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揭秘中國空間站丨“三室兩廳還帶儲藏間” 誰來住?
2020-05-11 15:32:17 來源: 人民日報
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    長徵五號B運載火箭首飛成功,標志空間站階段飛行任務首戰告捷

    揭秘中國空間站(深度觀察)

    2020年5月5日,在中國文昌航天發射場,首次發射的長徵五號B運載火箭,成功將新一代載人飛船試驗船和柔性充氣式貨物返回艙試驗艙送入太空軌道。5月8日,新一代載人飛船試驗船返回艙成功著陸返回,試驗取得圓滿成功。這也是中國空間站在軌建造階段的第一次飛行任務,期盼已久的中國空間站建造大幕終于拉開。

    上世紀90年代開始啟動的我國載人航天工程,規劃了“三步走”戰略。從發射載人飛船將中國航天員送入太空,到太空出艙、發射空間實驗室,如今已走到第三步,即“建造空間站,解決有較大規模的、長期有人照料的空間應用問題”。隨著空間站工程全面展開,中國正式邁入了“空間站時代”。

    按規劃,空間站將在2022年前後建成。屆時,它將運行在高度340—450公裏的近地軌道,在軌飛行可達10年以上,支持開展大規模的空間科學實驗、技術試驗和空間應用等活動。而且,通過太空維修可以延長使用壽命,也可以擴展其規模。

    空間站長什麼樣?

    整體呈T字構型,有三個艙段。如果把神舟飛船比作一輛轎車,天宮一號和天宮二號相當于一室一廳,空間站則像是三室兩廳還帶儲藏間

    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,在航天員輪換時最多可達6人,建成後將成為我國長期在軌穩定運行的國家太空實驗室。

    中國載人航天工程總設計師周建平介紹,空間站基本構型有3個艙段,1個核心艙,2個實驗艙。每個艙都是20噸級,三艙組合體質量約66噸。空間站整體呈T字構型,核心艙居中,實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ分別連接于兩側。其中,核心艙用來控制整個空間站組合體,兩個實驗艙分別用于生物、材料、微重力流體、基礎物理等方面的科學實驗。

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

    核心艙命名為“天和”,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實驗和技術試驗。為了讓航天員在太空中的長期生活更加舒適,核心艙在設計上有很大突破,供航天員工作生活的空間約50立方米,加上兩個實驗艙後,航天員活動空間整體達到110立方米。

    核心艙又包括節點艙、生活控制艙和資源艙三部分,有3個對接口和2個停泊口。停泊口用于連接兩個實驗艙,一起與核心艙組裝形成空間站組合體。對接口用于載人飛船、貨運飛船及其他飛行器訪問空間站,另有一個出艙口供航天員出艙活動。其中,核心艙前端的兩個對接口接納載人飛船對接停靠,後端的一個對接口接納貨運飛船停靠補給。對接口可以支持其它飛行器短期停靠,並接納新的艙段對接,擴展空間站規模。

    中國航天科技集團五院空間站係統主任設計師張昊介紹,核心艙是空間站的主控艙段,主要對整個空間站的飛行姿態、動力性、載人環境進行控制。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驗的地方,小柱段則是航天員的睡眠區和衛生區,保障航天員的生活和正常居住。

    實驗艙Ⅰ名為“問天”,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。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。

    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。

    空間站工程也包括天地往返運輸係統和貨物運輸係統。天地往返運輸係統由神舟載人飛船和長徵二號F運載火箭組成,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名航天員實現天地往返,在空間站停靠期間也作為救生船,用于航天員應急救生和返回。

    空間站貨物運輸係統由天舟貨運飛船和長徵七號運載火箭組成。貨運飛船為空間站運送航天員生活物資、推進劑、載荷設備等補給物資。

    在空間站建設階段,長五B火箭同樣承擔著將空間站艙段送入軌道的重要任務。中國的空間站未來還有一個重要計劃,在空間站建造完成後,會單獨發射一個十幾噸的光學艙,與空間站保持共軌飛行狀態。光學艙命名為“巡天”,具備自主飛行能力,正常任務時與空間站共軌飛行,進行高分辨率天文觀測,開展天體物理和空間天文學研究。需要燃料補給和設備維修時,光學艙可與空間站對接,進行推進劑補加和設備維修維護,提高自身壽命和工作性能。

