中國空間站的獨門絕技

邱林

根據(jù)中國的航天規(guī)劃，從2021年到2022年是中國空間站建設的關鍵期，通過11次航天發(fā)射，中國將在太空軌道上建成自己的首座空間站。

航天員利用意念實施操作

航天員在太空中“動動腦子”就能實施各種操作，這種以往只有在科幻影片中才能看到的情景，很快將成為現(xiàn)實。中國空間站將在太空軌道上開展腦機交互前沿技術的實驗，將航天員的思維活動轉化為操作指令，并監(jiān)測航天員的腦力負荷等。這在全球屬于首創(chuàng)性科學研究。

腦機交互被科技大國列為優(yōu)先發(fā)展的顛覆性創(chuàng)新技術，是未來人機通信交互的最高形態(tài)。中國空間站開展的太空腦機交互實驗，是對這一技術在太空中的適用性的關鍵驗證。航天員在太空環(huán)境中完成復雜的作業(yè)任務，受到極大的限制，腦機交互可以不依賴外圍神經和運動系統(tǒng)，將航天員的思維活動轉化為操作指令，同時又能監(jiān)測航天員的神經功能狀態(tài)，實現(xiàn)人機互適應，減輕作業(yè)負荷，是最理想的人機交互方式。

中國空間站想象圖

據(jù)美國《大眾科學》雜志報道，中國的太空腦機交互系統(tǒng)，針對空間站運行過程中的各種約束條件開發(fā)了高識別度、高穩(wěn)定性的自適應檢測與處理技術，構建了針對航天員個體的腦機接口模型，設計了腦電波特征強化誘導訓練策略，優(yōu)化了腦電波特征與系統(tǒng)模型的耦合效率，大幅提升了腦機在線操作的工作效率。腦力負荷與視覺功能測試系統(tǒng)，能實時獲取并解析航天員在作業(yè)時的感覺（視覺），以及與認知（腦力負荷）功能相關的生理變化，為中國載人航天工程的新一代保障系統(tǒng)提供關鍵技術支撐。

中國研究機構獲取太空飛行中航天員的腦機交互生理特征變化信息，并驗證意念控制在航天任務中的可行性后，可以為未來腦機接口技術在航天領域的擴大應用提供技術支持。

中國在航天員意念操控領域的研究全球領先，得益于在AI和神經控制領域取得的成果。太空腦機交互及腦力負荷、視覺功能等神經功能測試系統(tǒng)，由天津大學神經工程團隊設計研發(fā)。該團隊長期從事以助老、助殘、助特為目的的新一代腦機交互基礎理論與關鍵技術研究，曾設計出適用于全肢體中風患者的意念控制神經機器人系統(tǒng)。

空間站的“衛(wèi)星”

中國空間站的第二個獨特之處是配備伴飛的光學艙。在空間站建造完成后，中國將單獨發(fā)射一個十余噸重的名為“巡天”的光學艙，與空間站保持共軌飛行。我們可以將它視為中國空間站的“衛(wèi)星”，它是具備自主飛行能力、機動能力和精密指向能力的空間飛行器。它搭載的“巡天”望遠鏡能進行高分辨率天文觀測，開展天體物理和空間天文學研究。在需要燃料補給和設備維修時，“巡天”可與中國空間站對接，以提高工作性能。

“巡天”望遠鏡直徑2米，其分辨率與美國哈勃望遠鏡相當，將成為中國的“宇宙之眼”。如果在太空軌道上運行10年，它可以對40%以上的天區(qū)進行觀測，從而源源不斷地為中國科學家研究宇宙提供海量觀測數(shù)據(jù)。按照計劃，“巡天”將花費3年時間進行大面積多色成像觀測，覆蓋約3萬平方度的天區(qū);隨后將用3年時間進行大面積多色無縫光譜觀測。

空間天文望遠鏡比地面大型天文望遠鏡口徑小，但具有系統(tǒng)誤差小、分辨率高的優(yōu)勢。中國“巡天”望遠鏡的有效視場和成像質量都優(yōu)于歐洲的歐幾里德和美國的WFIRST望遠鏡。美國新一代巡天望遠鏡WFIRST的視場是哈勃望遠鏡的100倍，而中國“巡天”望遠鏡在接近哈勃望遠鏡的成像質量的同時，視場是哈勃望遠鏡的300多倍。“巡天”可以通過其弱引力透鏡探測暗能量存在的證據(jù)，為中國科學家開展暗能量研究并取得重大原創(chuàng)性科學成果提供有力支持。

