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Кароткае апісанне:

5总第1002期《中国新闻周刊》6月17日,聂海胜、刘伯明、汤洪波3名航天员乘坐神舟十二号载人飞船顺利升空,开启了中国空间站建造的首次载人飞行。4月29日,核心舱率先发射升空,这是空间站的指挥控制中心,也是航天员们长期驻留的地方。

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  原标题:走进天宫:5年后,亚轨道太空旅游有望成为现实

  中国空间站吸取之前国外空间站的经验和教训

  可以最大限度降低组装、建造和运营成本

  最大程度地支持科学实验

天宫号空间站在轨运行(示意图)。图/人民视觉

天宫号空间站在轨运行(示意图)。图/人民视觉

  走进天宫

  本刊记者/杜玮

  Выпушчана ў нумары 2021.7.5 China News Weekly за 1002 г.

  6月17日,聂海胜、刘伯明、汤洪波3名航天员乘坐神舟十二号载人飞船顺利升空,开启了中国空间站建造的首次载人飞行。为期3个月的太空遨游,也将是迄今为止中国宇航员在太空最久一次的驻留。

  4月29日,天和核心舱的发射拉开了中国空间站建造的大幕。今明两年内,还会有9名航天员到访空间站,3艘货运飞船发射,中国总计将接续实施 11 次飞行任务。

  空间站,相当于人类的太空家园。这里每90分钟能看到一次太阳起落,工作生活都要在失重条件下进行。空间站建设的一个重要目的在于开展大规模空间科学和技术实验、空间应用等。这是一种在近地轨道长时间运行、可以满足航天员长期在轨生活、工作及地面航天员寻访的航天器,代表着当下航天领域最全面、最复杂、最先进的科技成果。

  60年前,苏联用世界上第一个载人航天器——“东方1号”飞船,把加加林送上太空。10年后,又发射了世界上第一座空间站——“礼炮1号”。国际空间站于1990年代开工建设,2010投入使用。相比之下,中国空间站的起步并不算早。中国载人航天工程始于1992年,分“三步走”战略,建造空间站即为第三步。

  负责此次空间站主要研制的航天科技集团五院空间站任务总设计师杨宏说,“中国空间站是处于后发。很多技术在发展,所以我们的建造周期是可以大大压缩”,吸取了之前国外空间站的经验和教训,可以最大限度降低组装、建造和运营成本,最大程度去支持科学实验。

  全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩则向《中国新闻周刊》指出,中国空间站建造虽然起步晚,但起点高,规模虽不大,但经济适用性较高,已达到世界第三代空间站水平,建造空间站运用的一些技术处于国际先进行列。

6月23日,北京航天飞行控制中心,中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平同在天和核心舱执行任务的神舟十二号航天员通话。图/新华 6月23日,北京航天飞行控制中心,中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平同在天和核心舱执行任务的神舟十二号航天员通话。图/新华

  不比规模比效益 

  世界范围内,空间站的发展有着较为清晰的分割线。航天专家、北京大学地球与空间科学学院教授焦维新对《中国新闻周刊》分析说,空间站大体可以分为两种,单舱结构和多舱结构。从1971年到1976年苏联发射的“礼炮1号”到“礼炮5号”空间站,均属于单舱结构,即一个舱体,属第一代空间站。中国此前发射的天宫一号和天宫二号两个空间实验室也可以视作单舱结构空间站,但重量比“礼炮号”空间站要轻。

  从1970年代末到1980年代初,美国与苏联分别发射的天空实验室和“礼炮6号”“礼炮7号”空间站为第二代空间站。它们同样是单舱结构,但有两个接口,意味着能对接更多航天器,有扩展可能性。1986年,苏联的“和平号”空间站升空,这是第三代空间站代表,多舱结构,或更形象理解,其可称之为组合式、积木式的空间站。“和平号”空间站有着1个核心舱和5个实验舱,5个实验舱都通过核心舱上的接口像堆积木一样,与之紧密结合。

