揭秘中國空間站(深度觀察)
開欄的話
今日我們推出“深度觀察”這個(gè)新欄目。
“深度觀察”欄目將放眼國計(jì)民生領(lǐng)域,聚焦經(jīng)濟(jì)社會(huì)熱點(diǎn)事件,刊登有思想、有溫度、有品質(zhì)的深度報(bào)道。在刊出報(bào)道的同時(shí),將做好融媒體傳播。敬請廣大讀者關(guān)注。
2020年5月5日,在中國文昌航天發(fā)射場,首次發(fā)射的長征五號(hào)B運(yùn)載火箭,成功將新一代載人飛船試驗(yàn)船和柔性充氣式貨物返回艙試驗(yàn)艙送入太空軌道。5月8日,新一代載人飛船試驗(yàn)船返回艙成功著陸返回,試驗(yàn)取得圓滿成功。這也是中國空間站在軌建造階段的第一次飛行任務(wù),期盼已久的中國空間站建造大幕終于拉開。
上世紀(jì)90年代開始啟動(dòng)的我國載人航天工程,規(guī)劃了“三步走”戰(zhàn)略。從發(fā)射載人飛船將中國航天員送入太空,到太空出艙、發(fā)射空間實(shí)驗(yàn)室,如今已走到第三步,即“建造空間站,解決有較大規(guī)模的、長期有人照料的空間應(yīng)用問題”。隨著空間站工程全面展開,中國正式邁入了“空間站時(shí)代”。
按規(guī)劃,空間站將在2022年前后建成。屆時(shí),它將運(yùn)行在高度340—450公里的近地軌道,在軌飛行可達(dá)10年以上,支持開展大規(guī)模的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)、技術(shù)試驗(yàn)和空間應(yīng)用等活動(dòng)。而且,通過太空維修可以延長使用壽命,也可以擴(kuò)展其規(guī)模。
空間站長什么樣?
整體呈T字構(gòu)型,有三個(gè)艙段。如果把神舟飛船比作一輛轎車,天宮一號(hào)和天宮二號(hào)相當(dāng)于一室一廳,空間站則像是三室兩廳還帶儲(chǔ)藏間
中國空間站的名字頗具中國特色,命名為“天宮”(見示意圖),一般情況下駐留3人,在航天員輪換時(shí)最多可達(dá)6人,建成后將成為我國長期在軌穩(wěn)定運(yùn)行的國家太空實(shí)驗(yàn)室。
中國載人航天工程總設(shè)計(jì)師周建平介紹,空間站基本構(gòu)型有3個(gè)艙段,1個(gè)核心艙,2個(gè)實(shí)驗(yàn)艙。每個(gè)艙都是20噸級(jí),三艙組合體質(zhì)量約66噸??臻g站整體呈T字構(gòu)型,核心艙居中,實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ和實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ分別連接于兩側(cè)。其中,核心艙用來控制整個(gè)空間站組合體,兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙分別用于生物、材料、微重力流體、基礎(chǔ)物理等方面的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
中國航天科技集團(tuán)五院空間站系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師朱光辰形象地比喻:“如果神舟飛船是一輛轎車,那么天宮一號(hào)和天宮二號(hào)相當(dāng)于是一室一廳的房子,空間站則像是三室兩廳還帶儲(chǔ)藏間。”
核心艙命名為“天和”,全長16.6米,最大直徑4.2米,發(fā)射質(zhì)量22.5噸,可支持3名航天員長期在軌駐留,是我國目前研制的最大航天器。它既是空間站的管理和控制中心,也是航天員生活的主要場所,還能支持開展少量的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)。為了讓航天員在太空中的長期生活更加舒適,核心艙在設(shè)計(jì)上有很大突破,供航天員工作生活的空間約50立方米,加上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙后,航天員活動(dòng)空間整體達(dá)到110立方米。
核心艙又包括節(jié)點(diǎn)艙、生活控制艙和資源艙三部分,有3個(gè)對(duì)接口和2個(gè)停泊口。停泊口用于連接兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙,一起與核心艙組裝形成空間站組合體。對(duì)接口用于載人飛船、貨運(yùn)飛船及其他飛行器訪問空間站,另有一個(gè)出艙口供航天員出艙活動(dòng)。其中,核心艙前端的兩個(gè)對(duì)接口接納載人飛船對(duì)接??浚蠖说囊粋€(gè)對(duì)接口接納貨運(yùn)飛船停靠補(bǔ)給。對(duì)接口可以支持其它飛行器短期停靠,并接納新的艙段對(duì)接,擴(kuò)展空間站規(guī)模。
