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        天宮二號(hào)月圓飛天

        2016-10-31 19:39:31顏士州
        大眾科學(xué) 2016年10期
        關(guān)鍵詞:天宮推進(jìn)劑宇航員

        顏士州

        2016年9月15日,中秋月圓夜,“天宮”飛天時(shí)。

        這天夜里,一次次掌聲在北京航天飛行控制中心響起。在這個(gè)曾伴嫦娥升空、送神舟飛天的中國(guó)航天飛行控制的“神經(jīng)中樞”,現(xiàn)場(chǎng)的人們用陣陣掌聲標(biāo)記出人類航天探索的又一個(gè)“中國(guó)時(shí)刻”——天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室成功發(fā)射升空,中國(guó)向著自己的空間站邁進(jìn)了一大步,人類航天探索史又添上了濃墨重彩的一筆。

        何為空間站?

        關(guān)于空間站,這幾年公眾印象最深的恐怕就是電影《地心引力》了。NASA的美女航天員從國(guó)際空間站跑到中國(guó)的“天宮”空間站后乘坐神舟飛船返回的劇情,讓這部電影在中國(guó)賺足了票房。

        空間站是一種在近地軌道長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,可供多名航天員巡訪、長(zhǎng)期工作和生活的載人航天器??臻g站的概念最早可追溯到1896年,然而直到1971年前蘇聯(lián)的“禮炮一號(hào)”發(fā)射升空,人類才有了第一個(gè)真正意義上的空間站。

        隨后,美國(guó)的天空實(shí)驗(yàn)室空間站、前蘇聯(lián)的“和平”號(hào)空間站以及至今還閃耀在夜空的國(guó)際空間站相繼建成,空間站經(jīng)歷從單艙室到多艙室,獨(dú)立發(fā)射到國(guó)際合作的演化,成為人類空間實(shí)驗(yàn)的主要力量。

        一般來(lái)講,完整的空間站應(yīng)有10個(gè)結(jié)構(gòu):主體結(jié)構(gòu)、電源供應(yīng)系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、姿勢(shì)控制系統(tǒng)、軌道操作和推進(jìn)系統(tǒng)、自動(dòng)化控制機(jī)械系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng)、環(huán)境與生命支持系統(tǒng)、乘員生活設(shè)施和貨物運(yùn)輸系統(tǒng)。

        那么,天宮二號(hào)是這樣的空間站嗎?答案是否定的。

        空間站的前身

        我國(guó)之前發(fā)射的天宮一號(hào),是中國(guó)的第一個(gè)“目標(biāo)飛行器”,其主要目標(biāo)是交會(huì)對(duì)接實(shí)驗(yàn),雖然其他各個(gè)系統(tǒng)都有涉及,但并不完善,很多功能都是由神舟飛船提供的。

        天宮二號(hào)則是我國(guó)載人航天工程“三步走”第二步第二階段的首發(fā)飛行器,是第一艘真正意義上的空間實(shí)驗(yàn)室,它將與“神舟十一號(hào)”載人飛船和“天舟一號(hào)”貨運(yùn)飛船交會(huì)對(duì)接,共同開(kāi)展航天員中期駐留任務(wù)、在軌維修技術(shù)試驗(yàn)任務(wù)、推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加任務(wù)以及一系列空間應(yīng)用科學(xué)實(shí)驗(yàn)、航天醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)、空間站技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)等任務(wù),為第三步建造空間站提前開(kāi)展相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證。

        簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),空間實(shí)驗(yàn)室更像是空間站的前身,是為發(fā)展空間站,從載人飛船過(guò)渡到載人航天基礎(chǔ)設(shè)施的試驗(yàn)性航天器。

        天宮二號(hào)的靚麗身姿

        天宮二號(hào)全長(zhǎng)10.4米,最大直徑3.35米,太陽(yáng)翼展寬約18.4米,重8.6噸,設(shè)計(jì)在軌壽命2年。艙內(nèi)宇航員活動(dòng)的范圍約為16到18立方米,按6立方米即可滿足住一人居住的人機(jī)功效看,天宮二號(hào)上可以住兩位航天員。

