1.1空間站結(jié)構(gòu)的實(shí)踐教育價(jià)值演講人2025高中科技實(shí)踐之空間站結(jié)構(gòu)課件各位同學(xué)、老師們：作為一名從事航天科普教育十余年的科技實(shí)踐指導(dǎo)教師，我始終相信，最好的科學(xué)教育不是照本宣科，而是讓知識(shí)“落地”——用可觸可感的實(shí)踐，將抽象的航天工程轉(zhuǎn)化為青年一代能理解、能參與的探索之旅。今天，我們將以“空間站結(jié)構(gòu)”為切入點(diǎn)，從認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)到解析原理，從案例研究到實(shí)踐設(shè)計(jì)，共同開(kāi)啟一場(chǎng)“建造屬于我們的空間站”的科技實(shí)踐之旅。一、為什么要關(guān)注空間站結(jié)構(gòu)？從“太空城堡”到實(shí)踐價(jià)值的遞進(jìn)認(rèn)知在開(kāi)始具體結(jié)構(gòu)講解前，我想先問(wèn)大家一個(gè)問(wèn)題：如果讓你用一句話描述空間站，你會(huì)怎么說(shuō)？或許有人會(huì)說(shuō)“太空中的實(shí)驗(yàn)室”，有人會(huì)說(shuō)“航天員的家”，但從工程學(xué)角度看，空間站本質(zhì)上是“一個(gè)能在近地軌道長(zhǎng)期運(yùn)行的、具備多艙段組合能力的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體”。它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，直接決定了能否實(shí)現(xiàn)“安全駐留、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、資源循環(huán)”三大核心功能。011空間站結(jié)構(gòu)的實(shí)踐教育價(jià)值1空間站結(jié)構(gòu)的實(shí)踐教育價(jià)值對(duì)高中生而言，研究空間站結(jié)構(gòu)絕非“紙上談兵”。我曾帶學(xué)生參與過(guò)“微型空間站模型設(shè)計(jì)”項(xiàng)目，學(xué)生們?cè)谥谱鬟^(guò)程中發(fā)現(xiàn)：跨學(xué)科知識(shí)融合：需要運(yùn)用物理（力學(xué)平衡、軌道力學(xué)）、化學(xué)（材料耐輻射性）、數(shù)學(xué)（空間幾何計(jì)算）、工程學(xué)（模塊化設(shè)計(jì)）等多學(xué)科知識(shí)；工程思維培養(yǎng)：從需求分析（比如“需要幾個(gè)實(shí)驗(yàn)艙”）到方案迭代（如何優(yōu)化接口設(shè)計(jì)），再到測(cè)試驗(yàn)證（模擬微重力下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性），每一步都在訓(xùn)練“系統(tǒng)工程”思維；科技使命感：當(dāng)學(xué)生們看到自己設(shè)計(jì)的模型與中國(guó)空間站“天和”核心艙的接口設(shè)計(jì)有共通之處時(shí)，那種“參與國(guó)家重大工程”的自豪感，遠(yuǎn)比課本上的公式更有感染力。3214022從“單艙”到“多艙”：空間站結(jié)構(gòu)的演化邏輯2從“單艙”到“多艙”：空間站結(jié)構(gòu)的演化邏輯回顧人類航天史，空間站結(jié)構(gòu)的發(fā)展經(jīng)歷了“單艙式→積木式→桁架式→模塊化”的演變（以時(shí)間軸輔助理解）：?jiǎn)闻撌剑ㄈ缣K聯(lián)“禮炮”號(hào)）：僅1個(gè)核心艙，功能單一，壽命短；積木式（如早期“和平”號(hào)）：通過(guò)軸向?qū)訑U(kuò)展艙段，但結(jié)構(gòu)冗余度低；桁架式（如國(guó)際空間站）：以中央桁架為骨架，艙段、太陽(yáng)能板、機(jī)械臂等“掛”在桁架上，擴(kuò)展性強(qiáng)但建造復(fù)雜；模塊化（如中國(guó)空間站）：以核心艙為中心，實(shí)驗(yàn)艙、貨運(yùn)艙等徑向/軸向?qū)?，兼顧功能集中與靈活擴(kuò)展。這種演化背后，是“功能需求”與“工程約束”的平衡——既要滿足更多實(shí)驗(yàn)、更長(zhǎng)駐留的需求，又要控制發(fā)射成本（單次火箭運(yùn)載能力）、降低組裝難度（航天員太空行走次數(shù)）?？臻g站結(jié)構(gòu)的核心組成：從“骨骼”到“器官”的分層解析現(xiàn)在，我們將空間站“拆解”為核心艙、實(shí)驗(yàn)艙、資源艙、對(duì)接與通道系統(tǒng)四大模塊，逐一解析其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的“秘密”。