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三問中國空間站:為何建?什么樣?怎么建?

來源: 中國青年報客戶端
發布時間: 2021-06-18

  天宮,這個中國神話傳說中天帝居住的宮殿,在21世紀第三個10年的中國,被賦予更多科學與夢想的色彩,再次出現在世人面前,搖身一變中國航天的新名片——天宮空間站,這是中國人自主建造的近地載人空間站。

  2021年4月29日,椰風林語間,中國文昌航天發射場。伴隨著發動機巨大的轟鳴聲和耀目的藍白色火焰,長征五號B遙二運載火箭成功將天和號送入高度340-450公里的近地軌道,這是中國空間站第一個,也是最重要的一個艙段——核心艙。至此,屬于中國空間站的在軌組裝建造大幕正式拉開,緊鑼密鼓的載人航天大戲開始了。

  天和核心艙之后,緊接著就是天舟二號貨運飛船,再接著是神舟十二號載人飛船……按照規劃,2021-2022年,我國將接續實施11次飛行任務,包括3次空間站艙段發射、4次貨運飛船以及4次載人飛船發射,于2022年完成空間站在軌建造。

  “說是兩年時間,現在數還有不到20個月?!敝袊こ淘涸菏?、中國載人航天工程總設計師周建平在任務前夕接受中青報·中青網等媒體集體采訪時說,“整個空間站建造任務可謂是高密度發射,充滿大量挑戰,也讓人充滿期待!”

  天宮,已不再遙遠。

  為何要建造自己的空間站?

  說起空間站,很多人最先想到的是國際空間站,這是目前在軌運行最大的空間平臺,是一個擁有現代化科研設備、可開展大規模、多學科基礎和應用科學研究的空間實驗室。它的規模大約有400多噸,由美國、俄羅斯、加拿大、日本等16國聯合,先后經歷12年建造完成。

  中國航天科技集團五院空間站任務總設計師楊宏說,空間站作為長期在軌運行的“太空母港”,是人類歷史上規模最大的航天器,可滿足航天員長期在軌生活工作,其天然的高真空、微重力、超潔凈環境也可以充分用于開展各類科學技術研究,推動科學技術進步。

  “因此,空間站工程將產生巨大經濟效益和社會效益,已經成為衡量一個國家經濟、科技和綜合國力的重要標志,受到各航天大國的高度重視?!睏詈暾f。

  然而,國際空間站的合作大門,并未向中國敞開,我們走上了自主研制建造的道路。自上世紀90年代初,我國載人航天工程正式啟動,采取“三步走”實施戰略——

  第一步是載人飛船階段,在此期間完成了載人飛船的研制,實現了航天員天地往返等目標;

  第二步是空間實驗室階段,在這一階段,我國不僅掌握了出艙、交會對接技術,成功對航天員中期駐留太空進行了驗證,還成功驗證了推進劑在軌補加技術,完成了運送貨物補給等任務;

  第三步就是現在正在進行的空間站建設階段,我國將建造長期有人照料的空間站。

  那么,中國空間站和國際空間站有何不同?

  中國航天科技集團五院空間站系統副總設計師柏林厚告訴記者,中國空間站是百噸量級的,在總體規模上不及國際空間站,這主要是在建設思路上按照符合中國國情,有所為、有所不為來考慮,綜合當前需求和耗費等因素,不搞像國際空間站那么大規模的空間站,而是采用規模適度、留有發展空間的思路,既可以滿足重大科學研究項目的需要,又同時具備擴展和支持來往飛行器對接的能力。

  “簡單來說,我們不求規模,但求效益?!卑亓趾裾f,我國在空間站建設過程中始終追求技術進步,充分采用當代先進技術建造和運營空間站,全面掌握大型空間設施的建造和在軌操作能力;同時注重應用效益,在空間站應用領域將取得重大創新成果,追求運營經濟性,走可持續發展的道路。

  周建平說,中國空間站由我國自主建造,在軌設計壽命不小于10年,實現了產品全部國產化,部組件全部國產化,原材料全部國產化。

  “建成和運營近地載人空間站,將使我國成為獨立掌握近地空間長期載人飛行技術,具備長期開展近地空間有人參與科學技術試驗和綜合開發利用太空資源能力的國家?!敝芙ㄆ秸f。

  空間站要建成什么樣?

  有了中國空間站,就意味著中國人在太空有了一個“家”。

  這個“家”的基本構型有3個艙段,一個核心艙,兩個實驗艙,核心艙居中,兩個實驗艙連接于兩側,整體呈T字構型,供航天員工作活動的空間可達110立方米。

  中國航天科技集團五院空間站系統副總設計師朱光辰形象地比喻:如果說神舟飛船是一輛轎車,那么天宮一號和天宮二號相當于是一室一廳的房子,而中國空間站則像是三室兩廳還帶儲藏間,算是“豪宅”了。

  4月29日發射的核心艙,就是“豪宅”中最大的房間。

空間站天和核心艙示意圖,圖片來源:中國航天科技集團五院

  朱光辰列舉一組數據:核心艙全長16.6米,最大直徑4.2米,發射質量22.5噸,可支持3名航天員長期在軌駐留,是我國目前最大的航天器。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實驗和技術試驗。

  “核心艙是中國空間站最關鍵的艙段,之后所有的艙段都將以此為起點進行疊加,因此核心艙的位置也恰好位于空間站的核心部位?!敝袊教炜萍技瘓F五院空間站核心艙結構分系統主任設計師施麗銘打了個比方:核心艙好比是大樹的樹干,其他的艙段都會安裝在它的接口上,如同大樹的枝葉,不斷向外延伸。

