中國(guó)空間站的獨(dú)門絕技

邱林

根據(jù)中國(guó)的航天規(guī)劃，從2021年到2022年是中國(guó)空間站建設(shè)的關(guān)鍵期，通過(guò)11次航天發(fā)射，中國(guó)將在太空軌道上建成自己的首座空間站。

航天員利用意念實(shí)施操作

航天員在太空中“動(dòng)動(dòng)腦子”就能實(shí)施各種操作，這種以往只有在科幻影片中才能看到的情景，很快將成為現(xiàn)實(shí)。中國(guó)空間站將在太空軌道上開(kāi)展腦機(jī)交互前沿技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，將航天員的思維活動(dòng)轉(zhuǎn)化為操作指令，并監(jiān)測(cè)航天員的腦力負(fù)荷等。這在全球?qū)儆谑讋?chuàng)性科學(xué)研究。

腦機(jī)交互被科技大國(guó)列為優(yōu)先發(fā)展的顛覆性創(chuàng)新技術(shù)，是未來(lái)人機(jī)通信交互的最高形態(tài)。中國(guó)空間站開(kāi)展的太空腦機(jī)交互實(shí)驗(yàn)，是對(duì)這一技術(shù)在太空中的適用性的關(guān)鍵驗(yàn)證。航天員在太空環(huán)境中完成復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)，受到極大的限制，腦機(jī)交互可以不依賴外圍神經(jīng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，將航天員的思維活動(dòng)轉(zhuǎn)化為操作指令，同時(shí)又能監(jiān)測(cè)航天員的神經(jīng)功能狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互適應(yīng)，減輕作業(yè)負(fù)荷，是最理想的人機(jī)交互方式。

中國(guó)空間站想象圖

據(jù)美國(guó)《大眾科學(xué)》雜志報(bào)道，中國(guó)的太空腦機(jī)交互系統(tǒng)，針對(duì)空間站運(yùn)行過(guò)程中的各種約束條件開(kāi)發(fā)了高識(shí)別度、高穩(wěn)定性的自適應(yīng)檢測(cè)與處理技術(shù)，構(gòu)建了針對(duì)航天員個(gè)體的腦機(jī)接口模型，設(shè)計(jì)了腦電波特征強(qiáng)化誘導(dǎo)訓(xùn)練策略，優(yōu)化了腦電波特征與系統(tǒng)模型的耦合效率，大幅提升了腦機(jī)在線操作的工作效率。腦力負(fù)荷與視覺(jué)功能測(cè)試系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)獲取并解析航天員在作業(yè)時(shí)的感覺(jué)（視覺(jué)），以及與認(rèn)知（腦力負(fù)荷）功能相關(guān)的生理變化，為中國(guó)載人航天工程的新一代保障系統(tǒng)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

中國(guó)研究機(jī)構(gòu)獲取太空飛行中航天員的腦機(jī)交互生理特征變化信息，并驗(yàn)證意念控制在航天任務(wù)中的可行性后，可以為未來(lái)腦機(jī)接口技術(shù)在航天領(lǐng)域的擴(kuò)大應(yīng)用提供技術(shù)支持。

中國(guó)在航天員意念操控領(lǐng)域的研究全球領(lǐng)先，得益于在AI和神經(jīng)控制領(lǐng)域取得的成果。太空腦機(jī)交互及腦力負(fù)荷、視覺(jué)功能等神經(jīng)功能測(cè)試系統(tǒng)，由天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)。該團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事以助老、助殘、助特為目的的新一代腦機(jī)交互基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究，曾設(shè)計(jì)出適用于全肢體中風(fēng)患者的意念控制神經(jīng)機(jī)器人系統(tǒng)。

空間站的“衛(wèi)星”

中國(guó)空間站的第二個(gè)獨(dú)特之處是配備伴飛的光學(xué)艙。在空間站建造完成后，中國(guó)將單獨(dú)發(fā)射一個(gè)十余噸重的名為“巡天”的光學(xué)艙，與空間站保持共軌飛行。我們可以將它視為中國(guó)空間站的“衛(wèi)星”，它是具備自主飛行能力、機(jī)動(dòng)能力和精密指向能力的空間飛行器。它搭載的“巡天”望遠(yuǎn)鏡能進(jìn)行高分辨率天文觀測(cè)，開(kāi)展天體物理和空間天文學(xué)研究。在需要燃料補(bǔ)給和設(shè)備維修時(shí)，“巡天”可與中國(guó)空間站對(duì)接，以提高工作性能。

