當(dāng)前位置：來(lái)源：理論網(wǎng)????2023年10月18日
????周建平，中國(guó)工程院院士，中國(guó)載人航天工程總設(shè)計(jì)師。1999年，周建平被調(diào)入中國(guó)載人航天工程辦公室工作，懷揣著“宇宙那么大，中國(guó)人應(yīng)該去看看”的理想，他在載人航天領(lǐng)域埋頭工作20余年，參與組織我國(guó)載人航天工程第一步任務(wù)載人飛船工程的研制和飛行試驗(yàn)技術(shù)工作，主持載人航天工程第二步和第三步的全面技術(shù)工作，解決了出艙活動(dòng)和空間交會(huì)對(duì)接等一系列重大關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，為我國(guó)載人航天技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展作出了突出貢獻(xiàn)。
????習(xí)近平總書記在2023年新年賀詞中指出，神舟十三號(hào)、十四號(hào)、十五號(hào)接力騰飛，中國(guó)空間站全面建成，我們的“太空之家”遨游蒼穹。1992年，中國(guó)載人航天工程正式立項(xiàng)，開始打造自己的太空家園。歷時(shí)30年，我們建成了完全自主、獨(dú)立運(yùn)行的國(guó)家級(jí)太空實(shí)驗(yàn)室?，F(xiàn)在的太空中，只有美國(guó)、俄羅斯等多國(guó)建造、維護(hù)的國(guó)際空間站和中國(guó)天宮空間站，中國(guó)載人航天技術(shù)成功躋身世界前列。我國(guó)的“太空家園”有哪些獨(dú)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(shù)？
????打卡點(diǎn)1：太空運(yùn)輸隊(duì)
????中國(guó)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(yùn)送到空間站，航天員在太空短期生活和工作一段時(shí)間，再安全地返回地面，這是一個(gè)天地往返系統(tǒng)。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(yùn)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(yùn)飛船都是這個(gè)太空運(yùn)輸大隊(duì)的成員。關(guān)于我國(guó)載人飛船工程的起步，實(shí)際上當(dāng)時(shí)面臨著不同的路徑選擇，美國(guó)、蘇聯(lián)都發(fā)展了自己的航天飛機(jī)，歐洲、日本也在論證要搞航天飛機(jī)。1992年，我國(guó)的科學(xué)家、專家、工程師進(jìn)行了大量的論證，最終選擇了載人飛船的道路。這是一個(gè)非常重要的選擇，因?yàn)楹教祜w機(jī)雖然可以重復(fù)使用，但它不能實(shí)現(xiàn)救生，而且我們當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平達(dá)不到。后來(lái)的實(shí)踐證明了選擇從載人飛船起步，既有技術(shù)上的保證，也為航天員的安全提供了一個(gè)有力的救生手段。
????我國(guó)的神舟飛船和長(zhǎng)征二號(hào)F火箭就是一個(gè)載人天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)，既可以載人，也可以運(yùn)貨。神舟飛船可以運(yùn)輸大概300公斤的貨物上行，但這個(gè)運(yùn)力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。后來(lái)的長(zhǎng)征七號(hào)和天舟貨運(yùn)飛船，提高了運(yùn)輸能力，方式也更加經(jīng)濟(jì)。天舟貨運(yùn)飛船是非常有特點(diǎn)的，最大發(fā)射重量可達(dá)14噸。它有三種構(gòu)型，除了全密封的貨艙，還有半密封和全開放兩種。這種設(shè)計(jì)是考慮到載人航天活動(dòng)中很多大型空間設(shè)施、科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施是在艙外的。天舟貨運(yùn)飛船上行的貨物比重占整船發(fā)射重量的比重達(dá)到0.51，這在世界上已經(jīng)研發(fā)的不同型號(hào)貨船里面是最高的。這也使得天舟六號(hào)貨運(yùn)飛船能夠保證航天員在軌生活和工作9個(gè)月時(shí)間，而不是之前的6個(gè)月時(shí)間，保障效率得到大幅提升。
????飛船要完成往返運(yùn)輸，要實(shí)現(xiàn)和目的地連接，還需要精準(zhǔn)交會(huì)對(duì)接。空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)是載人航天活動(dòng)三大關(guān)鍵技術(shù)之一，被譽(yù)為“太空之吻”，難度極高，國(guó)外曾有過(guò)失敗案例。從2011年開始，我國(guó)空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)從無(wú)到有，至今已成功實(shí)施20余次精準(zhǔn)可靠的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了從有人到無(wú)人、從手控到自動(dòng)、從軸向?qū)拥綇较驅(qū)拥募夹g(shù)突破與升級(jí)。
