大家好，我是宋晓光，来自航天五院。今天给大家分享中国空间站的故事，题目叫《大块头有大智慧》。

那么大家一定很好奇，什么是“大块头”、它有什么大智慧呢？

“大块头”就是我们的天宫空间站，它运行在距离地球表面大概400千米的太空轨道上，主要由3个核心舱段在轨组装而成，包括核心舱（天和）、实验舱I（问天）和实验舱II（梦天）。这3个舱段的肚子里各有一个大密封舱，这3个密封舱就构成了航天员在太空活动的主要场所。空间站的尾部还长期停靠着补给货物的货运飞船，头部停靠着航天员乘坐的载人飞船。

整个空间站长度超过40米，如果立起来比13层楼的高度还要高。空间站的重量能达到100多吨，大概相当于90辆小轿车加起来。它是航天员在太空的家，也是一个高科技实验室。怎么样，它是不是一个货真价实的大块头？

那么这样的一个大房子跟咱们地面的大房子有什么区别吗？首先，它运行在距离地球表面大概400千米的太空当中，上不着天下不着地。其次，它的运行速度大概在8千米/秒，这个速度比步枪子弹的10倍还要快。得益于这么高运行速度，航天员在太空当中每天可以看到16次日出和日落。

空间站内部还存在着失重效应。里面的物品如果没有被固定好，就会自由地飘来飘去，人也一样。只要航天员想，就可以非常方便非常自由地从空间站一头飞到另外一头，就像图中这样。

那么，住在这么一个神奇的大房子当中是什么样的体验呢？

我们给航天员配置了非常舒适的床，就像这张图一样。虽然它看起来跟咱们地面的床不太一样，但是睡起觉来同样舒适。

航天员在天上睡觉也跟咱们地面不太一样。之前在空间站的航天员确实有站着睡觉的，因为在太空中站着和躺着没什么区别。但重要的是，航天员睡觉需要钻进一个特制的袋子里面，拿一个绳子轻轻地固定好，否则一睁眼就有可能不知道飘到哪儿去了。

这有一个秘密要告诉大家。在这座神奇的房子当中，我们给每个航天员的睡眠位置上都设计了一个玻璃悬窗，他只要一醒来、一睁眼，就能看见窗外壮丽的太空。

我们还给航天员准备了丰盛的食物和饮品，还给他们准备了电冰箱、微波炉等充足的家用电器，所以航天员在太空的饮食生活是非常丰富的。

那么，他们的吃喝跟在地球上一样吗？其实就吃来讲，差不多。他们过年也有饺子，中秋节也有月饼。不一样的地方主要在喝。在咱们地球表面，喝水是一个非常简单的动作，但在太空当中非常难实现。我们可以看到，他们拿的东西都像咱们的饮料袋一样，喝水主要以吸为主。

大家看，这个卫生间是不是跟地球上也有点不太一样？在太空当中，上厕所实际上是一个非常精细的系统工程。

由于失重效应，航天员需要与这个带有抽吸功能的马桶密切配合，才能保证排泄物乖乖地进到废物袋当中，而不是“自由活动”。

那么，航天员在太空当中主要干什么呢？首先，航天员在太空当中也可以用自己的电脑、平板还有手机进行工作和学习，这点跟地面没有太多的区别。在闲暇之余，他们还可以用太空自行车和太空跑台锻炼身体。除了这些，他们主要需要在轨开展大量的科学实验。

总的来讲，除了住的地方有点高、房子跑得有点快以外，航天员的生活跟地面上我们的生活没有什么区别。

那么问题来了。空间站的规模这么大、运行速度这么快还在太空当中，航天员的生活居然和地面差不多舒适，这是怎么做到的？这其实得益于我们给空间站配置的一套智能控制系统。这个系统就像一个智能的大脑，可以控制高速运行的空间站，使空间站变成航天员舒适安全的太空家园。

那么我们怎么控制呢？首先我们要进行轨道控制。轨道控制的第一个要素是，要保证空间站乖乖地待在轨道上，而不是掉到地球上。大家可能都听过牛顿和苹果树的故事下，地球附近的物体都会被地球的引力逐渐拉到地表。如果不加以控制，咱们的空间站也会像苹果那样落到地球表面。

我们还控制它始终以8千米/秒的第一宇宙速度绕着地球转圈，这样高速运动产生的离心力就平衡了地球引力，空间站就可以乖乖待在轨道上而不是落到地球表面了。

除了基本的克服地球引力以外，轨道控制还包括很多方面。比如说空间站运行所处的近地轨道看似空无一物，实际上存在着稀薄的大气。虽然这个大气的密度仅相当于地球表面大气密度的几百万分之一，但是会对高速运行的空间站产生阻力。如果我们不加以控制，空间站会在阻力的作用下逐渐地减缓速度，减速的空间站就会被地球的“大手”逐渐拉低高度。

