道，虽然中国空间站拥有独家的先进技术，但总体上它仍然属于第三代空间站，并非最先进的第四代空间站。

目前由美俄等国运营的国际空间站属于第四代空间站，其最大特点是拥有桁架结构，使得整个空间站结构更大、功能更复杂。它长109米，宽73米，高20米，质量達419吨，内部容积为916立方米。

第四代空间站依靠桁架结构可以实现更大更强，但其劣势与优势同样明显——运营费用高昂，20年来已超过2000亿美元。目前俄罗斯的“联盟”号载人飞船是唯一的人员运载工具，每次天地运输行动要花费8100万美元。运营如此庞大的空间站，还需要货运飞船频繁往返，费用也极其高昂——美国每年为此要花费15亿美元。

对于中国而言，按照第三代空间站的标准设计建造并运营自己的首座空间站，是经济高效的方案。它2021年开始设计建造，2022年就可以建成并投入运营，完成所有既定科研目标。更重要的是，其核心舱保有备用对接口，未来如果有需要，可以将空间站升级成更大的版本。这一设计理念非常先进实用。

编辑：姚志刚 winter-yao@163.com