走进天宫:5年后,亚轨道太空旅游有看成为实际

时间 :2021-07-14 作者 : 来源: 浏览 : 分类 :新闻资讯
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 发于2021.7.5总第1002期《中国新闻周刊》 6月17日

天宫号空间站在轨运行(示意图)。图/人平易近视觉

走进天宫

本刊记者/杜玮

发于2021.7.5总第1002期《中国新闻周刊》

6月17日,聂海胜、刘伯明、汤洪波3名航天员乘坐神船十二号载人飞船顺遂升空,开启了中国空间站建造的初次载人飞翔。为期3个月的太空翱翔,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,天和焦点舱的发射拉开了中国空间站建造的年夜幕。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,中国总计将接续实行 11 次飞翔使命。

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升降,工作糊口都要在掉重前提下进行。空间站扶植的一个主要目标在于展开年夜范围空间科学和手艺尝试、空间利用等。这是一种在近地轨道长时候运行、可以知足航天员持久在轨糊口、工作及地面航天员寻访的航天器,代表着当下航天范畴最周全、最复杂、最早进的科技功效。

60年前,苏联用世界上第一个载人航天器——“东方1号”飞船,把加加林奉上太空。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年月开工扶植,2010投进利用。比拟之下,中国空间站的起步其实不算早。中国载人航天工程始于1992年,分“三步走”计谋,建造空间站即为第三步。

负责此次空间站首要研制的航天科技团体五院空间站使命总设计师杨宏说,“中国空间站是处于后发。良多手艺在成长,所以我们的建造周期是可以年夜年夜紧缩”,吸收了之前国外空间站的经验和教训,可以最年夜限度下降组装、建造和运营本钱,最年夜水平往撑持科学尝试。

全国空间探测手艺首席科学传布专家庞之浩则向《中国新闻周刊》指出,中国空间站建造固然起步晚,但出发点高,范围虽不年夜,但经济合用性较高,已到达世界第三代空间站程度,建造空间站应用的一些手艺处于国际进步前辈行列。

(6月23日,北京航天飞翔节制中间,中共中心总书记、国度主席、中心军委主席习近平同在天和焦点舱履行使命的神船十二号航天员通话。图/新华)

不比范围比效益

世界规模内,空间站的成长有着较为清楚的朋分线。航天专家、北京年夜学地球与空间科学学院传授焦维新对《中国新闻周刊》阐发说,空间站年夜体可以分为两种,单舱布局和多舱布局。从1971年到1976年苏联发射的“礼炮1号”到“礼炮5号”空间站,均属于单舱布局,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尝试室也能够视作单舱布局空间站,但重量比“礼炮号”空间站要轻。

从1970年月末到1980年月初,美国与苏联别离发射的天空尝试室和“礼炮6号”“礼炮7号”空间站为第二代空间站。它们一样是单舱布局,但有两个接口,意味着能对接更多航天器,有扩大可能性。1986年,苏联的“和平号”空间站升空,这是第三代空间站代表,多舱布局,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个焦点舱和5个尝试舱,5个尝试舱都经由过程焦点舱上的接口像聚积木一样,与之慎密连系。

中国的天宫号即属于第三代空间站。4月29日,焦点舱率先发射升空,这是空间站的批示节制中间,也是航天员们持久驻留的处所。焦点舱共有3个对接口和两个侧向停靠口。来岁问天尝试舱I和梦天尝试舱II发射后,将先与焦点舱前向对接,以后在转位装配感化下,移至停靠口,空间站整体构成“T字构型”。两个尝试舱均为展开年夜范围尝试的撑持舱段。

工作职员介入天和焦点舱的研制。

第四代空间站的代表为有史以来最年夜范围、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庞大汽水罐,首尾相连在一路。由美俄主导,日本、欧洲、加拿年夜航天局加入,16个国度共建和运行。与第三代空间站比拟,最较着的特点是增添了与美俄等国舱段垂直、长达109米的桁架,简单说,这就相当于一个年夜梁,便于安装各类装备。

国际空间站最显眼的设备就是安装在桁架上四对闪着金光的、刺眼的太阳能电池翼。庞之浩说,国际空间站相当于桁架势和积木式的“混血儿”,采取桁架势的长处在于摆列的太阳能电池翼可以对空间站集中供电,整体布局构成的较广漠空间和视野,也使得接收太阳能时不容易被遮挡。列国舱段间其实不那末紧凑,便于各自安装、维修装备。但桁架势布局构建起来较复杂,需要年夜量太空行走才能完成,本钱也较高。曩昔20年来,国际空间站扶植本钱跨越1500亿美元。