所以我们有一个常规的任务，就是要定期给空间站加速，确保它的轨道高度。

太空中还存在着数以万计的太空垃圾，也叫太空碎片，它们以各自的轨道高速环绕地球运行。如果它们撞上同样高速运行的空间站，后果不堪设想。所以我们还会密切监视所有太空碎片的轨道，一旦发现它有接近空间站的趋势，就会主动控制空间站改变轨道高度来躲避。

空间站的运营还离不开载人飞船和货运飞船。它们通过交会对接进行人员和货物的补给。在交会对接过程中，飞船不断地通过轨道控制来改变飞行高度，从而逐步地靠近空间站。

这张图上就是神州十二号载人飞船与空间站对接的过程。我们可以看到在这个轨迹上，飞船逐步地抬高高度以接近空间站。

那问题来了，我们怎么控制空间站的轨道？就像右边这张图一样，我们主要依靠空间站尾部的货运飞船，然后像左边这张图一样控制货运飞船的轨控发动机。它朝后喷气，空间站就朝前加速，这样就可以抬高它的轨道高度。

那如果要降速、降轨，应该怎么控制？其实也非常简单，我们让它掉一个头，仍然用货运飞船来控制。这样既经济、又高效。

有了轨道控制系统，我们是不是就可以保证航天员在太空舒适的生活了？还远远不够。在太空生活还要有充足的电能供应。图上这两片旋转的大扇子，就是空间站配置的大型太阳能帆板。

我们控制太阳能帆板像地球上的向日葵一样缓慢旋转、追踪太阳，这样就能把充足的太阳能转化成电能，从而满足空间站的实验和生活需求，使空间站实现用电自由。

舒适的太空生活也离不开便捷的通信。在空间站时代之前，航天员跟地面的通信类似于对讲机通信，你说一句，他说一句，沟通既慢又不连续，还受很多限制。到了空间站时代，情况就完全不一样了，这得益于图中我们国家中继卫星技术和中继天线技术的发展。

现在在太空的宇航员生活得非常惬意，他们也可以像咱们在地面一样，拿起手机就能和地面人员沟通，节假日还可以把家人邀请到指控中心跟家人进行双向视频通话。

这所有的技术进步都离不开我们对中继天线的精确控制。我们需要控制它精确的指向，也就是中继卫星。

航天员在太空也要开展大量的实验。一些实验需要保证实验材料一直对着太阳，还有一些需要背着太阳一直对着地球。控制这些实验材料满足实验条件也是我们的一个主要任务。

在空间站，飞船和货物以及人员的补给都要靠刚才讲到的交会对接完成。在交会对接逼近段的最后阶段，我们需要控制飞船和空间站使它们严格对正，这样才能实现飞船的稳定停靠。

这是从两个方向分别对接空间站的实况图，整个飞船和目标飞行器都非常稳。这个是咱们主要的自动对接系统。

除了这个以外，我们还在空间站给航天员设计了一套手动遥操作对接系统，像这张图一样。

航天员利用我们给他配备的控制手柄以及空间站上的显示器，就能控制巨大的货运飞船缓慢地靠近空间站。直到它稳定地停靠在空间站上。

像咱们在地面打游戏控制赛车一样，为了保证航天员能熟练掌握对接技术并不断提高，我们还给他们配套了一套在轨训练系统，包括两个手柄和一个笔记本。航天员在天上时可以定期拿出来做训练，利用这两个配套的手柄控制虚拟的货船以各种状态对接空间站。这套系统还有个特别有意思的地方。它可以支持航天员进行互相PK和打分，像打游戏一样实现专业技能的训练。

讲了这么多控制的重要性，空间站到底好不好控制？其实非常不好控制。

首先空间站又大又重，我们的空间站长宽都超过40米，重量超过90吨。控制空间站就像开大卡车一样，本身就有一定的难度。

而且空间站并非规规矩矩的形状，还带了两只巨大的翅膀、或者说两把特别柔软的扇子，也就是图中不断旋转的大型柔性太阳翼。它是我们国家首次在轨运用的大型柔性太阳翼，展开以后超过60米，但是厚度小于1毫米。空间站上有了它，就好像大卡车装了两个大风车，控制不好就会发生颤动。

空间站的运行轨道上也存在着很多干扰，有刚才咱们讲过的大气干扰，有空间站组装带来的变结构干扰，还有太阳光压干扰，以及我们平常看起来就像圆圆的地球，它的引力模型也是一个不均匀的球体，存在引力不均干扰。所以控制空间站实际上是一个难度较大的任务。

那我们怎么来解决这个问题？这就要依靠我们的大智慧。

首先，我们给空间站配套了最先进的测量装置：有看一看星星就知道自己朝向哪边的星敏感器，有太阳一照就知道太阳方位的太阳敏感器，还有闭着眼睛一数就知道自己转过多少角度的陀螺敏感器。依靠这些敏感器，空间站的工作人员随时都知道自己的位置和朝向，为控制做好准备。