中國航天科技集團(tuán)五院空間站系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師張昊介紹,核心艙是空間站的主控艙段,主要對(duì)整個(gè)空間站的飛行姿態(tài)、動(dòng)力性、載人環(huán)境進(jìn)行控制。核心艙的大柱段直徑4.2米,小柱段直徑2.8米。大柱段部位主要是航天員工作和實(shí)驗(yàn)的地方,小柱段則是航天員的睡眠區(qū)和衛(wèi)生區(qū),保障航天員的生活和正常居住。
實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ名為“問天”,主要任務(wù)是開展艙內(nèi)和艙外空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn),也是航天員的工作生活場所和應(yīng)急避難場所。實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ配備了航天員出艙活動(dòng)專用氣閘艙,支持航天員出艙活動(dòng),配置了小型機(jī)械臂,可進(jìn)行艙外載荷自動(dòng)安裝操作。實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ有著核心艙部分關(guān)鍵平臺(tái)功能,這意味著在需要的時(shí)候,它可以執(zhí)行對(duì)空間站的整個(gè)管理和控制。
實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ名為“夢天”,具備和實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ類似的功能。實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ還配置有貨物專用氣閘艙,在航天員和機(jī)械臂的輔助下,支持貨物、載荷自動(dòng)進(jìn)出艙。
空間站工程也包括天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)和貨物運(yùn)輸系統(tǒng)。天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)由神舟載人飛船和長征二號(hào)F運(yùn)載火箭組成,用于航天員和部分物資往返空間站。神舟載人飛船可支持3名航天員實(shí)現(xiàn)天地往返,在空間站停靠期間也作為救生船,用于航天員應(yīng)急救生和返回。
空間站貨物運(yùn)輸系統(tǒng)由天舟貨運(yùn)飛船和長征七號(hào)運(yùn)載火箭組成。貨運(yùn)飛船為空間站運(yùn)送航天員生活物資、推進(jìn)劑、載荷設(shè)備等補(bǔ)給物資。
在空間站建設(shè)階段,長五B火箭同樣承擔(dān)著將空間站艙段送入軌道的重要任務(wù)。中國的空間站未來還有一個(gè)重要計(jì)劃,在空間站建造完成后,會(huì)單獨(dú)發(fā)射一個(gè)十幾噸的光學(xué)艙,與空間站保持共軌飛行狀態(tài)。光學(xué)艙命名為“巡天”,具備自主飛行能力,正常任務(wù)時(shí)與空間站共軌飛行,進(jìn)行高分辨率天文觀測,開展天體物理和空間天文學(xué)研究。需要燃料補(bǔ)給和設(shè)備維修時(shí),光學(xué)艙可與空間站對(duì)接,進(jìn)行推進(jìn)劑補(bǔ)加和設(shè)備維修維護(hù),提高自身壽命和工作性能。
“計(jì)劃在光學(xué)艙里架設(shè)一套口徑兩米的巡天望遠(yuǎn)鏡。如果在軌10年,可以對(duì)40%以上的天區(qū)進(jìn)行觀測。”周建平說。這套望遠(yuǎn)鏡,可以源源不斷地為科學(xué)家們研究宇宙學(xué)和天文學(xué)提供海量的觀測數(shù)據(jù)。
中國空間站的設(shè)計(jì)研制,秉持規(guī)模適度、安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)高效的理念,總體上體現(xiàn)中國特色和技術(shù)進(jìn)步。周建平說,中國的空間站可以進(jìn)一步擴(kuò)展,為未來留有發(fā)展空間。根據(jù)空間科學(xué)研究和應(yīng)用的需要,可以對(duì)接更多的艙段,也可以通過在軌維修、在軌技術(shù)升級(jí)等方式來滿足需求。中國空間站的研發(fā),遵循規(guī)模適度原則,有利于控制工程的成本,重點(diǎn)突出載人航天的特色,突出發(fā)揮人在太空中的作用。
空間站怎么建?
