空間實驗室(空間實驗室)

空間實驗室又稱太空實驗室（Space Laboratory）是一種可重複使用和多用途的載人航天科學實驗空間站。前蘇聯、美國和歐洲航天局已於20世紀七八十年代率先研製成功出空間實驗室。

中國空間實驗室的雛形“天宮一號”已於2011年9月29日發射升空。中國首個真正意義上的空間實驗室——天宮二號空間實驗室於2016年9月15日成功發射。

基本介紹

• 中文名：空間實驗室
• 外文名：Space Laboratory
• 性質：一種多用途航天科學實驗空間站
• 設立於：太空
• 兩艙結構：採用兩艙構型：實驗艙,資源艙。
• 可進行：對地觀測、天文觀測等

基本認識

實驗室信息

空間實驗室是用於開展各類空間科學實驗的實驗室。空間實驗室的建設過程是先發射無人空間實驗室，而後再用運載火箭將載人飛船送入太空，與停留在軌道上的實驗室交會對接，航天員從飛船的附加段進入空間實驗室，開展工作。

空間實驗室1

航天員的生活必需品和工作所需的材料、設備均由飛船運送，載人飛船停靠在實驗室外邊，作為應急救生飛船。如果實驗室發生故障，可隨時載航天員返回地面，航天員工作完成後，乘飛船返回。

與空間站區別

關於空間實驗室，目前還沒有明確的定義，其基本概念是：空間實驗室是為發展空間站，從載人飛船過渡到載人航天基礎設施的試驗性太空飛行器；而空間站的概念是：可供多名航天員巡訪、長期工作和居住生活的載人太空飛行器。

空間實驗室與空間站在概念上的區別，在於前者強調功能，可能是一種空間站，也可能作為空間站附屬，或太空梭搭載的空間設備。

理論研究和實踐經驗都表明，研製空間實驗室是建造空間站的重要前提和技術保障，可對空間站的關鍵技術進行試驗，獲取經驗，降低風險，為建造空間站打基礎。

空間實驗室和空間站既有聯繫，又有明顯區別，在任務目標、功能規模、技術指標、資金投入和研製周期等方面都存在一些不同。對此，要有明確的界定，否則會走彎路。

結構與組成

實驗艙

實驗艙由密封的前錐段、圓柱段和後錐段組成，密封艙可保證艙壓、溫濕度、氣體成分等航天員生存條件，可用於航天員駐留期間在軌工作和生活，密封的後錐段安裝再生生保等設備。

實驗艙前端安裝一個對接機構，以及交會對接測量和通信設備，用於支持與飛船實現交會對接。

中國天宮一號示意圖

資源艙

資源艙為軌道機動提供動力，為飛行提供能源。一般包括發動機和電源裝置等，外部安置太陽翼，用於提供軌道與姿態控制、電力能源供應、熱控環控。

關鍵技術

空間交會對接

空間實驗室階段關鍵要突破飛船空間交會對接技術。空間交會對接技術難度很大，在對接過程中，如果計算不準，就可能發生飛船相撞事故。因此，需要進行大量試驗才能掌握這一技術。

兩個或兩個以上的太空飛行器通過軌道參數的協調，在同一時間到達太空同一位置的過程稱為交會。對接是在交會的基礎上，通過專門的對接機構將兩個太空飛行器連線成一個整體。實現兩個太空飛行器在太空交會對接的系統稱為交會對接系統。

交會對接系統通常包括跟蹤測量系統、姿態與軌道控制系統、對接機構系統等。兩個太空飛行器在太空進行對接，其初始條件是兩者保持對接機構的同軸接近方式和確定的縱向速度，以及在其他線坐標和角坐標上的速度為零。但兩個太空飛行器之間的實際相對運動參數總是有偏差的。

一般情況下，兩個太空飛行器之間的相對位置及其平動速度通常是靠主動太空飛行器軌道控制系統和兩個太空飛行器的姿態控制系統來維持的，前者適用於控制質心的平動運動，後者適用於控制繞質心的轉動運動。太空飛行器的空間交會對接控制方法有兩種，一種是人工控制、另一種是自動控制。用人工控制來完成太空交會對接可以提高交會對接的成功率。自動控制交會對接可靠性高，不需考慮人員的安全和救生問題。在太空飛行器的交會對接技術方面，未來的發展趨勢是人工控制和自動控制相結合，以提高交會對接的靈活性、可靠性和成功率。

航天員出艙技術

空間實驗室長期在太空運行，暴露在艙外的各種設備、部件等容易受到太空環境的損壞，發生老化和故障，因此需要航天員到艙外去維修或更換，進行這一工作，必須對航天員進行在失重環境下穿航天服、打開艙門、在太空環境下使用工具、在太空環境下走路等必要技術的訓練。

