“天河”逐夢入九天開啟建“宮”大業(yè)

呂默默

在天氣晴朗的夜晚，我們抬頭仰望夜幕時，總能看到星星一閃一閃的，好像在對我們眨眼睛。有時候，你是不是也在想，如果能在這些繁星之間暢游，與它們共舞就好了？令人欣喜的是，這個愿望即將要成為現(xiàn)實，因為我們邁出了中國人飛向深空的關(guān)鍵一步——中國空間站“天和”核心艙順利發(fā)射升空。從此，我們的太空夢不再虛幻與遙遠。

空間站的設(shè)想與嘗試

在同學(xué)們熟悉的中國古代神話傳說中，神仙們都住在天上。如果用現(xiàn)代科學(xué)來理解，這些神仙應(yīng)該是生活在太空之中。那么，神仙們呼吸的氧氣、吃的食物從哪里來？水又來自何處呢？關(guān)于這些細節(jié)，古代的神話中要么歸結(jié)于“仙法”，要么壓根兒就忽略不提了。其實，他們所居住的“宮殿”可以算得上是一種原始的“空間站”，有基本的生命維持系統(tǒng)，可以長期駐留。

真正科學(xué)意義上的空間站設(shè)想形成于20世紀(jì)初。1903年，俄羅斯科學(xué)家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基在其著作《利用反作用力設(shè)施探索宇宙空間》中，首次提出了“空間站”的概念。在他的設(shè)想中，應(yīng)該在接近地球的環(huán)境中，建造一個可以自主供給能源、有生命保證系統(tǒng)的空間站，滿足航天員最基本的生存條件，可以長期駐留。

因為受到科技水平的制約，人類第一個空間站“飛升”入九天一直到1971年才實現(xiàn)，這就是蘇聯(lián)發(fā)射的

“禮炮1號”。但當(dāng)時發(fā)射的空間站還不是康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基所設(shè)想的模樣，至少不能滿足能源自主供給，水的來源也是一個問題。1973年，美國發(fā)射了其第一個試驗型空間站——“天空實驗室”?？臻g站中的飲水都是自帶的，用完就沒了，不能循環(huán)利用。

按照現(xiàn)代空間站的標(biāo)準(zhǔn)，早期的空間站都不合格。首先，空間站必須環(huán)繞在地球的軌道之上。如果人類走向更遙遠的宇宙，空間站還必須有能力環(huán)繞其他星球，例如火星、月球。其次，空間站的空間必須足夠大，需要至少兩次或者更多次的火箭發(fā)射，在太空軌道上最終完成組裝。再次，空間站必須能長期使用。除了可以更換零件，還要能?？?、對接新的貨運飛船、載人飛船，進行物資補給和人員更替。最后，空間站必須具備滿足載人長時間駐留的系統(tǒng)?？臻g站內(nèi)要有維持人類生存的環(huán)境系統(tǒng)，例如氧氣充足、氣壓足夠、擁有合適的防護層防止宇宙致命輻射的傷害，等等?，F(xiàn)代空間站還要滿足實驗與探索的需求。

2021年4月29日發(fā)射的“天和”核心艙就是即將建成的中國空間站“天宮”的主要部分之一，技術(shù)先進，各項設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)進入了世界一流行列。

空間站有何用

作為人類歷史上規(guī)模最大的航天器，空間站代表了當(dāng)今航天領(lǐng)域最全面、最復(fù)雜、最先進和最綜合的科學(xué)技術(shù)成果?？墒牵祟悶槭裁匆馁M巨資、時間、人力及物力去建造空間站呢？

早期的人類空間站上天之后，大多數(shù)都是用于軍事目的。例如，蘇聯(lián)的“禮炮3號”上甚至攜帶了機炮并進行了試射，目的顯而易見。美國也曾有過類似的軍事目的，發(fā)射一個空間站，飛過蘇聯(lián)上空時，空間站內(nèi)的航天員拍照監(jiān)測蘇聯(lián)的國內(nèi)情況。

隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代空間站還承擔(dān)著重要的實驗與探索任務(wù)，真正成為人類在太空進行探索、學(xué)習(xí)和實驗的重要基地。