為了讓大家更直觀理解，我?guī)?lái)了中國(guó)空間站的1:200模型（展示模型），我們可以邊看邊講。031核心艙：空間站的“心臟”與“大腦”1核心艙：空間站的“心臟”與“大腦”核心艙是空間站的控制中心、航天員主要生活場(chǎng)所，也是整個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)主承力件。以我國(guó)“天和”核心艙為例（展示“天和”結(jié)構(gòu)圖），其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了三大核心功能：1.1控制中樞核心艙內(nèi)部集成了GNC（制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制）系統(tǒng)，包括姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)、軌道維持推進(jìn)器、敏感器（如星敏感器、紅外地球敏感器）等。其外部的“T”型對(duì)接口（前向、后向、徑向），就像空間站的“交通樞紐”——前向?qū)虞d人飛船（如“神舟”），后向?qū)迂涍\(yùn)飛船（如“天舟”），徑向?qū)訉?shí)驗(yàn)艙（如“問(wèn)天”“夢(mèng)天”）。1.2生活保障核心艙內(nèi)部分為工作區(qū)、睡眠區(qū)、衛(wèi)生區(qū)、就餐區(qū)，艙壁上的“限位裝置”（如束縛帶、固定桌板）是為了適應(yīng)微重力環(huán)境——航天員若不固定，可能會(huì)“飄”到天花板上。我曾參觀過(guò)航天城的模擬艙，最讓學(xué)生們驚訝的是：看似普通的艙壁，其實(shí)是多層結(jié)構(gòu)——最外層是耐撞擊的“防護(hù)屏”（抵御微流星體），中間是承壓結(jié)構(gòu)（維持艙內(nèi)1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓），內(nèi)層是隔熱、降噪的功能層。1.3力學(xué)主結(jié)構(gòu)核心艙的圓柱形主體采用“蒙皮-桁條-隔框”結(jié)構(gòu)，類似飛機(jī)機(jī)身，但材料更特殊——鋁合金框架+碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料蒙皮，既輕又強(qiáng)。我曾帶學(xué)生做過(guò)一個(gè)小實(shí)驗(yàn)：用3D打印模擬核心艙的桁條結(jié)構(gòu)，測(cè)試其抗彎曲能力，發(fā)現(xiàn)“蜂窩狀桁條”比“實(shí)心桁條”輕30%但強(qiáng)度僅下降5%，這就是“輕量化設(shè)計(jì)”的魅力。042實(shí)驗(yàn)艙：空間站的“科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”2實(shí)驗(yàn)艙：空間站的“科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”實(shí)驗(yàn)艙是開(kāi)展空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)的主要場(chǎng)所，分為“實(shí)驗(yàn)艙I”（問(wèn)天）和“實(shí)驗(yàn)艙II”（夢(mèng)天）。與核心艙相比，實(shí)驗(yàn)艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更強(qiáng)調(diào)“載荷適應(yīng)性”。2.1暴露載荷平臺(tái)實(shí)驗(yàn)艙外部設(shè)有“暴露平臺(tái)”（如“夢(mèng)天”艙的載荷掛點(diǎn)），可安裝需要直接暴露在太空環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)設(shè)備（如天文望遠(yuǎn)鏡、材料暴露實(shí)驗(yàn)裝置）。這些平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮：熱控：太陽(yáng)直射時(shí)溫度可達(dá)150℃，背陰時(shí)降至-100℃，需通過(guò)熱管、輻射器調(diào)節(jié)；防輻射：采用含鉛復(fù)合材料屏蔽高能粒子；接口標(biāo)準(zhǔn)化：所有載荷需符合統(tǒng)一的機(jī)械、電氣接口（類似電腦的USB接口），方便更換。