解密中國空間站

雷炳新　趙天

空間站簡史

人類的空間站歷程，經(jīng)歷了蘇聯(lián)“和平”號一一國際空間站——中國“天宮”號的不凡征程。

蘇聯(lián)“和平”號——第一個(gè)空間站

人類并不滿足于在太空作短暫的旅游。隨著航天技術(shù)的進(jìn)步，蘇聯(lián)率先建成人類第一個(gè)可長期居住的太空旅行器——“和平”號空間站。該空間站于1976年初步建成，經(jīng)過長達(dá)20年的后續(xù)搭積木式組裝，1996年全部建成。建成后的“和平”號空間站，全長87米，可用空間近400立方米，重120噸，在太空運(yùn)行了15年。2001年1月，完成太空使命的“和平”號空間站按科學(xué)家設(shè)計(jì)墜落南太平洋。

“和平”號空間站規(guī)模較大，但自動化程度低。當(dāng)時(shí)的飛船與艙體對接全靠人工駕駛追趕控制，耗時(shí)長，難度大。但它依然為人類空間站研究提供了豐富經(jīng)驗(yàn)和大量的可靠科學(xué)研究數(shù)據(jù)，是人類空間站探索的第一步。

國際空間站——擁有現(xiàn)代設(shè)備的最大空間站

國際空間站是目前在軌運(yùn)行的最大的空間實(shí)驗(yàn)室，由美國、俄羅斯、歐洲、日本、加拿大和巴西六國的航天局聯(lián)合建造運(yùn)營，是迄今為止規(guī)模最大、涉及國家最多、擁有現(xiàn)代化設(shè)備的空間國際合作平臺?？臻g站初步建成于1998年，經(jīng)過十多年的組裝，2010年轉(zhuǎn)入全面使用。組建完成的國際空間站長110米，寬88米，高20米，可居住體積約400立方米，重約420噸，由美國、俄羅斯、歐洲航天局11個(gè)成員國（法國、德國、意大利、英國、比利時(shí)、丹麥、荷蘭、挪威、西班牙、瑞典、瑞士）、日本、加拿大和巴西共16個(gè)國家聯(lián)合運(yùn)營。

國際空間站建成至今，先后有19個(gè)國家的230多名宇航員人駐太空生活、研究?？臻g站裝備了現(xiàn)代化科研設(shè)備，可從事生物學(xué)與生物技術(shù)、技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證、地球與空間科學(xué)、物理科學(xué)、人體研究等多方面的科學(xué)探索。

國際空間站已在軌飛行23年，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)壽命。由于設(shè)備老舊故障頻出，或?qū)⒂?024年停運(yùn)。

中國“天宮”號——搭載現(xiàn)代高科技的空間站

中國空間站的建設(shè)構(gòu)想源于1992年。多年來，由于美國的制約、封鎖，國際空間站將中國科學(xué)家列入“黑名單”，禁止登上空間站進(jìn)行科學(xué)研究，從而導(dǎo)致我國對太空的觀測研究出現(xiàn)空白，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于世界發(fā)達(dá)國家。在此嚴(yán)峻形勢下，我國科學(xué)家提出空間站T程的“三步走”目標(biāo)：第一步，發(fā)射載人飛船;第二步，發(fā)射空間實(shí)驗(yàn)室;第三步，搭建成較大規(guī)模的現(xiàn)代化空間站。

2003年10月，“神舟”五號飛船成功將楊利偉送入太空，標(biāo)志著我國完成空間站工程的第一步;2011年9月，“天宮一號”成功飛天，標(biāo)志著我國空間站工程第二步的勝利完成。

今天，我們邁出了空間站工程的第三步：一個(gè)搭載高科技設(shè)備、技術(shù)最先進(jìn)的空間站已然升空。

中國空間站長啥樣？

中國空間站呈“T”字形結(jié)構(gòu)，將由“三艙兩船”在太空“搭積木”陸續(xù)組建而成。“三艙”包括“天和”核心艙與兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙“問天”和“夢天”，“兩船”是指“天舟”貨運(yùn)飛船和“神舟”載人飛船。

2021年4月29日，“天和”艙首先飛天?！疤旌汀迸撌俏覈疤鞂m”空間站的主構(gòu)建和核心部件，是空間站的管理和控制中心，也是航天員生活起居和做實(shí)驗(yàn)的主場所，全長16.6米，艙內(nèi)活動空間110立方米，重22.5噸。由四部分組成：最前端的節(jié)點(diǎn)艙、航天員起居鍛煉的小柱段、工作區(qū)的大柱段、裝配發(fā)動機(jī)和對接口的資源艙。我國的“天宮”空間站就是以“天和”艙為基礎(chǔ)，不斷通過太空“搭積木”的方式，逐漸擴(kuò)展建成的。