1.空間實驗室顯神通

地球上有很多設(shè)施先進的著名實驗室，為何要去太空做實驗?zāi)兀恳驗樵诰嚯x地表400千米左右高度的位置，地心引力已經(jīng)很微弱，物體幾乎處于失重狀態(tài)，這就給很多科學(xué)實驗帶來了難得的機會。例如材料學(xué)的合金實驗，在地面進行鉛和多金屬的合金冶煉時，因為鉛比較重，容易沉入金屬溶液的下層，無法形成有效的材料。但是，在空間站的實驗室中，這些金屬就可以完美地融合在一起，形成導(dǎo)電性能、抗疲勞度、導(dǎo)熱性能更好的合金。

空間實驗室還可以在生物和制藥方面大顯身手。在幾乎失重的狀態(tài)下，形成的蛋白質(zhì)晶體效果也要比地面上的好。這對于科學(xué)家在生物學(xué)上的研究有重要的推動作用，也可以用于研發(fā)新藥，同時可以幫助科學(xué)家對一些疑難雜癥的致病機制有更深入的了解。

中國在建的空間站“天宮”可進行物質(zhì)科學(xué)、宇宙空間科學(xué)、生命科學(xué)等各種實驗，這些功能隨著空間站“天和”核心艙發(fā)射、入軌成功，在空間站建成后逐漸實現(xiàn)。

1進行生理學(xué)功能檢測和行為與認知功能測試

2開展多種動植物的空間培養(yǎng)實驗等

3開展細胞組織實驗、微生物類實驗等

4支持空間蒸發(fā)與冷凝相變、沸騰傳熱、兩相流動與回路系統(tǒng)等研究

5支持微重力環(huán)境下的燃燒科學(xué)及應(yīng)用研究、空間推進中的微重力燃燒問題等研究

6支持微重力下材料制備過程機理研究、重要應(yīng)用背景材料制備與研究等研究

7開展微重力下金屬、非金屬等材料無容器加工研究和材料深過冷研究等

8開展量子新物態(tài)研究、天體物理的量子模擬研究、量子拓撲與量子計算研究等

9為動植物、細胞和材料科學(xué)等實驗提供樣品裝載、精細操作、低溫存儲等支持

10開展相對論物理與引力物理、微重力流體動力學(xué)等研究

11配有離心機，支持與重力相關(guān)的多類科學(xué)實驗

12支持載荷的準(zhǔn)備、裝調(diào)、清潔、焊接、組裝、測試和維修等艙內(nèi)精細操作

13、14利用極高穩(wěn)定度的時間頻率開展原子躍遷光頻對比、基本物理常數(shù)精密測量和引力紅移測量的相對論驗證等基礎(chǔ)物理研究和應(yīng)用

15支持微重力等空間環(huán)境下以驗證航天基礎(chǔ)技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù)目標(biāo)的實驗等

16開展微重力流體動力學(xué)及其應(yīng)用研究、晶體生長動力學(xué)和蛋白質(zhì)結(jié)晶研究等

此次發(fā)射的“天和”核心艙內(nèi)只裝備了少量的實驗裝置，未來發(fā)射的實驗艙能開展更多的科學(xué)研究

2.人類飛向深空的前哨站

早在康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基提出空間站的概念之初，除了科研，空間站還有一個重要作用就是作為人類飛向深空的中轉(zhuǎn)站、前哨站。

在太空中近乎失重的狀態(tài)下，航天員的生理和心理都會受到?jīng)_擊。長時間進入太空的航天員，因為身體上的不適應(yīng)，加上空間狹小，缺乏運動，在晝夜不分明的狀態(tài)下，極有可能精神崩潰。這還僅僅是在距離地面400千米左右的高度，不算出遠門。如果我們的目標(biāo)是更遙遠的深空探索，就必須適應(yīng)這種狀態(tài)。

即使在今天，空間站仍然是唯一可以使航天員長期駐留、進行工作和實驗的航天器。所以，想要預(yù)測人類長時間駐留在太空里的狀態(tài)及受到的影響，也只有在這里做測試和研究了。