????我國(guó)用神舟八號(hào)、九號(hào)、十號(hào)和天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器，完成了交會(huì)對(duì)接的關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證。交會(huì)對(duì)接的前一階段，主要通過(guò)地面與飛船和目標(biāo)飛行器相互協(xié)同，這需要2天時(shí)間。在飛船接近目標(biāo)飛行器幾十公里范圍之前，它是由地面測(cè)控完成的，而在后一階段，實(shí)現(xiàn)了從入軌開始全程自主。更重要的是，我們的貨運(yùn)飛船只用兩小時(shí)就能完成快速交會(huì)對(duì)接，這是一個(gè)世界紀(jì)錄。通過(guò)快速自主交會(huì)對(duì)接，一是能提高航天員的安全性；二是能使飛船安全停靠在空間站上；三是能讓人員的工作負(fù)荷更小。當(dāng)然，自主并不是地面不管，飛控人員、設(shè)計(jì)師仍會(huì)密切地關(guān)注交會(huì)的整個(gè)過(guò)程。
????打卡點(diǎn)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(zhǎng)期駐留這里，想要做到勞逸結(jié)合、休閑辦公兩不誤，可比地球上要復(fù)雜得多。我們的空間站設(shè)有6個(gè)航天員艙位，核心艙和實(shí)驗(yàn)艙各有三個(gè)，活動(dòng)空間能夠達(dá)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(dòng)空間是足夠?qū)挸ǖ摹Ａ硗?，核心艙和?shí)驗(yàn)艙各設(shè)有2個(gè)衛(wèi)生間。艙內(nèi)溫度設(shè)置在19到26攝氏度，這看似簡(jiǎn)單，卻探索了相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。在神舟飛船早期，參照國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，溫度定的是21攝氏度加減4度，在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)偏冷，偏冷可以多穿衣服，但在太空里多穿衣服是要有代價(jià)的。此外，我們還探索出了更適合中國(guó)人在太空飛行的35%到55%的濕度條件。同時(shí)，出于安全考慮，我們空間站艙內(nèi)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(shè)備容易發(fā)生火災(zāi)。可見(jiàn)，我們航天員的居住環(huán)境是比較舒適、安全的。
????當(dāng)然，航天員在空間站長(zhǎng)期駐留還面臨食品、服裝、水、排泄物、呼出的二氧化碳等物質(zhì)的處理和循環(huán)利用問(wèn)題。這就要應(yīng)用到“再生生命保障技術(shù)”了，這個(gè)技術(shù)就像一把保護(hù)傘，為航天員在空間站建立一個(gè)類似地球的可循環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)物理、化學(xué)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)水、氧氣等物資的循環(huán)利用和再生保障。中國(guó)空間站的再生生命保障系統(tǒng)包括電解制氧子系統(tǒng)、二氧化碳去除子系統(tǒng)、微量有害氣體去除子系統(tǒng)、尿處理子系統(tǒng)、水處理子系統(tǒng)和二氧化碳還原子系統(tǒng)6個(gè)子系統(tǒng)。通過(guò)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(shí)尿液也能收集處理成為可飲用的純凈水，循環(huán)水可以電解制氧，其副產(chǎn)品氫氣還可以與艙內(nèi)收集的二氧化碳反應(yīng)，再次得到氧氣，既解決了凈化的問(wèn)題，也達(dá)到了回收再利用的目的。有了再生生命保障技術(shù)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(duì)地面物資的依賴，現(xiàn)在已經(jīng)不需要往空間站繼續(xù)運(yùn)送水、氧這些消耗性物資，應(yīng)該說(shuō)空間站的環(huán)境保障、再生問(wèn)題得到了很好的解決。
????打卡點(diǎn)3：神奇的“太空基站”