2.2艙內(nèi)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜艙內(nèi)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜是“可移動(dòng)的小型實(shí)驗(yàn)室”，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足微重力實(shí)驗(yàn)的特殊需求。例如，流體物理實(shí)驗(yàn)機(jī)柜需要“無(wú)振動(dòng)環(huán)境”，因此機(jī)柜與艙體之間裝有“主動(dòng)隔振器”（類似手機(jī)的光學(xué)防抖）；材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜需要“高真空環(huán)境”，因此采用雙層密封結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為實(shí)驗(yàn)腔，外層為冗余保護(hù)。053資源艙：空間站的“能量站”與“后勤庫(kù)”3資源艙：空間站的“能量站”與“后勤庫(kù)”資源艙主要負(fù)責(zé)提供能源、推進(jìn)劑和熱管理支持，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心是“高效資源利用”。3.1太陽(yáng)能帆板系統(tǒng)空間站的能源主要來(lái)自太陽(yáng)能帆板（如“天和”艙的柔性太陽(yáng)翼）。傳統(tǒng)剛性帆板體積大、展開(kāi)復(fù)雜，而柔性帆板采用“薄膜電池+可展開(kāi)桁架”結(jié)構(gòu)，展開(kāi)面積更大（單翼面積約134㎡），重量更輕（僅約2.5噸）。我曾帶學(xué)生用錫紙和竹條模擬柔性帆板的展開(kāi)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)“折疊時(shí)緊湊、展開(kāi)后平整”的關(guān)鍵在于桁架的“記憶合金鉸鏈”——這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料科學(xué)的完美結(jié)合。3.2推進(jìn)劑儲(chǔ)箱資源艙內(nèi)的推進(jìn)劑儲(chǔ)箱用于軌道維持和姿態(tài)調(diào)整，其結(jié)構(gòu)需滿足“高壓密封”與“微重力下排液”需求。儲(chǔ)箱內(nèi)部設(shè)有“表面張力網(wǎng)”（類似海綿結(jié)構(gòu)），在微重力下通過(guò)液體表面張力將推進(jìn)劑聚集到出口，避免“液團(tuán)漂浮”導(dǎo)致無(wú)法輸送。064對(duì)接與通道系統(tǒng)：空間站的“血管”與“神經(jīng)”4對(duì)接與通道系統(tǒng)：空間站的“血管”與“神經(jīng)”對(duì)接機(jī)構(gòu)是連接各艙段的“關(guān)鍵接口”，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到組裝任務(wù)的成敗。我國(guó)自主研發(fā)的“異體同構(gòu)周邊式對(duì)接機(jī)構(gòu)”（展示結(jié)構(gòu)圖），通過(guò)12對(duì)卡板器實(shí)現(xiàn)剛性連接，對(duì)接精度可達(dá)毫米級(jí)。通道系統(tǒng)包括“節(jié)點(diǎn)艙”（如國(guó)際空間站的“和諧”節(jié)點(diǎn)艙）和“氣閘艙”（如“問(wèn)天”艙的出艙氣閘）。氣閘艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足“雙艙門(mén)密封”——航天員出艙時(shí)，先關(guān)閉內(nèi)艙門(mén)，將氣閘艙抽真空，再打開(kāi)外艙門(mén)，這一過(guò)程中艙門(mén)的密封結(jié)構(gòu)（如橡膠密封圈+金屬鎖扣）必須絕對(duì)可靠。從理論到實(shí)踐：高中科技實(shí)踐中的空間站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)在，我們已經(jīng)了解了空間站的核心結(jié)構(gòu)，接下來(lái)需要將知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐——這是科技實(shí)踐的靈魂。我將以“微型空間站模型設(shè)計(jì)與測(cè)試”為例，講解實(shí)踐任務(wù)的實(shí)施步驟。