  中国的天宫号即属于第三代空间站。4月29日,核心舱率先发射升空,这是空间站的指挥控制中心,也是航天员们长期驻留的地方。核心舱共有3个对接口和两个侧向停泊口。明年问天实验舱I和梦天实验舱II发射后,将先与核心舱前向对接,之后在转位装置作用下,移至停泊口,空间站整体形成“T字构型”。两个实验舱均为开展大规模实验的支持舱段。

工作人员参与天和核心舱的研制。 工作人员参与天和核心舱的研制。

  第四代空间站的代表为有史以来最大规模、被称为“巨无霸”航天器的国际空间站。从外部看,国际空间站就像一个个巨大汽水罐,首尾相连在一起。由美俄主导,日本、欧洲、加拿大航天局参加,16个国家共建和运行。与第三代空间站相比,最明显的特点是增加了与美俄等国舱段垂直、长达109米的桁架,简单说,这就相当于一个大梁,便于安装各类设备。

  国际空间站最显眼的装备就是安装在桁架上四对闪着金光的、耀眼的太阳能电池翼。庞之浩说,国际空间站相当于桁架式和积木式的“混血儿”,采用桁架式的优点在于排列的太阳能电池翼可以对空间站集中供电,整体结构形成的较广阔空间和视野,也使得吸收太阳能时不易被遮挡。各国舱段间并不那么紧凑,便于各自安装、维修设备。但桁架式结构构建起来较复杂,需要大量太空行走才能完成,成本也较高。过去20年来,国际空间站建设成本超过1500亿美元。

  与现在正在运行的国际空间站相比,未来建设完成的中国空间站总重量要比它轻,规模没有它大,杨宏对此解释说,不比规模比效益,中国空间站的效益比国际空间站要高。

  “比如,从重量占比来看,我们科学实验所用到的设备重量比起整站重量的占比,相对来讲是比较优的。”焦维新对《中国新闻周刊》说,国际空间站重量达420吨,这一“庞然大物”长、宽投影到地球上的面积相当于一个标准足球场的大小,接近8000平方米;中国空间站以1个核心舱和两个实验舱来计算,其面积也就只有几百平方米。国际空间站中,美俄日及欧洲航天局各有一个主要用于开展实验工作的实验舱,其真正用于实验的舱体占整个空间站重量比不到20%。

  天宫号空间站除了两个实验舱,核心舱也可以开展部分实验工作,从重量来看,中国空间站至少有三分之二用于科学实验。由于国际空间站是各国舱段的一个聚合体,各舱段彼此连接要依靠节点舱,而俄罗斯舱段又包括“星辰”号服务舱、曙光号功能货舱等多个舱体,也就是说,国际空间站中包含了多个节点舱这样的附带结构。庞之浩说,国际空间站因为是各国搭建自己的舱体,因此在协同、一体化的考量及效率上比不上中国空间站。

  一个例子是,在2001年,在美国将“寻求”号气闸舱连接至国际空间站前,俄罗斯航天员只能在自己的“星辰”号服务舱内穿戴航天服,美国航天员只能在有航天飞机停靠的情况下,在航天飞机里穿戴航天服。气闸舱是航天员出舱活动前穿戴航天服的场所。

  庞之浩解释说,目前,位于天和核心舱最前端的节点舱将发挥气闸舱的作用,其上方有一个出舱口。未来的问天实验舱也将配有供航天员实施出舱作业的专用气闸舱。梦天实验舱则具备载荷自动进出舱能力,配有货物进出专用的气闸舱。未来随着需求增长,天宫空间站规模也或将进一步扩展。“现在是‘T’字形,根据需要可扩展成一个‘干’字形,即再增加一个核心舱,发射两个实验舱。”庞之浩说。

研制中的天和核心舱。 研制中的天和核心舱。

  “三室两厅”