  她告訴記者,核心艙的長度比五層樓房還要高,直徑比火車和地鐵的車廂還要寬不少,體積比國際空間站的任何一個艙位都大,航天員入駐后,活動空間非常寬敞。此外,核心艙的重量相當于三輛大客車的空重重量,同樣也超過國際空間站的任何一個艙段。

  當然,核心艙不僅活動空間大,也將給航天員提供更好的補給保障。

  中國航天科技集團五院空間站系統總體主任設計師張昊說,此前我國航天員在軌飛行時間的最高紀錄是33天,航天員生存所必需的水和氧氣,由航天器直接送入太空。如今,為了讓航天員實現更久的在軌停留,空間站設計了完整的可再生生命保障系統。

  張昊說,航天員呼出的水蒸氣會通過冷凝水方式回收,排泄的尿液也會回收凈化,重新作為飲用水和生活用水使用。電解制氧時產生的氫氣,與航天員呼出的二氧化碳,將通過化學反應生成氧氣,這也能夠降低氧氣的補給需求。

  此外,核心艙還負擔了航天員初期駐留以及科研所需的全部物質條件,從居住區到科研區一應俱全:配置了工作區、睡眠區、衛生區、就餐區、醫監醫保區和鍛煉區六個區域。這其中,就餐區配置了微波爐、冰箱、飲水機、折疊桌等家居,鍛煉區配置了太空跑臺、太空自行車、抗阻拉力器等健身器材,以滿足航天員日常鍛煉;此外,艙內情景照明可由手機應用軟件控制。

圖為空間站天和核心艙研制現場,圖片來源:中國航天科技集團五院

  至于兩個實驗艙,實驗艙Ⅰ名為“問天”,其主要任務是開展艙內和艙外空間科學實驗和技術試驗,也是航天員的工作生活場所和應急避難場所。張昊說,實驗艙Ⅰ配備了航天員出艙活動專用氣閘艙,支持航天員出艙活動,配置了小型機械臂,可進行艙外載荷自動安裝操作。

  “實驗艙Ⅰ有著核心艙部分關鍵平臺功能,這意味著在需要的時候,它可以執行對空間站的整個管理和控制?!睆堦徽f。

  實驗艙Ⅱ名為“夢天”,具備和實驗艙Ⅰ類似的功能。實驗艙Ⅱ還配置有貨物專用氣閘艙,在航天員和機械臂的輔助下,支持貨物、載荷自動進出艙。

  “空間站構型極其復雜,艙體多,不僅各個飛行器相當于一顆顆‘衛星’,而且各飛行器不同的組合,又變成了一個個新的航天器?!笔愩懻f。比如,核心艙是一個獨立的航天器,和神舟載人飛船對接后,它倆又變成了一個新的組合體,相當于一個新的“航天器”;同理,核心艙和天舟貨運飛船對接組合后也是如此。

  完成組裝建造還需要幾步?

  4月29日,天和核心艙作為搭建我國空間站的第一塊“積木”,率先落戶于空間站核心位置,靜候與“問天”及“夢天”兩個實驗艙交會對接,共同組建成T字型的天宮空間站。

  周建平說,中國空間站任務分為關鍵技術驗證、組裝建造和運營三個階段。目前正處于關鍵技術驗證階段,這個階段,天和核心艙是第一次任務,隨后還將發射2艘載人飛船、2艘貨運飛船。

  這其中,天舟貨運飛船,是向中國空間站運送貨物和推進劑等物資的使者,被親切稱為太空中的快遞小哥??臻g站建造過程中,每次發射載人飛船前,我國都將先行發射貨運飛船,做到“兵馬未動,糧草先行”。

  此前,我國已經成功發射天舟一號。天和核心艙成功發射后不久,下一個執行任務的,就將是天舟二號貨運飛船。

  神舟載人飛船,人們已經比較熟悉了,這是我國自行研制的用于天地往返運輸人員和物資的載人航天器。此前,我國已經發射11艘神舟飛船,先后將11名航天員共14人次送入太空。最近一次發射,是 2016年10月搭載航天員景海鵬和陳冬的神舟十一號。

  接下來,天舟二號貨運飛船和天和核心艙對接后,載有3名航天員的神舟十二號飛船,也將進入發射倒計時。中國航天時隔5 年,將送航天員重返太空。

天舟貨運飛船飛向空間站示意圖,圖片來源:中國載人航天工程辦公室

  周建平說,在關鍵技術驗證階段,我國將在軌驗證空間站推進劑補加、再生生保、柔性太陽電池翼和驅動機構、大型柔性組合體控制、組裝建造、艙外操作、在軌維修等7大關鍵技術,為實施空間站組裝建造和長期運營任務奠定基礎。

  他以其中的機械臂技術為例:一名航天員在艙內操作機械臂,一名航天員在艙外太空行走。無論是艙段轉位、大設備的移動,還是航天員自身的移動,都可以通過機械臂完成。

  “空間站設計有兩類機械臂,人機配合,讓空間站建造維修成為可能?!敝芙ㄆ秸f。

  據他透露,在這個階段,航天員將開始實際參與建造空間站。比如,他們要多次進行復雜的出艙活動,這將成為一個常態。屆時,航天員可以利用機械臂協同完成載荷的在軌安裝、調試、升級等工作。

  關鍵技術驗證階段結束后,空間站就將進入組裝建造階段。周建平說,屆時,我國將發射“問天”實驗艙和“夢天”實驗艙,進行空間站基本構型的在軌組裝建造。

  “這將是一段非常輝煌的試驗歷程。11次任務的完成,將意味著中國空間站正式建成?!敝芙ㄆ秸f。

  現在,天和核心艙已經就位,中國空間站有了第一塊“積木”,我們期待第二塊、第三塊“積木”的早日到來。

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