与此刻正在运行的国际空间站比拟,将来扶植完成的中国空间站总重量要比它轻,范围没有它年夜,杨宏对此诠释说,不比范围比效益,中国空间站的效益比国际空间站要高。

“好比,从重量占比来看,我们科学尝试所用到的装备重量比起整站重量的占比,相对来说是比力优的。”焦维新对《中国新闻周刊》说,国际空间站重量达420吨,这一“庞然年夜物”长、宽投影到地球上的面积相当于一个尺度足球场的巨细,接近8000平方米;中国空间站以1个焦点舱和两个尝试舱来计较,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首要用于展开尝试工作的尝试舱,其真正用于尝试的舱体占全部空间站重量比不到20%。

天宫号空间站除两个尝试舱,焦点舱也能够展开部门尝试工作,从重量来看,中国空间站最少有三分之二用于科学尝试。因为国际空间站是列国舱段的一个聚合体,各舱段彼此毗连要依托节点舱,而俄罗斯舱段又包罗“星斗”号办事舱、曙光号功能货舱等多个舱体,也就是说,国际空间站中包括了多个节点舱如许的附带布局。庞之浩说,国际空间站由于是列国搭建本身的舱体,是以在协同、一体化的考量及效力上比不上中国空间站。

一个例子是,在2001年,在美国将“追求”号气闸舱毗连至国际空间站前,俄罗斯航天员只能在本身的“星斗”号办事舱内穿着航天服,美国航天员只能在有航天飞机停靠的环境下,在航天飞机里穿着航天服。气闸舱是航天员出舱勾当前穿着航天服的场合。

庞之浩诠释说,今朝,位于天和焦点舱最前真个节点舱将阐扬气闸舱的感化,其上方有一个出舱口。将来的问天尝试舱也将配有供航天员实行出舱功课的专用气闸舱。梦天尝试舱则具有载荷主动进出舱能力,配有货色进出专用的气闸舱。将来跟着需求增加,天宫空间站范围也或将进一步扩大。“此刻是‘T’字形,按照需要可扩大成一个‘干’字形,即再增添一个焦点舱,发射两个尝试舱。”庞之浩说。

研制中的天和焦点舱。

“三室两厅”

对在这一组合体上持久驻守的人们来讲,有着尽量宽阔舒适的工作糊口空间,连结健康体格,是应对太空天天未知挑战的必备要素。

比起重量别离为8.5吨摆布的天宫一号、天宫二号尝试室,天和焦点舱已是今朝中国最年夜的航天器。其全长16.6米,长度跨越五层楼高度,最年夜直径为4.2米,比火车的车箱还要宽很多,体积比国际空间站任何一个舱位都年夜。神船七号飞船上航天员的勾当空间大要是7立方米,天宫一号的这一数字约为15立方米,天和焦点舱是50立方米,再加上将来两个尝试舱,整体能到达110立方米。若是把神船飞船比作一辆轿车,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蕴藏间。

在掉重情况下,空间站里最多见的场景是货包、物体在舱内四周飘移,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次来回六合间,在国际空间站持续糊口340天,与哥哥一路加入了美国宇航局(NASA)双胞胎火星尝试打算。他在2020年出书的、记实2015年国际空间站之旅的《我在太空的一年》一书中如许写道:因为没有重力,良多工具我会抓不住,是以物品常常乱丢。地面职员常常发的电子邮件中,就有丢掉物品的通知布告。我们傍边,偶然会有人找到已丢掉多年的东西或部门装备。丢掉物体从头被找到的最长记载是8年。空间站常常产生这类环境:一些食品从我们身旁溜走,并在几天后成为另外一小我意想不到的零食。有人吃了一些觉得是糖果的工具,过了好久今后,才意想到实际上是垃圾。

鉴戒国内物流巨子进步前辈的货色办理手艺,中国空间站成立了一套物流办理系统,航天员可以或许经由过程扫描二维码的体例,辨认货色位置和产物信息,并对产物库存数目做到动态掌控。

航天员汤洪波展现扫描包裹的信息。

在国内航天器初次应用的再生生命保障系统也是天宫空间站的一年夜亮点。此前国内航天员驻留太空时,水和氧气是从地面带上往的。这一次,天宫会采取国际空间站里经常使用的体例——航天员呼出的水蒸气会经由过程冷凝水体例收受接管,分泌尿液也会收受接管净化,从头作为饮用水和糊口用水利用。电解水发生氧气和氢气。过剩的氢气与航天员呼出的二氧化碳产生反映,再进一步发生氧气,这也可以或许下降氧气补给需求。焦维新对《中国新闻周刊》说,从经济角度看,这是更划算的体例。输送到地球近地轨道,每千克有用载荷的“快递”本钱为两万美元。