    “計劃在光學艙裏架設一套口徑兩米的巡天望遠鏡。如果在軌10年,可以對40%以上的天區進行觀測。”周建平説。這套望遠鏡,可以源源不斷地為科學家們研究宇宙學和天文學提供海量的觀測數據。

    中國空間站的設計研制,秉持規模適度、安全可靠、技術先進、經濟高效的理念,總體上體現中國特色和技術進步。周建平説,中國的空間站可以進一步擴展,為未來留有發展空間。根據空間科學研究和應用的需要,可以對接更多的艙段,也可以通過在軌維修、在軌技術升級等方式來滿足需求。中國空間站的研發,遵循規模適度原則,有利于控制工程的成本,重點突出載人航天的特色,突出發揮人在太空中的作用。

    空間站怎麼建?

    分為關鍵技術驗證、建造和運營3個階段實施。長五B首飛後,將先後發射“天和”核心艙、“問天”實驗艙和“夢天”實驗艙。航天員將多次出艙活動,參與空間站建造

    根據飛行任務規劃,空間站工程分為關鍵技術驗證、建造和運營3個階段實施。中國載人航天工程辦公室副主任林西強介紹,為完成空間站建造,共規劃了12次飛行任務。在長五B首飛後,將先後發射“天和”核心艙、“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,也規劃了發射4艘神舟載人飛船和4艘天舟貨運飛船,進行航天員乘組輪換和貨物補給。

    “未來的11次任務是高密度的發射任務,充滿了大量的新技術和新挑戰,發射頻率和任務復雜性都大幅提升。”周建平接受採訪時説。這也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。

    空間站的試驗核心艙計劃在2020年前後發射,目的在于驗證空間站關鍵技術。完成驗證以後,將陸續發射兩個實驗艙與之對接,空間站隨之也將從建造階段轉入運營階段。從核心艙階段開始,航天員也將開始實際參與建造空間站,承擔不少任務。例如,他們要多次進行復雜的出艙活動。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。

    實際上,在近地軌道建設空間站,就意味著需要掌握大型空間設施的建造技術和運營管理技術,具備強大的維護維修升級能力。航天員出艙和利用機械臂,都是重要的手段。

    “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。”周建平説,“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。”

    “往太空運送物資的成本非常高,進行物資循環利用並提高物資循環利用率,是世界載人航天關注的重大技術問題。”周建平説。

    通過新的技術支持,中國航天員在空間站的補給將得到更好保障。此前我國航天員在軌飛行的最高紀錄是33天,航天員生存所必需的水和氧氣由航天器直接帶入太空。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係統。電解制氧時産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。

    空間站如此龐大的係統,需要強有力的電力保障。空間站的電源係統包含兩對“翅膀”——單翼翼展約30米的柔性太陽翼。這個係統能夠為空間站提供可靠、充足的不間斷供電。此外,空間站將採用電推進技術作為空間站軌道維持的動力裝置,這將顯著降低空間站運行期間的推進劑補給需求。

    空間站有何用?

    在軌運行期間,將面向前沿科學探索、人類生存和太空活動,支持開展大規模的空間科學實驗、技術試驗和空間應用等活動

    空間站建成後,將是航天員的“太空之家”,也是科學研究的“太空實驗室”。一流的太空實驗平臺,將為科學家們取得世界級的重大突破提供有力保障。

    按規劃,空間站將在軌運行10年以上。圍繞地球運行期間,將面向前沿科學探索、人類生存和太空活動,支持開展大規模的空間科學實驗、技術試驗和空間應用等活動。

    載人航天工程空間應用係統專家説,中國的空間站既是為中國科學家,也是為全球科學家提供的科學探索平臺,通過空間站這個平臺,有望涌現出更多科學成果,揭示宇宙的諸多奧秘。

