中国空间站为什么不采用桁架式结构?

关于中国空间站为什么不采用桁架式结构，这是一个很有意思的问题，涉及到空间站设计的复杂考量。简单来说，中国空间站选择了一种我们称之为“核心舱+实验舱”的组合式结构，而非像国际空间站（ISS）那样采用长长的桁架来连接各个模块。这背后有几个关键原因，我们可以从技术、成本、任务需求等多个角度来深入探讨。

首先，我们得先理解什么是桁架式结构，以及它在国际空间站上的作用。

桁架式结构，顾名思义，就是用许多短小的杆件按照一定的几何形状（通常是三角形）连接而成的骨架。在国际空间站上，桁架承担着非常重要的角色。它就像一条巨大的“脊梁”，贯穿了整个空间站的主体。最核心的功能包括：

支撑太阳能电池板： ISS的太阳能电池板非常庞大，为了能够最大程度地接收阳光，它们需要伸展开来，并且可以根据太阳的位置进行调整。桁架提供了坚固且足够长的支撑臂，能够承载这些巨大的太阳能翼，并且将它们伸展到远离站体本体的地方，以避免互相遮挡。
承载大型设备：除了太阳能电池板，还有其他一些大型设备，比如机械臂（Canadarm2）、生命支持系统的一些组件、通信天线等等，也安装在桁架上。桁架提供了稳定且方便连接的平台。
连接各个舱段：桁架通过转接节点，将国际空间站的各个居住舱、实验舱、对接舱等连接起来，形成一个整体。

那么，为什么中国空间站没有走这条路呢？

这涉及到中国空间站的几个核心设计理念和技术抉择，我们可以从以下几个方面来分析：

1. 设计理念的差异：
国际空间站（ISS）： ISS的设计是逐步扩展、迭代升级的。最初它是由多个独立的载人航天器组成，随着时间的推移，通过多次发射任务，将各个舱段和桁架部件送入轨道，然后在太空中进行组装。这种方式的优势在于灵活性高，可以根据需要增加功能和规模。桁架结构非常适合这种“拼装”模式，它提供了一个长长的框架，可以像火车车厢一样，将各个功能舱段连接上去。
中国空间站（天宫）：天宫空间站的设计目标是构建一个更紧凑、更高效、更一体化的组合体。虽然它也需要进行在轨组装，但其初期设计就考虑了“一主两辅”的基本构型，并且后续会扩展。中国空间站的设计更侧重于模块化，但模块之间的连接方式更加直接和紧凑。核心舱作为整个空间站的“大脑”和“心脏”，已经集成了大量的生命支持、姿态控制、通信等功能。实验舱（问天、梦天）的对接方式是直接插入核心舱，或者通过节点舱与核心舱对接，形成了一个相对更紧密的整体。

2. 太阳能电池板的设计：
ISS的太阳能电池板非常庞大，以至于需要伸出桁架才能获得最佳的照明角度和避免遮挡。而中国空间站的太阳能电池板设计更加紧凑，它们直接安装在实验舱的“肩部”，并且可以像“花瓣”一样展开。这种设计不需要一个巨大的外部桁架来支撑，因为电池板本身的展开角度和位置设计，已经能够满足大部分的能源需求。而且，通过巧妙的构型设计，可以最大限度地减少舱段之间的遮挡。

3. 机械臂系统的集成：
ISS的机械臂（Canadarm2）非常长，需要依托在桁架上进行操作。中国空间站也有非常强大的机械臂系统，例如“天和”核心舱配备的“机械臂”。但它的设计更加灵活，可以从一个舱段转移到另一个舱段，甚至可以与组合机械臂（包括问天实验舱的机械臂）协同工作。这些机械臂的设计更多的是考虑其自身的可操作性和灵活性，而不是必须依附于一个固定的、贯穿式的桁架。

4. 结构和稳定性的考量：
桁架结构虽然能够提供强大的支撑，但其本身也非常庞大且质量不小。将其送入轨道，并且在太空中精确对接和组装，技术难度非常高，成本也随之增加。中国空间站的设计追求的是在满足功能需求的前提下，优化整体的质量和结构复杂度。
中国空间站的设计，将主要的结构支撑和功能集成在了核心舱中。实验舱的对接方式，通过结构强度更高的节点进行连接，能够保证整个空间站的整体稳定性和刚性。这种设计在一定程度上可以简化对接过程，并且减少了额外的大型桁架结构带来的复杂性。

5. 成本和发射能力的限制：
将一个庞大的桁架结构送入轨道，需要多次高强度的发射任务。每一次发射都是成本和风险的叠加。中国空间站的设计，充分考虑了中国现有的运载火箭能力和发射成本。采用更紧凑、更集成的设计，可以减少所需的发射次数，降低整体的成本。

6. 未来扩展的灵活性：
虽然中国空间站不像ISS那样有贯穿式的桁架，但其“一主两辅”的基本构型，以及节点舱的设计，也为未来的扩展留下了空间。例如，未来可以对接更多的实验舱，或者在特定位置增加功能舱段，通过节点舱进行连接，形成新的构型。这种模块化连接的方式，也提供了一定的灵活性。