????現(xiàn)代生活，沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)直無(wú)法想象，在太空里也一樣。2023年9月21日，神舟十六號(hào)乘組航天員在空間站進(jìn)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(shí)驗(yàn)、奇妙“乒乓球”實(shí)驗(yàn)、動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)以及又見(jiàn)陀螺實(shí)驗(yàn)，并與地面課堂進(jìn)行了互動(dòng)交流。整個(gè)直播過(guò)程畫面清晰流暢、毫無(wú)卡頓，絲毫感覺(jué)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(shuō)到保障通信暢通的天地鏈路，就不得不提到我國(guó)的“天鏈”系列中繼衛(wèi)星。它相當(dāng)于太空中的基站，可以為衛(wèi)星、飛船等航天器提供數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)和測(cè)控服務(wù)，天地通話、太空授課、交會(huì)對(duì)接、出艙活動(dòng)等重要任務(wù)的通信就是以“天鏈”中繼衛(wèi)星為主完成的。我們的空間站有第一代中繼衛(wèi)星、第二代中繼衛(wèi)星，傳輸速率非常高，還有以太網(wǎng)，包括無(wú)線Wi-Fi互聯(lián)網(wǎng)。所有地面控制活動(dòng)、天地交互活動(dòng)，都是通過(guò)天地鏈路實(shí)現(xiàn)的。在沒(méi)有中繼衛(wèi)星前，天地通信主要依靠地面測(cè)控站和海上測(cè)控船，但是對(duì)中低軌道航天器的軌道覆蓋范圍非常有限。2003年，神舟五號(hào)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(cuò)過(guò)，就只能等待下一個(gè)通信窗口。2008年至2012年，我國(guó)“天鏈”一號(hào)01、02、03星先后發(fā)射成功，完成全球組網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(yōu)質(zhì)的太空網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，我國(guó)又研制了“天鏈”二號(hào)衛(wèi)星，建成了第二代地球同步軌道數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，為中國(guó)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(shí)，我們的空間站也可以在中繼衛(wèi)星不提供測(cè)控通信的情況下，利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)通信。
????打卡點(diǎn)4：空間站的“動(dòng)力之源”
????動(dòng)力是現(xiàn)代社會(huì)非常重要的要素，對(duì)航天器來(lái)說(shuō)更是如此。太空雖然是一個(gè)微重力環(huán)境，但是仍然有非常稀薄的大氣存在，大氣產(chǎn)生的阻力會(huì)導(dǎo)致空間站的軌道高度衰減。在太陽(yáng)活動(dòng)劇烈的年份，大氣阻力會(huì)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(gòu)型重達(dá)67.5噸，如果加上天舟貨運(yùn)飛船和神舟載人飛船，重量將超過(guò)百噸。如何才能讓這樣一個(gè)龐然大物在近地軌道上克服大氣阻力，穩(wěn)定運(yùn)行？
????中國(guó)空間站在設(shè)計(jì)的時(shí)候，就堅(jiān)持能源的多樣性，而且要保證高可靠、高安全、長(zhǎng)壽命。我們空間站的動(dòng)力之源，既有化學(xué)推進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，也有電推進(jìn)?；瘜W(xué)推進(jìn)靠燃燒，在推力室產(chǎn)生高溫高壓氣體，然后從噴管噴出獲得推力，它要消耗推進(jìn)劑。電推進(jìn)是依賴惰性氣體，在電離和電場(chǎng)的情況下加速獲得一個(gè)極高的噴出速度，從噴管噴出，這樣它的比沖可以達(dá)到非常高。空間站現(xiàn)在用的電推進(jìn)比化學(xué)推進(jìn)高五六倍，用電推進(jìn)技術(shù)維持空間站的軌道，中國(guó)是第一家。
????除此之外還有電源，無(wú)論是維持空間站的運(yùn)轉(zhuǎn)，保障航天員的生活、通信、科學(xué)實(shí)驗(yàn)等，電是必不可少的。由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化而來(lái)的電能，是在軌航天器的能量來(lái)源。與普通航天器有所區(qū)別的是，我們空間站的能源，主要靠實(shí)驗(yàn)艙上的兩對(duì)太陽(yáng)翼大帆板來(lái)滿足，一對(duì)太陽(yáng)翼帆板55米長(zhǎng)，面積達(dá)到270多平方米，加上核心艙上由十幾萬(wàn)片柔性太陽(yáng)電池組成的柔性太陽(yáng)翼，不僅輕薄節(jié)省空間，而且光電轉(zhuǎn)換效率非常高。
????打卡點(diǎn)5：靈活的“太空手臂”
