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                                    打卡我們的“太空家園”—中國空間站
                                    發布時間: 來源: 學習時報

                                      周建平,中國工程院院士,中國載人航天工程總設計師。1999年,周建平被調入中國載人航天工程辦公室工作,懷揣著“宇宙那么大,中國人應該去看看”的理想,他在載人航天領域埋頭工作20余年,參與組織我國載人航天工程第一步任務載人飛船工程的研制和飛行試驗技術工作,主持載人航天工程第二步和第三步的全面技術工作,解決了出艙活動和空間交會對接等一系列重大關鍵技術問題,為我國載人航天技術實現跨越發展作出了突出貢獻。


                                      習近平總書記在2023年新年賀詞中指出,神舟十三號、十四號、十五號接力騰飛,中國空間站全面建成,我們的“太空之家”遨游蒼穹。1992年,中國載人航天工程正式立項,開始打造自己的太空家園。歷時30年,我們建成了完全自主、獨立運行的國家級太空實驗室?,F在的太空中,只有美國、俄羅斯等多國建造、維護的國際空間站和中國天宮空間站,中國載人航天技術成功躋身世界前列。我國的“太空家園”有哪些獨特之處?航天員在“太空家園”里的工作生活有什么不同?空間站有哪些值得打卡的裝備與技術?
                                      打卡點1:太空運輸隊
                                      中國空間站在離地球約400公里的近地橢圓軌道飛行,需要將大量的物資和多批次航天員乘組運送到空間站,航天員在太空短期生活和工作一段時間,再安全地返回地面,這是一個天地往返系統。如果把空間站比作太空港,那么往返于地面與空間站之間的運輸飛船就是繁忙的“太空穿梭巴士”,像神舟系列載人飛船和天舟系列貨運飛船都是這個太空運輸大隊的成員。關于我國載人飛船工程的起步,實際上當時面臨著不同的路徑選擇,美國、蘇聯都發展了自己的航天飛機,歐洲、日本也在論證要搞航天飛機。1992年,我國的科學家、專家、工程師進行了大量的論證,最終選擇了載人飛船的道路。這是一個非常重要的選擇,因為航天飛機雖然可以重復使用,但它不能實現救生,而且我們當時的技術水平達不到。后來的實踐證明了選擇從載人飛船起步,既有技術上的保證,也為航天員的安全提供了一個有力的救生手段。
                                      我國的神舟飛船和長征二號F火箭就是一個載人天地往返運輸系統,既可以載人,也可以運貨。神舟飛船可以運輸大概300公斤的貨物上行,但這個運力還遠遠不能滿足要求。后來的長征七號和天舟貨運飛船,提高了運輸能力,方式也更加經濟。天舟貨運飛船是非常有特點的,最大發射重量可達14噸。它有三種構型,除了全密封的貨艙,還有半密封和全開放兩種。這種設計是考慮到載人航天活動中很多大型空間設施、科學實驗設施是在艙外的。天舟貨運飛船上行的貨物比重占整船發射重量的比重達到0.51,這在世界上已經研發的不同型號貨船里面是最高的。這也使得天舟六號貨運飛船能夠保證航天員在軌生活和工作9個月時間,而不是之前的6個月時間,保障效率得到大幅提升。
                                      飛船要完成往返運輸,要實現和目的地連接,還需要精準交會對接??臻g交會對接技術是載人航天活動三大關鍵技術之一,被譽為“太空之吻”,難度極高,國外曾有過失敗案例。從2011年開始,我國空間交會對接技術從無到有,至今已成功實施20余次精準可靠的對接,實現了從有人到無人、從手控到自動、從軸向對接到徑向對接的技術突破與升級。
                                      我國用神舟八號、九號、十號和天宮一號目標飛行器,完成了交會對接的關鍵技術驗證。交會對接的前一階段,主要通過地面與飛船和目標飛行器相互協同,這需要2天時間。在飛船接近目標飛行器幾十公里范圍之前,它是由地面測控完成的,而在后一階段,實現了從入軌開始全程自主。更重要的是,我們的貨運飛船只用兩小時就能完成快速交會對接,這是一個世界紀錄。通過快速自主交會對接,一是能提高航天員的安全性;二是能使飛船安全??吭诳臻g站上;三是能讓人員的工作負荷更小。當然,自主并不是地面不管,飛控人員、設計師仍會密切地關注交會的整個過程。
                                      打卡點2:航天員的“太空工作室”
