“天河”逐夢(mèng)入九天開啟建“宮”大業(yè)

呂默默

在天氣晴朗的夜晚，我們抬頭仰望夜幕時(shí)，總能看到星星一閃一閃的，好像在對(duì)我們眨眼睛。有時(shí)候，你是不是也在想，如果能在這些繁星之間暢游，與它們共舞就好了？令人欣喜的是，這個(gè)愿望即將要成為現(xiàn)實(shí)，因?yàn)槲覀冞~出了中國人飛向深空的關(guān)鍵一步——中國空間站“天和”核心艙順利發(fā)射升空。從此，我們的太空夢(mèng)不再虛幻與遙遠(yuǎn)。

空間站的設(shè)想與嘗試

在同學(xué)們熟悉的中國古代神話傳說中，神仙們都住在天上。如果用現(xiàn)代科學(xué)來理解，這些神仙應(yīng)該是生活在太空之中。那么，神仙們呼吸的氧氣、吃的食物從哪里來？水又來自何處呢？關(guān)于這些細(xì)節(jié)，古代的神話中要么歸結(jié)于“仙法”，要么壓根兒就忽略不提了。其實(shí)，他們所居住的“宮殿”可以算得上是一種原始的“空間站”，有基本的生命維持系統(tǒng)，可以長(zhǎng)期駐留。

真正科學(xué)意義上的空間站設(shè)想形成于20世紀(jì)初。1903年，俄羅斯科學(xué)家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基在其著作《利用反作用力設(shè)施探索宇宙空間》中，首次提出了“空間站”的概念。在他的設(shè)想中，應(yīng)該在接近地球的環(huán)境中，建造一個(gè)可以自主供給能源、有生命保證系統(tǒng)的空間站，滿足航天員最基本的生存條件，可以長(zhǎng)期駐留。

因?yàn)槭艿娇萍妓降闹萍s，人類第一個(gè)空間站“飛升”入九天一直到1971年才實(shí)現(xiàn)，這就是蘇聯(lián)發(fā)射的

“禮炮1號(hào)”。但當(dāng)時(shí)發(fā)射的空間站還不是康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基所設(shè)想的模樣，至少不能滿足能源自主供給，水的來源也是一個(gè)問題。1973年，美國發(fā)射了其第一個(gè)試驗(yàn)型空間站——“天空實(shí)驗(yàn)室”?？臻g站中的飲水都是自帶的，用完就沒了，不能循環(huán)利用。

按照現(xiàn)代空間站的標(biāo)準(zhǔn)，早期的空間站都不合格。首先，空間站必須環(huán)繞在地球的軌道之上。如果人類走向更遙遠(yuǎn)的宇宙，空間站還必須有能力環(huán)繞其他星球，例如火星、月球。其次，空間站的空間必須足夠大，需要至少兩次或者更多次的火箭發(fā)射，在太空軌道上最終完成組裝。再次，空間站必須能長(zhǎng)期使用。除了可以更換零件，還要能?？?、對(duì)接新的貨運(yùn)飛船、載人飛船，進(jìn)行物資補(bǔ)給和人員更替。最后，空間站必須具備滿足載人長(zhǎng)時(shí)間駐留的系統(tǒng)。空間站內(nèi)要有維持人類生存的環(huán)境系統(tǒng)，例如氧氣充足、氣壓足夠、擁有合適的防護(hù)層防止宇宙致命輻射的傷害，等等?，F(xiàn)代空間站還要滿足實(shí)驗(yàn)與探索的需求。

2021年4月29日發(fā)射的“天和”核心艙就是即將建成的中國空間站“天宮”的主要部分之一，技術(shù)先進(jìn)，各項(xiàng)設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)進(jìn)入了世界一流行列。

空間站有何用

作為人類歷史上規(guī)模最大的航天器，空間站代表了當(dāng)今航天領(lǐng)域最全面、最復(fù)雜、最先進(jìn)和最綜合的科學(xué)技術(shù)成果。可是，人類為什么要耗費(fèi)巨資、時(shí)間、人力及物力去建造空間站呢？

