龍學(xué)鋒

2021年4月29日，中國(guó)空間站天和核心艙從文昌航天發(fā)射場(chǎng)啟程，由長(zhǎng)征五號(hào)B遙二運(yùn)載火箭成功送入地球軌道，這意味著中國(guó)空間站建造進(jìn)入實(shí)質(zhì)性“施工”階段。2022年6月5日，神舟十四號(hào)載人飛船發(fā)射成功，約7小時(shí)后成功對(duì)接天和核心艙。2022年7月、10月，我國(guó)陸續(xù)發(fā)射“問(wèn)天”和“夢(mèng)天”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙，與天和核心艙對(duì)接，進(jìn)行艙段轉(zhuǎn)位，并在2022年底前完成空間站三艙組合體建造，最終完成空間站在軌建造，建成國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室。中國(guó)空間站為何選擇三艙結(jié)構(gòu)？太空實(shí)驗(yàn)室什么樣？太空實(shí)驗(yàn)室將進(jìn)行哪些研究？

中國(guó)空間站為什么選擇三艙結(jié)構(gòu)

“三艙”主要包括天和核心艙及問(wèn)天、夢(mèng)天兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙。核心艙作為空間站的主控艙段，既是空間站的管理和控制中心，也是航天員生活的主要場(chǎng)所。為什么要建兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室呢？在太空中開(kāi)展的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，大多數(shù)是在密封的條件下進(jìn)行的，但也有一些需要在暴露條件下進(jìn)行，如對(duì)空間環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)等。因此，一個(gè)實(shí)驗(yàn)艙顯然無(wú)法滿足相關(guān)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求。在問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙和夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙先后就位，并與天和核心艙形成組合體后，中國(guó)空間站的功能將會(huì)變得愈發(fā)完善、強(qiáng)大。

問(wèn)天、夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙與天和核心艙“三艙合體”后，將呈T字形結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)門(mén)字形具有結(jié)構(gòu)緊湊、便于管理、便于控制和便于擴(kuò)大規(guī)模的特點(diǎn)。設(shè)想一下，如果“三艙合體”采用一字“長(zhǎng)蛇陣”的形式，從一端到另一端，長(zhǎng)度接近50米，不僅結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，而且航天員出艙活動(dòng)也很不方便。此外，T字形結(jié)構(gòu)對(duì)于從整體上控制空間站的平衡也有好處。如果將來(lái)要擴(kuò)大空間站的規(guī)模，從預(yù)留的對(duì)接口加一個(gè)艙段也很方便。

太空實(shí)驗(yàn)室什么樣

天和核心艙全長(zhǎng)約16.6米，最大直徑約4.2米，發(fā)射質(zhì)量為22.5噸。核心艙帶有一個(gè)大型機(jī)械臂，其前方較為細(xì)長(zhǎng)的部分是節(jié)點(diǎn)艙，尾部可以連接貨運(yùn)飛船，節(jié)點(diǎn)艙的前部有一個(gè)轉(zhuǎn)位基座，可以連接載人飛船、兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙，還有一個(gè)對(duì)天方向的出艙口，用于航天員出艙活動(dòng)。作為空間站的主控艙段，天和核心艙是管理和控制中心，它要負(fù)責(zé)整個(gè)空間站的電源電路、環(huán)境控制、生命保障功能，包括氣體壓力、成分、溫度、濕度的調(diào)節(jié)，水的回收管理，微生物控制和廢棄物管理等，以滿足航天員長(zhǎng)期在太空飛行的生活需求。

問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的最大直徑和天和核心艙一樣，都是4.2米，全長(zhǎng)17.9米，豎起來(lái)將近有6層樓高，超過(guò)天和核心艙及國(guó)際空間站上的任何一個(gè)艙段。它主要用于備份天和核心艙的部分平臺(tái)功能，存放航天員的消耗品、空間站備品備件和補(bǔ)給貨物等。問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙配置了與核心艙一樣的航天員生活設(shè)施，這里包括3個(gè)睡眠區(qū)、1個(gè)衛(wèi)生區(qū)和廚房等設(shè)施，可以保障航天員生活所需。它還可以與核心艙一起支持兩艘載人飛船輪換期間6名航天員的生活。另外，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙還配置了一個(gè)小型機(jī)械臂，既可以單獨(dú)使用，也可以跟核心艙的大機(jī)械臂組合使用，共同完成航天員的出艙、艙外設(shè)施照料、巡檢等任務(wù)。問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙還配置了航天員出艙氣閘艙，在空間站建成以后，這個(gè)氣閘艙將作為航天員主用出艙活動(dòng)的氣閘艙。這時(shí)候，核心艙的節(jié)點(diǎn)艙只是作為備份。問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙還是核心艙備份艙，當(dāng)核心艙平臺(tái)的功能出現(xiàn)故障時(shí)，可以切換至問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙行使對(duì)于組合體的控制和管理功能，這樣可以從整體上提高空間站的可靠性。

夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙的尺寸與問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的尺寸不相上下，其最大的不同之處在于配備了一個(gè)貨物專(zhuān)用氣閘艙。這個(gè)氣閘艙能夠在航天員和機(jī)械臂的配合下，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)進(jìn)出艙，并且更傾向于服務(wù)貨物往來(lái)。夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙不僅配置了一個(gè)貨物專(zhuān)用氣閘艙，而且配備有一個(gè)艙外展開(kāi)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。今后需要在艙外安裝的科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，可以通過(guò)貨運(yùn)飛船運(yùn)送到空間站，再通過(guò)貨物氣閘艙把載荷送到艙外，由機(jī)械臂或者航天員把它安裝到艙外的平臺(tái)上，這樣可以實(shí)現(xiàn)艙外實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不斷更新。

太空實(shí)驗(yàn)室將做哪些科學(xué)研究

空間站建造完成后，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙將是在軌航天員主要的工作場(chǎng)所。在這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙里都可以開(kāi)展密封艙內(nèi)和密封艙外的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)與技術(shù)試驗(yàn)。因?yàn)樗鼈兌寂渲昧伺搩?nèi)載荷實(shí)驗(yàn)機(jī)柜以及艙外載荷安裝平臺(tái)，也能提供信息、供電和散熱等支持與保障措施，可以開(kāi)展空間科學(xué)、空間材料、空間醫(yī)學(xué)以及空間探測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)。

問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙主要面向空間生命科學(xué)研究，配置了生命生態(tài)、生物技術(shù)和變重力科學(xué)等實(shí)驗(yàn)柜，能夠支持開(kāi)展多種類(lèi)植物、動(dòng)物、微生物等在空間條件下的生長(zhǎng)、發(fā)育、遺傳、衰老等響應(yīng)機(jī)理研究以及密閉生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，并通過(guò)可見(jiàn)光、熒光、顯微成像等多種在線檢測(cè)手段，支持分子、細(xì)胞、組織、器官等多層次生物實(shí)驗(yàn)研究，還能提供0.01～2g的變重力模擬，支持開(kāi)展不同重力條件下生物體生長(zhǎng)機(jī)理的對(duì)比研究。

夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙主要面向微重力科學(xué)研究，配置了流體物理、材料科學(xué)、燃燒科學(xué)、基礎(chǔ)物理以及航天技術(shù)試驗(yàn)等多學(xué)科方向的實(shí)驗(yàn)柜，支持開(kāi)展重力掩蓋下的多相流與相變傳熱、基礎(chǔ)燃燒過(guò)程、材料凝固機(jī)理等物質(zhì)本質(zhì)規(guī)律研究以及超冷原子物理等前沿實(shí)驗(yàn)研究。同時(shí)，在天宮二號(hào)空間冷原子鐘的基礎(chǔ)上，將建立世界上第一套由氫鐘、銣鐘、光鐘組成的空間冷原子鐘組，構(gòu)成在太空中頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度最高的時(shí)間頻率系統(tǒng)，開(kāi)展引力紅移、精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)測(cè)量等前沿科學(xué)研究。此外，還在艙外安排了材料艙外暴露實(shí)驗(yàn)裝置和元器件與組件艙外通用實(shí)驗(yàn)裝置，用于開(kāi)展艙外實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。后續(xù)還將發(fā)射與空間站共軌飛行的巡天空間望遠(yuǎn)鏡研究設(shè)施，開(kāi)展廣域巡天觀測(cè)。針對(duì)上述艙內(nèi)科學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜、艙外實(shí)驗(yàn)裝置和巡天空間望遠(yuǎn)鏡，在空間站建造階段，共安排了近百項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究項(xiàng)目。后續(xù)轉(zhuǎn)入常態(tài)化運(yùn)營(yíng)后，還將實(shí)施較大規(guī)?？茖W(xué)研究，預(yù)期將有力推動(dòng)暗物質(zhì)與暗能量、星系形成演化、物質(zhì)本質(zhì)規(guī)律、生命現(xiàn)象本質(zhì)和人在太空的響應(yīng)變化規(guī)律以及地球可持續(xù)發(fā)展等重大前沿科學(xué)問(wèn)題的突破，為未來(lái)我國(guó)開(kāi)展近地以遠(yuǎn)的載人空間探索提供深厚的科學(xué)和技術(shù)積累。