分為關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證、建造和運(yùn)營3個(gè)階段實(shí)施。長五B首飛后,將先后發(fā)射“天和”核心艙、“問天”實(shí)驗(yàn)艙和“夢天”實(shí)驗(yàn)艙。航天員將多次出艙活動(dòng),參與空間站建造
根據(jù)飛行任務(wù)規(guī)劃,空間站工程分為關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證、建造和運(yùn)營3個(gè)階段實(shí)施。中國載人航天工程辦公室副主任林西強(qiáng)介紹,為完成空間站建造,共規(guī)劃了12次飛行任務(wù)。在長五B首飛后,將先后發(fā)射“天和”核心艙、“問天”實(shí)驗(yàn)艙和“夢天”實(shí)驗(yàn)艙,進(jìn)行空間站基本構(gòu)型的在軌組裝建造,也規(guī)劃了發(fā)射4艘神舟載人飛船和4艘天舟貨運(yùn)飛船,進(jìn)行航天員乘組輪換和貨物補(bǔ)給。
“未來的11次任務(wù)是高密度的發(fā)射任務(wù),充滿了大量的新技術(shù)和新挑戰(zhàn),發(fā)射頻率和任務(wù)復(fù)雜性都大幅提升。”周建平接受采訪時(shí)說。這也將是一段非常輝煌的試驗(yàn)歷程。11次任務(wù)的完成,將意味著中國空間站正式建成。
空間站的試驗(yàn)核心艙計(jì)劃在2020年前后發(fā)射,目的在于驗(yàn)證空間站關(guān)鍵技術(shù)。完成驗(yàn)證以后,將陸續(xù)發(fā)射兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙與之對(duì)接,空間站隨之也將從建造階段轉(zhuǎn)入運(yùn)營階段。從核心艙階段開始,航天員也將開始實(shí)際參與建造空間站,承擔(dān)不少任務(wù)。例如,他們要多次進(jìn)行復(fù)雜的出艙活動(dòng)。屆時(shí),航天員可以利用機(jī)械臂協(xié)同完成載荷的在軌安裝、調(diào)試、升級(jí)等工作。
實(shí)際上,在近地軌道建設(shè)空間站,就意味著需要掌握大型空間設(shè)施的建造技術(shù)和運(yùn)營管理技術(shù),具備強(qiáng)大的維護(hù)維修升級(jí)能力。航天員出艙和利用機(jī)械臂,都是重要的手段。
“一名航天員在艙內(nèi)操作機(jī)械臂,一名航天員在艙外太空行走。無論是艙段轉(zhuǎn)位、大設(shè)備的移動(dòng),還是航天員自身的移動(dòng),都可以通過機(jī)械臂完成。”周建平說,“空間站設(shè)計(jì)有兩類機(jī)械臂,人機(jī)配合,讓空間站建造維修成為可能。”
“往太空運(yùn)送物資的成本非常高,進(jìn)行物資循環(huán)利用并提高物資循環(huán)利用率,是世界載人航天關(guān)注的重大技術(shù)問題。”周建平說。
通過新的技術(shù)支持,中國航天員在空間站的補(bǔ)給將得到更好保障。此前我國航天員在軌飛行的最高紀(jì)錄是33天,航天員生存所必需的水和氧氣由航天器直接帶入太空。為了讓航天員實(shí)現(xiàn)更久的在軌停留,空間站設(shè)計(jì)了完整的可再生生命保障系統(tǒng)。電解制氧時(shí)產(chǎn)生的氫氣與航天員呼出的二氧化碳,將通過化學(xué)反應(yīng)生成氧氣,這也能夠降低氧氣的補(bǔ)給需求。
空間站如此龐大的系統(tǒng),需要強(qiáng)有力的電力保障。空間站的電源系統(tǒng)包含兩對(duì)“翅膀”——單翼翼展約30米的柔性太陽翼。這個(gè)系統(tǒng)能夠?yàn)榭臻g站提供可靠、充足的不間斷供電。此外,空間站將采用電推進(jìn)技術(shù)作為空間站軌道維持的動(dòng)力裝置,這將顯著降低空間站運(yùn)行期間的推進(jìn)劑補(bǔ)給需求。
空間站有何用?
