中國(guó)空間站“問(wèn)”與“答”

文/ 楊詩(shī)瑞

2021年最令人矚目的中國(guó)航天大事件莫過(guò)于天宮空間站建設(shè)。1992年中國(guó)載人航天工程立項(xiàng)伊始，我國(guó)確立了“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略，第一步發(fā)射載人飛船，建成初步配套的試驗(yàn)性載人飛船工程，開(kāi)展空間應(yīng)用實(shí)驗(yàn)；第二步突破航天員出艙活動(dòng)技術(shù)、空間飛行器的交會(huì)對(duì)接技術(shù)，發(fā)射空間實(shí)驗(yàn)室，解決有一定規(guī)模的、短期有人照料的空間應(yīng)用問(wèn)題；第三步建造空間站，解決有較大規(guī)模的、長(zhǎng)期有人照料的空間應(yīng)用問(wèn)題。

隨著4月29日“天和號(hào)”核心艙的發(fā)射，中國(guó)空間站建設(shè)正式拉開(kāi)帷幕。未來(lái)的中國(guó)空間站將會(huì)是什么樣子，發(fā)揮什么作用？讓我們通過(guò)幾個(gè)大家關(guān)心的問(wèn)題一起來(lái)了解下吧。

▲ 天和核心艙效果圖

問(wèn)：空間站什么時(shí)候建成？建成后是什么樣子？

答：我國(guó)首先在今年上半年發(fā)射空間站核心艙“天和號(hào)”，2年內(nèi)依次發(fā)射“問(wèn)天號(hào)”實(shí)驗(yàn)艙和“夢(mèng)天號(hào)”實(shí)驗(yàn)艙，同時(shí)陸續(xù)發(fā)射神舟載人飛船和天舟貨運(yùn)飛船，將物資和航天員送上太空。2年總計(jì)完成11次飛行任務(wù)，預(yù)計(jì)2022年前后完成天宮空間站建設(shè)并開(kāi)始運(yùn)營(yíng)。

核心艙和兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射后，實(shí)驗(yàn)艙依次對(duì)接于核心艙節(jié)點(diǎn)艙的軸向端口，然后通過(guò)艙段轉(zhuǎn)位操作，轉(zhuǎn)移到節(jié)點(diǎn)艙的左右兩側(cè)，與節(jié)點(diǎn)艙剛性連接，構(gòu)成T字形的三艙基本構(gòu)型。貨運(yùn)飛船以及載人飛船分別對(duì)接在核心艙前后兩端。這是天宮空間站的基本構(gòu)型，可以容納2～3名航天員長(zhǎng)期駐留工作。

在基本構(gòu)型基礎(chǔ)上，“天宮”為未來(lái)空間科學(xué)和技術(shù)的新需求預(yù)留發(fā)展空間，可以根據(jù)需求繼續(xù)擴(kuò)展艙段、擴(kuò)展能源和擴(kuò)展艙外實(shí)驗(yàn)室。通過(guò)發(fā)射帶有節(jié)點(diǎn)艙的新艙段，二期擴(kuò)展型天宮空間站對(duì)接口數(shù)量將增加到4個(gè)，能夠同時(shí)對(duì)接三艘神舟載人飛船與一艘天舟貨運(yùn)飛船，空間站額定載員人數(shù)增至6人，輪換期間最大載員人數(shù)可達(dá)9人。

▲ “天舟一號(hào)”在廠房 高劍攝

問(wèn)：空間站由哪些部分組成？各有什么功能？

答：天宮空間站由天和號(hào)核心艙、問(wèn)天號(hào)實(shí)驗(yàn)艙、夢(mèng)天號(hào)實(shí)驗(yàn)艙、神舟載人飛船和天舟貨運(yùn)飛船組成。

▲ 長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭 宿東攝

天和號(hào)核心艙是空間站的管理和控制中心，以及航天員的居住生活區(qū)，負(fù)責(zé)空間站的統(tǒng)一管理和控制，配置機(jī)械臂，用于實(shí)驗(yàn)艙、載人飛船、貨運(yùn)飛船等飛行器與其交會(huì)對(duì)接和停靠，接納航天員長(zhǎng)期訪問(wèn)和物資補(bǔ)給。核心艙配備霍爾電推力器，用于調(diào)整軌道高度，這是人類(lèi)首次將電推動(dòng)力用于載人航天器。

核心艙單艙飛行期間，它的功用是節(jié)點(diǎn)艙兼作氣閘艙，作為航天員進(jìn)入太空的出口。在與“問(wèn)天號(hào)”對(duì)接后，航天員將使用問(wèn)天號(hào)專(zhuān)用氣閘艙，核心艙節(jié)點(diǎn)艙作為備份。

