中国的空间站什么样？

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余建斌 余晓洁 共同发表于  昨天14:45


　　


　　未来的中国空间站。点击链接查看空间站360全景CG及中国空间站CG动画。图片来源：@POCKN


　　在距离地球400公里的太空中，国际空间站内的两名宇航员使用空间站的机械臂抓住了逐渐接近的“龙”飞船，最终使其“停泊”在空间站上。“龙”飞船是一艘美国货运飞船，4月上旬这一趟太空行程，是为国际空间站补充物资，运来科学实验材料。此时，与国际空间站对接的，除了两艘美国飞船，还有俄罗斯的两艘载人飞船和两艘货运飞船。


　　类似场景，未来也将出现在中国的空间站。随着在轨工作1630天的天宫一号目标飞行器超期服役后完成使命，今年到明年，中国将实施载人航天工程空间实验室任务。“天宫”由目标飞行器的角色“进化”到空间实验室，标志着中国的“太空家园”——空间站建设拉开大幕。距离2020年前后建成中国自己的空间站的目标已越来越近。


　　从上世纪90年代启动的中国载人航天工程，确定了“三步走”的发展战略，已实现第一步——发射无人和载人飞船，以及第二步第一阶段——航天员出舱、飞船与空间舱交会对接。目前，载人航天工程进入第二步第二阶段——短期有人照料的空间实验室建设。


　　中国载人航天工程新闻发言人不久前表示，今年年中至明年上半年，载人航天工程空间实验室任务就将实施。据这位发言人介绍，空间实验室任务是我国载人航天“三步走”发展战略的重要组成部分，标志着我国载人航天进入应用发展新阶段，承前启后，意义重大。


　　按计划，今年第三季度将择机发射天宫二号空间实验室，第四季度发射神舟十一号飞船，并搭乘2名男航天员。神舟十一号飞船与天宫二号对接后，航天员将在太空驻留30天，是天宫一号时的两倍，其间将进行较大规模的空间科学和应用试验。明年上半年，在完成与神舟十一号飞船的交会对接和空间科学实验后，天宫二号还将与货运飞船进行对接，验证货物运输和推进剂在轨补加等资源补给技术。


　　为了此次空间实验室任务，研制了天宫二号空间实验室、神舟十一号载人飞船和中国第一艘货运飞船——天舟一号。发射空间实验室和飞船用的是两枚以往的长征二号F运载火箭，而发射货运飞船的则是新研制的长征七号运载火箭。


　　值得一提的是，长征七号作为全新研制的运载火箭，是首个揭开神秘面纱的“数字火箭”。它采用全数字化手段完成研制，代表了中国近60年运载火箭研制的最高水平，是我国新一代中型运载火箭的基本型，可在此基础上衍生出一系列运载火箭构型，实现我国运载火箭的升级换代。一旦投入使用，将大幅提升中国航天进出空间的能力。


　　未来中国的空间站建成后，长期有航天员待在太空，长征七号火箭将担负起物资补给的“天地运输”重要任务。为此，今年6月，长征七号火箭可能将单独进行一次首飞试验。


　　


　　国际空间站上的宇航员使用机械臂抓住了“龙”飞船。这一幕未来也将出现在中国的空间站上。图片来源：universetoday


　　中国的空间站什么样？中国载人航天工程总设计师周建平介绍说，中国计划在2020年前后建成的空间站总体构型是三个舱段，一个核心舱，两个实验舱，每个舱都是20吨级，整体呈T字构型。核心舱有五个对接口，可以对接一艘货运飞船、两艘载人飞船和两个实验舱，另有一个供航天员出舱活动的出舱口。


　　周建平认为，中国的空间站是可以进一步扩展的，根据空间科学研究和应用的需要，可以对接更多的舱段。空间站的研发，遵循了规模适度原则。这么大的工程，适度规模有利于控制工程的成本，重点突出载人航天的特色，突出发挥人在太空中的作用。


　　同时，建设空间站，意味着需要掌握大型空间设施的建造技术和运营管理技术，具备强大的维护维修升级能力。我国“天舟”货运飞船采用模块化设计，具有全密封货舱、半密封／半开放货舱、全开放货舱三种构型，可以把不同的载荷包括小型舱段运输上去，由航天员和机械臂将其装配到空间站上。


　　“一名航天员在舱内操作机械臂，一名航天员在舱外太空行走。无论是舱段转位、大设备的移动，还是航天员自身的移动，都可以通过机械臂完成。”周建平说，“中国空间站设计有两类机械臂，长度累计15米。人机配合，让空间站建造维修成为可能。”


