誕生於上世紀七十年代的遠望二號航天測量船

當時間進入上世紀九十年代初，國內生產總值對比上馬曙光一號飛船的時代翻了兩番，具備了重啟載人航天工程的物質條件。與此同時，返回式衛星發射數量也已經有兩位數，天地往返技術更趨成熟，長征二號E型運載火箭的研製進程雖然跌跌撞撞但最終也收穫了成功，掌握了10噸級近地軌道航天器發射能力。

返回式衛星

在這樣一個背景下舉世矚目的“921載人航天工程”於1992年9月21日正式上馬，確立了“三步走”發展規劃。

歷經二十八年發展如今我們已經成功發射6艘神舟載人飛船與1艘天舟貨運飛船，天宮一號目標飛行器與天宮二號空間實驗室相繼成功部署，連續將14人次航天員送入太空並安全返回地球。

攻克了載人天地往返、多人多天、航天員出艙行走、空間交會對接、燃料在軌補加、航天員中期駐留等核心技術，為最終建成大型載人空間站做好了技術儲備與能力儲備，圓滿完成了載人航天工程三步走戰略中的前兩步。

太空中的神舟11號載人飛船

2019年7月19日21時06分，天宮二號空間實驗室受控離軌再入大氣層，自那時開始載人航天工程全線轉入備戰天宮空間站，載人航天工程第三步戰略全面拉開帷幕。

天宮二號空間實驗室

當時間進入2021年4月，距離天宮空間站天和一號核心艙發射升空的日子也越來越近，此時此刻人們最關注的自然是天宮空間站的能力問題，與國際空間站相比我們的空間站究竟處於怎樣一個水平？現在是到了該好好對比一下的時刻了。

對比先發玩家，北方強鄰的聯盟系列飛船已經實施142次載人發射，這還不包括他們的東方號與上升號兩代載人飛船發射記錄。大洋彼岸包括水星計劃、雙子星座計劃、阿波羅計劃、天空實驗室計劃、載人龍飛船在內共實施過30次載人飛船發射，5架航天飛機也累計執行了135次載人飛行任務。

聯盟載人飛船 MS-17飛行任務

載人航天領域兩個手執牛耳的玩家更是合力打造了人類迄今為止規模最大技術難度最高的國際空間站，創造了一系列空前紀錄與科研成果。

國際空間站

一切過往，皆為序章。面對人類航天的輝煌歷史，天宮空間站正在用實際行動書寫屬於自己的篇章。

我國載人航天工程從立項伊始就提出“造船為建站，建站為應用”，國際空間站的運營目標同樣也是應用，怎麼應用？通過部署科學實驗設施進行科研產出，進而服務地球人類，科研機櫃的數量是衡量一座空間站應用效能的重要指標。

神舟七號載人飛船

國際空間站在軌質量高達420噸，天宮空間站一期工程則是百噸級。前者的科研機櫃數量是31個，後者則是23個。

天宮空間站科研機櫃

國際空間站在軌規模是天宮的4倍有餘，然而科研機櫃數量僅為天宮的1.3倍，後者用更小規模實現與前者等量齊觀的科研能力，由此可見天宮的空間利用率更高。

天宮空間站天和一號核心艙

問題來了，造成這一數據反差的原因是什麼？

還得從空間站的設計結構分析，國際空間站被認為是第四代載人空間站，標誌就是應用了桁架結構。所謂桁架式空間站指的是艙體依託桁架結構搭建，與之對應的則是艙體與艙體對接的第三代積木式空間站，代表型號是和平號。

國際空間站雖然應用了桁架結構，但其內在仍然是積木式，420噸規模中供航天員工作生活的艙段規模僅有180噸左右，這些艙段是以積木式結構組合在一起。

國際空間站積木式結構

180噸艙體規模受限於參建方的標準不一，以及艙體研發時代的技術局限性，又導致大量的空間浪費與閒置。

例如，部署於世紀之交的曙光號核心艙、團結號節點艙、星辰號服務艙三個艙體規模就高達50噸。

國際空間站的骨幹艙段

曙光號雖然名為核心艙但現在發揮的功能僅是儲存燃料，集生命保障、軌道控制、制導導航等功能於一體的星辰號服務艙則發揮着核心艙功能。用於連接其他艙段的團結號節點艙與曙光號對接，由於兩家對接口尺寸無法兼容因此需要附加一個對接適配器。