“問(wèn)天號(hào)”是控制與實(shí)驗(yàn)應(yīng)用艙，備份核心艙部分關(guān)鍵平臺(tái)功能，并用于開(kāi)展密封艙內(nèi)及艙外載荷實(shí)驗(yàn)，配置了小型機(jī)械臂，用于操作艙外載荷?！皦?mèng)天號(hào)”是專(zhuān)用應(yīng)用艙，用于開(kāi)展密封艙內(nèi)和艙外載荷實(shí)驗(yàn)，配置貨物氣閘艙，用于載荷和設(shè)備進(jìn)出空間站。

神舟載人飛船用于航天員運(yùn)送和應(yīng)急返回。天舟號(hào)貨運(yùn)飛船承擔(dān)空間站補(bǔ)給以及廢物排除等任務(wù)。

我國(guó)正在研制“巡天號(hào)光學(xué)艙”，將在2024年發(fā)射。它是一個(gè)重達(dá)十幾噸的大型巡天望遠(yuǎn)鏡，將與天宮空間站共軌飛行。光學(xué)艙配置有2米口徑離軸三反望遠(yuǎn)鏡，覆蓋紫外-近紅外波段，分辨率媲美哈勃望遠(yuǎn)鏡，視場(chǎng)超過(guò)“哈勃”300倍，在軌期間可以對(duì)40%以上的天區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，將促進(jìn)對(duì)宇宙起源、宜居行星等問(wèn)題的探索，幫助人類(lèi)獲取新的發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)。

問(wèn)：哪些火箭將參與空間站任務(wù)？

答：長(zhǎng)征五號(hào)B、長(zhǎng)征二號(hào)F和長(zhǎng)征七號(hào)三型運(yùn)載火箭將共同參與到空間站建設(shè)與載人航天任務(wù)中。

“長(zhǎng)征五號(hào)B”將在海南文昌發(fā)射場(chǎng)執(zhí)行空間站核心艙和實(shí)驗(yàn)艙的發(fā)射任務(wù)。它是專(zhuān)門(mén)為載人航天工程打造的一款全新構(gòu)型火箭，代表了我國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)的最高水平，是空間站建設(shè)的骨干力量。

“長(zhǎng)征二號(hào)F”將在酒泉發(fā)射中心執(zhí)行載人飛船發(fā)射任務(wù)?！伴L(zhǎng)二F”有著“神箭”的美譽(yù)，它見(jiàn)證了載人航天工程的每一步，在過(guò)去20年間以13次完美飛行、100%發(fā)射成功率，將5艘無(wú)人飛船、6艘載人飛船、2個(gè)空間實(shí)驗(yàn)室送入太空，是我國(guó)可靠性和安全性最好的運(yùn)載火箭。

“長(zhǎng)征七號(hào)”將在文昌發(fā)射中心執(zhí)行貨運(yùn)飛船發(fā)射任務(wù)?！伴L(zhǎng)征七號(hào)”將為空間站運(yùn)輸各類(lèi)物資，其中既包括航天員的生活物資，如飲用水、太空食品、艙外航天服等；也包括空間站運(yùn)行維護(hù)所需物資，比如太陽(yáng)能電池翼、設(shè)備備件等；還可以向空間站實(shí)施推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加，為空間站補(bǔ)充推進(jìn)劑，是空間站的“貨運(yùn)專(zhuān)列”。

空間站建設(shè)非常復(fù)雜，包括多次交會(huì)對(duì)接任務(wù)，要求火箭必須完成“零窗口”發(fā)射，在預(yù)先計(jì)算好的時(shí)間內(nèi)、分秒不差地將火箭點(diǎn)火升空?！伴L(zhǎng)五B”、“長(zhǎng)二F”和“長(zhǎng)七”火箭強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，共同構(gòu)筑起我國(guó)載人航天的廣闊舞臺(tái)。

問(wèn)：天宮空間站的性能如何？

答：天宮空間站運(yùn)行在軌道傾角42°～43°、340～450千米高度的近圓軌道。三艙組合體質(zhì)量約66噸，其中載荷設(shè)備質(zhì)量超過(guò)10噸，額定乘員3人，在輪換期可保障6名航天員工作生活。設(shè)計(jì)壽命不小于10年，具有通過(guò)維護(hù)維修延長(zhǎng)使用壽命的能力，并具備一定擴(kuò)展能力。