“巡天”望遠(yuǎn)鏡直徑2米，其分辨率與美國(guó)哈勃望遠(yuǎn)鏡相當(dāng)，將成為中國(guó)的“宇宙之眼”。如果在太空軌道上運(yùn)行10年，它可以對(duì)40%以上的天區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，從而源源不斷地為中國(guó)科學(xué)家研究宇宙提供海量觀測(cè)數(shù)據(jù)。按照計(jì)劃，“巡天”將花費(fèi)3年時(shí)間進(jìn)行大面積多色成像觀測(cè)，覆蓋約3萬(wàn)平方度的天區(qū);隨后將用3年時(shí)間進(jìn)行大面積多色無(wú)縫光譜觀測(cè)。

空間天文望遠(yuǎn)鏡比地面大型天文望遠(yuǎn)鏡口徑小，但具有系統(tǒng)誤差小、分辨率高的優(yōu)勢(shì)。中國(guó)“巡天”望遠(yuǎn)鏡的有效視場(chǎng)和成像質(zhì)量都優(yōu)于歐洲的歐幾里德和美國(guó)的WFIRST望遠(yuǎn)鏡。美國(guó)新一代巡天望遠(yuǎn)鏡WFIRST的視場(chǎng)是哈勃望遠(yuǎn)鏡的100倍，而中國(guó)“巡天”望遠(yuǎn)鏡在接近哈勃望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量的同時(shí)，視場(chǎng)是哈勃望遠(yuǎn)鏡的300多倍。“巡天”可以通過(guò)其弱引力透鏡探測(cè)暗能量存在的證據(jù)，為中國(guó)科學(xué)家開(kāi)展暗能量研究并取得重大原創(chuàng)性科學(xué)成果提供有力支持。

“巡天”不僅“上知天文”，而且“下知地理”，可以用來(lái)進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)，這種設(shè)計(jì)和應(yīng)用是世界首創(chuàng)。美國(guó)的哈勃望遠(yuǎn)鏡和“鎖眼”衛(wèi)星分工不同——哈勃用于天文觀測(cè)，“鎖眼”用于對(duì)地觀測(cè)，對(duì)天和對(duì)地觀測(cè)在設(shè)計(jì)上有不同的要求，魚與熊掌不可兼得。中國(guó)“巡天”光學(xué)艙集成了多種功能模塊，可以用同一部望遠(yuǎn)鏡開(kāi)展多波段對(duì)天和對(duì)地觀測(cè)。如果按照393千米高度的空間站軌道以及2米的主鏡口徑來(lái)推算，“巡天”對(duì)地觀測(cè)的極限分辨率為0.132米，接近美國(guó)新型KH-11B“鎖眼”衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)的分辨率。

一流的太空實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

除了上述“獨(dú)門絕技”，中國(guó)空間站還是航天員的“太空之家”，以及科學(xué)研究的太空實(shí)驗(yàn)室。一流的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將為科學(xué)家取得重大突破提供有力保障。

中國(guó)空間站的核心艙名為“天和”，全長(zhǎng)16.6米，最大直徑4.2 米，發(fā)射質(zhì)量22.5 噸，可支持3名航天員長(zhǎng)期駐留，是中國(guó)迄今為止研制的最大的航天器。它既是空間站的管理和控制中心，也是航天員的主要生活場(chǎng)所，還能支持開(kāi)展少量的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)。為了讓航天員在太空中的長(zhǎng)期生活更加舒適，“天和”在設(shè)計(jì)上有很大突破，供航天員工作生活的空間約為50立方米，加上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙，航天員的活動(dòng)空間可達(dá)110立方米。

核心艙是空間站的主控艙段，主要對(duì)整個(gè)空間站的飛行姿態(tài)、動(dòng)力性能、載人環(huán)境進(jìn)行控制。核心艙大柱段部位主要是航天員工作和實(shí)驗(yàn)的地方，小柱段則是航天員的睡眠區(qū)和衛(wèi)生區(qū)。

