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空间实验室（对地观测的载人航天实验空间站）

次浏览 | 更新时间：2023-05-16

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空间实验室

对地观测的载人航天实验空间站

“空间实验室”又称太空实验室（Space Laboratory）是一种可重复使用和多用途的载人航天科学实验空间站。前苏联、美国和欧洲航天局已于20世纪七八十年代率先研制成功出空间实验室。

中国空间实验室的雏形“天宫一号”已于2011年9月29日发射升空。中国首个真正意义上的空间实验室——天宫二号空间实验室于2016年9月15日成功发射。

基本信息

中文名	空间实验室
外文名	Space Laboratory
性质	一种多用途航天科学实验空间站
设立地点	太空
可进行	对地观测、天文观测等
两舱结构类型	采用两舱构型：实验舱,资源舱

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基本认识

实验室信息

空间实验室1

空间实验室是用于开展各类空间科学实验的实验室。空间实验室的建设过程是先发射无人空间实验室，而后再用运载火箭将载人飞船送入太空，与停留在轨道上的实验室交会对接，航天员从飞船的附加段进入空间实验室，开展工作。

航天员的生活必需品和工作所需的材料、设备均由飞船运送，载人飞船停靠在实验室外边，作为应急救生飞船。如果实验室发生故障，可随时载航天员返回地面，航天员工作完成后，乘飞船返回。

与空间站区别

关于空间实验室，目前还没有明确的定义，其基本概念是：空间实验室是为发展空间站，从载人飞船过渡到载人航天基础设施的试验性航天器；而空间站的概念是：可供多名航天员巡访、长期工作和居住生活的载人航天器。

空间实验室与空间站在概念上的区别，在于前者强调功能，可能是一种空间站，也可能作为空间站附属，或航天飞机搭载的空间设备。

理论研究和实践经验都表明，研制空间实验室是建造空间站的重要前提和技术保障，可对空间站的关键技术进行试验，获取经验，降低风险，为建造空间站打基础。

空间实验室和空间站既有联系，又有明显区别，在任务目标、功能规模、技术指标、资金投入和研制周期等方面都存在一些不同。对此，要有明确的界定，否则会走弯路。

结构与组成

实验舱

实验舱由密封的前锥段、圆柱段和后锥段组成，密封舱可保证舱压、温湿度、气体成分等航天员生存条件，可用于航天员驻留期间在轨工作和生活，密封的后锥段安装再生生保等设备。

实验舱前端安装一个对接机构，以及交会对接测量和通信设备，用于支持与飞船实现交会对接。

资源舱

资源舱为轨道机动提供动力，为飞行提供能源。一般包括发动机和电源装置等，外部安置太阳翼，用于提供轨道与姿态控制、电力能源供应、热控环控。

关键技术

空间交会对接

空间实验室阶段关键要突破飞船空间交会对接技术。空间交会对接技术难度很大，在对接过程中，如果计算不准，就可能发生飞船相撞事故。因此，需要进行大量试验才能掌握这一技术。

两个或两个以上的航天器通过轨道参数的协调，在同一时间到达太空同一位置的过程称为交会。对接是在交会的基础上，通过专门的对接机构将两个航天器连接成一个整体。实现两个航天器在太空交会对接的系统称为交会对接系统。

交会对接系统通常包括跟踪测量系统、姿态与轨道控制系统、对接机构系统等。两个航天器在太空进行对接，其初始条件是两者保持对接机构的同轴接近方式和确定的纵向速度，以及在其他线坐标和角坐标上的速度为零。但两个航天器之间的实际相对运动参数总是有偏差的。

一般情况下，两个航天器之间的相对位置及其平动速度通常是靠主动航天器轨道控制系统和两个航天器的姿态控制系统来维持的，前者适用于控制质心的平动运动，后者适用于控制绕质心的转动运动。航天器的空间交会对接控制方法有两种，一种是人工控制、另一种是自动控制。用人工控制来完成太空交会对接可以提高交会对接的成功率。自动控制交会对接可靠性高，不需考虑人员的安全和救生问题。在航天器的交会对接技术方面，未来的发展趋势是人工控制和自动控制相结合，以提高交会对接的灵活性、可靠性和成功率。