        和天宮一號(hào)相仿,天宮二號(hào)仍是以資源艙和實(shí)驗(yàn)艙組成的兩艙結(jié)構(gòu),資源艙主要功能是為天宮二號(hào)在太空飛行提供能源和動(dòng)力。實(shí)驗(yàn)艙主要功能是為航天員在太空生活提供潔凈、溫度和濕度適宜的載人環(huán)境和活動(dòng)空間。

        與天宮一號(hào)不同的是,天宮二號(hào)此次任務(wù)將不止?jié)M足于飛船交會(huì)對(duì)接實(shí)驗(yàn),而是搭載了十余個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)設(shè)備均以模塊化設(shè)計(jì),可以在軌進(jìn)行更換,使天宮二號(hào)具有了空間站的雛形。

        天宮二號(hào)裝備更強(qiáng)大、裝載量高、內(nèi)部環(huán)境好。它里面的機(jī)械臂是我國(guó)自主研究的機(jī)器人,長(zhǎng)10米,可以搬運(yùn)貨物、在軌組裝,幫助航天員干活。它既可自主爬行,還可做局部精細(xì)化操作。

        也許你會(huì)認(rèn)為自主爬行不足一談,但你想想看,太空里大的東西特別大,細(xì)小的東西形同針尖,因此如何進(jìn)行精細(xì)化操作并不是一件容易的事。

        為了方便航天員的太空生活,天宮二號(hào)在內(nèi)部進(jìn)行了精心設(shè)計(jì):有專門供宇航員工作的實(shí)驗(yàn)室,為航天員配備的筆記本電腦,工作室的溫度保持恒溫;有專門的廚房,宇航員可將事先準(zhǔn)備好的飯菜儲(chǔ)存在冰箱里,餓了只要拿出來(lái)熱一熱就可以吃了,當(dāng)然考慮到個(gè)人口味,還特制了一些太空食品;在通信上為航天員配備了藍(lán)牙耳機(jī),可和地面保持聯(lián)系,也可收看電視節(jié)目,用網(wǎng)絡(luò)電視與家人交流;臥室里的環(huán)境更加舒適,鋪設(shè)了地板,艙內(nèi)燈光可調(diào)節(jié)亮度,床前都配備了床頭燈,可以躺在床上玩手機(jī)聽(tīng)音樂(lè);娛樂(lè)室里面配備了單車、踏步器等健身器材,供宇航員鍛煉身體;在衛(wèi)生方面,特制了毛巾和抽水馬桶,且氣壓低于艙內(nèi),這樣氣味不易擴(kuò)散,還可以廢物處理。

        雖然天宮二號(hào)屬于空間實(shí)驗(yàn)室,還不屬于空間站,但它將在太空中駐留30天,這么長(zhǎng)時(shí)間在空間生活,既是對(duì)航天員自身體能的考驗(yàn),也是對(duì)我國(guó)載人航天技術(shù)的挑戰(zhàn)。這次實(shí)驗(yàn)的目的,就是研究怎樣長(zhǎng)時(shí)間提供適合宇航員生活的環(huán)境及包括水在內(nèi)的物資供給,這些都要在“天宮二號(hào)”上得到驗(yàn)證。

        太空中的科學(xué)實(shí)驗(yàn)

        天宮二號(hào)將在太空進(jìn)行14項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn),其中,重點(diǎn)進(jìn)行空間冷原子鐘實(shí)驗(yàn)、伽瑪暴偏振探測(cè)、空地量子密鑰分配試驗(yàn)。

        天宮二號(hào)可以載人,具備太空補(bǔ)加功能,宇航員要停留其中并補(bǔ)加推進(jìn)劑。而對(duì)于推進(jìn)劑補(bǔ)加,其難度如同高空飛行中的飛機(jī)在空中加油一樣,并不像常人想象的那么簡(jiǎn)單。

        天宮二號(hào)作為中國(guó)首個(gè)空間站的雛形,要想使它在太空停留的時(shí)間長(zhǎng)久,就得補(bǔ)充推進(jìn)劑,而航天器在運(yùn)行期間,推進(jìn)劑也在慢慢消耗。那么,航天器的推進(jìn)劑消耗完了怎么辦?這就需要“太空加油”——給它補(bǔ)加推進(jìn)劑。