  对于在这一组合体上长期驻守的人们来说,有着尽可能宽敞舒适的工作生活空间,保持健康体魄,是应对太空每天未知挑战的必备要素。

  比起重量分别为8.5吨左右的天宫一号、天宫二号实验室,天和核心舱已经是目前中国最大的航天器。其全长16.6米,长度超过五层楼高度,最大直径为4.2米,比火车的车厢还要宽不少,体积比国际空间站任何一个舱位都大。神舟七号飞船上航天员的活动空间大概是7立方米,天宫一号的这一数字约为15立方米,天和核心舱是50立方米,再加上未来两个实验舱,整体能达到110立方米。如果把神舟飞船比作一辆轿车,天宫一号和天宫二号就相当于一室一厅的筒子间,空间站则像是三室两厅还带储藏间。

  在失重环境下,空间站里最常见的场景是货包、物体在舱内四处飘移,你不知道它将落脚何方。杨宏说,国际空间站上已有100多件物品找不到了。宇航员斯科特·凯利曾4次往返天地间,在国际空间站连续生活340天,与哥哥一起参加了美国宇航局(NASA)双胞胎火星实验计划。他在2020年出版的、记录2015年国际空间站之旅的《我在太空的一年》一书中这样写道:由于没有重力,很多东西我会抓不住,因此物品经常乱丢。地面人员经常发的电子邮件中,就有丢失物品的公告。我们当中,偶尔会有人找到已经丢失多年的工具或部分设备。丢失物体重新被找到的最长纪录是8年。空间站经常发生这种情况:一些食物从我们身边溜走,并在几天后成为另一个人意想不到的零食。有人吃了一些以为是糖果的东西,过了很久以后,才意识到其实是垃圾。

  借鉴国内物流巨头先进的货物管理技术,中国空间站建立了一套物流管理系统,航天员能够通过扫描二维码的方式,识别货物位置和产品信息,并对产品库存数量做到动态掌控。

航天员汤洪波展示扫描包裹的信息。 航天员汤洪波展示扫描包裹的信息。

  在国内航天器首次运用的再生生命保障系统也是天宫空间站的一大亮点。此前国内航天员驻留太空时,水和氧气是从地面带上去的。这一次,天宫会采用国际空间站里常用的方式——航天员呼出的水蒸气会通过冷凝水方式回收,排泄尿液也会回收净化,重新作为饮用水和生活用水使用。电解水产生氧气和氢气。多余的氢气与航天员呼出的二氧化碳发生反应,再进一步产生氧气,这也能够降低氧气补给需求。焦维新对《中国新闻周刊》说,从经济角度看,这是更划算的方式。运送到地球近地轨道,每公斤有效载荷的“快递”成本为两万美元。

  从生命安全和健康角度,这一套系统也有着重要意义。当空间站舱体中二氧化碳浓度过高,会让人头痛、眼睛灼热,有压迫感,认知功能敏锐性下降。尤其在货运飞船不能按时飞抵,物资短缺,舱内有多位宇航员停留的情况下,这样的困境将更为紧迫。

部分太空食物。 部分太空食物。

  机械臂和电池翼

  机械臂是这次航天员升入太空要验证的关键技术,同时是航天员出舱工作的得力助手,其酷炫的抓取能力引发了业内的关注。

  机械臂长10.2米,位于小柱段下方待命,有7处关节、两处末端执行机构,7自由度,可承载25吨重量。其抓取过程有点像人们玩的抓娃娃机,只不过抓取对象是天价的、以不可思议速度运行的飞行器。所谓7自由度,焦维新解释说,意味着机械臂有着和人手臂一样的灵活度。两处末端执行机构,更通俗的理解是相当于人的手。在空间站舱体表面,遍布着目标适配器,为机械臂落脚、与舱体连接的接口。当一处末端与舱体连接时,整个手臂可以挥舞起来。

  两末端交替与接口连接,机械臂就在舱体表面爬行。机械臂肘部和腕部还配有相机,能观察舱体表面状态和监视外来飞行器,数据和信息将通过与目标适配器的连接传回舱内,机械臂的供电也依靠与接口的连接来完成。