黑色部分即是團結號的對接適配器

與之對比，天宮空間站一個20噸級的天和一號核心艙就滿足了國際空間站上述三大艙段的功能需求，該艙段從外形看分為“大柱段”與“小柱段”兩部分，以功能分區則分為資源艙、生活控制艙、節點艙三部分。

天和一號核心艙大柱段

資源艙配置有推進劑貯箱以及姿軌控動力系統，除此之外還應用了霍爾電推力器用於補償大氣阻力帶來的軌道高度損失，這是人類首次將電推動力用於載人航天器。

電推動力優勢是可以減輕貨運補給壓力，降低貨運飛船發射頻次，節約運營成本，還能縮小常規推進劑貯箱尺寸，增大艙內可使用空間。

生活控制艙大柱段部分是空間站總體控制設備安裝位置，除此之外還有部分科研設備安裝位置。與之對比，國際空間站曙光號+團結號+星辰號50噸級艙段都沒能實現平台控制與科研實驗兩項任務的兼容。

天和一號核心艙結構設計

生活控制艙小柱段配置有三個睡眠區、一個鍛煉區、兩個平台設備區，以及一個未解密區域。與之對比，國際空間站星辰號服務艙也是20噸級艙段卻只有兩個睡眠區。

天和一號大柱段內部

小柱段末端則是節點艙，它可以提供1個軸向對接口、1個側向對接口、2個側向對接停泊口，加上大柱段後端通道，天和一號核心艙總計有5個對接口，可以同時對接三艘飛船，以及停泊兩座大型實驗艙段。

節點艙

國際空間站大多數對接口受限於對接次數限制，需要附加艙段過渡才能與載人飛船對接，而天和一號核心艙節點艙無需任何附加艙段可直接與飛船對接。

國際空間站碼頭號附加對接艙

神舟飛船可直接與節點艙對接

除此之外節點艙還兼具氣閘艙功能，是航天員實施出艙活動的轉換通道，出艙口位於節點艙天頂方向。

節點艙航天員出艙口

小柱段外圍還配置有一部承載力達25噸的10米長“七自由度大型空間機械臂”，機械臂首尾兩端配置相同，可經由在空間站外壁布置的“電力數據抓取夾具”實現機械臂在艙體表面的爬行移動。國際空間站也有布置於桁架的同類空間機械臂，但其部署成本顯然更高。

黑色柱體即是天和一號核心艙機械臂

國際空間站的空間利用率之所以相對較低主要有兩個原因，一方面是因為部分艙段設計年代久遠功能單一占用了大部分艙段空間，另一方面是空間利用過於靡費。

國際空間站寧靜號節點艙

例如，用於艙段對接的寧靜號節點艙規模就有19噸，國際空間站十幾個艙段中真正用於科研實驗的艙段也只有3個，分別是命運號實驗艙、哥倫布實驗艙、希望號實驗艙，艙段規模均沒有超過20噸。

與團結號節點艙對接的命運號實驗艙

天宮空間站則是物盡其用，有兩個20噸級大型實驗艙，分別是問天號實驗艙Ⅰ與夢天號實驗艙Ⅱ，兩個實驗艙先後與天和一號節點艙軸向對接口對接，爾後由轉位機械臂移動至節點艙側向停泊對接口完成轉位組裝。

天宮實驗艙轉位組裝

兩個大型實驗艙相較於天和一號核心艙更是別有洞天，它們是天宮空間站23個科研機櫃的主要布放場所，問天號實驗艙Ⅰ還配置有供航天員實施出艙作業的專用氣閘艙，功能類似國際空間站的尋求號氣閘艙。

問天號實驗艙Ⅰ部署到位後天和一號節點氣閘艙轉為備份氣閘艙，問天號艙壁外還配置有一部5米長七自由度機械臂，它可以與核心艙10米長主機械臂對接形成長度達15米的大型機械臂，配合主機械臂艙體爬行功能，可實現空間站外表面全觸達。