早期的人類空間站上天之后，大多數(shù)都是用于軍事目的。例如，蘇聯(lián)的“禮炮3號(hào)”上甚至攜帶了機(jī)炮并進(jìn)行了試射，目的顯而易見。美國也曾有過類似的軍事目的，發(fā)射一個(gè)空間站，飛過蘇聯(lián)上空時(shí)，空間站內(nèi)的航天員拍照監(jiān)測(cè)蘇聯(lián)的國內(nèi)情況。

隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代空間站還承擔(dān)著重要的實(shí)驗(yàn)與探索任務(wù)，真正成為人類在太空進(jìn)行探索、學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)的重要基地。

1.空間實(shí)驗(yàn)室顯神通

地球上有很多設(shè)施先進(jìn)的著名實(shí)驗(yàn)室，為何要去太空做實(shí)驗(yàn)?zāi)?？因?yàn)樵诰嚯x地表400千米左右高度的位置，地心引力已經(jīng)很微弱，物體幾乎處于失重狀態(tài)，這就給很多科學(xué)實(shí)驗(yàn)帶來了難得的機(jī)會(huì)。例如材料學(xué)的合金實(shí)驗(yàn)，在地面進(jìn)行鉛和多金屬的合金冶煉時(shí)，因?yàn)殂U比較重，容易沉入金屬溶液的下層，無法形成有效的材料。但是，在空間站的實(shí)驗(yàn)室中，這些金屬就可以完美地融合在一起，形成導(dǎo)電性能、抗疲勞度、導(dǎo)熱性能更好的合金。

空間實(shí)驗(yàn)室還可以在生物和制藥方面大顯身手。在幾乎失重的狀態(tài)下，形成的蛋白質(zhì)晶體效果也要比地面上的好。這對(duì)于科學(xué)家在生物學(xué)上的研究有重要的推動(dòng)作用，也可以用于研發(fā)新藥，同時(shí)可以幫助科學(xué)家對(duì)一些疑難雜癥的致病機(jī)制有更深入的了解。

中國在建的空間站“天宮”可進(jìn)行物質(zhì)科學(xué)、宇宙空間科學(xué)、生命科學(xué)等各種實(shí)驗(yàn)，這些功能隨著空間站“天和”核心艙發(fā)射、入軌成功，在空間站建成后逐漸實(shí)現(xiàn)。

1進(jìn)行生理學(xué)功能檢測(cè)和行為與認(rèn)知功能測(cè)試

2開展多種動(dòng)植物的空間培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)等

3開展細(xì)胞組織實(shí)驗(yàn)、微生物類實(shí)驗(yàn)等

4支持空間蒸發(fā)與冷凝相變、沸騰傳熱、兩相流動(dòng)與回路系統(tǒng)等研究

5支持微重力環(huán)境下的燃燒科學(xué)及應(yīng)用研究、空間推進(jìn)中的微重力燃燒問題等研究

6支持微重力下材料制備過程機(jī)理研究、重要應(yīng)用背景材料制備與研究等研究

7開展微重力下金屬、非金屬等材料無容器加工研究和材料深過冷研究等

8開展量子新物態(tài)研究、天體物理的量子模擬研究、量子拓?fù)渑c量子計(jì)算研究等

9為動(dòng)植物、細(xì)胞和材料科學(xué)等實(shí)驗(yàn)提供樣品裝載、精細(xì)操作、低溫存儲(chǔ)等支持

10開展相對(duì)論物理與引力物理、微重力流體動(dòng)力學(xué)等研究

11配有離心機(jī)，支持與重力相關(guān)的多類科學(xué)實(shí)驗(yàn)

12支持載荷的準(zhǔn)備、裝調(diào)、清潔、焊接、組裝、測(cè)試和維修等艙內(nèi)精細(xì)操作

13、14利用極高穩(wěn)定度的時(shí)間頻率開展原子躍遷光頻對(duì)比、基本物理常數(shù)精密測(cè)量和引力紅移測(cè)量的相對(duì)論驗(yàn)證等基礎(chǔ)物理研究和應(yīng)用

