理論前沿:天宮空間站——太空閃耀中國智慧

發布時間:2021-09-30 11:01:59    點擊數:

9月17日,神舟十二號載人飛船返回艙在東風著陸場成功著陸,執行飛行任務的3名航天員順利出艙。此前,他們在空間站組合體工作生活了90天。今年4月29日,中國空間站首個航天器——天和核心艙從海南文昌發射場發射入軌。核心艙的成功發射,標志著我國正式拉開空間站建造的大幕,中國載人航天進入“空間站時代”。

天和核心艙發射任務成功,習近平總書記在賀電中指出,建造空間站、建成國家太空實驗室,是實現我國載人航天工程“三步走”戰略的重要目標,是建設科技強國、航天強國的重要引領性工程。

開啟中國載人航天“空間站時代”

中國空間站名為“天宮”,是一個長期在近地軌道運行的空間實驗室。這個極具中國韻味的名字,不僅蘊含了希望航天員在太空工作生活得更為舒適的愿望,更寄寓著中國人遨游太空的浪漫情懷和不懈探索的精神。

“天宮”由天和核心艙、問天實驗艙、夢天實驗艙三艙組成,提供三個對接口,支持載人飛船、貨運飛船及其他來訪航天器的對接和?。它運行在高度340公里至450公里的近圓軌道,約每90分鐘繞地球一周。在客觀條件允許的情況下,人們在地球上可以通過觀測設備一睹其“芳容”。三艙組合體質量約68.5噸,額定乘員3人,乘員輪換期間短期可達6人。組建完成后,空間站設計壽命為在軌運行不小于10年,具有通過維護維修延長使用壽命的能力,并具備一定擴展能力。

中國空間站建造分為三個階段:空間站關鍵技術驗證階段、組裝建造階段和運營階段。在關鍵技術驗證階段,發射試驗核心艙、載人飛船和貨運飛船,對推進劑補加、機械臂、在軌組裝建造、航天員出艙活動等關鍵技術進行飛行驗證和評估,對核心艙功能和長期駐留功能進行考核。在組裝建造階段,分別發射問天實驗艙和夢天實驗艙,并與核心艙在軌交會對接,完成空間站建造。其間發射神舟載人飛船和貨運飛船,支持完成建造任務,同步開展科學技術實驗。建造任務完成后,空間站進入長期運營階段。航天員乘組將分批進駐空間站工作,開展科學技術研究和探索活動。

突破關鍵技術,中國航天實現長足進步

1992年9月21日,中央正式批準實施載人航天工程,確立了“三步走”發展戰略。在“第一步”載人飛船階段和“第二步”空間實驗室階段,我國先后突破了載人安全天地往返、交會對接、出艙活動、組合體控制、推進劑補加等空間站建造和運營所需關鍵技術,為我國載人航天“第三步”——建造長期在軌飛行的載人空間站,打下了堅實的技術基礎。

我國空間站自2010年立項,提出“獨立自主、創新引領、體系保障、規模適度、留有發展空間”的符合我國空間站發展的研制模式,通過2年多論證,確定了三艙段基本構型方案。核心艙居中,兩個實驗艙永久停泊于核心艙節點艙的兩側,載人飛船對接于核心艙的前向和徑向,貨運飛船對接于核心艙的后向。

天和核心艙是空間站運營管理和控制中心,可完成與實驗艙、載人飛船、貨運飛船等航天器的交會對接和?,保障航天員長期駐留和開展出艙活動。問天實驗艙備份核心艙部分關鍵功能,在核心艙出現問題時,接替核心艙完成對空間站的運行管理和控制,相當于核心艙的“替補”;此外,它還配備出艙活動專用氣閘艙,可開展密封艙內及艙外載荷實驗。夢天實驗艙用于開展密封艙內和艙外載荷試驗,配置貨物氣閘艙用于釋放載荷、支持設備進出艙。

