◆本刊綜合

策劃人語(yǔ)：

“空間站”這一概念首次出現(xiàn)在1895年的一部科幻小說(shuō)中。從1971年，第一代空間站“禮炮1號(hào)”發(fā)射升空，到國(guó)際空間站的投入使用，再到中國(guó)空間站的陸續(xù)建成，人們想象中的太空正在一代又一代航天人的探索中變得真實(shí)。回顧空間站百年歷程，我們?cè)诟袊@人類智慧與勇氣的同時(shí)，對(duì)未來(lái)的太空事業(yè)更是充滿期待。

空間站又稱航天站、太空站、軌道站，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)時(shí)間工作和生活的載人航天器。它既是理想的科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，又是各國(guó)軍事、航天發(fā)展的重中之重；既是人類深空探索的中間站，又是未來(lái)發(fā)展星際殖民地的大本營(yíng)。

空間站的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)是衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)、科技和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志，中國(guó)空間站將為人類開(kāi)展深空探索儲(chǔ)備技術(shù)、積累經(jīng)驗(yàn)，也是我國(guó)為探索宇宙奧秘、和平利用太空、推動(dòng)構(gòu)建人類命運(yùn)共同體作出的積極貢獻(xiàn)。未來(lái)，中華民族探索浩瀚星空、未知宇宙的腳步必將愈加穩(wěn)健。

本期，讓我們走近人類探索星辰大海的第一站——空間站。

圖/圖蟲創(chuàng)意

——方郁芝 秦銀銀

“新秀”：中國(guó)空間站

中國(guó)空間站由核心艙、實(shí)驗(yàn)艙I、實(shí)驗(yàn)艙II、貨運(yùn)飛船和載人飛船五個(gè)模塊組成。各飛行器既具備獨(dú)立的飛行能力，又能與核心艙組合成多種形態(tài)的空間組合體，統(tǒng)一在核心艙的調(diào)度下協(xié)同工作，完成空間站承載的各項(xiàng)任務(wù)。

“三室兩廳”——入住空間足

中國(guó)空間站整體呈T字構(gòu)型，核心艙居中，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙分別連接于兩側(cè)。如同一套三室兩廳帶儲(chǔ)藏間的“豪宅”，其中“三室”指“天和”核心艙、“問(wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙和“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙，“兩廳”則是指天舟貨運(yùn)飛船和神舟載人飛船。

圖1 中國(guó)空間站在軌運(yùn)行效果圖 （圖/新華社）

“天和”核心艙

圖2 中國(guó)空間站核心艙結(jié)構(gòu)、尺寸示意圖 （圖/新華社）

核心艙是空間站的主控艙段，由節(jié)

點(diǎn)艙、小柱段、大柱段三部分組成，主要控制空間站的飛行姿態(tài)、動(dòng)力性、載人環(huán)境。

節(jié)點(diǎn)艙是空間站的聯(lián)系樞紐，兩個(gè)對(duì)接口可對(duì)接停靠載人飛船，兩個(gè)停泊口可用來(lái)停靠實(shí)驗(yàn)艙。小柱段是航天員的睡眠區(qū)和衛(wèi)生區(qū)，大柱段是航天員工作和實(shí)驗(yàn)的區(qū)域。

核心艙的“主動(dòng)溫控流體回路”可保證空氣溫度、濕度和儀器設(shè)備工作溫度在適宜范圍內(nèi)，確保駐留人員的安全性和舒適性。“再生式生命保障系統(tǒng)”可實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)氧氣的再生、二氧化碳等人體代謝產(chǎn)物處理、有害氣體凈化以及水資源的循環(huán)利用，保障航天員能在軌長(zhǎng)期駐留，減少氧氣、水等消耗品的攜帶。

實(shí)驗(yàn)艙

實(shí)驗(yàn)艙具備核心艙部分關(guān)鍵平臺(tái)功能，在關(guān)鍵時(shí)刻可執(zhí)行對(duì)空間站的整體管理和控制。

“問(wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙I主要開(kāi)展艙內(nèi)和艙外空間科學(xué)與技術(shù)試驗(yàn)，是航天員在軌的主要工作場(chǎng)所。配置有艙內(nèi)載荷試驗(yàn)機(jī)柜和艙外載荷安裝平臺(tái)，提供信息、供電和散熱等支持和保障措施，可開(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)域的試驗(yàn)。

“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙II除具備實(shí)驗(yàn)艙I類似的功能外，還配置貨物專用氣閘艙，在航天員和機(jī)械臂的輔助下支持貨物、載荷自動(dòng)進(jìn)出艙。