我们还给空间站配置了“稳定神器”力矩陀螺系统，这张图红框当中的大球就是力矩陀螺系统。之前空间站的姿态控制主要依靠传统的喷气控制方式。简单来讲就是空间站朝左歪了，我就朝左喷气回正，朝右歪了，就朝右喷气回正。这样的控制方式既不连续，也会给航天员带来不好的体验，还浪费燃料。

但有了力矩陀螺系统之后就不太一样了。它就像一个自动调节高度的蓄水池，可以自动吸收空间站运行当中的各种干扰，更关键的是它不耗燃料只耗电，给空间站省了大钱。

我们认真对待空间站运行当中的各种干扰，对它们做了细致的分析。比如首次在轨应用的大型柔性太阳翼转动起来以后，可能带着空间站震动，就会导致航天员在空间站里面体感很差。虽然我们在地面进行了大量的实验，也获取了大量数据，但是太阳翼入轨以后在失重环境下的振动特性会不会变化，我们的结论还准不准确，仍需要做好充分的准备去面对。

我们给大型柔性太阳翼装了两只特殊的眼睛，这样就能在太阳翼转动期间一直盯着它，实时分析它的震动特性，再把这些震动特性传递给控制系统，让控制系统再调校，保证我们的系统维持高精度控制。

空间站是航天员在太空的家园，控制系统是空间站的关键系统，它的功能和性能直接决定了我们航天员的安全。

经过了精心设计以后，控制系统是不是就可以直接上天？答案是否定的。首先我们要在地面计算机上给控制系统建立数学模型，然后开展大量的仿真验证、仿真计算工作。

对于空间站运行当中所有帆板转动的角度、机械臂运行的角度以及各种可能和非可能的干扰，我们都要进行充分的仿真计算。在整个任务期间，我们一共进行了大概数百万次仿真，每次仿真的数据量都可以写一份几百页的报告。经过这种充分的仿真验，空间站控制的可靠性才有了初步的保证。

完成了数学仿真以后，我们就进入下一个阶段——模型验证阶段。这是我们在天津的大理石气浮平台实验室。这个实验室利用1800块大理石创造了一个近乎零摩擦的环境。在这个零摩擦的环境当中，我们用大型钢构件来模拟空间站的舱体以及大型的帆板，再利用真实的力矩陀螺和控制设备来控制这个模拟的空间站，进一步验证控制系统的功能和性能。

完成了这两步验证以后，我们就进入了更大规模的整气验证阶段。这是我们在天津的大型测试厂房，里面正在进行的是5舱联试。我们把空间站所有的主要舱段以及货运飞船和载人飞船按照真实的状态连接，然后模拟天上真实的运行状态一步一步测试。

空间站的功能非常强大，所以测试工作量也很大，我们的测试团队不分白天黑夜连续进行了100多天的实验。完成这些大型测试以后，空间站系统才真正获得了发射许可证。

发射入轨以后，测试工作还没有结束。在航天员入驻空间站之前，我们需要在真实的在轨环境下对空间站的所有功能进行最后的“结业考试”，包括帆板的发电功能、中继天线的通信功能以及控制系统的控制功能等等。这些测试完全结束以后，航天员才能入驻空间站，开启他们的太空生活。

经过精心设计和充分测试的系统在轨表现怎么样？非常完美。在日常常规任务阶段，它就像一个平静的美男子，安静地在轨道上御风而行。

在航天员出舱期间，它又像一个稳定的大船一样，给航天员提供坚实的基础，让他们出舱时如履平地。

在交会对接期间，控制系统的表现也非常精准，在已经实施的几十次任务期间，交会对接屡次打出10环的成绩。

对于各种预期和非预期的干扰，控制系统也都从容应对。整个系统在轨表现非常好，航天员们的反映也非常好。

作为一个智能系统，它的全部本领也不仅仅是实现控制功能，它还有非常高的智能。

首先，它除了可以精准控制以外，还有非常高超的医术。它可以一边控制，一边自检。如果发现设备故障就会自动关闭，同时打开备用设备，保证自己时刻处在健康的状态下。

其次，它还可以一边干活一边接受航天员维修。这是神舟十四号航天员在轨安装力矩陀螺的真实照片，右侧是航天员在轨手控遥操作对接货船的真实照片。通过结合精准控制和航天员主动控制，不但能使系统的功能充分发挥，还能借助航天员的能动性让控制系统的效能达到最高。

控制系统不是一个封闭的系统，而是一个不断扩展的系统。在组装建造期间，3舱的控制系统在对接以后通过穿舱总线连成了一个更大的控制系统，功能和性能都得到了极大的扩展。这就像3个大脑连成了一个更强大脑一样，它更加聪明了。

在未来，空间站会逐渐扩到4舱、6舱甚至更多的构型，控制系统也一定会不断随着空间站的扩展而扩展，它的功能和性能会更强，会更加的聪明，可以时刻保障空间站以及航天员的在轨安全和运行稳定。

天宫空间站是我们中国人自己的空间站。随着技术的进步，大家在未来都有机会进入空间站生活和学习。希望小朋友们好好学习，早日到访我们的天宫空间站。

谢谢！