“天宮”雖然比國(guó)際空間站的規(guī)模小很多，但天宮空間站采用了諸多新技術(shù)、新工藝、新材料，很多關(guān)鍵能力指標(biāo)并不遜色，有的還要超出?！疤鞂m”的載荷重量占比17.7%，高于國(guó)際空間站的7.9%；柔性太陽(yáng)能電池帆板和先進(jìn)砷化鎵電池技術(shù)提供了100千瓦供電功率，超過(guò)國(guó)際空間站的90千瓦。天宮空間站可對(duì)載人飛船、貨運(yùn)飛船和光學(xué)艙供電輸出，對(duì)外供電功率占比高達(dá)63%，自身用電僅占37%，高過(guò)國(guó)際空間站。

“天宮”為科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備提供萬(wàn)兆級(jí)艙段間網(wǎng)絡(luò)傳輸，下行速率每秒1.2千兆比特，能夠以較小的規(guī)模實(shí)現(xiàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)支持能力的最大化；采用先進(jìn)信息技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)艙段間、航天器間系統(tǒng)重構(gòu)，大幅提升空間站在軌的可靠性和安全性；采用智能控制技術(shù)，設(shè)計(jì)自主健康管理系統(tǒng)，降低了航天員空間站維護(hù)和地面運(yùn)控的負(fù)擔(dān)；采用物化再生生保技術(shù)，較好地實(shí)現(xiàn)資源再生利用，大幅降低貨運(yùn)保障需求和運(yùn)營(yíng)成本。

▲ “長(zhǎng)七”轉(zhuǎn)運(yùn) 宿東攝

“天宮”還具有“太空母港”飛行模式，巡天望遠(yuǎn)鏡與空間站共軌飛行，在需要補(bǔ)給、維護(hù)和維修時(shí)，可直接對(duì)接到空間站，方便航天員維修。未來(lái)我國(guó)還將研制多種用途航天器與空間站共軌飛行，形成獨(dú)具特色的在軌編隊(duì)飛行模式，將引領(lǐng)空間在軌服務(wù)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向。

總而言之，“天宮”將在控制、信息、物資補(bǔ)給、運(yùn)營(yíng)、應(yīng)用效益等多個(gè)方面達(dá)到當(dāng)代國(guó)際先進(jìn)水平并有所超越，而且在建造和運(yùn)營(yíng)上更為經(jīng)濟(jì)合理。

問(wèn)：天宮空間站的實(shí)驗(yàn)條件怎么樣？

答：空間站非常重要的一項(xiàng)工作是開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)?！疤鞂m”本身提供了微重力實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可以通過(guò)天地往返將實(shí)驗(yàn)樣品帶回地面。

“天宮”規(guī)劃了23個(gè)密封艙內(nèi)的空間實(shí)驗(yàn)柜，同時(shí)艙外暴露實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、艙外機(jī)械臂、專(zhuān)用貨物氣閘艙、航天員出艙行走氣閘艙等設(shè)施一應(yīng)俱全，支持在軌實(shí)施空間天文、空間生命科學(xué)與生物技術(shù)、微重力基礎(chǔ)物理、空間材料科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)研究與應(yīng)用項(xiàng)目。

▲ 中國(guó)空間站核心艙

▲ 砷化鎵柔性太陽(yáng)能電池帆板

在基礎(chǔ)物理方面，“天宮”配備有超冷原子實(shí)驗(yàn)柜，用于研究溫度接近絕對(duì)零度的超冷原子氣體物理規(guī)律；配備了由3個(gè)鐘組成的原子鐘組，30億年的誤差小于1秒，可以為導(dǎo)航系統(tǒng)等提供基準(zhǔn)頻率和時(shí)間信息。

另一方面，“天宮”艙外配備有標(biāo)準(zhǔn)載荷的適配器，還提供大型載荷掛點(diǎn)，在艙外可以進(jìn)行天文觀測(cè)、地球觀測(cè)，空間物理等方面的研究。根據(jù)任務(wù)需要，航天員會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行升級(jí)或者更換，從而支持更多領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)。

2019年以來(lái)，我國(guó)面向國(guó)內(nèi)征集空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)項(xiàng)目活動(dòng)，同時(shí)面向聯(lián)合國(guó)所有成員國(guó)開(kāi)放空間站實(shí)驗(yàn)環(huán)境。當(dāng)前已有來(lái)自17個(gè)國(guó)家的9個(gè)科研項(xiàng)目成功入選首批合作清單，除了共享空間實(shí)驗(yàn)室，我國(guó)還將免費(fèi)提供合作項(xiàng)目的運(yùn)輸服務(wù)。