“兵馬未動，糧草先行”。在三名航天員進(jìn)人太空之前，5月29日，“天舟”二號貨運(yùn)飛船飛上藍(lán)天與“天和”艙進(jìn)行了對接?！疤熘邸倍柺俏覀兣c空間站之間的“快遞小哥”，此次“送貨”的包裹多達(dá)160多件，總重量達(dá)到6.9噸。這些物品包括航天員在空間站所需的生活用品、實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及用來進(jìn)行空間站運(yùn)行維護(hù)的兩噸推進(jìn)劑等。

6月17日，“神舟”載著三名中國航天員飛天，隨后與“天和”核心艙順利對接。

神舟十二號載人飛船飛行乘組由航天員聶海勝、劉伯明和湯洪波三人組成。

至此，我國空間站初步建成，目前在軌運(yùn)行包括“一艙兩船”：前段的“神州”載人飛船、中部的“天和”核心艙以及后面的“天舟”貨運(yùn)飛船。三大部件組成了一個(gè)長超過36米，重達(dá)45噸的大塊頭空間器。

隨后，我國將在這三大部件的基礎(chǔ)上，繼續(xù)向太空發(fā)射兩艘實(shí)驗(yàn)艙——“問天”號和“夢天”號，它們將對接在核心艙兩側(cè)，并最終形成由“三艙兩船”五大部件組成的中國空間站。建成后的“天宮”空間站總長約50米，重量將達(dá)90多噸，額定航天員3名，預(yù)計(jì)在軌運(yùn)行10年以上。

五大部件彰顯現(xiàn)代高科技

“天舟”二號貨運(yùn)飛船的高科技體現(xiàn)在三個(gè)方面。

首先是它的物資運(yùn)送總量達(dá)6.9噸，其貨運(yùn)能力遠(yuǎn)超歐美，領(lǐng)先世界，直接碾壓世界現(xiàn)役其他飛船，處于絕對的大哥大地位。另外，“天舟”二號發(fā)射重量為13.5噸，貨運(yùn)能力6.9噸，貨運(yùn)載荷比為48%，這在全世界都是當(dāng)之無愧的第一名。最后還有無與倫比的運(yùn)輸效率：“天舟”二號僅繞地球飛行4圈就可實(shí)施對接“交貨”，而傳統(tǒng)的貨運(yùn)飛船則需要繞地球飛行30多圈方可對接“交貨”，其運(yùn)輸效率是傳統(tǒng)飛船的7倍還多。

而“天和”艙上，艙外智能大型機(jī)械臂、視角場遠(yuǎn)超美國哈勃太空望遠(yuǎn)鏡300倍的太空望遠(yuǎn)鏡、推進(jìn)劑自動補(bǔ)給系統(tǒng)、更耐用的離子推進(jìn)器等，處處都呈現(xiàn)著高科技的亮點(diǎn)。

更先進(jìn)的對接技術(shù)

相比傳統(tǒng)的天宇對接，中國空間站各部件之間的太空對接更加先進(jìn)。

一是采用了全自主對接技術(shù)。所謂“全自主”是指航天器飛上天之后，彼此間的對接不需要航天員操控或地面指控中心的指令指導(dǎo)，航天器在太空自己調(diào)整速度、角度、姿勢等，進(jìn)行全自動智能對接。

二是快速對接。“全自主”對接相比于人T參與對接，速度更快，用時(shí)更少，一般在航天器飛上太空8小時(shí)左右即可完成，極大地縮短了航天員在飛船上的滯留時(shí)間，有效地降低了航天員的太空風(fēng)險(xiǎn)。

三是運(yùn)用了可控阻尼技術(shù)。這個(gè)技術(shù)能夠有效緩沖大噸位航天器對接中產(chǎn)生的撞擊力，使原本8噸的對接能力提升到74噸，乃至180噸，大大提升了大型航天器對接的可靠性和安全性。

更智能的并網(wǎng)供電系統(tǒng)