在軌運(yùn)行期間,將面向前沿科學(xué)探索、人類生存和太空活動(dòng),支持開展大規(guī)模的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)、技術(shù)試驗(yàn)和空間應(yīng)用等活動(dòng)
空間站建成后,將是航天員的“太空之家”,也是科學(xué)研究的“太空實(shí)驗(yàn)室”。一流的太空實(shí)驗(yàn)平臺(tái),將為科學(xué)家們?nèi)〉檬澜缂?jí)的重大突破提供有力保障。
按規(guī)劃,空間站將在軌運(yùn)行10年以上。圍繞地球運(yùn)行期間,將面向前沿科學(xué)探索、人類生存和太空活動(dòng),支持開展大規(guī)模的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)、技術(shù)試驗(yàn)和空間應(yīng)用等活動(dòng)。
載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)專家說,中國的空間站既是為中國科學(xué)家,也是為全球科學(xué)家提供的科學(xué)探索平臺(tái),通過空間站這個(gè)平臺(tái),有望涌現(xiàn)出更多科學(xué)成果,揭示宇宙的諸多奧秘。
空間站資源十分寶貴,經(jīng)過科學(xué)且慎重的遴選,空間站上將搭載安裝包括生物學(xué)、材料科學(xué)、基礎(chǔ)物理、微重力、流體等類別相關(guān)的科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)設(shè)施。
包括與空間站共軌飛行的巡天望遠(yuǎn)鏡在內(nèi),空間站規(guī)劃部署了密封艙內(nèi)的十多個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜、艙外暴露實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。這些科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜,每一個(gè)都可看成是一個(gè)小型的太空實(shí)驗(yàn)室,支持一個(gè)或多個(gè)方向的空間科學(xué)與應(yīng)用研究。
具體來說,在人類生存方面,空間站將圍繞人類長期太空生存和提高地面生活質(zhì)量方面開展研究與應(yīng)用。在太空活動(dòng)方面,空間站支持開展遙科學(xué)技術(shù)、在軌組裝與維修維護(hù)、人機(jī)聯(lián)合作業(yè)等應(yīng)用技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證,增強(qiáng)人類的太空活動(dòng)能力和在軌服務(wù)能力,拓展人類的活動(dòng)范圍。
在空間站中,航天員既是空間站的居民,同時(shí)也是被研究對(duì)象。例如,迄今有11名中國航天員出色地完成了6次載人飛行任務(wù),同時(shí)也有效驗(yàn)證了航天員選拔訓(xùn)練技術(shù)以及健康、生活和工作三大駐留保障技術(shù),為未來空間站長期飛行奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐和保障。空間站時(shí)代,圍繞航天員的科學(xué)與技術(shù)研究將繼續(xù)開展。
“我們的目標(biāo)是建設(shè)并運(yùn)營國家級(jí)太空實(shí)驗(yàn)室,為空間科學(xué)研究與應(yīng)用提供全面支持,推動(dòng)我國空間科學(xué)研究進(jìn)入國際先進(jìn)行列,并不斷將取得的先進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用。”中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心主任高銘說。
空間站誰來???