特性

空間實驗室是試驗性的空間站，以突破和驗證空間站關鍵技術為主要任務目標，以“短期有人照料、長期無人值守”為主要工作模式，具有相對較短壽命(1年左右)的低軌道中小型載人太空飛行器。空間實驗室一般具有如下主要特性：

(1)通過一次性攜帶的物資，可實現少批量、短時間航天員在軌駐留，不支持長期載人；

(2)一般沒有在軌補給和補加功能，壽命較短；

(3)規模小，不具有可擴展性；

(4)只能進行空間站關鍵技術的驗證試驗，可開展有限的空間套用。

從任務目標、功能、基本指標等方面看，空間實驗室與空間站均存在較大差異。

性能與功用

發展飛行器技術

（1）進一步掌握飛行器空間交會對接技術；（2）突破飛行器長期在軌自主飛行、再生式生保和貨運飛船。

空間套用試驗

試驗用遙感器有波長為31毫米、解析度25米、45°視角時掃描寬度為9公里的合成孔徑雷達以及頻率為9.62～9.67赫茲、解析度為8×21公里2的微波散射計等。1985年7月29日空間實驗室2號由“挑戰者”號太空梭送上軌道，進行多種科學實驗。

國際相關發展

國際空間實驗室的發展

蘇聯-俄羅斯

蘇俄首先通過載人飛船突破載人飛行技術，然後開展空間站的研製工作。蘇聯航天工作者建造了“禮炮”號系列空間實驗室，能長期保證乘組的生命活動及工作。“禮炮”計畫從1971年到1982年，包括發射了9艘單模組的空間實驗室(後期升級為空間站)，用於開展對人長期在軌生活以及其它生物、天文領域進行長期試驗研究，驗證地面的設計結果。

美國

美國發展空間實驗室(站)與蘇聯不同，其注重先進性，但欠缺連續性和繼承性。

美國首先研製了“天空實驗室”，於1973年5月14日發射，它有兩個目的：一是作為未來空間站計畫的過渡環節，帶有試驗性質，二是進行科學實驗。

歐洲

歐洲採用化整為零、分布實施的模式建設空間實驗室，但由於其技術發展沒有系統性，許多方面依賴美國，因而沒有能力獨立發展自己的載人航天和空間站技術；但通過國際合作的方式也獲取了一部分進展。歐洲建造的空間實驗室包括“空間實驗室”和“哥倫布艙”。

日本

日本的發展模式與歐盟相近，不具備獨立研製和發射載人太空飛行器的能力。“希望”號是日本建造的第一個空間軌道載人設施。

中國

相關規劃

根據中共中央1992年9月確定的中國載人航天“三步走”發展戰略方針，2005年l0月中國神舟六號載人飛行任務取得了圓滿成功，標誌著第一步任務目標已順利完成。

2004年12月，中央批准起動中國載人航天第二步任務，並明確第二步任務重點放在太空飛行器交會對接和航天員空間活動等重大技術突破上。載人航天工程總體組織確定了中國載人航天二期工程第一階段的主要任務目標為：

(1)實施航天員出艙活動，突破航天員出艙活動技術；

(2)實施太空飛行器交會對接試驗，突破和掌握載人太空飛行器交會對接技術；

(3)開展有效的空間套用和空間科學技術試驗；

(4)為工程的進一步發展創造基本條件。

神舟七號飛船於2008年9月25日發射，2008年9月28日回收，承載3名航天員，突破了出艙活動技術。

為進一步掌握交會對接技術、開展空間技術和套用試驗、為空間站奠定技術基礎，工程總體決定成立空間實驗室系統，其主要任務有以下任務：

(1)研製目標飛行器，參與交會對接試驗；為航天員的在軌工作、生活提供必要的條件，並保證航天員安全；為開展空間套用、空間科學實驗與技術試驗提供基本條件。

(2)開展空間實驗室關鍵技術攻關和先期研製工作，為載人航天后續發展積累經驗。

(3)根據工程的進展，開展空間站實施方案的論證。

基本功能

為了滿足中國載人航天第二步第一階段任務要求，中國的空間實驗室應具備以下三類功能：自主飛行及試驗支持功能、交會對接功能、航天員駐留技術支持功能。其中，自主飛行及試驗支持功能包括了自主供電、測控通信、熱控、環境控制與生命保障、軌道與姿態控制，並具有一定的空間防護能力；交會對接功能包括了軌道相位調整、姿態保持、交會對接、支持組合體管理；航天員駐留技術支持功能包括了工作和生活空間支持、醫學和能效學支持、生活保障支持、出艙活動支持等功能。