核心艙包括節(jié)點(diǎn)艙、生活控制艙和資源艙三部分，有3個(gè)對(duì)接口和2個(gè)停泊口。停泊口用于連接兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙，它們與核心艙組裝形成空間站。3個(gè)對(duì)接口供載人飛船、貨運(yùn)飛船及其他飛行器訪問(wèn)空間站，另有一個(gè)出艙口供航天員出艙活動(dòng)。核心艙前端的兩個(gè)對(duì)接口接納載人飛船對(duì)接?？?，后端的一個(gè)對(duì)接口接納貨運(yùn)飛船?？垦a(bǔ)給。需要指出的是，對(duì)接口不僅可以供飛行器?？?，還能與新的艙段對(duì)接——這是空間站未來(lái)擴(kuò)大規(guī)模的基礎(chǔ)。

在太空活動(dòng)方面，空間站支持開(kāi)展遙控技術(shù)、在軌組裝與維修維護(hù)、人機(jī)聯(lián)合作業(yè)等應(yīng)用技術(shù)試驗(yàn)，增強(qiáng)人類的太空活動(dòng)能力和軌道服務(wù)能力。

可用于構(gòu)建中國(guó)空間站的“長(zhǎng)征—2F”火箭

中國(guó)空間站核心艙模型

根據(jù)規(guī)劃，中國(guó)空間站將在軌道上運(yùn)行10年以上?？臻g站上搭載包括生物學(xué)、材料科學(xué)、基礎(chǔ)物理、微重力、流體力學(xué)等相關(guān)的科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)設(shè)施。連同與空間站共軌飛行的“巡天”，中國(guó)空間站規(guī)劃部署了密封艙內(nèi)的十多個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，以及艙外實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。每個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜都可以被視為一個(gè)小型太空實(shí)驗(yàn)室，支持一個(gè)或多個(gè)方向的空間科學(xué)與應(yīng)用研究。具體來(lái)說(shuō)，中國(guó)空間站將圍繞人類長(zhǎng)期在太空中生存以及提高地球上的生活質(zhì)量?jī)蓚€(gè)方面開(kāi)展研究與應(yīng)用。

并非最先進(jìn)的第四代空間站

據(jù)美國(guó)《航空航天技術(shù)周刊》報(bào)道，雖然中國(guó)空間站擁有獨(dú)家的先進(jìn)技術(shù)，但總體上它仍然屬于第三代空間站，并非最先進(jìn)的第四代空間站。

目前由美俄等國(guó)運(yùn)營(yíng)的國(guó)際空間站屬于第四代空間站，其最大特點(diǎn)是擁有桁架結(jié)構(gòu)，使得整個(gè)空間站結(jié)構(gòu)更大、功能更復(fù)雜。它長(zhǎng)109米，寬73米，高20米，質(zhì)量達(dá)419噸，內(nèi)部容積為916立方米。

第四代空間站依靠桁架結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更大更強(qiáng)，但其劣勢(shì)與優(yōu)勢(shì)同樣明顯——運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高昂，20年來(lái)已超過(guò)2000億美元。目前俄羅斯的“聯(lián)盟”號(hào)載人飛船是唯一的人員運(yùn)載工具，每次天地運(yùn)輸行動(dòng)要花費(fèi)8100萬(wàn)美元。運(yùn)營(yíng)如此龐大的空間站，還需要貨運(yùn)飛船頻繁往返，費(fèi)用也極其高昂——美國(guó)每年為此要花費(fèi)15億美元。

對(duì)于中國(guó)而言，按照第三代空間站的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)建造并運(yùn)營(yíng)自己的首座空間站，是經(jīng)濟(jì)高效的方案。它2021年開(kāi)始設(shè)計(jì)建造，2022年就可以建成并投入運(yùn)營(yíng)，完成所有既定科研目標(biāo)。更重要的是，其核心艙保有備用對(duì)接口，未來(lái)如果有需要，可以將空間站升級(jí)成更大的版本。這一設(shè)計(jì)理念非常先進(jìn)實(shí)用。

編輯：姚志剛 winter-yao@163.com