在空間站的常態(tài)化運(yùn)行中,有3名航天員作為一個(gè)乘組長期飛行,乘組定期輪換。未來將有不同類型的航天員,如飛行工程師和科學(xué)家入駐
目前,執(zhí)行空間站建造階段四次飛行任務(wù)的航天員乘組已經(jīng)選定,正在開展任務(wù)訓(xùn)練。我國第三批預(yù)備航天員選拔工作也將于今年7月前后完成。
在空間站的常態(tài)化運(yùn)行中,有3名航天員作為一個(gè)乘組長期飛行,乘組定期輪換。輪換期間,最多可有6名航天員同時(shí)在空間站工作,完成交接后,前一個(gè)乘組乘坐載人飛船返回地球。
相比于此前我國載人航天飛行任務(wù)的約兩年一次,空間站建造和運(yùn)營期間每年有多次發(fā)射,需要航天員的類型、人數(shù)會(huì)更多。
目前,我國的航天員都是從現(xiàn)役空軍飛行員中選拔,他們主要是航天駕駛員??臻g站將開展太空科學(xué)實(shí)驗(yàn),除了良好的身體素質(zhì)這個(gè)共性要求外,未來需要不同類型的航天員,如航天飛行工程師和載荷專家(科學(xué)家)。飛行工程師執(zhí)行對(duì)空間站的建造、維護(hù)維修等任務(wù),科學(xué)家也就是載荷專家,可以在空間站這個(gè)太空實(shí)驗(yàn)室中做實(shí)驗(yàn)。根據(jù)空間站的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,選擇相關(guān)專業(yè)背景的科學(xué)家進(jìn)行訓(xùn)練,也是航天員選拔與訓(xùn)練的一個(gè)主要方向。
首位進(jìn)入太空的中國航天員楊利偉介紹,我國從2018年開始選拔第三批航天員,這次選拔在數(shù)量、種類、范圍上都有所變化。不單單從空軍飛行員當(dāng)中選拔,還要面向社會(huì)的相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行選拔,比如相關(guān)工業(yè)部門和科研院所、大學(xué)。
空間站任務(wù)對(duì)航天員的能力也要求更多。未來,航天員在軌駐留的時(shí)間大大延長。目前中國航天員的最長紀(jì)錄是在太空駐留1個(gè)月,將來會(huì)是3個(gè)月、6個(gè)月甚至更久。航天員的技術(shù)技能將發(fā)生很大變化。過去航天員在太空做的大部分是艙內(nèi)實(shí)驗(yàn),將來空間站建造階段,航天員大量的工作要在艙外空間進(jìn)行。
載人航天工程航天員系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師黃偉芬進(jìn)一步解釋,在空間站任務(wù)中,空間站艙段多、運(yùn)行時(shí)間長,航天員每天需要把大量的時(shí)間用于站內(nèi)維護(hù)和管理方面,還必須參與空間站組裝、建造,進(jìn)行空間站維護(hù)、維修和設(shè)備更換。同樣,空間站任務(wù)中,航天員必須完成大量的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)、技術(shù)試驗(yàn)以及有效載荷操作,學(xué)科專業(yè)眾多,跨度極大,對(duì)航天員的專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備和科學(xué)素養(yǎng)提出了極高的要求。
執(zhí)行過神舟十一號(hào)飛行任務(wù)的航天員陳冬說,空間站任務(wù)在軌飛行時(shí)間長,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目會(huì)更多,希望自己通過加強(qiáng)學(xué)習(xí),成為科研型航天員,可以獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),“將來在太空再去親手完成,感覺一定非常奇妙。”
記者 余建斌 劉詩瑤
責(zé)任編輯:趙睿
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