                                      “太空工作室”是集航天員工作生活于一體的地方,但航天員長期駐留這里,想要做到勞逸結合、休閑辦公兩不誤,可比地球上要復雜得多。我們的空間站設有6個航天員艙位,核心艙和實驗艙各有三個,活動空間能夠達到122立方米,由于太空是微重力,四面既是地板,也是天花板和墻壁,所以活動空間是足夠寬敞的。另外,核心艙和實驗艙各設有2個衛生間。艙內溫度設置在19到26攝氏度,這看似簡單,卻探索了相當長的一段時間。在神舟飛船早期,參照國外標準,溫度定的是21攝氏度加減4度,在實際使用中發現偏冷,偏冷可以多穿衣服,但在太空里多穿衣服是要有代價的。此外,我們還探索出了更適合中國人在太空飛行的35%到55%的濕度條件。同時,出于安全考慮,我們空間站艙內氣體成分是和海平面相同的氧氮混合氣體。如果是純氧,包括電器等設備容易發生火災??梢?,我們航天員的居住環境是比較舒適、安全的。
                                      當然,航天員在空間站長期駐留還面臨食品、服裝、水、排泄物、呼出的二氧化碳等物質的處理和循環利用問題。這就要應用到“再生生命保障技術”了,這個技術就像一把保護傘,為航天員在空間站建立一個類似地球的可循環系統,通過物理、化學方法來實現水、氧氣等物資的循環利用和再生保障。中國空間站的再生生命保障系統包括電解制氧子系統、二氧化碳去除子系統、微量有害氣體去除子系統、尿處理子系統、水處理子系統和二氧化碳還原子系統6個子系統。通過冷凝干燥組件收集航天員的汗液和呼出的水汽,凈化為可供飲用的再生水。同時尿液也能收集處理成為可飲用的純凈水,循環水可以電解制氧,其副產品氫氣還可以與艙內收集的二氧化碳反應,再次得到氧氣,既解決了凈化的問題,也達到了回收再利用的目的。有了再生生命保障技術后,僅3噸多的物資就可以滿足航天員的生活,大大降低了對地面物資的依賴,現在已經不需要往空間站繼續運送水、氧這些消耗性物資,應該說空間站的環境保障、再生問題得到了很好的解決。
                                      打卡點3:神奇的“太空基站”
                                      現代生活,沒有網絡簡直無法想象,在太空里也一樣。2023年9月21日,神舟十六號乘組航天員在空間站進行了第四次太空直播授課,3名航天員在軌演示了球形火焰實驗、奇妙“乒乓球”實驗、動量守恒實驗以及又見陀螺實驗,并與地面課堂進行了互動交流。整個直播過程畫面清晰流暢、毫無卡頓,絲毫感覺不到天地相隔約400公里的距離。那么太空直播是怎么做到的?
                                      說到保障通信暢通的天地鏈路,就不得不提到我國的“天鏈”系列中繼衛星。它相當于太空中的基站,可以為衛星、飛船等航天器提供數據中轉和測控服務,天地通話、太空授課、交會對接、出艙活動等重要任務的通信就是以“天鏈”中繼衛星為主完成的。我們的空間站有第一代中繼衛星、第二代中繼衛星,傳輸速率非常高,還有以太網,包括無線Wi-Fi互聯網。所有地面控制活動、天地交互活動,都是通過天地鏈路實現的。在沒有中繼衛星前,天地通信主要依靠地面測控站和海上測控船,但是對中低軌道航天器的軌道覆蓋范圍非常有限。2003年,神舟五號飛船繞地球一圈90分鐘,但通信窗口只有10分鐘左右。如果錯過,就只能等待下一個通信窗口。2008年至2012年,我國“天鏈”一號01、02、03星先后發射成功,完成全球組網運行,實現了對低軌用戶近100%的覆蓋,保障了太空和地面的連接暢通。為了提供更優質的太空網絡服務,我國又研制了“天鏈”二號衛星,建成了第二代地球同步軌道數據中繼衛星系統,為中國空間站的天地通信架起了全天候、全覆蓋、高帶寬的通信“天路”。所以,我們的航天員在空間站可以自由地和地面通信通話。同時,我們的空間站也可以在中繼衛星不提供測控通信的情況下,利用北斗衛星導航系統來實現通信。
                                      打卡點4:空間站的“動力之源”
                                      動力是現代社會非常重要的要素,對航天器來說更是如此。太空雖然是一個微重力環境,但是仍然有非常稀薄的大氣存在,大氣產生的阻力會導致空間站的軌道高度衰減。在太陽活動劇烈的年份,大氣阻力會使空間站的軌道高度每天降低100多米。建成后的空間站三艙構型重達67.5噸,如果加上天舟貨運飛船和神舟載人飛船,重量將超過百噸。如何才能讓這樣一個龐然大物在近地軌道上克服大氣阻力,穩定運行?