貨運(yùn)飛船

由天舟貨運(yùn)飛船和長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭組成，采用模塊化設(shè)計(jì)，具有全密封貨艙、半開(kāi)放貨艙、全開(kāi)放貨艙三種構(gòu)型，是空間站的地面后勤保障系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)對(duì)空間站消耗的推進(jìn)劑進(jìn)行補(bǔ)給，運(yùn)送空間站維修和更換設(shè)備、航天員工作和生活用品、空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和用品等。

圖3 天舟四號(hào)貨運(yùn)飛船與空間站組合體完成自主快速交會(huì)對(duì)接示意圖 （圖/新華社 郭中正 攝）

載人飛船

由“神舟”載人飛船和長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭組成，用于搭載航天員和部分物資往返空間站?！吧裰邸陛d人飛船專為我國(guó)近地空間站運(yùn)營(yíng)和后續(xù)載人月球探測(cè)等任務(wù)研制，在空間站?？科陂g也作為救生船，用于航天員應(yīng)急救生和返回。

五花八門——科學(xué)研究范圍廣

養(yǎng)魚、種菜，打造太空中最精準(zhǔn)的時(shí)鐘，研制獨(dú)特的新型材料，尋找新的物理規(guī)律，探索人類如何在太空長(zhǎng)期生存，……一大批前沿科學(xué)實(shí)驗(yàn)將陸續(xù)在中國(guó)空間站開(kāi)展。

中國(guó)空間站在空間生命科學(xué)與人體研究、微重力物理科學(xué)、空間天文與地球科學(xué)、空間新技術(shù)與應(yīng)用等領(lǐng)域進(jìn)行了長(zhǎng)期、系統(tǒng)的規(guī)劃，研制了一大批科學(xué)研究設(shè)施，支持在軌開(kāi)展的千余項(xiàng)研究項(xiàng)目。

空間生命科學(xué)與人體研究要深入探究空間環(huán)境各因素對(duì)生命體細(xì)胞、組織、器官等各層次的影響與作用機(jī)理。認(rèn)知生命體太空生長(zhǎng)發(fā)育與繁衍規(guī)律及人類在太空長(zhǎng)期生存面臨的健康保障問(wèn)題，并利用空間特殊環(huán)境發(fā)展創(chuàng)新的藥物和醫(yī)療技術(shù)。

微重力物理科學(xué)主要研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)規(guī)律，建立空間高精度時(shí)間頻率系統(tǒng)，進(jìn)行廣義相對(duì)論高精度檢驗(yàn)等研究。開(kāi)展極端條件下超冷原子物理、低溫量子相變等前沿實(shí)驗(yàn)，以及基礎(chǔ)燃燒特性與機(jī)理、新材料空間制備等研究及應(yīng)用。

在空間天文與地球科學(xué)領(lǐng)域，將利用“巡天”光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、高能宇宙輻射探測(cè)器等設(shè)施，開(kāi)展長(zhǎng)期深入的天文觀測(cè)，研究暗物質(zhì)與暗能量、宇宙線起源、宇宙形成與早期演化等重大問(wèn)題。發(fā)展對(duì)地觀測(cè)新技術(shù)，著眼全球氣候變化對(duì)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的影響。

圖4 科研人員交流空間站科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜的研制情況 （圖/中國(guó)科學(xué)院）

空間新技術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域要發(fā)展在軌制造、空間機(jī)器人與自主系統(tǒng)、空間信息及精密測(cè)量等空間新技術(shù)，提升人類探索、開(kāi)發(fā)與利用太空的能力。

目前，“天和”核心艙已安裝了無(wú)容器材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜和高微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，開(kāi)展了多項(xiàng)測(cè)試試驗(yàn)。

“問(wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙將開(kāi)展植物、動(dòng)物、微生物細(xì)胞等十多項(xiàng)生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)，包括一個(gè)由小魚、微生物、水藻組成的密閉生態(tài)系統(tǒng)?！皦?mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙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，該原子鐘組將成為太空中最精準(zhǔn)的時(shí)間頻率系統(tǒng)，數(shù)億年誤差小于1秒?？臻g高精度冷原子鐘技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)更高精度的衛(wèi)星定位導(dǎo)航，可用于暗物質(zhì)、引力波探測(cè)等基礎(chǔ)物理研究。

此外，北京懷柔科學(xué)城建設(shè)的地面實(shí)驗(yàn)基地可提供與空間站環(huán)境類似的實(shí)驗(yàn)條件，為空間站項(xiàng)目開(kāi)展地面驗(yàn)證，支持開(kāi)展天地比對(duì)試驗(yàn)。

中國(guó)空間站以開(kāi)放的態(tài)度開(kāi)展國(guó)際合作。目前，來(lái)自瑞士、德國(guó)、意大利、日本等17個(gè)國(guó)家的9個(gè)項(xiàng)目首批入選中國(guó)空間站科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