总结一下，中国空间站不采用桁架式结构，并非是“不好”或者“不行”，而是基于对自身设计理念、技术实力、成本效益、任务需求以及未来发展方向的综合考量。

核心舱+实验舱的组合式设计更符合中国空间站追求的紧凑、高效、一体化的目标。
改进的太阳能电池板和机械臂设计使得不需要庞大的外部桁架来支撑这些关键设备。
更优化的结构集成和模块化连接简化了在轨组装过程，降低了成本和技术难度。

这种选择，体现了中国航天在空间站设计上的一种创新思路，是根据自身情况和发展目标做出的最优解。每种设计都有其优势和劣势，关键在于是否能最好地服务于其预设的目标。

网友意见

因为用不到

ksp资深宰人航天工程师强答

桁架好处有

1 方便模块化拓展可以很轻松做出超大规模的空间站并且避免出现和平太阳能板遮挡的缺陷

2 桁架配合移动式机械臂可以安装对接无动力设备适合航天飞机转运货物

3 桁架对于复杂大量舱室空间站刚性等力学特性提升大代价低 iss设计初衷服务于多国可能当初考虑会有比目前更多的舱段

那么对于我们来说

1 太阳能板技术提升了没必要那么大面积不需要用桁架拓展

2 目前的机械臂工作覆盖率已经无死角也赖于技术提升没必要装桁架并且我们没有航天飞机或其他轨间载具打上去的都是飞船或者带动力舱段自己对接就完了

3 以单国主导为主舱段设计更多考虑大舱少量规模控制合理的多没必要通过桁架死重加强强度

最后补充一句目前技术角度 300-500t级别桁架开始产生优势而对于我国目前需求没必要承担桁架式额外的死重和建设难度

大家可以看到，国际空间站的桁架只是用来安装太阳能电池板和散热片的。

当初，国际空间站的太阳能电池效率较低，只有15%左右。

因此，仅止空间站部分的外表面直接按装，不足以提供足够的空间安装太阳能电池板。

用桁架扩大面积后，太阳能电池输出功率100千瓦左右。

而我国现在空间站的在太阳能电池效率超到30%。太阳能板的面积只有国际空间站的一半，输出功率达到80千瓦。

理论上现在国际空间站也可以采用高效率的太阳能电池板，但是，桁架方案在20年前的设计之初就已经确定了。

下面是太阳能电池板效率随着年份提高的变化规律。

可见，在1998年国际空间站开始建造的时候，太阳能电池板的平均效率或主流技术在16%左右。虽然那个时候最高效率已经能达到30%，但是可靠性、稳定性不一定够，所以并不会采用最高效率的方案）。

而到了2020年，太阳能电池板的平均效率或主流技术已经达到30%，最高已经达到48%。同理，效率最高的可靠性、稳定性不一定够，所以我们也没有采用最高效率的方案。

另外，对于任何一个物体或物件：

体积越小，外表比面积越大；

体积越大，外表比面积越小。

以球体为例，比面积计算为(4pi*r^2/(4*pi*r^3/3))=3/r，r为半径。

可见半径越大，外表比面积越小。

国际空间体积比我们大，外表比面积就小，外表安装太阳能电池的空间就不够。所以只能采用桁架扩大外部使用面积，用来安装太阳电池板。

将来我们如果建设更大规模的空间站，桁架结构也是不可避免的。

发射不是主要问题。杵架结构实际上重量不大，可以折叠。

既然没人敢动铁幕宣传，官方也低调称自己为比ISS低一代的第三代空间站，那我就越俎代庖，戳穿一下吧。

如果ISS敢宣传为第四代，那么我们就该是第五代。

第五代的中国空间站，用霍尔电推+柔性太阳能电池板，取代了ISS为支撑所需对应功能的上一代产品，而不得不采用的庞大桁架。

必须要用的桁架，发射和安装费用高昂，因为这玩意儿每次发射的机构单元，必须要限制在一个相当有限的范围内，而且还得靠航天员出仓，进行高体能消耗的大量安装工作。

因为我们有了可靠的霍尔电推+柔性太阳能电池板的自主动力、高度集成化舱段，就可以取代ISS当初靠航天飞机推动无动力舱段，必须靠桁架支撑整体结构，以及笨重太阳能供电和散热设备，这些同样必须靠桁架来支撑结构的现实。

第三代空间站（和平空间站）：通过模块化舱段进行太空对接组合的空间站

第四代空间站（国际空间站）：以桁架为供电部门、动力部门、模块化舱段提供支撑结构的空间站

第五代空间站（天宫空间站）：自主动力、高度集成化舱段的组合空间站

我们的宣发，低调的把自己划入三代，然后干出来的却是基于第三代，绕过第四代，超越第四代的迭代工作。

第五代方案，一旦美国人用了，那顺理成章就是第五代了，然而，“不幸”的是中国用了，只得沦为“落后”技术。因此，未来的美国环月空间站，大概率就不太会宣传自己是迭代后的第五代了。

没有需求。太空站用途本来就非常有限。建设那么大干嘛？

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