　　空间站建成后，将是航天员的“太空之家”，也是科学研究的“太空实验室”。一流的太空实验平台，将为科学家们取得世界级的重大突破提供有力保障。


　　由于空间站资源十分宝贵，经过科学慎重遴选，空间站上将搭载安装包括生物学、材料科学、基础物理、微重力、流体、燃烧等十余大类的科学研究实验设施。材料科学的实验设施设备，能够利用太空微重力环境制备新材料，研究材料的空间使用性能。未来很多研究，孕育在新材料的研发中，具有广阔工业应用价值。


　　中国的空间站还有一个有雄心的计划，未来会单独发射一个十几吨的光学舱，与空间站保持共轨飞行状态。“计划在光学舱里架设一套口径两米的巡天望远镜，分辨率与哈勃相当，视场角是哈勃的300多倍。如果在轨10年，可以对40%以上的天区，约17500平方度天区进行观测。”周建平说。

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　　这套望远镜，天区和波段覆盖广，像质好，将成为“宇宙之眼”，可以源源不断地为科学家们研究宇宙学和天文学提供海量的科学数据，为中国科学家站在世界科学前列、做出重大原创性成果提供有力支撑。

　　周建平说，往太空运送物资的成本非常高，“进行物资循环利用并提高物资循环利用率，是世界载人航天关注的重大技术问题。”

　　为此，中国的空间站设计了完整的可再生生命保障系统。航天员呼出的水蒸气会通过冷凝水的方式回收，排泄的尿液也会回收净化，重新作为饮用水和生活用水使用。电解制氧时产生的氢气与航天员呼出的二氧化碳，将通过化学反应重新生成氧气，这也降低了氧气的补给需求。

　　空间站如此庞大的系统，需要强有力的电力保障。空间站的电源系统包含两对“翅膀”——单翼翼展约30米的柔性太阳翼。这个系统能够为空间站提供可靠、充足的不间断供电。此外，空间站将采用电推进技术作为空间站轨道维持的动力装置，这将显著降低空间站运行期间的推进剂补给需求。

　　

　　今年第三季度将择机发射天宫二号空间实验室，第四季度发射神舟十一号飞船，并搭乘2名男航天员。图片来源：纽约时报

　　中国的空间站建成之时，国际空间站将达到寿命末期。国际上一直在讨论，未来的某一段时期内，太空中可能只有中国的空间站在进行工作。

　　国际宇航联空间运输委员会秘书长、中国航天科工集团公司二院二部研究员杨宇光介绍说，国际空间站原计划2020年离轨，现已确认延寿到2024年，部分国家希望延到2028年，但还未达成一致。新的空间站的建设，目前也没有新的计划，只有一些非正式、非官方认可的建议和方案。

　　中国的空间站目前虽然是独立建造，没有国际合作伙伴，但中国航天一向欢迎国际合作。杨宇光说，中国空间站上的对接口设计为可以对接其他国家的空间站舱段。同时也在国际上提出了四个级别的合作，包括联合试验、外国航天员来访、外国飞船来访和外国舱段。

　　杨宇光认为，国际空间站为人类太空事业作出了巨大的贡献，它的可扩展设计、两自由度太阳翼等技术特点都值得学习。中国的空间站则具备后发优势，可以综合当代最新的科学技术，建设得更为先进，能力更强。中国空间站的规模大约为更早的和平号空间站的一半，60吨级也小于国际空间站的400吨级，这是根据中国对空间领域的发展需求确定的，不需要单方面追求规模。而且，由于技术的进步，可以比过去类似规模的空间站完成更多的太空试验。

　　国际空间站的宇航员角色多样，选拔对象也不仅仅限于飞行员。这也将是中国空间站未来的一个方向。

　　目前，我国的航天员都是从现役空军飞行员中选拔，主要承担航天器驾驶任务。空间站将开展太空科学实验，除了良好的身体素质这个共性要求外，未来需要不同类型的航天员，尤其是工程师和科学家。

　　周建平说，一类是能够管理维护维修航天器的飞行工程师。设备出了故障能够修理，新技术出来后能够给航天器升级。这就需要从有相关教育背景和工作经历的人中选拔，经过大量训练，成为航天员。

　　另一类是优秀科学家，到了太空后，观察实验现象、分析结果、调整方案、设计新的实验方案，都需要科学家来完成。根据空间站的实验项目，选择相关专业背景的科学家进行训练，也是未来航天员选拔一个主要方向。（编辑：Steed）