从生命平安和健康角度,这一套系统也有侧重要意义。当空间站舱体中二氧化碳浓渡过高,会让人头痛、眼睛炽热,有榨取感,认知功能灵敏性降落。特别在货运飞船不克不及按时飞抵,物质欠缺,舱内有多位宇航员逗留的环境下,如许的窘境将更加紧急。

部门太空食品。

机械臂和电池翼

机械臂是此次航天员升进太空要验证的关头手艺,同时是航天员出舱工作的得力助手,其酷炫的抓取能力激发了业内的存眷。

机械臂长10.2米,位于小柱段下方待命,有7处关节、两处结尾履行机构,7自由度,可承载25吨重量。其抓取进程有点像人们玩的抓娃娃机,只不外抓取对象是天价的、以难以想象速度运行的飞翔器。所谓7自由度,焦维新诠释说,意味着机械臂有着和人手臂一样的矫捷度。两处结尾履行机构,更通俗的理解是相当于人的手。在空间站舱体概况,遍及着方针适配器,为机械臂落脚、与舱体毗连的接口。当一处结尾与舱体毗连时,全部手臂可以挥动起来。

两结尾瓜代与接口毗连,机械臂就在舱体概况爬行。机械臂肘部和腕部还配有相机,能察看舱体概况状况和监督外来飞翔器,数据和信息将经由过程与方针适配器的毗连传回舱内,机械臂的供电也依托与接口的毗连来完成。

机械臂的功能不止于此。当航天员舱外功课点间隔出舱口较远时,机械臂可以充任“摆渡车”的脚色,航天员站在与机械臂结尾相连的平台上,由机械臂送往功课面,这比纯真太空行走效力要高很多。机械臂还能捕捉、抓取来访飞翔器,当两个尝试舱抵达时,机械臂就要与两个尝试舱上设置装备摆设的转位机械臂配合感化,助力尝试舱完成转位、与焦点舱的对接。

若是感觉这支机械臂还不敷长,问天号尝试舱I还配有一支小机械臂,长5米,承重3吨,这两支机械臂结合,将构成一支长达15米的机械臂。梦天尝试舱将在舱外安插一些表露尝试举措措施,机械臂可以充任搬运工。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,机械臂将其捉住,再甩到空中往,如许就能够节流用火箭发射卫星的本钱。

客岁,一部美国政治笑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,焦维新诠释说,这是不成能的,中国机械臂能捕捉其他国度飞翔器的条件在于彼此有不异的接口。机械臂手艺的将来利用远景,是用于探月、探测火星过程当中的采样、抓取、移动等。

空间机械臂最早由加拿年夜SPAR公司设计研制,从1980年月起就安装在美国航天飞机上,被称为加拿年夜机械臂,长约15米,具有6个自由度,只有一个结尾履行布局。

国际空间站的美国舱段,安装的是由加拿年夜MDA公司研制的加拿年夜机械臂2系统。由6自由度演化而来、双结尾履行布局的7自由度机械臂,长17.6米,最年夜承重载荷达110吨。

在国际空间站上,日本和俄罗斯舱段别离有各自的机械臂,前者6个自由度,最年夜载荷量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,固然关于中国机械臂和加拿年夜机械臂2系统操控的邃密度还有待进一步比力,但最少可以说,中国空间站的机械臂手艺已到达国际进步前辈程度。

中国空间站在轨运行时候最少10年,焦点舱设计寿命达15年。为连结其长时候在轨运行,需要给其不变供能。太阳能是今朝太空中独一可用的能源。当天和焦点舱上空后,40分钟内,10年寿命期、作为中国空间站最年夜舱外产物的太阳能电池翼慢慢睁开。

这是国内初次采取年夜面积柔性太阳能翼作为航天器能量来历。这一“太空电站”电池翼位于焦点舱小柱段。数节舒展机构顺次向外逐步推出,带动太阳翼完全睁开,像手风琴被徐徐拉开。太阳能电池翼有屡次展收机能,其在轨可最少展开20次展收动作。