15支持微重力等空間環(huán)境下以驗(yàn)證航天基礎(chǔ)技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù)目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)等

16開展微重力流體動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用研究、晶體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)和蛋白質(zhì)結(jié)晶研究等

此次發(fā)射的“天和”核心艙內(nèi)只裝備了少量的實(shí)驗(yàn)裝置，未來發(fā)射的實(shí)驗(yàn)艙能開展更多的科學(xué)研究

2.人類飛向深空的前哨站

早在康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基提出空間站的概念之初，除了科研，空間站還有一個(gè)重要作用就是作為人類飛向深空的中轉(zhuǎn)站、前哨站。

在太空中近乎失重的狀態(tài)下，航天員的生理和心理都會(huì)受到?jīng)_擊。長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)入太空的航天員，因?yàn)樯眢w上的不適應(yīng)，加上空間狹小，缺乏運(yùn)動(dòng)，在晝夜不分明的狀態(tài)下，極有可能精神崩潰。這還僅僅是在距離地面400千米左右的高度，不算出遠(yuǎn)門。如果我們的目標(biāo)是更遙遠(yuǎn)的深空探索，就必須適應(yīng)這種狀態(tài)。

即使在今天，空間站仍然是唯一可以使航天員長(zhǎng)期駐留、進(jìn)行工作和實(shí)驗(yàn)的航天器。所以，想要預(yù)測(cè)人類長(zhǎng)時(shí)間駐留在太空里的狀態(tài)及受到的影響，也只有在這里做測(cè)試和研究了。

此外，空間站還可以用于測(cè)試未來可能用于太空探索的各類技術(shù)、設(shè)備。例如，解決航天員如何喝水這個(gè)問題的環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)（ECLSS），可以將各種使用過的水甚至包括航天員的尿液收集起來，進(jìn)行過濾、凈化，達(dá)到再次使用甚至飲用的狀態(tài)。科學(xué)家寄希望于這個(gè)系統(tǒng)將來可以用在火星的實(shí)驗(yàn)基地之上。

空間站還能成為探索建造更大型飛船的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。如若我們要飛向更遙遠(yuǎn)的星辰，肯定需要建造更大的宇宙飛船。空間站如今“搭積木”式的建造方式，可以為建造更大、更合理的宇宙飛船提供經(jīng)驗(yàn)。

人類如果想飛往更遙遠(yuǎn)的深空，空間站必然是這趟旅途的前哨站。

為何要建我們自己的空間站

說起空間站，同學(xué)們最先想到的是國際空間站嗎？這是目前在軌運(yùn)行的最大的空間平臺(tái)，是一個(gè)擁有現(xiàn)代化科研設(shè)備，可開展大規(guī)模、多學(xué)科基礎(chǔ)和應(yīng)用科學(xué)研究的空間實(shí)驗(yàn)室。它重達(dá)400多噸，由美國、俄羅斯、加拿大、日本等16國聯(lián)合，歷時(shí)12年建造完成。

空間站作為長(zhǎng)期在軌運(yùn)行的“太空母港”，是人類歷史上規(guī)模最大的航天器，可滿足航天員長(zhǎng)期在軌生活工作，其天然的高真空、微重力、超潔凈環(huán)境也可以充分用于開展各類科學(xué)技術(shù)研究，推動(dòng)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步。因此，空間站工程將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)、科技實(shí)力和綜合國力的重要標(biāo)志，受到各航天大國的高度重視。然而，國際空間站的合作大門并未向中國敞開，因此我國走上了自主研制的道路。早在1992年，中國載人航天工程就提出了“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略：第一步是發(fā)射載人飛船，建成初步配套的試驗(yàn)性載人飛船工程，開展空間應(yīng)用實(shí)驗(yàn);

