科技资讯

资源

正文
网站首页 >> 科技资讯 >> 资源

天宫筑梦、神舟飞天:中国空间站在路上

我来说两句(0)| 复制链接| 打印|
收藏 发给朋友 举报 浏览 19004 次

  采访/撰文:赵铮 卢冉

  导语:天宫二号空间实验室和神舟十一号载人飞船在酒泉卫星发射中心成功“飞天”,标志着中国载人航天“三步走”发展战略中第二步的第二阶段已进入关键时期。接下来,天舟一号货运飞船将于明年发射,未来它的成功将为中国载人航天的“第二步”划上圆满的句号,同时为“第三步”的迈开奠定坚实的基础,中国空间站已经在路上。

  一、 厉害了,我的天宫二号

  2016年9月15日22时04分,一道明亮的火光划破中国的夜空,映衬得空中的明月更加皎洁,天宫二号空间实验室发射成功!彼时恰逢中秋佳节,它的成功发射是献给中国航天人及所有中国人民的一个中秋大礼。

长征二号F运载火箭将天宫二号空间实验室发射升空

  让我们一同来瞧瞧这位令世界瞩目的大家伙到底有什么独门绝技,能够吸引全中国乃至世界的无数双眼睛。首先,天宫二号是我国第一个真正意义上的太空实验室,采用实验舱和资源舱两舱构型。它的“身高”“体重”等数据如下:全长10.4米,最大直径3.35米,太阳翼展宽约18.4米,重8.6吨,设计在轨寿命2年。其次,天宫二号担任着重要的技术任务:由于只有一个对接口,它将先后与神舟十一号载人飞船和天舟一号货运飞船交会对接,并共同开展航天员中期驻留任务、在轨维修技术试验任务、推进剂在轨补加任务,为第三步建造空间站提前开展相关技术验证。

天宫二号发射过程示意图

  最有意思的是,在“天宫二号”上将要史无前例地进行14项实验,数量之多堪称中国航天史上“最忙碌”的空间实验室。实验主要涉及物理学、材料科学、空间生命科学、空间天文探测、空间环境监测、对地观测及地球科学研究应用以及应用新技术试验等八个领域。除这14项应用载荷外,还有失重心血管功能研究等相关航天医学实验设备,配备在轨维修技术验证装置、机械臂操作终端等在轨维修试验设备等,将陆续开展空间科学及技术试(实)验。

天宫二号上搭载的若干科学实验设备。(图片来源:中国科学院空间应用工程与技术中心)

  “天一”?“天二”?傻傻分不清楚?

  仅从外形来看,我们会发现天宫二号和天宫一号俨然就是一对“双胞胎”,原来,天宫二号原本就是为天宫一号准备的备份飞行器。不过,如今的天宫二号经过科学家们的改造,成功升级到2.0版本,软硬件值直线飙高,开始在太空中完美演出了。

天宫一号飞行器结构示意图

天宫二号飞行器结构示意图

  天宫二号空间应用系统载荷设备数量由天宫一号的5项23件增加至14项51件,且重量也大幅增加,载荷设备和平台工作模式耦合性强,且增加了新的安全性保证需求。

  天宫二号通过结构和布局的重新设计实现了载荷设备的布局安装;通过供配电的重新设计,满足空间应用系统负载的接口需求,为开展空间科学和应用试验提供了良好的保障条件,针对伴随卫星在轨释放、激光照射天宫二号、综合材料试验释放CO,开展了安全性分析和验证试验,确保不因新增需求增加任务风险。

  精装两居室——体验太空中的小康生活

  为实现“航天员中期驻留”这一工程目标,天宫二号做出了相应的技术改进:首次系统开展了面向中期驻留的载人宜居环境设计,从提高生活质量、降低工作负荷、改善睡眠环境、丰富娱乐条件等几个方面开展了载人宜居环境设计。在有限的22.3m3组合体自由空间内,集成了内部装饰、舱内活动空间规划、视觉环境与照明、废弃物处理、物品管理、无线通话等宜居技术,为航天员提供舒适人性化的空间家居环境。例如:当年天宫一号的地板是软垫,不方便航天员行走;而天宫二号的地板是硬地板,材料也是轻量化设计,所以总体重量增加的并不多,这样行走起来就舒服多了。此外,通讯设施(通话)也从有线变成了无线,方便了航天员与地面人员的通讯。

  整体看来,比起简装的天宫一号,天宫二号可以说是太空中一个“精装两居室”,航天员的整体舒适度比以前好了,可以说达到了小康的生活水平。

  太空实验和地面实验有何不同?