具體任務要求為：

(1)作為交會對接目標，參與交會對接技術試驗。

(2)為航天員的在軌工作、生活提供必要的條件，並保證航天員安全。

(3)為開展空間套用、空間科學實驗與技術試驗提供基本條件。

(4)初步建立能夠在軌長期可靠運行的載人空間試驗平台，為建造空間站積累經驗。

實驗室建設

中國首個空間實驗室的雛形“天宮一號”已於2011年9月29日成功發射。作為中國建立空間站計畫的序幕，天宮一號目標飛行器由實驗艙和資源艙組成，實驗艙是密封艙，支持3名航天員工作和休息，實驗艙後錐段與資源艙是非密封環境，安裝相關設備，包括太陽翼、發動機等。實驗艙前端框安裝1個對接機構，完成交會對接任務。

中國首個正真意義上的空間實驗室天宮二號於2016年9月15日成功發射。而後，搭載2名航天員的神舟十一號飛船、天舟一號貨運飛船將與天宮二號空間實驗室完成交會對接。在此之前，全新研製的長征七號運載火箭已經在海南文昌發射場完成首飛。

各國實驗室

前蘇聯“禮炮”空間實驗室

蘇聯是首先發射載人空間實驗室的國家。其“禮炮1號”在1971年4月19日發射，由軌道艙，服務艙和對接艙組成，呈不規則的圓柱形，總長約12.5米，最大直徑4米，總重約18.5噸。它在約200多千米高的軌道上運行，站上裝有各種試驗設備，照相攝影設備和科學實驗設備。後在太空與聯盟號載入飛般對接組成居住艙，容積100立方米，可住6名太空人。相繼與聯盟10號，聯盟11號兩艘飛船對接組成軌道聯合體，有3名航天員進站內生活工作近24天，完成了大量的科學實驗項目，但這3名航天員乘聯盟11號飛船返回地球過程中，由於座艙漏氣減壓，不幸全部遇難。

“禮炮2號”發射到太空後由於自行解體而失敗。蘇聯發射的禮炮3、4、5號空間實驗室均獲成功，航天員進站內工作，完成多項科學實驗。

美國的“天空實驗室”

美國在1973年5月14日發射成功一座叫天空實驗室的空間站，它在435千米高的近圓空間軌道上運行，先後接待3批9名太空人到站上工作。這9名太空人到站上工作。這9名太空人在站上分別居留28天，59天和84天。天空實驗室全長36米，最大直徑6.7米，總重77.5噸，由軌道艙，過渡艙和對接艙組成，可提供360立方米的工作場所。

天空實驗室

1973年5月25日，7月28日和11月16日，先後由阿波羅號飛船把太空人送上空間站工作。在載入飛行期間，太空人用58種科學儀器進行了270多項生物醫學，空間物理，天文觀測，資源勘探和工藝技術等試驗，拍攝了大量的太陽活動照片和地球表面照片，研究了人在空間活動的各種現象。1974年2月第三批太空人離開太空返回地面後，天空實驗室便被封閉停用，直到1979年7月12日在南印度洋上空墜入大氣層燒毀。它在太空運行2249天，航程達14億多千米。

歐洲的“空間實驗室”

“空間實驗室”是歐洲研製的第一種載人航天設備，由密封科學實驗艙和托盤兩種標準構件組成。長度分別為7米和3米，寬4米。這種空間站自身沒有動力裝置，不能自主飛行，只能裝在太空梭的貨艙中，隨太空梭一起升空，完成預定任務後，再隨太空梭返回地面。

1983年11月28日，“空間實驗室1號”由美國哥倫比亞號太空梭攜帶，進入高250公里、傾角57°的近地圓形軌道，作為期10多天的飛行。完成了由14個國家提出的73項有關大氣物理、地球觀測、天文、太陽物理、太空等離子物理、醫學、生物學和冶金等的數百次實驗和觀測。拍攝了近千張照片，收集了近200萬兆位的信息，相當於1973年美國天空實驗室飛行半年所獲資料的50倍。以後它又曾由“挑戰者”號太空梭3次帶入太空進行科學實驗。它是歐空局首次飛入太空的大型載人太空飛行器。在以後由“挑戰者”號太空梭送上太空的3次航行中，它還進行了特殊材料加工，晶體生長，流體力學，生命科學，大氣物理和天文方面的許多實驗，也獲得滿意結果。

空間實驗室內部

中國的“天宮”系列實驗室

天宮一號是中國首個空間實驗室的名稱，於2011年9月29日成功發射。“天宮一號”的目標飛行器已經分別與神舟八號、神舟九號飛船對接成功，並將與神舟十號飛船對接，從而建立第一個中國空間實驗室。