問天號實驗艙Ⅰ明年發射

夢天號實驗艙Ⅱ在早期設計方案中還有一部大口徑巡天光學望遠鏡，但考慮到光學設施需要微振動工作環境以及鏡頭調向需求，結合國力增強因素，在最終空間站設計方案中大口徑巡天光學望遠鏡被設計成了與天宮空間站共軌運行的“巡天光學艙”。

天宮早期設計方案中的空間光學望遠鏡

巡天光學艙也是20噸級大型艙段，配置2米口徑離軸三反光學望遠鏡，具有強大的國際競爭力，在保持與哈勃空間望遠鏡同等量級分辨率條件下視場大300倍，角分辨率0.15″，工作在紫外-近紅外波段，可在宇宙加速膨脹、暗能量本質、暗物質屬性、檢驗宇宙學模型、引力波源對應體、銀河系三維結構、天體測量、恆星、黑洞、星系等領域展開觀測研究工作。

平時巡天光學艙與天宮空間站共軌運行，需要在軌維修時則與天和一號核心艙節點艙軸向對接口對接，相較於哈勃空間望遠鏡每一次維修都需要發射航天飛機相比，巡天光學艙維修成本更低。

巡天光學艙

解放光學設備安裝空間的夢天號實驗艙Ⅱ一下子多出了一大截空置艙段，怎麼辦？研發團隊別具匠心地將此處設計成了“可展開式暴露實驗平台”，該平台還配置有貨物專用氣閘艙，是實驗載荷進出空間站的轉換通道。

夢天號實驗艙Ⅱ綜合科研能力可對標國際空間站的希望號實驗艙，順帶提一下問天號實驗艙Ⅰ艙壁外表面也配置有數量可觀的外部實驗載荷掛點。

可展開式暴露平台

前文提到百噸級天宮空間站科研產出能力與400噸級國際空間站等量齊觀，那麼我們能不能最終超越呢？天宮空間站的電力供應能力早已為此埋下了伏筆。

還是再回到國際空間站的桁架式設計，大型綜合桁架結構的設計初衷就是為了布置大型太陽能電池翼，以規避和平號積木式空間站電池翼相互之間存在的嚴重遮擋問題，進而提高發供電能力，四部大型太陽能電池翼總發電功率是90千瓦。

和平號空間站

天宮空間站的供電配置則是四兩撥千斤，問天號與夢天號兩個實驗艙尾部均有一段小桁架，桁架上各有一部大型太陽能電池翼。

可以說國際空間站並非嚴格意義上的桁架式空間站，天宮空間站也並非嚴格意義上的積木式空間站，適合的才是最好的，因此以空間站結構樣式為標準評定性能優劣早已是不合時宜的思維邏輯。

天宮空間站大型電池翼安裝在短桁架上

天宮兩部大型太陽能柔性電池翼應用了“三結砷化鎵電池”，光電轉換效率達到了30%以上，一部電池翼發電功率即可達40千瓦，是國際空間站太陽能電池翼發電能力的將近兩倍，兩部電池翼加上核心艙電池翼發電功率可達100千瓦以上。

砷化鎵柔性太陽能電池翼

除此之外，國際空間站4部太陽能電池翼在進行電力傳輸時還需要專門的散熱板進行溫控，而天宮卻不需要，進一步證明我們在發供電領域實現了對400噸級國際空間站的反超。

國際空間站用於發供電溫控的散熱板

如此澎湃的電力只用於百噸級空間站顯然是大材小用，筆者前文在描述天宮空間站核心艙時刻意使用了“天和一號”的型號名稱，因為我們還有“天和二號擴展核心艙”，此前載人航天工程總師周建平也明確承認目前的百噸級規模只是天宮的“初期規模”。

擴展核心艙發射計劃

具體擴展方案是，天和二號擴展核心艙大柱段後端通道直接對接天和一號核心艙節點艙軸向對接口，然後再發射兩個不帶大型太陽翼的20噸級實驗艙與天和二號對接，爾後將天和一號核心艙兩片電池翼分別移動至問天號實驗艙Ⅰ與夢天號實驗艙Ⅱ小型桁架上，如此一來天宮空間站在軌規模直接翻一番，逼近200噸級，科研機櫃數量乘以2達到46個，綜合效能徹底超越國際空間站。