此外，空間站還可以用于測試未來可能用于太空探索的各類技術(shù)、設(shè)備。例如，解決航天員如何喝水這個問題的環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)（ECLSS），可以將各種使用過的水甚至包括航天員的尿液收集起來，進行過濾、凈化，達到再次使用甚至飲用的狀態(tài)?？茖W(xué)家寄希望于這個系統(tǒng)將來可以用在火星的實驗基地之上。

空間站還能成為探索建造更大型飛船的實驗?zāi)Ｐ?。如若我們要飛向更遙遠的星辰，肯定需要建造更大的宇宙飛船?？臻g站如今“搭積木”式的建造方式，可以為建造更大、更合理的宇宙飛船提供經(jīng)驗。

人類如果想飛往更遙遠的深空，空間站必然是這趟旅途的前哨站。

為何要建我們自己的空間站

說起空間站，同學(xué)們最先想到的是國際空間站嗎？這是目前在軌運行的最大的空間平臺，是一個擁有現(xiàn)代化科研設(shè)備，可開展大規(guī)模、多學(xué)科基礎(chǔ)和應(yīng)用科學(xué)研究的空間實驗室。它重達400多噸，由美國、俄羅斯、加拿大、日本等16國聯(lián)合，歷時12年建造完成。

空間站作為長期在軌運行的“太空母港”，是人類歷史上規(guī)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(huán)境也可以充分用于開展各類科學(xué)技術(shù)研究，推動科學(xué)技術(shù)進步。因此，空間站工程將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，已經(jīng)成為衡量一個國家經(jīng)濟、科技實力和綜合國力的重要標(biāo)志，受到各航天大國的高度重視。然而，國際空間站的合作大門并未向中國敞開，因此我國走上了自主研制的道路。早在1992年，中國載人航天工程就提出了“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略：第一步是發(fā)射載人飛船，建成初步配套的試驗性載人飛船工程，開展空間應(yīng)用實驗;

第二步是突破航天員出艙活動技術(shù)、空間飛行器的交會對接技術(shù)，發(fā)射空間實驗室，解決有一定規(guī)模的、短期有人照料的空間應(yīng)用問題;第三步是建造空間站，解決有較大規(guī)模的、長期有人照料的空間應(yīng)用問題?！疤旌汀焙诵呐摰陌l(fā)射就屬于第三步。

中國空間站和國際空間站有何不同

國際空間站總質(zhì)量約為420噸，我國“天宮”空間站一期工程則是100噸級。雖然噸位確實有差距，但國際空間站是多國合力建設(shè)的，約420噸的規(guī)模中供航天員工作、生活、實驗的艙段只有180噸，其他幾乎都是重復(fù)建設(shè)的設(shè)施。在這180噸的艙段之中，真正用于科研實驗的艙段只有3個，分別是“命運號”實驗艙、“哥倫布號”實驗艙和“希望號”實驗艙，加起來并不大，也都沒超過20噸的規(guī)模。其中安裝的實驗機柜，美國、日本這一側(cè)有23個，俄羅斯有8個。反觀中國“天宮”空間站，一期建成之后就可以安裝23個機柜。國際空間站在軌規(guī)模是我國“天宮”空間站的4倍有余，然而機柜數(shù)量僅為“天宮”的1.3倍。我國“天宮”空間站用更小規(guī)模實現(xiàn)與國際空間站等量齊觀的科研能力，由此可見我國“天宮”空間站的空間利用率更高。

說起空間大小，就不得不說一說我國“天宮”空間站的“天和”核心艙打破的兩項世界紀(jì)錄。核心艙長度達16.6米，最大直徑為4.2米，發(fā)射質(zhì)量達22.5噸，是當(dāng)前體積最大、質(zhì)量最大的單模塊空間站艙段，供航天員工作、生活的空間約50立方米。未來加上兩個實驗艙后，整體能夠達到110立方米。其長度比5層樓房還要高，直徑比火車和地鐵的車廂還要寬不少。此外，核心艙的質(zhì)量相當(dāng)于3輛大客車的空重質(zhì)量，同樣也超過國際空間站的任何一個艙段。

“天和”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。為了讓航天員實現(xiàn)更久的在軌停留，我國“天宮”空間站設(shè)計了完整的可再生生命保障系統(tǒng)。航天員呼出的水蒸氣會通過冷凝水的方式回收，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(chǎn)生的氫氣與航天員呼出的二氧化碳，將通過化學(xué)反應(yīng)生成氧氣，這也能夠降低氧氣的補給需求。