        說(shuō)起給航天器“太空加油”,花費(fèi)了科學(xué)家的大量精力,補(bǔ)加推進(jìn)劑要讓空間壓縮機(jī)壓縮燃料,而在壓縮的同時(shí)燃料也會(huì)流失。最終,科學(xué)家想出了解決方法:在液路浮動(dòng)斷接器上增加安裝接口,加快資源艙里的燃料流動(dòng)。

        天宮二號(hào)的核心是計(jì)算機(jī)系統(tǒng),它能保證所有的分支系統(tǒng)有序地運(yùn)行,儀表控制器是一種高性能計(jì)算機(jī),用于跟其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,同時(shí)控制著系統(tǒng)的溫度,相當(dāng)于一個(gè)大“空調(diào)器”,一旦艙內(nèi)溫度過(guò)高或者過(guò)低,它都會(huì)及時(shí)調(diào)節(jié),使設(shè)備正常運(yùn)行。

        或許你還記得天宮一號(hào)授課的情景,系統(tǒng)中的圖像從萬(wàn)里之遙能看到清楚,此次天宮二號(hào)安裝的攝像機(jī)采用高保真編碼話音設(shè)備和雙向圖像解碼器,能讓我們?cè)陔娨暉赡簧峡吹帽壬洗胃宄?,聲音?tīng)得更仔細(xì),地面上的人可以跟宇航員對(duì)話。天宮二號(hào)和神舟十一號(hào)分別裝上空空無(wú)線設(shè)備,USB應(yīng)答機(jī)分分秒秒監(jiān)測(cè)它們的方向、距離和速度,能及時(shí)將信息返回地面。

        天宮二號(hào)給我們帶來(lái)哪些影響

        首先在“太空計(jì)時(shí)”上有所突破,使得計(jì)量精度提高。

        我們生活中最精準(zhǔn)的鐘表,每年大約有一分鐘的誤差;原子鐘的精度,可達(dá)每2000萬(wàn)年誤差一秒;而天宮二號(hào)上將攜帶國(guó)際首臺(tái)空間運(yùn)行的最高精度超冷原子鐘,誤差可縮小到2億年一秒,它將被用于空間系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn),為深空探測(cè)、廣義相對(duì)論驗(yàn)證等重要領(lǐng)域作出貢獻(xiàn)。同時(shí),它還可用于城市與城市之間的距離、出行地點(diǎn)以及里程等的精確距離測(cè)算,使導(dǎo)航定位做到百分百準(zhǔn)確無(wú)誤。

        隨著網(wǎng)絡(luò)信息的普及,隱私安全也引發(fā)廣泛關(guān)注,天宮二號(hào)可以通過(guò)遙感加密,生成“公開(kāi)密鑰”密碼系統(tǒng)——通過(guò)天上發(fā)射一個(gè)個(gè)單光子并在地面接收,生成“天機(jī)不可泄露”的量子密鑰,因而信息非常安全。

        天宮二號(hào)里天極望遠(yuǎn)鏡可用來(lái)探測(cè)研究宇宙中的射線,實(shí)現(xiàn)高精度、系統(tǒng)性地觀測(cè)恒星演化、黑洞形成,為研究其他星球以及宇宙中的爆發(fā)現(xiàn)象做更深一步的監(jiān)測(cè)。

        未來(lái)的中國(guó)空間站

        我國(guó)計(jì)劃于2020年前后建成自己的空間站“天宮”。天宮采用與和平號(hào)類似的積木式結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)壽命十年以上,常駐人員3名,6個(gè)月輪換一次。那時(shí),中國(guó)將真正跨入空間站俱樂(lè)部,成為繼美俄之后第三個(gè)可以獨(dú)立發(fā)射空間站的國(guó)家。

        空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)將在2017年上半年全部完成,隨后進(jìn)入空間站建設(shè)階段。中國(guó)將建成一個(gè)“比國(guó)際空間站運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性更好、信息化程度更高的空間站”,第一步是在2018年前后發(fā)射空間站核心艙。

        未來(lái)中國(guó)空間站額定設(shè)計(jì)容納3名航天員,輪換期間最多達(dá)到6名航天員。這意味著,到那時(shí),中國(guó)載人航天飛行將成為常態(tài)。(編輯/夏冬)

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