  在太空中做实验主要利用了两个环境:一个是失重环境,另一个是空间辐射环境,这些环境是无法在地面上模拟的。以往科学家们模拟失重环境使用过失重飞机及进行落塔的实验,但这些实验都是秒级的,而在天上可以长期进行的。更重要的是,在地面上只能模拟某一种环境,比如模拟失重环境时,光照、辐射等因素就模拟不了。太空育种就利用了失重、空间辐射这些空间环境。

  和地面科学实验室相比,天宫二号打造出的空间实验室具有独特的优势:它是建立在距离地面几百公里的太空中长期运行的试验平台,独特的空间位置决定了可以利用高度优势开展地球资源和太空观测,利用微重力等空间环境开展空间技术试验、航天医学试验、空间科学和应用试验。

“空间冷原子钟”工作示意图

  作为低轨长寿命载人航天器,天宫二号空间实验室既有密封舱内又有密封舱外的空间环境条件、装载能力强、飞行时间长、电能充足、天地数据传输流量大等优势,为保证太空科研工作的连续性和深入性创造有利条件。

  二、 终于等到你——神舟十一号

  不远万里找到你 只为与你完美对接

  在神舟十一号到来之前,天宫二号已经做好了充分的准备,进入到距离地面393公里的交会对接轨道,等待与飞船的交会对接。可喜可贺的是,10月19日凌晨,从外太空传来捷报:神舟十一号载人飞船与天宫二号空间实验室成功实现自动交会对接。这是天宫二号自9月15日发射入轨以来,与神舟飞船开展的首次交会对接。然而,它们两个见面的难度堪比牛郎会织女,极其不易。

天宫二号经历的四个关键阶段

  “交会对接”其实分为两个阶段,顾名思义:第一阶段就是“交会”,指的是两个飞行器慢慢接近的过程。通俗来讲,这一阶段的主要目标就是“我要找到你”,在神舟十一号发射进入轨道的时候,距离天宫二号大概有上万公里,距离之远使得它们互相还不能看到对方,这时就要靠我们地面的工作人员利用卫星等设备测量的数据对其进行指挥控制,根据两个飞行器轨道的偏差来控制飞船变轨,经过若干次调整后,神舟十一号将一点一点接近天宫二号,直到它们相距约50公里的位置。在这个过程中,切不可“急功近利”,俗话说“欲速则不达”,控制它们的相对速度尤为重要,如果相对速度非常大,轻则把两个飞行器撞飞,重则有可能将其毁坏。因此,尽管它们两个热切期望见到彼此,不过“矜持”一点总是好的,在外太空“擦出火花”可不是一件好玩的事。

天宫二号与神舟十一号交会对接

  神舟十一号经过2天的飞行,在与天宫二号相距50公里时,终于能够看到彼此了,接下来它们就要进行交会对接的第二个阶段:对接。而这个阶段是考验它们俩默契程度的关键阶段,因为整个操作过程需要两个航天器自主完成,因此也对其精准程度有很高的要求。首先,神舟十一号需要利用自身的测量敏感设备,来主动地捕获到天宫二号,从而建立起两个飞行器之间的相对测量关系。接着,在飞船得到这些测量信息之后,就要通过它自带的计算机进行“自主化操作”:自主计算、自主控制,完全自动地去接近天宫二号,神舟十一号飞船上有一个像手一样的捕获装置,它会先伸出手来把天宫二号紧紧抓住,再进行精确瞄准,最终实现接触对接。所以它们二者需要不断地确认彼此的位置关系,调整自己的姿态和速度,做到步调一致才行。两个航天器的速度都极快,达到了7.8公里/秒,而在对接的过程中,要求两者的相对速度要降到0.2米/秒,这是极其不易的。要保证两个重达8吨多的飞行器高精度地完成对接,就如同靶场射击,对精度有着极高的要求。在天宫二号和神舟飞船的对接结构中,小到指甲大小的齿轮和针头大小的接口,都要严丝合缝对在一起。

  顺利完成对接之后,天宫二号和神舟十一号终于在10月19日凌晨合二为一,牵手成功,形成了一个组合体,开始了它们在太空中的幸福生活。而我们的两位航天员景海鹏、陈冬也顺利进入天宫二号,开始为期30天的太空之旅。