航天员出舱技术

空间实验室长期在太空运行，暴露在舱外的各种设备、部件等容易受到太空环境的损坏，发生老化和故障，因此需要航天员到舱外去维修或更换，进行这一工作，必须对航天员进行在失重环境下穿航天服、打开舱门、在太空环境下使用工具、在太空环境下走路等必要技术的训练。

特性

空间实验室是试验性的空间站，以突破和验证空间站关键技术为主要任务目标，以“短期有人照料、长期无人值守”为主要工作模式，具有相对较短寿命(1年左右)的低轨道中小型载人航天器。空间实验室一般具有如下主要特性：

(1)通过一次性携带的物资，可实现少批量、短时间航天员在轨驻留，不支持长期载人；

(2)一般没有在轨补给和补加功能，寿命较短；

(3)规模小，不具有可扩展性；

(4)只能进行空间站关键技术的验证试验，可开展有限的空间应用。

从任务目标、功能、基本指标等方面看，空间实验室与空间站均存在较大差异。

性能与功用

发展飞行器技术

空间实验室[空间实验室]

（1）进一步掌握飞行器空间交会对接技术；（2）突破飞行器长期在轨自主飞行、再生式生保和货运飞船。

空间应用试验

试验用遥感器有波长为31毫米、分辨率25米、45°视角时扫描宽度为9公里的合成孔径雷达以及频率为9.62～9.67赫兹、分辨率为8×21公里2的微波散射计等。1985年7月29日空间实验室2号由“挑战者”号航天飞机送上轨道，进行多种科学实验。

国际相关发展

国际空间实验室的发展

苏联-俄罗斯

苏俄首先通过载人飞船突破载人飞行技术，然后开展空间站的研制工作。苏联航天工作者建造了“礼炮”号系列空间实验室，能长期保证乘组的生命活动及工作。“礼炮”计划从1971年到1982年，包括发射了9艘单模块的空间实验室(后期升级为空间站)，用于开展对人长期在轨生活以及其它生物、天文领域进行长期试验研究，验证地面的设计结果。

美国

美国发展空间实验室(站)与苏联不同，其注重先进性，但欠缺连续性和继承性。

美国首先研制了“天空实验室”，于1973年5月14日发射，它有两个目的：一是作为未来空间站计划的过渡环节，带有试验性质，二是进行科学实验。

欧洲

欧洲采用化整为零、分布实施的模式建设空间实验室，但由于其技术发展没有系统性，许多方面依赖美国，因而没有能力独立发展自己的载人航天和空间站技术；但通过国际合作的方式也获取了一部分进展。欧洲建造的空间实验室包括“空间实验室”和“哥伦布舱”。

日本

日本的发展模式与欧盟相近，不具备独立研制和发射载人航天器的能力。“希望”号是日本建造的第一个空间轨道载人设施。

中国

相关规划

根据中共中央1992年9月确定的中国载人航天“三步走”发展战略方针，2005年l0月中国神舟六号载人飞行任务取得了圆满成功，标志着第一步任务目标已顺利完成。

2004年12月，中央批准起动中国载人航天第二步任务，并明确第二步任务重点放在航天器交会对接和航天员空间活动等重大技术突破上。载人航天工程总体组织确定了中国载人航天二期工程第一阶段的主要任务目标为：

(1)实施航天员出舱活动，突破航天员出舱活动技术；

(2)实施航天器交会对接试验，突破和掌握载人航天器交会对接技术；

(3)开展有效的空间应用和空间科学技术试验；

(4)为工程的进一步发展创造基本条件。

神舟七号飞船于2008年9月25日发射，2008年9月28日回收，承载3名航天员，突破了出舱活动技术。

为进一步掌握交会对接技术、开展空间技术和应用试验、为空间站奠定技术基础，工程总体决定成立空间实验室系统，其主要任务有以下任务：

(1)研制目标飞行器，参与交会对接试验；为航天员的在轨工作、生活提供必要的条件，并保证航天员安全；为开展空间应用、空间科学实验与技术试验提供基本条件。

(2)开展空间实验室关键技术攻关和先期研制工作，为载人航天后续发展积累经验。

(3)根据工程的进展，开展空间站实施方案的论证。

基本功能

为了满足中国载人航天第二步第一阶段任务要求，中国的空间实验室应具备以下三类功能：自主飞行及试验支持功能、交会对接功能、航天员驻留技术支持功能。其中，自主飞行及试验支持功能包括了自主供电、测控通信、热控、环境控制与生命保障、轨道与姿态控制，并具有一定的空间防护能力；交会对接功能包括了轨道相位调整、姿态保持、交会对接、支持组合体管理；航天员驻留技术支持功能包括了工作和生活空间支持、医学和能效学支持、生活保障支持、出舱活动支持等功能。