自主建造——全部國(guó)產(chǎn)化

中國(guó)空間站在太陽(yáng)能電池技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等空間站建造相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，都立足目前我國(guó)發(fā)展能力和水平。綜合這些能力實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的性能，既符合我國(guó)國(guó)情，又能與世界先進(jìn)水平比肩。

空間站艙體對(duì)接采用積木式布局，有利于節(jié)省空間，多接口模式可實(shí)現(xiàn)空間的擴(kuò)展。此外，中國(guó)空間站首次應(yīng)用到空間站的再生生保技術(shù)，其配備的冷凝管冷凝干燥組件可收集水汽，凈化后可直接飲用。空間站還建立了物資管理系統(tǒng)，空間上的各種設(shè)備以及食品上的專屬二維碼，就是它們的“身份證”。

空間站的太陽(yáng)能電池效率高，核心艙兩部大型太陽(yáng)能柔性電池翼應(yīng)用了三結(jié)砷化鎵電池，其轉(zhuǎn)化率可達(dá)30%，兩部電池翼加上核心艙電池翼發(fā)電功率可達(dá)100千瓦以上。

此外，中國(guó)空間站已完全實(shí)現(xiàn)自主建造，產(chǎn)品、部組件、原材料已全部國(guó)產(chǎn)化，關(guān)鍵核心元器件100%自主可控，通過(guò)自動(dòng)化、模塊化的手段開(kāi)展工作。

“元老”：國(guó)際空間站

國(guó)際空間站是人類有史以來(lái)建造的規(guī)模最大的近地軌道空間平臺(tái)，它主要由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、俄羅斯聯(lián)邦航天局、歐洲航天局、日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)、加拿大空間局共同運(yùn)營(yíng)。

圖5 中國(guó)空間站與國(guó)際空間站同框過(guò)境 （圖/新華社 朱 進(jìn) 攝）

圖6 美國(guó)國(guó)家宇航局公布的國(guó)際空間站的資料照片（圖/NASA）

結(jié)構(gòu)建造——多國(guó)合作

國(guó)際空間站由各種模塊和組件拼接而成，并將其他服務(wù)設(shè)施掛靠在桁架上，形成桁架掛艙式結(jié)構(gòu)，主要由兩大部分立體交叉組合而成。

一部分是以俄羅斯的多功能艙為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)接艙段及節(jié)點(diǎn)艙與俄羅斯服務(wù)艙、實(shí)驗(yàn)艙、生命保障艙、美國(guó)實(shí)驗(yàn)艙、日本實(shí)驗(yàn)艙、歐洲航天局的“哥倫布”軌道設(shè)施等對(duì)接，形成空間站的核心部分。

圖7 國(guó)際空間站上的穹頂艙（圖/NASA）

另一部分是在美國(guó)的桁架結(jié)構(gòu)上安裝加拿大的遙操作機(jī)械臂服務(wù)系統(tǒng)和空間站艙外設(shè)備，在桁架的兩端安裝四對(duì)太陽(yáng)能電池帆板。

這兩大部分垂直交叉構(gòu)成“龍骨架”，不僅加強(qiáng)了空間站的剛度，還有利于各分系統(tǒng)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、儀器工作性能的正常發(fā)揮，有利于宇航員進(jìn)行出艙裝配與維修等工作。

國(guó)際空間站的各種部件由合作各國(guó)研制。由俄羅斯研制的多功能艙具有推進(jìn)、導(dǎo)航、通信、發(fā)電、防熱、貯存燃料和對(duì)接等多種功能，在國(guó)際空間站初期裝配過(guò)程中提供電力、軌道高度控制及計(jì)算機(jī)指令，并在其運(yùn)行期間提供軌道機(jī)動(dòng)能力和推進(jìn)劑的貯存。

服務(wù)艙作為國(guó)際空間站組裝期間的控制中心，用于對(duì)國(guó)際空間站的姿態(tài)控制和再推進(jìn)，包括衛(wèi)生間、睡袋、冰箱等生存保障設(shè)施和一對(duì)太陽(yáng)能電池板，可向俄羅斯提供的部件供電。

圖8 俄羅斯宇航員實(shí)施國(guó)際空間站第250次出艙活動(dòng)，設(shè)置啟用新的歐洲機(jī)械臂（圖/NASA）

實(shí)驗(yàn)艙是國(guó)際空間站進(jìn)行科學(xué)研究的主要場(chǎng)所，包括美國(guó)的實(shí)驗(yàn)艙和離心機(jī)艙、俄羅斯的研究艙、歐洲航天局的“哥倫布”軌道設(shè)施和日本實(shí)驗(yàn)艙。艙內(nèi)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器大部分都置于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜內(nèi)，以便維護(hù)和更換。