第二步是突破航天員出艙活動(dòng)技術(shù)、空間飛行器的交會(huì)對(duì)接技術(shù)，發(fā)射空間實(shí)驗(yàn)室，解決有一定規(guī)模的、短期有人照料的空間應(yīng)用問題;第三步是建造空間站，解決有較大規(guī)模的、長(zhǎng)期有人照料的空間應(yīng)用問題。“天和”核心艙的發(fā)射就屬于第三步。

中國空間站和國際空間站有何不同

國際空間站總質(zhì)量約為420噸，我國“天宮”空間站一期工程則是100噸級(jí)。雖然噸位確實(shí)有差距，但國際空間站是多國合力建設(shè)的，約420噸的規(guī)模中供航天員工作、生活、實(shí)驗(yàn)的艙段只有180噸，其他幾乎都是重復(fù)建設(shè)的設(shè)施。在這180噸的艙段之中，真正用于科研實(shí)驗(yàn)的艙段只有3個(gè)，分別是“命運(yùn)號(hào)”實(shí)驗(yàn)艙、“哥倫布號(hào)”實(shí)驗(yàn)艙和“希望號(hào)”實(shí)驗(yàn)艙，加起來并不大，也都沒超過20噸的規(guī)模。其中安裝的實(shí)驗(yàn)機(jī)柜，美國、日本這一側(cè)有23個(gè)，俄羅斯有8個(gè)。反觀中國“天宮”空間站，一期建成之后就可以安裝23個(gè)機(jī)柜。國際空間站在軌規(guī)模是我國“天宮”空間站的4倍有余，然而機(jī)柜數(shù)量?jī)H為“天宮”的1.3倍。我國“天宮”空間站用更小規(guī)模實(shí)現(xiàn)與國際空間站等量齊觀的科研能力，由此可見我國“天宮”空間站的空間利用率更高。

說起空間大小，就不得不說一說我國“天宮”空間站的“天和”核心艙打破的兩項(xiàng)世界紀(jì)錄。核心艙長(zhǎng)度達(dá)16.6米，最大直徑為4.2米，發(fā)射質(zhì)量達(dá)22.5噸，是當(dāng)前體積最大、質(zhì)量最大的單模塊空間站艙段，供航天員工作、生活的空間約50立方米。未來加上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙后，整體能夠達(dá)到110立方米。其長(zhǎng)度比5層樓房還要高，直徑比火車和地鐵的車廂還要寬不少。此外，核心艙的質(zhì)量相當(dāng)于3輛大客車的空重質(zhì)量，同樣也超過國際空間站的任何一個(gè)艙段。

“天和”核心艙不僅活動(dòng)空間大，也將給航天員提供更好的補(bǔ)給保障。為了讓航天員實(shí)現(xiàn)更久的在軌停留，我國“天宮”空間站設(shè)計(jì)了完整的可再生生命保障系統(tǒng)。航天員呼出的水蒸氣會(huì)通過冷凝水的方式回收，排泄的尿液也會(huì)回收凈化，重新作為飲用水和生活用水使用。電解制氧時(shí)產(chǎn)生的氫氣與航天員呼出的二氧化碳，將通過化學(xué)反應(yīng)生成氧氣，這也能夠降低氧氣的補(bǔ)給需求。

此外，“天和”核心艙還負(fù)擔(dān)了航天員初期駐留以及科研所需的全部物質(zhì)條件，配置了工作區(qū)、睡眠區(qū)、衛(wèi)生區(qū)、就餐區(qū)、醫(yī)監(jiān)醫(yī)保區(qū)和鍛煉區(qū)6個(gè)區(qū)域。其中，就餐區(qū)配置了微波爐、冰箱、飲水機(jī)、折疊桌等設(shè)施;鍛煉區(qū)配置了太空跑臺(tái)、太空自行車、抗阻拉力器等健身器材，以滿足航天員日常鍛煉的需求。而且，艙內(nèi)情景照明可由手機(jī)應(yīng)用軟件控制。

國際空間站上有幾節(jié)骨干艙段，例如負(fù)責(zé)儲(chǔ)存燃料的“曙光號(hào)”功能貨艙，負(fù)責(zé)生命保障、軌道控制和指導(dǎo)功能的“星辰號(hào)”服務(wù)艙，再加上連接其他艙段的“團(tuán)結(jié)號(hào)”節(jié)點(diǎn)艙，質(zhì)量超過50噸。