    空間站資源十分寶貴,經過科學且慎重的遴選,空間站上將搭載安裝包括生物學、材料科學、基礎物理、微重力、流體等類別相關的科學研究實驗設施。

    包括與空間站共軌飛行的巡天望遠鏡在內,空間站規劃部署了密封艙內的十多個科學實驗櫃、艙外暴露實驗平臺。這些科學實驗櫃,每一個都可看成是一個小型的太空實驗室,支持一個或多個方向的空間科學與應用研究。

    具體來説,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量方面開展研究與應用。在太空活動方面,空間站支持開展遙科學技術、在軌組裝與維修維護、人機聯合作業等應用技術試驗驗證,增強人類的太空活動能力和在軌服務能力,拓展人類的活動范圍。

    在空間站中,航天員既是空間站的居民,同時也是被研究對象。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,同時也有效驗證了航天員選拔訓練技術以及健康、生活和工作三大駐留保障技術,為未來空間站長期飛行奠定了堅實基礎,提供了強有力的技術支撐和保障。空間站時代,圍繞航天員的科學與技術研究將繼續開展。

    “我們的目標是建設並運營國家級太空實驗室,為空間科學研究與應用提供全面支持,推動我國空間科學研究進入國際先進行列,並不斷將取得的先進科技成果轉化應用。”中國科學院空間應用工程與技術中心主任高銘説。

    空間站誰來住?

    在空間站的常態化運行中,有3名航天員作為一個乘組長期飛行,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家入駐

    目前,執行空間站建造階段四次飛行任務的航天員乘組已經選定,正在開展任務訓練。我國第三批預備航天員選拔工作也將于今年7月前後完成。

    在空間站的常態化運行中,有3名航天員作為一個乘組長期飛行,乘組定期輪換。輪換期間,最多可有6名航天員同時在空間站工作,完成交接後,前一個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的約兩年一次,空間站建造和運營期間每年有多次發射,需要航天員的類型、人數會更多。

    目前,我國的航天員都是從現役空軍飛行員中選拔,他們主要是航天駕駛員。空間站將開展太空科學實驗,除了良好的身體素質這個共性要求外,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(科學家)。飛行工程師執行對空間站的建造、維護維修等任務,科學家也就是載荷專家,可以在空間站這個太空實驗室中做實驗。根據空間站的實驗項目,選擇相關專業背景的科學家進行訓練,也是航天員選拔與訓練的一個主要方向。

    首位進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,這次選拔在數量、種類、范圍上都有所變化。不單單從空軍飛行員當中選拔,還要面向社會的相關領域進行選拔,比如相關工業部門和科研院所、大學。

    空間站任務對航天員的能力也要求更多。未來,航天員在軌駐留的時間大大延長。目前中國航天員的最長紀錄是在太空駐留1個月,將來會是3個月、6個月甚至更久。航天員的技術技能將發生很大變化。過去航天員在太空做的大部分是艙內實驗,將來空間站建造階段,航天員大量的工作要在艙外空間進行。

    載人航天工程航天員係統副總設計師黃偉芬進一步解釋,在空間站任務中,空間站艙段多、運行時間長,航天員每天需要把大量的時間用于站內維護和管理方面,還必須參與空間站組裝、建造,進行空間站維護、維修和設備更換。同樣,空間站任務中,航天員必須完成大量的空間科學實驗、技術試驗以及有效載荷操作,學科專業眾多,跨度極大,對航天員的專業知識儲備和科學素養提出了極高的要求。

    執行過神舟十一號飛行任務的航天員陳冬説,空間站任務在軌飛行時間長,實驗項目會更多,希望自己通過加強學習,成為科研型航天員,可以獨立設計實驗,“將來在太空再去親手完成,感覺一定非常奇妙。”(余建斌、劉詩瑤)

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【糾錯】 責任編輯: 蔡琳琳
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