在中國空間站“三艙兩船”五大部件組合體模式下，

“神舟”飛船會經(jīng)歷最長19天的大面積遮擋周期，面臨太陽能電池翼被遮擋，自身無法發(fā)電的困境。

為了解決這一問題，空間站采用了并網(wǎng)供電系統(tǒng)：整個(gè)空間站系統(tǒng)，各個(gè)航天器既能獨(dú)立發(fā)電，其電源的能量又可以相互傳送。比如“神舟”飛船無法發(fā)電時(shí)便可以接受來自核心艙的并網(wǎng)供電。這個(gè)并網(wǎng)供電的源頭很多，可以來自核心艙，可以來自貨運(yùn)飛船，也可以來自實(shí)驗(yàn)艙。整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成一個(gè)“供電大聯(lián)盟”，空間站的五大部件之間可以根據(jù)實(shí)時(shí)電能的多寡自動調(diào)配，相互輸送，還可以根據(jù)彼此需要進(jìn)行低壓電、高壓電的自動轉(zhuǎn)換調(diào)配輸送。這一設(shè)計(jì)，保證了空間站每一部件、每一時(shí)刻的電力供應(yīng)。

“太空醫(yī)院”保障身心健康

在中國空間站航天員的大腿外側(cè)，佩戴著兩個(gè)格外顯眼的銀灰色設(shè)備，這是中國航天員“太空醫(yī)院”的專配高科技產(chǎn)品：生理信號測試盒和心電記錄裝置。

生理信號測試盒用于航天員的心電、呼吸、體溫等信號的全程檢測、調(diào)理和向地面?zhèn)鬏?心電記錄裝置則用于心電信號的實(shí)時(shí)記錄，可以測試航天員的心理狀況。如果檢測到航天員的心理狀況不是很好，“太空醫(yī)院”就會即時(shí)把相關(guān)指數(shù)發(fā)送到地面，由地面心理專家適時(shí)進(jìn)行針對性心理輔導(dǎo)。航天員一旦肌肉疲勞，還可以由“太空醫(yī)院”來按摩肌肉。

有了“太空醫(yī)院”的生理、心理保障系統(tǒng)，航天員就可以在空間站這個(gè)“智能太空港”里度過安全、愉悅的“太空之旅”。另外，太空白行車、太空廁所等設(shè)備也處處展現(xiàn)出最先進(jìn)的現(xiàn)代高科技。

空間站中的生活與科研

中國空間站每90分鐘繞地球飛行一圈，航天員一天能看到16次日出，在時(shí)間上沒有像在地球上一陣的“白天”和“夜晚”概念。為了合理安排航天員的工作和休息，便于天地間聯(lián)系，空間站采取與地面一致的作息時(shí)間。

太空環(huán)境，具有高真空、強(qiáng)輻射、超低溫和高速度的特點(diǎn)。在空間站里，航天員怎樣解決衣食住行？他們是如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的呢？

衣：融入中國元素的“太空華服”

中國航天員的航空服分類精細(xì)，既包括航天員在空間站工作生活的工作服、鍛煉服、休閑服、失重防護(hù)服、睡具等，還有常服、任務(wù)訓(xùn)練服、專用服飾等地面任務(wù)服裝等多個(gè)種類。這些專用服裝由特殊材質(zhì)制作，體現(xiàn)了我國太空科學(xué)的高速發(fā)展，既滿足了航天員太空生活、研究的需要，還融入了中國元素，成為航天員亮相世界的“太空華服”。

“太空華服”在線條設(shè)計(jì)、顏色搭配甚至細(xì)小徽標(biāo)的制作上都極為講究。比如，航天員榮譽(yù)徽標(biāo)的主線條猶如在湛藍(lán)的宇宙中航天器飛行的軌跡，給人以向上奮飛的動感;五角星的數(shù)量表明了佩戴者執(zhí)行載人飛行任務(wù)的次數(shù)。這些細(xì)節(jié)讓“太空華服”在實(shí)用性的基礎(chǔ)上極具藝術(shù)之美，看起來猶如一件高大上的藝術(shù)品。

“千里之行，始于足下”。航天員的艙內(nèi)用鞋在設(shè)計(jì)上涵蓋人體測量學(xué)、人體工學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域的前沿科技。材料以熱塑材料、混紡針織材料為主，具備抗靜電、透氣、富有彈性、柔軟等特點(diǎn)。尺碼可以涵蓋多名男女航天員的尺碼體系，腳面造型采用“魚排骨”式波狀結(jié)構(gòu)，能夠緩沖航天員運(yùn)動時(shí)的碰撞。腳底鏤空的“九天攬?jiān)隆弊瓡鴿h字藝術(shù)，同樣彰顯著中國元素。

食：食品豐富多樣的“空間站食堂”