柔性太阳能电池翼的另外一年夜特点在于轻,睁开面积年夜,发电功率与重量比值高。单侧翼睁开达67平方米,全数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,能量转化效力能到达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可以到达9千瓦,两组太阳电池翼在早期发电能力跨越18千瓦,供全部舱体利用,同时也为蓄电池储能。空间站运行到太阳没法照耀的暗影区时,供电就要依托锂离子蓄电池。

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,迄今已服役20年。此次改换的一样是柔性太阳能电池翼,光电转化率也到达30%。

航天科技团体八院相干负责人称,中国空间站太阳能电池翼具有的反复展收手艺、整体改换手艺、柔性电缆传输手艺等,都已接近或超出国际空间站的太阳电池翼的手艺系统。

走向航天强国

扶植空间站的一年夜目标是使之成为国度太空尝试室,获得重年夜科研和利用功效。2019年4月发布的《中国空间站科学尝试资本手册》中提到,空间站共计划放置了航天医学、空间生命科学与生物手艺、空间天文与天体物理学等11个空间科学与利用研究标的目的,并根据这些标的目的摆设十多个科学尝试柜,别的还有7个空置的尝试机柜。2019年6月,中国载人航天工程办公室还和结合国外空司结合发布了9项展开国际合作的尝试项目。在微重力前提下,可以展开良多尝试,好比说研制更精准的原子钟,可使得将来的卫星导航系统加倍精确,进行卵白质晶体阐发,组装多肽药物等。

中国空间站系统中还有个大师伙——巡天空间千里镜,估计2024年前后投进运行。这是一套口径两米,分辩率与哈勃千里镜相当,视场角是哈勃的300多倍的“宇宙天眼”。若是在轨10年,可对百分之四十以上天区进行不雅测。巡天空间千里镜在巡天相机上安设了30块探测器,总像素到达25亿。此中18块探测器上设置有分歧的滤光片,可取得宇宙天体在分歧波段的图象;别的12块则用于不雅测无缝光谱,每次暴光可取得最少1000个天体的光谱信息。

焦维新说,巡天千里镜将以置进一个光学舱的情势零丁发射升空,而且将与天和空间站共轨运行。如许做的益处是,当巡天千里镜需要维修、推动剂补加和载荷装备进级时,就能够与空间站对接,零丁运行时,又不受其他舱体影响。如斯,天和空间站成为一个办事其他飞翔器的“太空母港”,这类情势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,巡天的模式既能知足实际需求,也更经济。

航天员自己也是极其主要的科研对象,曩昔,比力闻名的就是关于太空情况对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,在他屡次来回太空和地球履行飞翔使命时,他的目力城市呈现在太空时代恶化,返回地球后症状消逝的现象。他仍在察看着本身的目力,看是不是会变得更糟。“若是持久太空飞翔会严重侵害宇航员目力,那末我们在达到火星之前,这是一个必需解决的题目。你不克不及让一个看不清工具的宇航员试图下降在一个远远的星球上,驾驶飞船,操纵复杂装备,还要摸索星球概况。”他如许写道。

(6月17日,在北京航天飞翔节制中间,工作职员在拍摄神船十二号载人飞船航天员乘组进驻天和焦点舱的画面。图/新华社)

现实上,空间站的成立正起着为探月、火星探测等深空探测供给手艺验证,经验堆集的感化。美国国度航空航天局(NASA)在其官网如许写道:空间站是美国“阿尔忒弥斯”登月打算的跳板,这是一个测试人类深空摸索和将来火星使命的进步前辈手艺平台。

对行将在2024年到期的国际空间站,NASA更首要的偏向是将其贸易化,这也为太空观光供给了泥土。2001年至2009年时代,共有7名搭客被奉上太空,在国际空间站逗留7至16天不等。

按照中国航天科技团体运载火箭手艺研究院2017年发布的《2017—2045年航天运输系统成长线路图》:2025年前后,可反复利用的亚轨道运载器将研制成功,亚轨道太空旅游可成为实际;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,为载人登月供给撑持,也为火星采样返回供给充沛的运载能力;2040年前后,将来一代运载火箭投进利用;2045年,进出空间和空间运输的体例将呈现倾覆性变化,天梯、地球车站、空间驿站扶植有看成为实际。

焦维新对《中国新闻周刊》说,贸易载人航天只是将来成长的一个标的目的。当下最主要的是经由过程空间站扶植,展开各类科学尝试。所有空间站自己建造手艺的前进也都是为科学尝试办事,要有原创、特点的功效和新的手艺利用呈现,“这是我们的首要方针,也是我们由空间年夜国变成空间强国的底子标的目的”。

Array_ERROR_Array_ERROR_Array_ERROR_Array_ERROR