問(wèn)：空間站中航天員都是從哪里選拔？

答：天宮空間站常駐3名航天員在空間站中生活，最長(zhǎng)可達(dá)一年。

我國(guó)已經(jīng)選拔出第三批航天員。不同于前兩批航天員參與空間站建造任務(wù)，都是從飛行員中選取，這一批航天員主要是為空間站運(yùn)營(yíng)階段的飛行而準(zhǔn)備，包括了航天駕駛員、航天飛行工程師和載荷專(zhuān)家3個(gè)類(lèi)別。

其中，航天駕駛員和航天飛行工程師負(fù)責(zé)直接操縱、管理航天器，以及開(kāi)展相關(guān)技術(shù)試驗(yàn)，載荷專(zhuān)家主要負(fù)責(zé)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷的在軌操作。航天駕駛員在空軍現(xiàn)役飛行員中選拔，航天飛行工程師在從事航空航天工程及相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)的工程技術(shù)人員中選拔，載荷專(zhuān)家在載人航天工程空間科學(xué)研究及應(yīng)用領(lǐng)域的科研人員中選拔。

目前，第三批航天員共有18人，包括7名航天駕駛員、7名航天飛行工程師和4名載荷專(zhuān)家，其中還有1名女航天員。他們?cè)诮?jīng)過(guò)3到4年的周期性訓(xùn)練后，將參加空間站運(yùn)營(yíng)階段各次飛行任務(wù)。

隨著我國(guó)載人航天事業(yè)不斷發(fā)展，后續(xù)還將開(kāi)展預(yù)備航天員選拔工作。未來(lái)將有更多人參與到建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)、接續(xù)飛天夢(mèng)想的征程。

問(wèn)：空間站為航天員提供了哪些生活和工作保障？

答：空間站配置了3名乘員長(zhǎng)期生活設(shè)施，并為輪換期中6名航天員提供臨時(shí)生活設(shè)施，包括飲水就餐、個(gè)人衛(wèi)生、排泄物和生活垃圾收集處理等，航天員自由活動(dòng)空間約110立方米。

為了保障航天員在太空中生存，“天宮”的再生生命保障系統(tǒng)包括電解制氧、再生式二氧化碳去除、微量有害氣體吸收、冷凝水收集與處理、尿液收集與處理等設(shè)備。統(tǒng)一由核心艙進(jìn)行密封艙氣體成分、壓力、溫濕度控制，以及水回收管理、微生物控制和廢棄物管理。配置一定數(shù)量非再生生保物品，供應(yīng)急情況下保障維修時(shí)使用。

為了提供良好的生活和工作環(huán)境，“天宮”艙內(nèi)維護(hù)著與地球相同的氧氮混合氣體和壓力體制，采用降噪與隔音設(shè)計(jì)降低艙內(nèi)噪音，并為航天員提供便利、可靠、自動(dòng)化程度高的顯示、照明、報(bào)警和操作設(shè)施，配置各種工具、限位裝置和天地交互手段，保障航天員高效工作，完成維護(hù)維修、物資轉(zhuǎn)移、艙外操作和科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)等操作任務(wù)。

“天宮”可支持2名航天員同時(shí)出艙活動(dòng)。核心艙配置的大型機(jī)械臂和實(shí)驗(yàn)艙配置的小型機(jī)械臂可以獨(dú)立或協(xié)同工作，完成艙段捕獲和轉(zhuǎn)移、航天員輔助轉(zhuǎn)移、設(shè)備維修、載荷操作和艙外狀態(tài)監(jiān)視等任務(wù)。在航天員、艙外航天服以及貨運(yùn)飛船支持下，空間站可具備大型空間設(shè)施的操作能力，完成復(fù)雜的艙外建造任務(wù)。

▲ 中國(guó)航天員在“神七”飛行任務(wù)中出艙

▲ 天宮空間站科研機(jī)柜

空間站在科學(xué)研究和經(jīng)濟(jì)建設(shè)方面都有重大價(jià)值。它將用于天文觀測(cè)、地球資源勘測(cè)、醫(yī)學(xué)和生物學(xué)研究、新工藝開(kāi)發(fā)、大地測(cè)量和技術(shù)試驗(yàn)等。空間站還可以作為人類(lèi)造訪火星等其他行星的跳板，并試驗(yàn)載人行星際探索技術(shù)。

“天宮”建成后，將為我國(guó)和全球的科學(xué)家提供先進(jìn)的空間科學(xué)技術(shù)研究和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，支持開(kāi)展大量科學(xué)實(shí)驗(yàn)，大幅提升我國(guó)空間科學(xué)領(lǐng)域的研究水平，并為人類(lèi)走出地球、進(jìn)入太空做出技術(shù)積累。