中國在研的空間實驗室採用兩艙結構，分別為實驗艙和資源艙。實驗艙可保證艙壓、溫濕度、氣體成分等航天員生存條件，可用於航天員駐留期間在軌工作和生活，密封的後錐段安裝再生生保等設備。實驗艙前端安裝一個對接機構，以及交會對接測量和通信設備，用於支持與飛船實現交會對接。資源艙為軌道機動提供動力，為飛行提供能源。

天宮二號空間實驗室於2016年9月15日成功發射，將主要開展地球觀測和空間地球系統科學、空間套用新技術、空間技術和航天醫學等領域的套用和試驗。

天宮三號空間實驗室，將主要完成驗證再生生保關鍵技術試驗、航天員中期在軌駐留、貨運飛船在軌試驗等，還將開展部分空間科學和航天醫學試驗。

各國研製模式

蘇聯的模式

蘇聯/俄羅斯把發展空間實驗室作為國策，採取了慎重穩妥的方式，最大限度地利用成熟技術。其採用三步走發展戰略:先是陸續發射5個“禮炮”系列空間實驗室用來試驗空間站的有關技術；取得一定經驗後進一步發射單模組艙段式“禮炮”系列實用性空間站；在此基礎上再建造多模組積木式長久性空間站“和平號”。蘇聯解體後，俄羅斯參與了“國際空間站”工程。

其路線圖是：衛星式載人飛船→空間實驗室（也叫試驗性空間站）→實用性空間站→積木式長久性空間站→桁架掛艙式永久性空間站（國際合作）。

“禮炮”系列空間實驗室的設計原則是：①簡單性：可大大縮短研製時間；②通用性：儘可能採用已有的且比較成熟的技術，以減小風險較小；③漸改性: 力求使空間實驗室具有較大的發展潛力。

它們大量套用了聯盟號飛船的技術和成果，因此不需要重新發展高難度的技術。為了縮短研製時間，採用了比較簡單的艙段式構型，因而具有外形簡單、硬體數少、容易實現和造價較低等優點，體積也能適應已有運載火箭運載能力一次發射的限制，尤其是由於不需要在軌道上對接組合或裝配大型系統的複雜過程，所以風險和難度都較小，安全性較高。

美國的模式

美國採取跨越的發展方式，但至今只發射過1個空間實驗室——“天空實驗室”。 其在設計思想上強調儘可能利用已有的硬體和技術。它利用“阿波羅”載人登月工程的剩餘材料和部件研製，於1973年發射入軌。它帶有試驗性質，加之為了簡化設計，所以沒有安裝軌道機動系統，這一點與蘇聯截然不同。因此，其本身不能進行軌道調整，只有當“阿波羅號”飛船同它對接後，才能利用飛船的發動機改變其軌道。另外，其專用氣閘過渡艙多次供航天員出艙活動。

此後，美國曾與歐洲、日本聯合研製“自由號”（freedom）純桁架掛艙式永久性空間站，但中途下馬，改為吸收俄羅斯參加，聯合研製與“自由號”不同的“國際空間站”。

其路線圖是：衛星式載人飛船→登月式載人飛船→空間實驗室→太空梭→桁架掛艙式永久性空間站（國際合作）。

歐日的模式

由於多種原因，歐洲採取了國際合作的方式，即多次利用美國太空梭搭載歐洲研製的“空間實驗室”，它包括：天體物理實驗室、大氣套用和科學實驗室、生命科學實驗室、國際微重力實驗室、微重力科學實驗室、美國微重力實驗室和神經科學實驗室。此後，歐洲和日本均參與了“國際空間站”工程。

與空間站區別

空間實驗室與空間站不同之處

項目名稱	空間實驗室	空間站
設計主導思想	短期有人照料、環境適宜生活、工作，並研究長期駐留的技術。	支持長期駐留。配置長期支持生活的設施，以航天員為主導設計主導開展駐留期間的工作。
主要任務	驗證空間站技術。	空間套用為主，可開展各類空間技術試驗。
工作模式	長期自主飛行，短期有人照料。	長期有人照料。
規模	單艙，只有1個對接口，原則上不可擴展。	多艙段，至少2個對接口，可擴展。
在軌壽命	1年左右。	5～l0年或更長。
在軌駐留時間	短期，航天員一次在軌駐留時間一般小於60天。	長期，100天以上。
運輸系統	一般沒有專用的貨物運輸系統，發射時帶足燃料。	具有配套的運輸能力，可定期完成燃料及消耗品的補充。
太空飛行器修理維護	原則上只作試驗項目。	例行工作。
空間套用	有限	可通過增加和更換，實現大規模、多項目的空間套用。