????在太空中，像巨型太陽(yáng)能帆板拆卸安裝這樣的大型作業(yè)，如果僅靠航天員顯然是無(wú)法完成的，需要人機(jī)協(xié)同。機(jī)械臂就是一個(gè)有用的艙外人機(jī)協(xié)同完成復(fù)雜操作的手段。2022年11月3日，為了組裝完成中國(guó)空間站的T字構(gòu)型，與核心艙軸向?qū)拥膲?mèng)天實(shí)驗(yàn)艙必須進(jìn)行艙段轉(zhuǎn)位，這時(shí)轉(zhuǎn)位機(jī)械臂發(fā)揮了重要作用，在天地協(xié)同下，完美實(shí)現(xiàn)了艙段轉(zhuǎn)位。未來(lái)中國(guó)空間站捕獲飛行器、航天員出艙作業(yè)、大型載荷設(shè)備安裝等等復(fù)雜作業(yè)都需要航天員和機(jī)械臂協(xié)同完成。除了轉(zhuǎn)位機(jī)械臂外，中國(guó)空間站上還有哪些機(jī)械臂？它們又是如何助航天員一臂之力的呢？
????機(jī)械臂是空間站核心裝備之一，有大機(jī)械臂、小機(jī)械臂。其中大機(jī)械臂長(zhǎng)達(dá)10米，可以承重25噸；小臂長(zhǎng)達(dá)5米，可以承重3噸，每個(gè)臂各有7個(gè)自由度。兩個(gè)機(jī)械臂首尾相接連接在一起，叫做級(jí)聯(lián)，形成一個(gè)組合的機(jī)械臂，長(zhǎng)度可達(dá)15米，這些機(jī)械臂的存在大幅增強(qiáng)了航天員在艙外操作的能力。機(jī)械臂實(shí)際上在研制過(guò)程中比較難，它牽涉到很復(fù)雜的控制，而且地面也非常難以模擬。中國(guó)能在這么短的時(shí)間里成功研制出機(jī)械臂，不僅滿足艙外實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的需求，還能協(xié)助航天員進(jìn)行在軌建設(shè)和維護(hù)，充分體現(xiàn)了我們空間站的水平和標(biāo)準(zhǔn)。
????打卡點(diǎn)6：神秘的太空實(shí)驗(yàn)室
????中國(guó)空間站完成在軌建造以后，將轉(zhuǎn)入為期10年以上的應(yīng)用與發(fā)展階段，在應(yīng)用階段，航天員會(huì)在艙內(nèi)外空間進(jìn)行大規(guī)模科學(xué)實(shí)驗(yàn)。中國(guó)空間站上分布了25個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜，還有多個(gè)艙外載荷掛點(diǎn)。目前，至少有17個(gè)國(guó)家的科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通過(guò)審批入駐中國(guó)空間站?？臻g站里的實(shí)驗(yàn)有哪些奇特之處？中國(guó)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(huán)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(shí)驗(yàn)是有重力的，而近地軌道上面有一個(gè)持續(xù)的微重力，真正要做涉及有微重力情況下的一些實(shí)驗(yàn)需要在天上來(lái)完成。真空對(duì)人的生存是個(gè)挑戰(zhàn)，但也是資源。比如大氣層是地球的保護(hù)傘，避開了很多宇宙射線對(duì)地面生物的影響，但也妨礙了我們觀察宇宙，而真空環(huán)境沒(méi)這個(gè)問(wèn)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(gè)場(chǎng)景。還有一類資源是輻射，比如太陽(yáng)能。在近地軌道空間，太陽(yáng)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(xué)研究就圍繞著這些資源來(lái)布局。比如空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品中的水稻和擬南芥等，這兩種植物的種子在太空中經(jīng)歷了120天的空間培育生長(zhǎng)，完成了從種子到種子發(fā)育的全過(guò)程，其中，所收獲的水稻種子是國(guó)際上首次在軌獲得的。
????中國(guó)空間站有很多機(jī)柜，在艙外有不同的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，還有載荷的掛點(diǎn)以及擴(kuò)展的平臺(tái)。可以給現(xiàn)在三艙構(gòu)型的中國(guó)空間站增加新的艙段，擴(kuò)展到四艙十字構(gòu)形或者六艙干字構(gòu)形。當(dāng)然擴(kuò)展并不簡(jiǎn)單，它牽涉到?？康墓?jié)點(diǎn)、能源的擴(kuò)展、信息的擴(kuò)展，以及環(huán)境、姿態(tài)和軌道的控制等整個(gè)系統(tǒng)。
????中國(guó)空間站還有一個(gè)非常值得期待的設(shè)備——巡天望遠(yuǎn)鏡。它的口徑是2米，分辨率和哈勃望遠(yuǎn)鏡相當(dāng)，但視場(chǎng)角是哈勃望遠(yuǎn)鏡的300多倍，能夠觀測(cè)約17500平方度的天區(qū)范圍，屆時(shí)將開展巡天觀測(cè)。相信通過(guò)中國(guó)空間站這一在軌平臺(tái)，必將推動(dòng)中國(guó)空間科學(xué)進(jìn)入全球領(lǐng)先行列。
????原文：https://paper.cntheory.com/html/2023-10/18/nw.D110000xxsb_20231018_1-A6.htm
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