航天员景海鹏、陈冬顺利入舱

  “载蚕”上天?这可不是异想天开

  如果把天宫二号比作一个太空旅馆,那么神舟十一号就是运送旅客的交通工具,这次乘坐神舟十一号的两名男乘客将在太空中生活30天。可别以为在太空中玩耍是一件轻松的事情,在失重的环境中生活30天,并不是一件容易的事。不过,这两位航天员的太空旅途并不孤单,因为还有一群可爱的小家伙们陪伴着他们,它们就是萌到融化的蚕宝宝。

  “蚕宝上天”缘于香港的基督教宣道会宣基中学的梁芷韵设计的“太空养蚕”实验:蚕宝宝的“房子”是一个透明塑料箱子,里面还设有“食堂”和“卫生间”,相当齐备呢。同学们利用物理学的对流原理,将蚕虫粪便输送到一个收集空间,保持卫生。这个养蚕装置经过了多番改良,目的是降低蚕虫在太空中的死亡几率。实验设计者预计蚕宝宝升空8天后就会吐丝结茧,并且在失重环境下产生的蚕丝应该会比较粗,韧性较强,可应用于不同领域,比如制作航天服。

可爱的蚕宝宝

  除此之外,在轨飞行期间,航天员们还将开展航天医学、空间科学实验和空间应用技术、在轨维修技术、空间站技术试验以及相关科普活动,让我们拭目以待。

  仿真技术助力航天员在太空幸福生活

  以往编航天员手册缺乏仿真数据,一些内容在太空中并不是很适用。而现在,随着仿真技术的日渐成熟,航天员在天上的活动都是事先在地面上通过三维仿真模拟出来的,通过动态仿真、三维仿真编写的手册在太空中适用性更强,给航天员生活带来更多便利。这种仿真模拟目前已成为一个系统的工程。

宇航员在天宫二号内的模拟图。(图片来源:中国科学院空间应用工程与技术中心)

  三、 奉献与付出——未来中国空间站建成展望

  中国载人航天工程制定了“三步走”发展战略:第一步,发射载人飞船,建成初步配套的试验性载人飞船工程,开展空间应用实验;第二步,突破航天员出舱活动技术,空间飞行器的交会对接技术,发射空间实验室、解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题;第三步,建造空间站,解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。已经成功发射的天宫二号空间实验室和神舟十一号载人飞船以及明年4月发射的天舟一号货运飞船属于第二步中的第二阶段,这次的太空任务将要开展大量的科学实验和应用研究,为以后的空间站做准备,对未来空间站的利用和大规模开发太空资源,奠定一个重要的技术基础。

  我国计划于2020年左右建成的空间站,它将成为中国空间科学和新技术研究实验的重要基地,在轨运营10年以上。而天宫二号和神舟十一号的顺利上天,也标志着中国人朝着建设空间站的梦想又迈进一步,而这其中还包含显著的国际意义:到国际空间站退役时,中国可能成为全球唯一拥有空间站的国家。因此,在广泛关注天宫二号与神舟十一号的同时,世界各国也纷纷表示愿意与中国开展更多的太空合作,并在未来拜访中国的空间站。

中国载人航天“三步走”示意图

  航天科研人员是中国载人航天工程发展的基础和未来据了解,抓总研制这次天宫二号和神舟十一号的中国航天科技集团五院载人总体部的科研人员的平均年龄大概在35岁左右,较之国际上同等群体的平均年龄50-60岁小了很多,是充满活力与干劲的一群人。拥有一支年轻的队伍、一批优秀的人才,是中国航天科技集团五院不断成功的重要保障之一。

中国航天科技集团五院的工作人员为神舟飞船祝福

  我们的航天人不畏困难,坚守岗位,无私奉献,默默地为我国的航天事业付出的自己的汗水,才有了我们国家航天任务的一次又一次圆满完成。正是这样的航天精神鼓舞着我们每一个人不断拼搏和努力,我们应该充分相信,中国空间站已经在路上。

  相关链接:

  1. 开开小屋-听一听《航天特辑-天宫二号》《航天特辑-神舟十一号》

  2. 开开小屋-看一看《飞向太空的火箭》

  3. 《微专栏》第159期《快要等到你——神舟十一号》

  4. 《榕哥烙科》第141期《厉害了我的航天哥哥》

特别声明:本文转载仅仅是出于科普传播信息的需要,并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性;如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用,须保留本网站注明的“来源”,并自负版权等法律责任;作者如果不希望被转载或其它相关事宜,请与我们接洽。

标签: 天宫二号 太空实验室 神舟十一号 航天员