天宮空間站二期擴展構型

二期擴展型天宮空間站對接口數量也將由此前的3個增至4個，能夠同時對接三艘神舟載人飛船與一艘天舟貨運飛船，空間站額定載員人數將由3人增至6人，輪換期間最大載員人數可達9人。

正所謂好馬配好鞍，當前承擔天宮空間站天地往返任務的是神舟與天舟兩型飛船，神舟是久經考驗的三艙構型載人飛船，它可以勝任3名航天員的天地往返運輸任務，同時軌道艙與返回艙分別具備一定的貨物上行與下行能力。天舟則是當今世界載荷比最高的貨運飛船，發射質量近13噸，可以承運6.5噸貨物補給空間站。

天舟貨運飛船

神舟與天舟都是天宮空間站得以順利運行的關鍵裝備，但航天人並不滿足於此。去年5月5日執行天宮空間站關鍵技術驗證階段首次飛行任務的長征5B遙一運載火箭成功發射，驗證了22噸級近地軌道運載能力，驗證載荷就是我國旨在用於載人登月任務的新一代載人飛船試驗船。

新一代載人飛船試驗船自立項伊始就確立了兩大應用場景，一個是21.6噸的深空載人版本，可用於載人登月、載人登小行星、載人登火星等深空載人任務；另一個就是14噸級近地軌道版本，此版本飛船可承擔6至7名航天員的空間站天地往返運輸任務。

新一代載人飛船試驗船

新一代載人飛船返回艙可重複使用，不論是運輸效率還是發射成本相較於神舟載人飛船都是質的提升，長征七號是近地軌道版新一代載人飛船的標配火箭。

天舟貨運飛船雖然載荷比做到了世界頂級水平，但也有運力過剩的問題。與之對比國際空間站則有進步號、天鵝座、龍、HTV共四型貨運飛船，運力有大有小，選擇更靈活。

核心艙大柱段後端通道用於對接貨運飛船

為了解決天宮空間站高效低成本補給問題，今年年初載人航天辦公室發布了“面向空間站運營的低成本貨物運輸”方案設想的公告，該公告具體提出了兩個型號要求，一是具備1至4噸貨運上行能力，二是具備100至300公斤貨運下行能力，從而完善天宮空間站天地往返運輸體系。根據當前我國航天工業實力，研製這兩款飛船並不存在難度，因此需要招標遴選最優方案。

貨運飛船將不止天舟一款

正所謂能力越大責任也就越大，天宮空間站不僅要在硬件水平上超越國際空間站，還要在運行機制上超越。

國際空間站雖冠名國際，實際卻是名不副實。作為400噸級國際空間站主要參建方的北方強鄰只有兩個5噸級微型實驗艙可用，連一個像樣的科研機櫃都沒有。歐空局為國際空間站的建設也出了很多力，他們僅有的一個哥倫布實驗艙還要分出一半空間給NASA。

堂堂航天大國只能蝸居於此做實驗

天宮空間站則完全不同，這是一座由我國獨立建造的國家級太空實驗室，首先在方案設計與實施上少了很多掣肘因素，標準更統一。

再就是我們面向聯合國所有成員國開放，這在人類航天史上還是第一次。當前已有來自17個國家的9個科研項目成功入選天宮空間站首批合作清單，我們免費提供這些科研項目的上行運輸服務，並提供在軌空間實驗場所，但同時所獲得的科研數據必須無條件與我們共享。

第一批入選天宮空間站的外方實驗項目

天宮合作模式是真正的互利共贏，一方面我們用最小的成本收穫大量科研成果，另一方面項目申請國也能得到空間應用能力的切實提升，這與國際空間站的門戶有別完全不同，使得空間站運營工作可以更加聚焦科研產出，避免不必要的資源消耗。

通過硬件技術水平與運營模式的多番對比後，兩座空間站孰優孰劣相信大家都有了答案。

即將發射天和一號核心艙的長征五號B遙二火箭

想必也有人會說天宮是鑽了“後發優勢”的空子，然而後發優勢是為我們專屬定製的嗎？

要知道，天宮是我國一力承擔，而國際空間站則是多國共同參建。正如文章開頭指出的那樣，技術與國力的雙重考驗造就了載人航天的高難度，而放眼全球能同時駕馭這兩大考驗的玩家屈指可數，這就是天宮空間站可以一枝獨秀的關鍵所在。