具体任务要求为：

(1)作为交会对接目标，参与交会对接技术试验。

(2)为航天员的在轨工作、生活提供必要的条件，并保证航天员安全。

(3)为开展空间应用、空间科学实验与技术试验提供基本条件。

(4)初步建立能够在轨长期可靠运行的载人空间试验平台，为建造空间站积累经验。

实验室建设

中国首个空间实验室的雏形“天宫一号”已于2011年9月29日成功发射。作为中国建立空间站计划的序幕，天宫一号目标飞行器由实验舱和资源舱组成，实验舱是密封舱，支持3名航天员工作和休息，实验舱后锥段与资源舱是非密封环境，安装相关设备，包括太阳翼、发动机等。实验舱前端框安装1个对接机构，完成交会对接任务。

中国首个正真意义上的空间实验室天宫二号于2016年9月15日成功发射。而后，搭载2名航天员的神舟十一号飞船、天舟一号货运飞船将与天宫二号空间实验室完成交会对接。在此之前，全新研制的长征七号运载火箭已经在海南文昌发射场完成首飞。

各国实验室

前苏联“礼炮”空间实验室

空间实验室[空间实验室]

苏联是首先发射载人空间实验室的国家。其“礼炮1号”在1971年4月19日发射，由轨道舱，服务舱和对接舱组成，呈不规则的圆柱形，总长约12.5米，最大直径4米，总重约18.5吨。它在约200多千米高的轨道上运行，站上装有各种试验设备，照相摄影设备和科学实验设备。后在太空与联盟号载入飞般对接组成居住舱，容积100立方米，可住6名宇航员。相继与联盟10号，联盟11号两艘飞船对接组成轨道联合体，有3名航天员进站内生活工作近24天，完成了大量的科学实验项目，但这3名航天员乘联盟11号飞船返回地球过程中，由于座舱漏气减压，不幸全部遇难。

“礼炮2号”发射到太空后由于自行解体而失败。苏联发射的礼炮3、4、5号空间实验室均获成功，航天员进站内工作，完成多项科学实验。

美国的“天空实验室”

天空实验室

美国在1973年5月14日发射成功一座叫天空实验室的空间站，它在435千米高的近圆空间轨道上运行，先后接待3批9名宇航员到站上工作。这9名宇航员到站上工作。这9名宇航员在站上分别居留28天，59天和84天。天空实验室全长36米，最大直径6.7米，总重77.5吨，由轨道舱，过渡舱和对接舱组成，可提供360立方米的工作场所。

1973年5月25日，7月28日和11月16日，先后由阿波罗号飞船把宇航员送上空间站工作。在载入飞行期间，宇航员用58种科学仪器进行了270多项生物医学，空间物理，天文观测，资源勘探和工艺技术等试验，拍摄了大量的太阳活动照片和地球表面照片，研究了人在空间活动的各种现象。1974年2月第三批宇航员离开太空返回地面后，天空实验室便被封闭停用，直到1979年7月12日在南印度洋上空坠入大气层烧毁。它在太空运行2249天，航程达14亿多千米。

欧洲的“空间实验室”

“空间实验室”是欧洲研制的第一种载人航天设备，由密封科学实验舱和托盘两种标准构件组成。长度分别为7米和3米，宽4米。这种空间站自身没有动力装置，不能自主飞行，只能装在航天飞机的货舱中，随航天飞机一起升空，完成预定任务后，再随航天飞机返回地面。

空间实验室内部

1983年11月28日，“空间实验室1号”由美国哥伦比亚号航天飞机携带，进入高250公里、倾角57°的近地圆形轨道，作为期10多天的飞行。完成了由14个国家提出的73项有关大气物理、地球观测、天文、太阳物理、太空等离子物理、医学、生物学和冶金等的数百次实验和观测。拍摄了近千张照片，收集了近200万兆位的信息，相当于1973年美国天空实验室飞行半年所获资料的50倍。以后它又曾由“挑战者”号航天飞机3次带入太空进行科学实验。它是欧空局首次飞入太空的大型载人航天器。在以后由“挑战者”号航天飞机送上太空的3次航行中，它还进行了特殊材料加工，晶体生长，流体力学，生命科学，大气物理和天文方面的许多实验，也获得满意结果。