  机械臂的功能不止于此。当航天员舱外作业点距离出舱口较远时,机械臂可以充当“摆渡车”的角色,航天员站在与机械臂末端相连的平台上,由机械臂送往作业面,这比单纯太空行走效率要高得多。机械臂还能捕获、抓取来访飞行器,当两个实验舱抵达时,机械臂就要与两个实验舱上配置的转位机械臂共同作用,助力实验舱完成转位、与核心舱的对接。

  如果觉得这支机械臂还不够长,问天号实验舱I还配有一支小机械臂,长5米,承重3吨,这两支机械臂联合,将组成一支长达15米的机械臂。梦天实验舱将在舱外布置一些暴露实验设施,机械臂可以充当搬运工。焦维新说,机械臂还能发射小卫星。当货运飞船送来小卫星时,机械臂将其抓住,再甩到空中去,这样就可以节省用火箭发射卫星的成本。

  去年,一部美国政治喜剧中有中国空间站机械臂剪美国人造卫星电池板的桥段。对此,焦维新解释说,这是不可能的,中国机械臂能捕获其他国家飞行器的前提在于彼此有相同的接口。机械臂技术的未来应用前景,是用于探月、探测火星过程中的采样、抓取、移动等。

  空间机械臂最早由加拿大SPAR公司设计研制,从1980年代起就安装在美国航天飞机上,被称为加拿大机械臂,长约15米,具有6个自由度,只有一个末端执行结构。

  国际空间站的美国舱段,安装的是由加拿大MDA公司研制的加拿大机械臂2系统。由6自由度演变而来、双末端执行结构的7自由度机械臂,长17.6米,最大承重载荷达110吨。

  在国际空间站上,日本和俄罗斯舱段分别有各自的机械臂,前者6个自由度,最大载荷量7吨,后者有7自由度,载荷量8吨,承重力都不如中国。庞之浩说,虽然关于中国机械臂和加拿大机械臂2系统操控的精细度还有待进一步比较,但至少可以说,中国空间站的机械臂技术已达到国际先进水平。

  中国空间站在轨运行时间至少10年,核心舱设计寿命达15年。为保持其长时间在轨运行,需要给其稳定供能。太阳能是目前太空中唯一可用的能源。当天和核心舱上空后,40分钟内,10年寿命期、作为中国空间站最大舱外产品的太阳能电池翼逐步展开。

  这是国内首次采用大面积柔性太阳能翼作为航天器能量来源。这一“太空电站”电池翼位于核心舱小柱段。数节伸展机构依次向外逐渐推出,带动太阳翼完全展开,像手风琴被缓缓拉开。太阳能电池翼有多次展收性能,其在轨可至少开展20次展收动作。

  柔性太阳能电池翼的另一大特点在于轻,展开面积大,发电功率与重量比值高。单侧翼展开达67平方米,全部收拢后只有一本书的厚度,仅为传统刚性太阳翼厚度的 1/15,能量转化效率能达到30%。传统硅材料的刚性太阳能翼的转化率只有14%。天和空间站单翼太阳能发电量就能达到9千瓦,两组太阳电池翼在初期发电能力超过18千瓦,供整个舱体使用,同时也为蓄电池储能。空间站运行到太阳无法照射的阴影区时,供电就要依靠锂离子蓄电池。

  国际空间站太阳能电池翼一度是刚性太阳能板的代表。从2000年第一对太阳能翼安装算起,迄今已经服役20年。此次更换的同样是柔性太阳能电池翼,光电转化率也达到30%。