“天宮”三艙均由長征五號B運載火箭發射入軌,每個艙段均具備獨立飛行能力,通過在軌交會對接與轉位完成空間站在軌組裝建造?臻g站構型為“T”字構型,三艙類似積木對接在一起,這種構型避免了艙體遮擋太陽翼影響其發電效率?臻g站建成后,由載人飛船完成乘組的天地往返運輸,貨運飛船完成物資補給、實驗儀器的上行和廢棄物的下行銷毀。

此外,中國空間站還具備一系列其他先進技術。

在環境控制和生命保障方面采用物化再生生保技術。包括電解制氧、再生式二氧化碳去除、冷凝水收集與處理、尿液收集與處理等,實現資源再生利用,大幅減少水資源和氧氣的上行補給量,減輕貨運飛船的運輸“負擔”,達到國際先進水平。

采用先進信息技術構建空間站信息系統;诰W絡技術,進行空間站各艙段及來訪航天器的信息管理與共享,實現對各艙段和航天器信息的融合管理與功能重構?臻g站配置無線移動通信網絡和視頻監視系統,提高了航天員工作生活的通信保障和對整站狀態的感知能力。在“天宮”里,航天員使用“手機”便可以了解各設備信息并進行操控,甚至與地面上的家人們通話。這樣的智能化場景,與人們熟悉的智能家居有異曲同工之妙。

航天員駐留適居性大幅提高?臻g站所提供的工作生活區域約50立方米,配置有飲水就餐、排泄物和生活垃圾收集處理、醫學檢查與監測、在軌鍛煉等設施,采用降噪與隔音設計以降低艙內噪音,為航天員提供舒適、便利的生活環境,采用更可靠、自動化程度高的顯示、照明、報警和天地通信設施。這些設施和空間的拓展,體現出中國航天技術的長足進步。

另外,空間站支持2名航天員同時出艙,配置大型和小型機械臂各1個。借助這些設施,神舟十二號航天員乘組順利完成兩次出艙任務。

建設科技強國、航天強國的重要引領性工程

今后,天宮空間站將為我國乃至全球科學家提供先進的空間科學技術研究和實驗平臺,為人類和平利用太空作出開拓性貢獻。

天宮空間站可作為“太空母港”,為多個載人航天器提供?亢头⻊,為后續發射的巡天空間望遠鏡提供?、推進劑補給、設備維護維修服務,充分發揮人在太空的優勢,拓展空間站和航天員對高價值空間設施實施在軌服務的領域。

另外,利用機械臂操作能力,以及配置三維打印等手段,支持在軌制造、大型設備在軌安裝和空間設施在軌建造。

天宮空間站具有艙段擴展、能源擴展、艙外實驗擴展能力。艙段擴展時,需要發射一個帶有節點艙的新艙段,利用增加的對接口,再進行艙段擴展,最大可實現180噸級組合體在軌飛行。組合體建造期間,首先將受遮擋的核心艙太陽電池翼,轉移安裝在問天實驗艙和夢天實驗艙的尾部桁架上,實現能源的拓展,按需“變形”。天宮空間站的擴展能力為運營階段空間科學和技術的新需求預留了發展空間,也為開展國際合作,進一步提高空間站應用效益提供舞臺。

空間站可作為基礎科學、應用科學和空間技術研究和驗證平臺。比如開展微重力和復雜空間環境下的物理、化學、生物、醫學等學科研究與實驗,以及空間能源傳輸、大數據在航天器運營與自主診斷等航天新技術的研究,提升我國科技水平,促進我國航天事業發展模式的轉變和創新。

除此之外,還可以利用空間站開展航天科普教育和對外合作。比如開通天地科普課堂,讓中小學生參與到空間站的應用與研究活動,增強青少年科技參與度,提高公眾航天知識和興趣。亦或開展空間碎片監測、減緩和防護,長期在軌駐留醫學防護等技術合作,擴大我國在國際航天領域的影響力。

廣大航天工作者將繼續傳承發揚“兩彈一星”精神、載人航天精神,自立自強、創新超越,為中國航天事業接續奮斗。

(作者為中國科學院院士、中國航天科技集團有限公司科技委主任)


來源:人民日報、科普中國

編輯:胡曉瑩

審核:張亞東




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