與之相比，我國“天宮”空間站一個(gè)20噸級(jí)的“天和”核心艙就滿足了國際空間站上述三大艙段的功能需求。從外形來看，“天和”核心艙分為“大柱段”和“小柱段”兩部分;以功能分區(qū)，則分為資源艙、生活控制艙、節(jié)點(diǎn)艙三部分?！疤旌汀焙诵呐摰膬蓚?cè)還會(huì)建造兩個(gè)20噸級(jí)的大型實(shí)驗(yàn)艙——“問天號(hào)”實(shí)驗(yàn)艙I與“夢(mèng)天號(hào)”實(shí)驗(yàn)艙II，它們是“天宮”空間站23個(gè)科研機(jī)柜的主要布放場(chǎng)所。

“問天號(hào)”實(shí)驗(yàn)艙I的主要任務(wù)是開展艙內(nèi)、艙外空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)，也是航天員的工作、生活場(chǎng)所和應(yīng)急避難場(chǎng)所，配備了航天員出艙活動(dòng)專用的氣閘艙，支持航天員出艙活動(dòng)，還配置了小型機(jī)械臂，可進(jìn)行艙外載荷自動(dòng)安裝操作。

“夢(mèng)天號(hào)”實(shí)驗(yàn)艙II具備和“問天號(hào)”實(shí)驗(yàn)艙I類似的功能，還配置有貨物專用氣閘艙，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。在早期的設(shè)計(jì)方案中，“夢(mèng)天號(hào)”實(shí)驗(yàn)艙II還設(shè)置了一個(gè)大口徑的巡天望遠(yuǎn)鏡，后來考慮到光學(xué)設(shè)施特殊的工作環(huán)境和鏡頭調(diào)整，在最終的設(shè)計(jì)方案中，把大口徑巡天望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)成了與“天宮”空間站在同一軌道飛行的“巡天”光學(xué)艙，是一個(gè)單獨(dú)的艙室，既可以對(duì)接空間站，又可以獨(dú)立運(yùn)行。

“巡天”光學(xué)艙也是20噸級(jí)的大型艙段，配置了2米口徑的離軸三反光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，具有強(qiáng)大的國際競(jìng)爭(zhēng)力，可在宇宙加速膨脹、暗能量本質(zhì)、暗物質(zhì)屬性等領(lǐng)域展開觀測(cè)研究工作。

有了以上精巧的設(shè)計(jì)和完善的設(shè)施，我國“天宮”空間站將以曼妙的身姿在九天之上盡情舞動(dòng)。

“天宮”未來可期

無論是為了之后更遙遠(yuǎn)的深空探索，還是為了在火星軌道建立環(huán)火星軌道空間站，“天和”核心艙的成功發(fā)射，無疑是我們的太空夢(mèng)實(shí)現(xiàn)的第一步，也是最關(guān)鍵的一步。

由于國際空間站已經(jīng)步入高齡，有科學(xué)家認(rèn)為，到2024年，也許中國“天宮”空間站將成為世界上唯一的近地軌道空間站。到那時(shí)，中國“天宮”空間站將是世界各國進(jìn)行太空研究的第一選擇。

中國“天宮”空間站已經(jīng)開始向聯(lián)合國所有成員國開放，這在人類航天史上還是第一次。當(dāng)前已有來自17個(gè)國家的9個(gè)科研項(xiàng)目成功入選“天宮”空間站首批合作清單，我國免費(fèi)為這些科研項(xiàng)目提供上行運(yùn)輸服務(wù)，以及在軌空間實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所。

而且，建造空間站并不是單一去進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，還可以探索航天員長(zhǎng)期處在太空環(huán)境下心理和生理上的變化，可以讓我們了解人體在太空飛行過程中出現(xiàn)的問題，為人類飛往更遙遠(yuǎn)的太空、擁抱宇宙做準(zhǔn)備。