071實(shí)踐任務(wù)目標(biāo)1實(shí)踐任務(wù)目標(biāo)通過(guò)小組合作，設(shè)計(jì)并制作一個(gè)1:500的空間站模型（尺寸約30cm×20cm），要求：結(jié)構(gòu)完整性：包含核心艙、實(shí)驗(yàn)艙、資源艙三大模塊；功能模擬：能展示對(duì)接機(jī)構(gòu)（如用磁扣模擬卡板器）、太陽(yáng)能帆板（可展開(kāi)結(jié)構(gòu)）；力學(xué)驗(yàn)證：通過(guò)“微重力模擬實(shí)驗(yàn)”（用懸掛法模擬無(wú)重力環(huán)境）測(cè)試結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。082實(shí)踐流程設(shè)計(jì)（分階段推進(jìn)）2.1需求分析階段（1課時(shí)）各小組需完成：調(diào)研中國(guó)空間站、國(guó)際空間站的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如艙段長(zhǎng)度、直徑、質(zhì)量）；確定模型比例（如1:500），計(jì)算各艙段尺寸（如“天和”核心艙總長(zhǎng)16.6m，模型長(zhǎng)約3.3cm）；列出所需材料（如3D打印耗材、泡沫板、磁鐵、錫紙）。2.2方案設(shè)計(jì)階段（2課時(shí)）重點(diǎn)解決三個(gè)問(wèn)題：結(jié)構(gòu)連接：如何模擬對(duì)接機(jī)構(gòu)？有的小組用磁扣（強(qiáng)磁模擬卡板器的鎖緊力），有的用插銷（模擬機(jī)械鎖）；功能展示：太陽(yáng)能帆板如何實(shí)現(xiàn)“展開(kāi)-折疊”？有小組用回形針做鉸鏈，錫紙做帆板；輕量化：如何在保證強(qiáng)度的前提下減輕模型重量？學(xué)生們發(fā)現(xiàn)，用泡沫板做艙體框架，表面覆蓋薄紙板，比全用硬紙板輕40%。2.3制作與測(cè)試階段（3課時(shí)）制作完成后，需進(jìn)行兩項(xiàng)測(cè)試：對(duì)接測(cè)試：模擬艙段對(duì)接過(guò)程，檢查接口是否緊密（用測(cè)力計(jì)測(cè)量磁扣的吸附力）；穩(wěn)定性測(cè)試：將模型懸掛在支架上（模擬微重力），用風(fēng)扇輕吹（模擬太空微小擾動(dòng)），觀察是否晃動(dòng)或散架。我曾帶的一個(gè)小組在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)艙與核心艙的對(duì)接處總是松動(dòng)，后來(lái)他們改進(jìn)了接口設(shè)計(jì)——在磁扣外增加了“限位槽”（用硬紙板切割的小凹槽），最終穩(wěn)定性提升了60%。這就是“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題-分析原因-優(yōu)化設(shè)計(jì)”的工程思維訓(xùn)練。093實(shí)踐總結(jié)與拓展3實(shí)踐總結(jié)與拓展實(shí)踐結(jié)束后，各小組需提交報(bào)告，重點(diǎn)總結(jié)：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中遇到的挑戰(zhàn)（如材料選擇、接口精度）；跨學(xué)科知識(shí)的應(yīng)用（如用幾何知識(shí)計(jì)算艙段比例，用力學(xué)知識(shí)優(yōu)化連接結(jié)構(gòu)）；對(duì)“系統(tǒng)工程”的理解（一個(gè)艙段的設(shè)計(jì)會(huì)影響整體重量、重心，需要全局協(xié)調(diào)）。在此基礎(chǔ)上，還可以拓展實(shí)踐：比如用編程控制模型的“太陽(yáng)能帆板展開(kāi)”（用微型電機(jī)+Arduino板），或者模擬“航天員出艙路徑”（用熒光筆標(biāo)記氣閘艙到暴露平臺(tái)的路線）?？偨Y(jié)：從結(jié)構(gòu)認(rèn)知到航天精神的傳承同學(xué)們，今天我們從“為什么研究空間站結(jié)構(gòu)”出發(fā)，拆解了核心艙、實(shí)驗(yàn)艙等模塊的設(shè)計(jì)邏輯，又通過(guò)實(shí)踐任務(wù)將理論轉(zhuǎn)化為動(dòng)手能力。但更重要的是，我們要看到：空間站結(jié)構(gòu)的每一個(gè)細(xì)節(jié)，都是“需求驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新”的體現(xiàn)——為了多做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，就要優(yōu)化實(shí)驗(yàn)艙的載荷接口；為了延長(zhǎng)壽命，就要研發(fā)更耐輻射的材料。航天工程的背后，是“團(tuán)隊(duì)協(xié)作”的力量——從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師到材料工程師，從航天員到地面測(cè)控人員，每個(gè)人都是“空間站