中國(guó)空間站有哪些新技術(shù)

亮點(diǎn)一：7個(gè)自由度大型空間機(jī)械臂

機(jī)械臂是空間站的一大創(chuàng)新，除了能夠輔助航天員出艙執(zhí)行任務(wù)之外，還能夠幫助重量級(jí)艙段實(shí)行對(duì)接和轉(zhuǎn)位，比如中國(guó)空間站上重量只有幾百千克的機(jī)械艙能夠舉起重達(dá)25噸的艙段，簡(jiǎn)直不可思議。雖然美國(guó)、日本等國(guó)家在國(guó)際空間站上也都擁有自己的機(jī)械臂，但中國(guó)空間站機(jī)械臂的設(shè)計(jì)理念更為先進(jìn)。最突出的地方就是中國(guó)空間站的機(jī)械臂有7個(gè)自由度，包括肩部3個(gè)自由度、腕部3個(gè)自由度和肘部1個(gè)自由度，全部伸長(zhǎng)可達(dá)10米，這種特殊的組成結(jié)構(gòu)使機(jī)械臂擁有了3個(gè)方位移動(dòng)方式，能像人類(lèi)手腕一樣靈活地運(yùn)動(dòng)。此外，中國(guó)空間站的機(jī)械臂可以在多個(gè)自由度內(nèi)進(jìn)行爬行，能在一定程度上減少對(duì)機(jī)械臂長(zhǎng)度的依賴(lài)性—就算機(jī)械臂長(zhǎng)度有限，也能在轉(zhuǎn)位的情況下充分發(fā)揮作用。

亮點(diǎn)二：再生式生命保障系統(tǒng)

我們知道，航天員在空間站的中生活成本很高，為了降低成本，同時(shí)也為保證航天員能在空間站內(nèi)長(zhǎng)期駐留，中國(guó)空間站在設(shè)計(jì)之初，就為其量身打造了一套再生式生命保障系統(tǒng)。不管是航天員呼出的水蒸氣，還是排出的尿液，都可以通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行回收，并最終又變成航天員的生活用水或飲用水。另外，在太空失重環(huán)境下，這個(gè)系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)水資源的再生，還能為其稱(chēng)重，測(cè)出物體的質(zhì)量。在生活控制區(qū)內(nèi)有一臺(tái)經(jīng)過(guò)改良的“太空體重秤”，航天員不僅可以測(cè)出自己在空間站中的體重變化，也可以測(cè)量其他物體的質(zhì)量。中國(guó)是繼俄羅斯、美國(guó)之后第三個(gè)掌握在太空中測(cè)出物體質(zhì)量的國(guó)家。

亮點(diǎn)三：馬力十足+天眼神望

中國(guó)空間站首次采用了LHT-100型霍爾電推發(fā)動(dòng)機(jī)，其使用效率比化學(xué)能發(fā)動(dòng)機(jī)高出幾倍。它最大的優(yōu)點(diǎn)是只需耗費(fèi)極少的燃料，就能達(dá)到巨大的推動(dòng)效果，這種新型的推動(dòng)方式必定在未來(lái)的太空中成為主流。另外，中國(guó)空間站的太陽(yáng)能帆板面積雖然沒(méi)有國(guó)際空間站那么龐大，但其對(duì)太陽(yáng)能的利用率是國(guó)際空間站的兩倍。我國(guó)的太陽(yáng)能柔性電池翼采用了更為先進(jìn)的砷化鎵材料，轉(zhuǎn)化率可達(dá)到30%，發(fā)電功率可以達(dá)到100千瓦以上，而國(guó)際空間站對(duì)太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化率只能達(dá)到15%，發(fā)電功率為90千瓦左右。再者，中國(guó)空間站建成之后，我國(guó)還將發(fā)射一艘巡天號(hào)光學(xué)艙，搭載一架巡天望遠(yuǎn)鏡前往太空。屆時(shí)，這個(gè)光學(xué)艙將會(huì)圍繞中國(guó)空間站飛行，它被稱(chēng)為中國(guó)空間站的首顆伴飛衛(wèi)星。其所搭載的巡天望遠(yuǎn)鏡的口徑為兩米，重達(dá)10多噸，其分辨率和美國(guó)最先進(jìn)的WFIRST望遠(yuǎn)鏡相差無(wú)幾，而視場(chǎng)要比哈勃望遠(yuǎn)鏡高300倍以上，也就是說(shuō)，到時(shí)我們可以觀測(cè)到更大范圍的宇宙，可以對(duì)宇宙中的黑洞、白洞、行星演變等現(xiàn)象進(jìn)行更加深入的研究。