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        解密中國(guó)空間站(上)

        2021-12-13 09:47:26雷炳新趙天
        奧秘(創(chuàng)新大賽) 2021年11期
        關(guān)鍵詞:天舟天宮神舟

        ●雷炳新 文 趙天 編

        6月17日9時(shí)22分,搭載“神舟”十二號(hào)載人飛船的長(zhǎng)征二號(hào)F遙十二運(yùn)載火箭,在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火發(fā)射,順利將聶海勝、劉伯明、湯洪波3名航天員送入太空。六個(gè)半小時(shí)后,“神舟”十二號(hào)和“天和”艙成功對(duì)接,隨后3名運(yùn)動(dòng)員入住中國(guó)空間站,開啟了太空生活模式。這標(biāo)志著中國(guó)成為世界上繼蘇聯(lián)后第二個(gè)掌握建設(shè)空間站全套技術(shù)的國(guó)家,中國(guó)人終于可以在空間站上進(jìn)行科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)。這一刻,國(guó)人振奮,世界矚目。

        人類的空間站歷程,經(jīng)歷了蘇聯(lián)“和平”號(hào)——國(guó)際空間站——中國(guó)“天宮”號(hào)的不凡征程。

        空間站簡(jiǎn)史

        蘇聯(lián)“和平”號(hào)——第一個(gè)空間站

        人類并不滿足于在太空短暫旅游。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(zhǎng)期居住的太空旅行器——“和平”號(hào)空間站。該空間站于1976年初步建成,經(jīng)過長(zhǎng)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(hào)空間站,全長(zhǎng)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(hào)空間站按科學(xué)家設(shè)計(jì)墜落南太平洋。

        “和平”號(hào)空間站規(guī)模較大,但自動(dòng)化程度低。當(dāng)時(shí)的飛船與艙體對(duì)接全靠人工駕駛追趕控制,耗時(shí)長(zhǎng),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(guó)際空間站——最大的擁有現(xiàn)代設(shè)備的空間站

        國(guó)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(guó)、俄羅斯、歐洲、日本、加拿大和巴西六家航天局聯(lián)合建造運(yùn)營(yíng),是迄今為止規(guī)模最大、涉及國(guó)家最多、設(shè)備現(xiàn)代化的空間國(guó)際合作平臺(tái)??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。組建完整的國(guó)際空間站長(zhǎng)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(guó)、俄羅斯、歐洲航天局11個(gè)成員國(guó)(法國(guó)、德國(guó)、意大利、英國(guó)、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(guó)家聯(lián)合運(yùn)營(yíng)。

        國(guó)際空間站建成至今,先后有19個(gè)國(guó)家的230多名宇航員入駐太空生活、研究。空間站裝備了現(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(guó)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(guó)“天宮”號(hào)——搭載現(xiàn)代高科技的空間站

        中國(guó)空間站的建設(shè)構(gòu)想源于1992年。多年來,由于美國(guó)的制約、封鎖,國(guó)際空間站將中國(guó)科學(xué)家列入“黑名單”,禁止他們登上空間站進(jìn)行科學(xué)研究,從而導(dǎo)致我國(guó)對(duì)太空的觀測(cè)研究出現(xiàn)空白,遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于世界發(fā)達(dá)國(guó)家。在此嚴(yán)峻形勢(shì)下,我國(guó)科學(xué)家提出空間站工程的“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(hào)飛船成功將楊利偉送入太空,標(biāo)志著我國(guó)完成空間站工程的第一步;2011年9月,“天宮一號(hào)”成功飛天,標(biāo)志著我國(guó)空間站工程第二步的勝利完成。

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

        中國(guó)空間站長(zhǎng)什么樣?

        中國(guó)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?!叭摗卑ā疤旌汀焙诵呐撆c兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙“問天”和“夢(mèng)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?guó)“天宮”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(chǎng)所,全長(zhǎng)16.6米,艙內(nèi)活動(dòng)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(dòng)機(jī)和對(duì)接口的資源艙。我國(guó)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)展而形成的。

        “兵馬未動(dòng),糧草先行”。在三名航天員進(jìn)入太空之前,5月29日,“天舟”二號(hào)貨運(yùn)飛船飛上藍(lán)天與“天和”艙進(jìn)行了對(duì)接。“天舟”二號(hào)是我們空間站天地之間的“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(guó)航天員飛天,隨后與“天和”核心艙順利對(duì)接。

        至此,我國(guó)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(zhǎng)超過36米,重達(dá)45噸的大塊頭空間器。

        隨后,我國(guó)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(hào)和“夢(mèng)天”號(hào),它們將對(duì)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(guó)空間站。建成后的“天宮”空間站總長(zhǎng)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。

        五大部件個(gè)個(gè)彰顯高科技

        就拿“天舟”二號(hào)貨運(yùn)飛船來說,它的高科技體現(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(duì)的大哥大地位。另外,“天舟”二號(hào)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(hào)僅繞地球飛行4圈就可實(shí)施對(duì)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(duì)接“交貨”,就這一點(diǎn)來說,它的運(yùn)輸效率是傳統(tǒng)飛船的7倍還多。

        景海鵬在天宮二號(hào)

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

        更先進(jìn)的對(duì)接技術(shù)

        相比于傳統(tǒng)的天宇對(duì)接,中國(guó)空間站各部件之間的太空對(duì)接更加先進(jìn)。

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

        二是快速對(duì)接?!叭灾鳌睂?duì)接相比于人工參與對(duì)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(duì)接中產(chǎn)生的撞擊力,使原本8噸的對(duì)接能力能提升到74噸,乃至180噸,大大提升了大型航天器對(duì)接的可靠性和安全性。

        更智能的并網(wǎng)供電系統(tǒng)

        在中國(guó)空間站“三艙兩船”五大部件組合體模式下,“神舟”飛船會(huì)經(jīng)歷最長(zhǎng)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(dòng)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(dòng)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(guó)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(guó)航天員“太空醫(yī)院”的專配高科技產(chǎn)品:生理信號(hào)測(cè)試盒和心電記錄裝置。

        生理信號(hào)測(cè)試盒用于航天員的心電、呼吸、體溫等信號(hào)的全程檢測(cè)、調(diào)理和向地面?zhèn)鬏?;心電記錄裝置則用于心電信號(hào)的實(shí)時(shí)記錄,可以測(cè)試航天員的心理狀況。如果檢測(cè)到航天員的心理狀況不是很好,“太空醫(yī)院”就會(huì)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(duì)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,太空自行車、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。

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