  航天科技集团八院相关负责人称,中国空间站太阳能电池翼具备的重复展收技术、整体更换技术、柔性电缆传输技术等,都已接近或超越国际空间站的太阳电池翼的技术体系。

  走向航天强国

  建设空间站的一大目的是使之成为国家太空实验室,获取重大科研和应用成果。2019年4月发布的《中国空间站科学实验资源手册》中提到,空间站共规划安排了航天医学、空间生命科学与生物技术、空间天文与天体物理学等11个空间科学与应用研究方向,并依据这些方向部署十多个科学实验柜,另外还有7个空置的实验机柜。2019年6月,中国载人航天工程办公室还和联合国外空司联合发布了9项开展国际合作的实验项目。在微重力条件下,可以开展很多实验,比如说研制更精准的原子钟,可以使得未来的卫星导航系统更加准确,进行蛋白质晶体分析,组装多肽药物等。

  中国空间站体系中还有个大家伙——巡天空间望远镜,预计2024年前后投入运行。这是一套口径两米,分辨率与哈勃望远镜相当,视场角是哈勃的300多倍的“宇宙天眼”。如果在轨10年,可对百分之四十以上天区进行观测。巡天空间望远镜在巡天相机上安置了30块探测器,总像素达到25亿。其中18块探测器上设置有不同的滤光片,可获得宇宙天体在不同波段的图像;另外12块则用于观测无缝光谱,每次曝光可获得至少1000个天体的光谱信息。

  焦维新说,巡天望远镜将以置入一个光学舱的形式单独发射升空,并且将与天和空间站共轨运行。这样做的好处是,当巡天望远镜需要维修、推进剂补加和载荷设备升级时,就可以与空间站对接,单独运行时,又不受其他舱体影响。如此,天和空间站成为一个服务其他飞行器的“太空母港”,这种形式是国际空间站没有的。比起运行30年,需要承重20多吨的航天飞机5次专门上门维修的哈勃,巡天的模式既能满足现实需求,也更经济。

  航天员本身也是极为重要的科研对象,过去,比较著名的就是关于太空环境对于凯利和他双胞胎哥哥马克基因的影响的研究。凯利在书中说,在他多次往返太空和地球执行飞行任务时,他的视力都会出现在太空期间恶化,返回地球后症状消失的现象。他仍在观察着自己的视力,看是否会变得更糟。“如果长期太空飞行会严重损害宇航员视力,那么我们在到达火星之前,这是一个必须解决的问题。你不能让一个看不清东西的宇航员试图降落在一个遥远的星球上,驾驶飞船,操作复杂设备,还要探索星球表面。”他这样写道。

6月17日,在北京航天飞行控制中心,工作人员在拍摄神舟十二号载人飞船航天员乘组进驻天和核心舱的画面。图/新华 6月17日,在北京航天飞行控制中心,工作人员在拍摄神舟十二号载人飞船航天员乘组进驻天和核心舱的画面。图/新华

  实际上,空间站的建立正起着为探月、火星探测等深空探测提供技术验证,经验积累的作用。美国国家航空航天局(NASA)在其官网这样写道:空间站是美国“阿尔忒弥斯”登月计划的跳板,这是一个测试人类深空探索和未来火星任务的先进技术平台。

  对于即将在2024年到期的国际空间站,NASA更主要的倾向是将其商业化,这也为太空旅行提供了土壤。2001年至2009年期间,共有7名旅客被送上太空,在国际空间站停留7至16天不等。

  根据中国航天科技集团运载火箭技术研究院2017年发布的《2017—2045年航天运输系统发展路线图》:2025年前后,可重复使用的亚轨道运载器将研制成功,亚轨道太空旅游可成为现实;2030年前后,近地轨道百吨级运载能力的重型运载火箭将实现首飞,为载人登月提供支持,也为火星采样返回提供充足的运载能力;2040年前后,未来一代运载火箭投入应用;2045年,进出空间和空间运输的方式将出现颠覆性变革,天梯、地球车站、空间驿站建设有望成为现实。

  焦维新对《中国新闻周刊》说,商业载人航天只是未来发展的一个方向。当下最重要的是通过空间站建设,开展各类科学实验。所有空间站本身建造技术的进步也都是为科学实验服务,要有原创、特色的成果和新的技术应用出现,“这是我们的主要目标,也是我们由空间大国变为空间强国的根本方向”。

   

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