此外，“天和”核心艙還負擔(dān)了航天員初期駐留以及科研所需的全部物質(zhì)條件，配置了工作區(qū)、睡眠區(qū)、衛(wèi)生區(qū)、就餐區(qū)、醫(yī)監(jiān)醫(yī)保區(qū)和鍛煉區(qū)6個區(qū)域。其中，就餐區(qū)配置了微波爐、冰箱、飲水機、折疊桌等設(shè)施;鍛煉區(qū)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的需求。而且，艙內(nèi)情景照明可由手機應(yīng)用軟件控制。

國際空間站上有幾節(jié)骨干艙段，例如負責(zé)儲存燃料的“曙光號”功能貨艙，負責(zé)生命保障、軌道控制和指導(dǎo)功能的“星辰號”服務(wù)艙，再加上連接其他艙段的“團結(jié)號”節(jié)點艙，質(zhì)量超過50噸。

與之相比，我國“天宮”空間站一個20噸級的“天和”核心艙就滿足了國際空間站上述三大艙段的功能需求。從外形來看，“天和”核心艙分為“大柱段”和“小柱段”兩部分;以功能分區(qū)，則分為資源艙、生活控制艙、節(jié)點艙三部分?！疤旌汀焙诵呐摰膬蓚?cè)還會建造兩個20噸級的大型實驗艙——“問天號”實驗艙I與“夢天號”實驗艙II，它們是“天宮”空間站23個科研機柜的主要布放場所。

“問天號”實驗艙I的主要任務(wù)是開展艙內(nèi)、艙外空間科學(xué)實驗和技術(shù)試驗，也是航天員的工作、生活場所和應(yīng)急避難場所，配備了航天員出艙活動專用的氣閘艙，支持航天員出艙活動，還配置了小型機械臂，可進行艙外載荷自動安裝操作。

“夢天號”實驗艙II具備和“問天號”實驗艙I類似的功能，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。在早期的設(shè)計方案中，“夢天號”實驗艙II還設(shè)置了一個大口徑的巡天望遠鏡，后來考慮到光學(xué)設(shè)施特殊的工作環(huán)境和鏡頭調(diào)整，在最終的設(shè)計方案中，把大口徑巡天望遠鏡設(shè)計成了與“天宮”空間站在同一軌道飛行的“巡天”光學(xué)艙，是一個單獨的艙室，既可以對接空間站，又可以獨立運行。

“巡天”光學(xué)艙也是20噸級的大型艙段，配置了2米口徑的離軸三反光學(xué)望遠鏡，具有強大的國際競爭力，可在宇宙加速膨脹、暗能量本質(zhì)、暗物質(zhì)屬性等領(lǐng)域展開觀測研究工作。

有了以上精巧的設(shè)計和完善的設(shè)施，我國“天宮”空間站將以曼妙的身姿在九天之上盡情舞動。

“天宮”未來可期

無論是為了之后更遙遠的深空探索，還是為了在火星軌道建立環(huán)火星軌道空間站，“天和”核心艙的成功發(fā)射，無疑是我們的太空夢實現(xiàn)的第一步，也是最關(guān)鍵的一步。

由于國際空間站已經(jīng)步入高齡，有科學(xué)家認為，到2024年，也許中國“天宮”空間站將成為世界上唯一的近地軌道空間站。到那時，中國“天宮”空間站將是世界各國進行太空研究的第一選擇。

中國“天宮”空間站已經(jīng)開始向聯(lián)合國所有成員國開放，這在人類航天史上還是第一次。當(dāng)前已有來自17個國家的9個科研項目成功入選“天宮”空間站首批合作清單，我國免費為這些科研項目提供上行運輸服務(wù)，以及在軌空間實驗場所。

而且，建造空間站并不是單一去進行科學(xué)實驗，還可以探索航天員長期處在太空環(huán)境下心理和生理上的變化，可以讓我們了解人體在太空飛行過程中出現(xiàn)的問題，為人類飛往更遙遠的太空、擁抱宇宙做準(zhǔn)備。