中國空間站航天食品具有三大特色。

一是營養(yǎng)豐富均衡，種類繁多。有主食、副食、調(diào)味品，以及水果、飲料、巧克力等。每周按早餐、午餐、晚餐列入食譜，能夠確保至少五天不重樣。

二是技術(shù)上達(dá)到了“一口吃”。食物設(shè)計(jì)為固態(tài)、無骨、小塊，無殘?jiān)?，無太多難以處理的餐余垃圾，達(dá)到了太空食用的技術(shù)要求。

三是盡量保證航天員的食欲?？梢愿鶕?jù)每個(gè)航天員的個(gè)人口味制作、選用。比如目前空間站的“招牌菜”：魚香肉絲、宮保雞丁、香辣羊肉、麻辣豆干，以及酸辣筍等，每個(gè)人都可以根據(jù)個(gè)人喜好選擇食用。這些食品經(jīng)過“太空廚房”的加熱裝置，只需一會兒，便會變成熱乎乎的可口飯菜。

?。簩?shí)現(xiàn)Wi-Fi全覆蓋和“三室一衛(wèi)”

中國空間站艙內(nèi)活動空間達(dá)110立方米，本著“人性化”的設(shè)計(jì)理念，分別設(shè)置了工作區(qū)和生活區(qū)。工作區(qū)有智能儀表監(jiān)測區(qū)和試驗(yàn)操縱區(qū)，前者可以觀測空間站的航行情況，后者可以進(jìn)行一些操控和實(shí)驗(yàn);生活區(qū)內(nèi)有獨(dú)立的睡眠區(qū)、衛(wèi)生區(qū)、鍛煉區(qū)，還配有太空廚房及就餐區(qū)。航天員乘組在空間站擁有3個(gè)臥室。在太空中，每名航天員都能享受獨(dú)立的睡眠區(qū)，確保睡覺不受干擾。從“站睡”到“躺睡”的科技變革，讓睡眠更舒適。

再加上Wi-Fi覆蓋、智能燈光APP、包裹式淋浴間、太空馬桶、家人私密語音通道等智能設(shè)施的裝配，航天員可以在太空舒服地上網(wǎng)聊天、洗澡、如廁，整個(gè)空間站簡直就像一座超豪華的太空別墅，居住舒適度超五星級。

行：艙外機(jī)械臂上的“太空行走”

“天和”艙上的機(jī)械臂是我國目前智能程度高、規(guī)模與技術(shù)難度大、系統(tǒng)最復(fù)雜的空間智能制造系統(tǒng)。它仿生于人體手臂原理，具有7個(gè)自由度（7個(gè)關(guān)節(jié)），高度靈活精確，長度達(dá)18米，承載達(dá)25噸，可實(shí)現(xiàn)艙體爬行功能，充分體現(xiàn)了我國空間站的高科技力度。而我國航天員的出艙行走，可以通過腳限位器將自己固定在機(jī)械臂末端，在機(jī)械臂的支持下，進(jìn)行大范圍的轉(zhuǎn)移完成既定任務(wù)。有了機(jī)械臂的協(xié)助，航天員的太空行走既有安全保障，又從容自如，如同在機(jī)械臂上漂移、舞蹈。

航天員的實(shí)驗(yàn)操作

目前，聶海勝等三名航天員的實(shí)驗(yàn)任務(wù)有四項(xiàng)：核心艙的在軌測試和日常管理，出艙活動和艙外安裝、組裝作業(yè)，空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)，航天員自身健康管理。

空間站里的生活區(qū)實(shí)現(xiàn)了Wi-Fi全覆蓋

中國空間站航天食品

在“問天”和“夢天”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙升空與核心艙對接后，完整的“天宮”號空間站將開展諸如量子調(diào)控與光傳輸研究、空間生物學(xué)研究、微重力流體與燃燒研究、空間材料研究等多種國際空間前沿研究。這些科學(xué)研究大部分會在兩個(gè)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)還可以進(jìn)行太空精密觀測、太空生物種植等有趣的觀測試驗(yàn)。

人類對太空的探索與研究永無止境，搭載有現(xiàn)代高科技的中國“天宮”號遠(yuǎn)不是空間站的終點(diǎn)。目前，美國的“追夢者”航天飛機(jī)可以自如往返于國際空間站和地球之間，實(shí)現(xiàn)雙向“帶貨”運(yùn)輸;中國的火星探測車“祝融”號已經(jīng)登上了火星，開始了勘探研究;美國的載人深空探測器“獵戶座”已經(jīng)整裝待發(fā)……相信只要不懈努力，人類將在浩瀚星海中航行得越來越遠(yuǎn)。