由加拿大研制的遙操作機(jī)械臂可用于空間站的裝配與維修、軌道器的對(duì)接與分離、有效載荷操作以及協(xié)助出艙活動(dòng)等，在國(guó)際空間站的裝配和維護(hù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

近期開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)

空間站為人類提供了一個(gè)長(zhǎng)期在軌進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)和天文觀測(cè)的機(jī)會(huì)，尤其是在了解宇宙天體位置、分布、運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)、物理狀態(tài)、化學(xué)組成及其演變規(guī)律等方面。同時(shí)，開(kāi)展太空實(shí)驗(yàn)也是推動(dòng)人類科技進(jìn)步的催化劑。

人工視網(wǎng)膜制造

一項(xiàng)基于蛋白質(zhì)的人工視網(wǎng)膜制造研究，對(duì)使用細(xì)菌視紫紅質(zhì)的光激活蛋白質(zhì)的人工視網(wǎng)膜的制造過(guò)程進(jìn)行了評(píng)估。細(xì)菌視紫紅質(zhì)可以替代眼睛中受損感光細(xì)胞的功能，通過(guò)一層層涂加薄膜來(lái)制造植入物。微重力環(huán)境下可以較好地限制粒子的聚集和沉降，從而提高形成薄膜的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

水培與氣培

XROOTS實(shí)驗(yàn)是在沒(méi)有土壤或其他傳統(tǒng)生長(zhǎng)介質(zhì)的情況下在空間站種植植物。研究人員計(jì)劃使用視頻和靜止圖像來(lái)評(píng)估植物在整個(gè)生命周期中的生長(zhǎng)情況。

水培和氣培技術(shù)可為太空探索提供更大的農(nóng)作物生產(chǎn)規(guī)模，為這項(xiàng)調(diào)查開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)組件還可增強(qiáng)某些陸地環(huán)境中的植物種植，比如溫室環(huán)境，為人類提供更好的糧食安全。

醫(yī)療監(jiān)測(cè)

圖9 宇航員謝爾·林德格倫在第44次遠(yuǎn)征期間品嘗了從前任務(wù)中收獲的萵苣 (圖/NASA)

rHEALTH演示測(cè)試設(shè)備采用流式細(xì)胞儀，通過(guò)激光對(duì)細(xì)胞進(jìn)行分類和識(shí)別的方法，分析細(xì)胞計(jì)數(shù)和細(xì)胞特征，檢測(cè)微生物、生物標(biāo)志物和蛋白質(zhì)，并診斷相關(guān)疾病。

該演示驗(yàn)證了適當(dāng)?shù)挠布部梢栽诳臻g環(huán)境中運(yùn)行，并對(duì)準(zhǔn)確性進(jìn)行了評(píng)估。這項(xiàng)技術(shù)還可為地球上無(wú)法獲得醫(yī)療保健基礎(chǔ)設(shè)施的患者，提供及時(shí)、可靠和方便的診斷測(cè)試。

瀕臨“退休”——何去何從

國(guó)際空間站的使用年限為10～15年。隨著空間站服役時(shí)間的增加，航天器除了自身硬件老化的因素外，各國(guó)航天活動(dòng)頻繁帶來(lái)大量的太空垃圾也對(duì)國(guó)際空間站構(gòu)成了潛在威脅。當(dāng)國(guó)際空間站的安全性降低，尤其是當(dāng)環(huán)控生保系統(tǒng)無(wú)法正常工作，難以保障宇航員在太空的生活和工作時(shí)，國(guó)際空間站將不得不退役。

按照NASA規(guī)劃的最新時(shí)間表，國(guó)際空間站或?qū)⒂?031年1月脫離軌道，最終墜入太平洋無(wú)人區(qū)。

延伸閱讀

可多長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人值守

空間站在距離地面約400千米的軌道運(yùn)行，面臨空間輻射、失重和溫度劇烈變化等環(huán)境帶來(lái)的挑戰(zhàn)。我國(guó)空間站目前正處在調(diào)試階段，有一系列空間站的技術(shù)需要實(shí)驗(yàn)，空間站無(wú)人值守的時(shí)間一般以不超過(guò)2個(gè)月為宜。

如何實(shí)現(xiàn)水、氧的供給

空間站通過(guò)冷凝干燥組件收集航天員呼出的水汽，通過(guò)凈化裝置將其轉(zhuǎn)為可供飲用的再生水，還能將收集的尿液處理為可飲用水。

空間站電解制氧系統(tǒng)可以利用無(wú)水氫氧化鋰凈化二氧化碳，并使富集的二氧化碳與電解水產(chǎn)生的氫氣反應(yīng)生成氧氣。