“巡天”不僅“上知天文”，而且“下知地理”，可以用來進行對地觀測，這種設計和應用是世界首創(chuàng)。美國的哈勃望遠鏡和“鎖眼”衛(wèi)星分工不同——哈勃用于天文觀測，“鎖眼”用于對地觀測，對天和對地觀測在設計上有不同的要求，魚與熊掌不可兼得。中國“巡天”光學艙集成了多種功能模塊，可以用同一部望遠鏡開展多波段對天和對地觀測。如果按照393千米高度的空間站軌道以及2米的主鏡口徑來推算，“巡天”對地觀測的極限分辨率為0.132米，接近美國新型KH-11B“鎖眼”衛(wèi)星對地觀測的分辨率。

一流的太空實驗平臺

除了上述“獨門絕技”，中國空間站還是航天員的“太空之家”，以及科學研究的太空實驗室。一流的實驗平臺將為科學家取得重大突破提供有力保障。

中國空間站的核心艙名為“天和”，全長16.6米，最大直徑4.2 米，發(fā)射質量22.5 噸，可支持3名航天員長期駐留，是中國迄今為止研制的最大的航天器。它既是空間站的管理和控制中心，也是航天員的主要生活場所，還能支持開展少量的空間科學實驗和技術試驗。為了讓航天員在太空中的長期生活更加舒適，“天和”在設計上有很大突破，供航天員工作生活的空間約為50立方米，加上兩個實驗艙，航天員的活動空間可達110立方米。

核心艙是空間站的主控艙段，主要對整個空間站的飛行姿態(tài)、動力性能、載人環(huán)境進行控制。核心艙大柱段部位主要是航天員工作和實驗的地方，小柱段則是航天員的睡眠區(qū)和衛(wèi)生區(qū)。

核心艙包括節(jié)點艙、生活控制艙和資源艙三部分，有3個對接口和2個停泊口。停泊口用于連接兩個實驗艙，它們與核心艙組裝形成空間站。3個對接口供載人飛船、貨運飛船及其他飛行器訪問空間站，另有一個出艙口供航天員出艙活動。核心艙前端的兩個對接口接納載人飛船對接停靠，后端的一個對接口接納貨運飛船停靠補給。需要指出的是，對接口不僅可以供飛行器停靠，還能與新的艙段對接——這是空間站未來擴大規(guī)模的基礎。

在太空活動方面，空間站支持開展遙控技術、在軌組裝與維修維護、人機聯(lián)合作業(yè)等應用技術試驗，增強人類的太空活動能力和軌道服務能力。

可用于構建中國空間站的“長征—2F”火箭

中國空間站核心艙模型

根據(jù)規(guī)劃，中國空間站將在軌道上運行10年以上。空間站上搭載包括生物學、材料科學、基礎物理、微重力、流體力學等相關的科學研究實驗設施。連同與空間站共軌飛行的“巡天”，中國空間站規(guī)劃部署了密封艙內的十多個科學實驗柜，以及艙外實驗平臺。每個科學實驗柜都可以被視為一個小型太空實驗室，支持一個或多個方向的空間科學與應用研究。具體來說，中國空間站將圍繞人類長期在太空中生存以及提高地球上的生活質量兩個方面開展研究與應用。

并非最先進的第四代空間站

據(jù)美國《航空航天技術周刊》報道，雖然中國空間站擁有獨家的先進技術，但總體上它仍然屬于第三代空間站，并非最先進的第四代空間站。

目前由美俄等國運營的國際空間站屬于第四代空間站，其最大特點是擁有桁架結構，使得整個空間站結構更大、功能更復雜。它長109米，寬73米，高20米，質量達419噸，內部容積為916立方米。

第四代空間站依靠桁架結構可以實現(xiàn)更大更強，但其劣勢與優(yōu)勢同樣明顯——運營費用高昂，20年來已超過2000億美元。目前俄羅斯的“聯(lián)盟”號載人飛船是唯一的人員運載工具，每次天地運輸行動要花費8100萬美元。運營如此龐大的空間站，還需要貨運飛船頻繁往返，費用也極其高昂——美國每年為此要花費15億美元。

對于中國而言，按照第三代空間站的標準設計建造并運營自己的首座空間站，是經濟高效的方案。它2021年開始設計建造，2022年就可以建成并投入運營，完成所有既定科研目標。更重要的是，其核心艙保有備用對接口，未來如果有需要，可以將空間站升級成更大的版本。這一設計理念非常先進實用。

編輯：姚志剛 winter-yao@163.com