                                      中國空間站在設計的時候,就堅持能源的多樣性,而且要保證高可靠、高安全、長壽命。我們空間站的動力之源,既有化學推進的發動機系統,也有電推進?;瘜W推進靠燃燒,在推力室產生高溫高壓氣體,然后從噴管噴出獲得推力,它要消耗推進劑。電推進是依賴惰性氣體,在電離和電場的情況下加速獲得一個極高的噴出速度,從噴管噴出,這樣它的比沖可以達到非常高??臻g站現在用的電推進比化學推進高五六倍,用電推進技術維持空間站的軌道,中國是第一家。
                                      除此之外還有電源,無論是維持空間站的運轉,保障航天員的生活、通信、科學實驗等,電是必不可少的。由太陽能轉化而來的電能,是在軌航天器的能量來源。與普通航天器有所區別的是,我們空間站的能源,主要靠實驗艙上的兩對太陽翼大帆板來滿足,一對太陽翼帆板55米長,面積達到270多平方米,加上核心艙上由十幾萬片柔性太陽電池組成的柔性太陽翼,不僅輕薄節省空間,而且光電轉換效率非常高。
                                      打卡點5:靈活的“太空手臂”
                                      在太空中,像巨型太陽能帆板拆卸安裝這樣的大型作業,如果僅靠航天員顯然是無法完成的,需要人機協同。機械臂就是一個有用的艙外人機協同完成復雜操作的手段。2022年11月3日,為了組裝完成中國空間站的T字構型,與核心艙軸向對接的夢天實驗艙必須進行艙段轉位,這時轉位機械臂發揮了重要作用,在天地協同下,完美實現了艙段轉位。未來中國空間站捕獲飛行器、航天員出艙作業、大型載荷設備安裝等等復雜作業都需要航天員和機械臂協同完成。除了轉位機械臂外,中國空間站上還有哪些機械臂?它們又是如何助航天員一臂之力的呢?
                                      機械臂是空間站核心裝備之一,有大機械臂、小機械臂。其中大機械臂長達10米,可以承重25噸;小臂長達5米,可以承重3噸,每個臂各有7個自由度。兩個機械臂首尾相接連接在一起,叫做級聯,形成一個組合的機械臂,長度可達15米,這些機械臂的存在大幅增強了航天員在艙外操作的能力。機械臂實際上在研制過程中比較難,它牽涉到很復雜的控制,而且地面也非常難以模擬。中國能在這么短的時間里成功研制出機械臂,不僅滿足艙外實驗活動的需求,還能協助航天員進行在軌建設和維護,充分體現了我們空間站的水平和標準。
                                      打卡點6:神秘的太空實驗室
                                      中國空間站完成在軌建造以后,將轉入為期10年以上的應用與發展階段,在應用階段,航天員會在艙內外空間進行大規??茖W實驗。中國空間站上分布了25個科學實驗機柜,還有多個艙外載荷掛點。目前,至少有17個國家的科學實驗項目通過審批入駐中國空間站??臻g站里的實驗有哪些奇特之處?中國空間站在距離地球約400公里的近地橢圓軌道上飛行,航天員所處的環境是微重力、高真空、溫度高低交替,還有空間輻射。在地面所做的實驗是有重力的,而近地軌道上面有一個持續的微重力,真正要做涉及有微重力情況下的一些實驗需要在天上來完成。真空對人的生存是個挑戰,但也是資源。比如大氣層是地球的保護傘,避開了很多宇宙射線對地面生物的影響,但也妨礙了我們觀察宇宙,而真空環境沒這個問題,所以太空是研究宇宙起源和演化、研究空間天文非常有利的一個場景。還有一類資源是輻射,比如太陽能。在近地軌道空間,太陽能是保證航天器正常工作最重要的資源??臻g站的很多科學研究就圍繞著這些資源來布局。比如空間科學實驗樣品中的水稻和擬南芥等,這兩種植物的種子在太空中經歷了120天的空間培育生長,完成了從種子到種子發育的全過程,其中,所收獲的水稻種子是國際上首次在軌獲得的。
                                      中國空間站有很多機柜,在艙外有不同的實驗平臺,還有載荷的掛點以及擴展的平臺??梢越o現在三艙構型的中國空間站增加新的艙段,擴展到四艙十字構形或者六艙干字構形。當然擴展并不簡單,它牽涉到??康墓濣c、能源的擴展、信息的擴展,以及環境、姿態和軌道的控制等整個系統。
                                      中國空間站還有一個非常值得期待的設備——巡天望遠鏡。它的口徑是2米,分辨率和哈勃望遠鏡相當,但視場角是哈勃望遠鏡的300多倍,能夠觀測約17500平方度的天區范圍,屆時將開展巡天觀測。相信通過中國空間站這一在軌平臺,必將推動中國空間科學進入全球領先行列。


                                    責任編輯:劉曉璇

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