中国的“天宫”系列实验室

天宫一号是中国首个空间实验室的名称，于2011年9月29日成功发射。“天宫一号”的目标飞行器已经分别与神舟八号、神舟九号飞船对接成功，并将与神舟十号飞船对接，从而建立第一个中国空间实验室。

中国在研的空间实验室采用两舱结构，分别为实验舱和资源舱。实验舱可保证舱压、温湿度、气体成分等航天员生存条件。

天宫二号空间实验室于2016年9月15日成功发射，将主要开展地球观测和空间地球系统科学、空间应用新技术、空间技术和航天医学等领域的应用和试验。

天宫三号空间实验室，将主要完成验证再生生保关键技术试验、航天员中期在轨驻留、货运飞船在轨试验等，还将开展部分空间科学和航天医学试验。

各国研制模式

苏联的模式

苏联/俄罗斯把发展空间实验室作为国策，采取了慎重稳妥的方式，最大限度地利用成熟技术。其采用三步走发展战略：先是陆续发射5个“礼炮”系列空间实验室用来试验空间站的有关技术；取得一定经验后进一步发射单模块舱段式“礼炮”系列实用性空间站；在此基础上再建造多模块积木式长久性空间站“和平号”。苏联解体后，俄罗斯参与了“国际空间站”工程。

其路线图是：卫星式载人飞船→空间实验室（也叫试验性空间站）→实用性空间站→积木式长久性空间站→桁架挂舱式永久性空间站（国际合作）。

“礼炮”系列空间实验室的设计原则是：①简单性：可大大缩短研制时间；②通用性：尽可能采用已有的且比较成熟的技术，以减小风险较小；③渐改性: 力求使空间实验室具有较大的发展潜力。

它们大量应用了联盟号飞船的技术和成果，因此不需要重新发展高难度的技术。为了缩短研制时间，采用了比较简单的舱段式构型，因而具有外形简单、硬件数少、容易实现和造价较低等优点，体积也能适应已有运载火箭运载能力一次发射的限制，尤其是由于不需要在轨道上对接组合或装配大型系统的复杂过程，所以风险和难度都较小，安全性较高。

美国的模式

美国采取跨越的发展方式，但至今只发射过1个空间实验室——“天空实验室”。其在设计思想上强调尽可能利用已有的硬件和技术。它利用“阿波罗”载人登月工程的剩余材料和部件研制，于1973年发射入轨。它带有试验性质，加之为了简化设计，所以没有安装轨道机动系统，这一点与苏联截然不同。因此，其本身不能进行轨道调整，只有当“阿波罗号”飞船同它对接后，才能利用飞船的发动机改变其轨道。另外，其专用气闸过渡舱多次供航天员出舱活动。

此后，美国曾与欧洲、日本联合研制“自由号”（freedom）纯桁架挂舱式永久性空间站，但中途下马，改为吸收俄罗斯参加，联合研制与“自由号”不同的“国际空间站”。

其路线图是：卫星式载人飞船→登月式载人飞船→空间实验室→航天飞机→桁架挂舱式永久性空间站（国际合作）。

欧日的模式

由于多种原因，欧洲采取了国际合作的方式，即多次利用美国航天飞机搭载欧洲研制的“空间实验室”，它包括：天体物理实验室、大气应用和科学实验室、生命科学实验室、国际微重力实验室、微重力科学实验室、美国微重力实验室和神经科学实验室。此后，欧洲和日本均参与了“国际空间站”工程。

与空间站区别

空间实验室与空间站不同之处

项目名称	空间实验室	空间站
设计主导思想	短期有人照料、环境适宜生活、工作，并研究长期驻留的技术。	支持长期驻留。配置长期支持生活的设施，以航天员为主导设计主导开展驻留期间的工作。
主要任务	验证空间站技术。	空间应用为主，可开展各类空间技术试验。
工作模式	长期自主飞行，短期有人照料。	长期有人照料。
规模	单舱，只有1个对接口，原则上不可扩展。	多舱段，至少2个对接口，可扩展。
在轨寿命	1年左右。	5～l0年或更长。

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参考资料

[1]

"天宫二号"露出真容成功发射升空 · 网易[引用日期2016-09-15]

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