在軌駐留人漸多技術難點知多少

文/蔡洋

2022年11月29日，長征二號F火箭托舉神舟十五號載人飛船升空。不久，3名航天員飛入“天宮”，在太空中首次同時出現6名中國航天員的身影。與此同時，太空旅游發展如火如荼，國外商業空間站建設蓄勢待發。可以說，未來在軌工作生活的人必將越來越多。專業航天員和太空游客會經歷哪些紛繁復雜的工作生活？為支持更多人在軌，科研人員需要攻克多少技術難關？我們不妨一探究竟。

▲ 中國兩批6名航天員“太空會師”

更多人成就太空事業

“飛天夢永不失重，科學夢張力無限。”這不僅是太空授課老師對青少年播撒的探索宇宙奧秘的“種子”，更是專業航天員在軌工作生活的生動寫照。除了開展航天科普教育活動外，密切關注交會對接，謹慎出艙太空行走，廣泛開展空間物理實驗、航天醫學實驗等，大量工作都少不了航天員的參與。在軌人數之所以越來越多，很大一部分原因是太空工作任務越來越繁雜，對人員的需求大增。

按設計，國際空間站可支持7人長期駐留，曾創下短期容納13人的紀錄。自2010年完全建成并投入運營以來，國際空間站累計接納了數百名來訪者，其中很多人是空間科學載荷專家或航天工程師。

他們有的積極開展生物醫學實驗，研究空間飛行狀態下動植物、微生物、細胞的生命活動，關注生物組織破壞及再生特性。有的研究太空飛行對人類染色體端粒、認知能力、基因表達等方面的影響，獲取生命科學領域的前沿成果。有的在太空中培育糧食作物，力爭為緩解糧食短缺問題作貢獻，甚至把若干瓶酒帶上天，對外宣稱是“研究失重對釀造工藝的影響”。

▲ 國際空間站曾創下短期內容納13人的紀錄

此外，航天員還在軌開展了很多工程技術應用研究，比如出艙更換冷卻及通信系統部件，維護、裝配空間望遠鏡等。雖然空間站配備了成熟的自動化系統，但航天員應對意外事態的能力更勝一籌。以前和平號空間站曾發生火災，全靠航天員及時滅火，恢復了正常空氣成分并修好部分設備。

▲ 和平號空間站曾遭遇火災險情

總之，紛繁復雜的事務需要航天員參與，未來還會有更多航天員投身新領域工作。而隨著太空旅游越來越火，不僅在軌人數屢創新高，為保障游客的安全和享受，專業航天員需要負責更多細致瑣碎的事務。

技術保障滿足高要求

想要在軌維持更多人員駐留，首要條件當然是載人天地往返，“安全”指標壓倒一切。尤其需要注意的是，一旦航天員在太空中遇到意外，現有的在軌醫療救助條件畢竟有限。因此“最安全”原則對空間站提出了隨時能讓航天員返回地面的要求。

隨著在軌航天員越來越多，地面需要準備的應急救援飛船也越來越多，保證其在待命期間安全可靠是關鍵。目前，載人飛船普遍采用滾動執行救援待命、正常飛行任務的運作模式，確保每艘飛船在地面等待時間不長且基本相同，避免了飛船長期放置可能帶來的一系列隱患。

除此之外，生活物資與個人物品主要依靠貨運飛船送到空間站。要知道，航天發射領域有“一克重量一克金”的俗語，可見太空運力彌足珍貴。

貨運飛船的載荷種類很多，包括生活物資、航天飲水、補給氣體、實驗載荷與空間站補加推進劑等。隨著在軌航天員增多，對地面貨運補給的依賴更大，因此提高貨運飛船運輸效率成為技術難點和重要改進方向。

目前，各國貨運飛船廣泛采用增加復合材料、優化船體結構和自重控制、提高推進劑能量轉換效率、提升入軌精度等手段，使貨運飛船在上行載貨比、快速運輸、推進劑補加等方面更出色地完成任務。

支撐航天員長時間在軌工作生活，最重要的技術保障當屬空間站環境控制與生命保障系統。在惡劣的太空環境中，空間站具備保溫、隔熱、防撞擊、防輻射、溫度調節、壓力調節等多種保護功能，可抵御太空碎片、宇宙射線、異常輻射的影響，構建起航天員太空生活的堅實屏障。

▲ 美國天鵝座貨運飛船帶故障送貨

隨著越來越多航天員在軌駐留，對生命保障系統提出了更高的要求，必須制造數倍于之前的氧氣、水，去除更多二氧化碳、微量有害氣體、微生物、微塵，并更精確快捷地調節溫濕度、氣壓等。

當前空間站中，電解制氧技術可以為航天員提供氧氣，二氧化碳還原技術可以將航天員呼出的二氧化碳巧妙轉化成水，經過再處理后，變成可供飲用的生活用水。

可以說，高效可靠的環境控制與生命保障系統“生生不息”地運轉，有效減輕了對貨運飛船補給的依賴，為服務更多在軌人員，其擴容升級勢在必行。

▲ 中國空間站內航天員安裝二氧化碳還原裝置

▲ 火箭、飛船等可回收復用將顯著降低載人航天任務成本

▲ 等離子推進器和霍爾推進器已廣泛用于航天器

多領域創新前景光明

傳統上，航天器、火箭基本是一次性使用的，綜合成本較高。俄羅斯聯盟系列載人飛船每次任務成本接近億美元，高昂價格成為制約人類探索太空的重要因素。

隨著科技進步，火箭或航天器回收復用技術成為航天科研熱門并逐漸成熟。經過簡單維修后，越來越多的航天設備可以多次使用，顯著降低了發射成本。一旦低成本可重復用技術在航天領域取得更廣泛的實用性進展，必將助力更多航天員前往太空。

空間站在運行中受到稀薄大氣阻力及太陽風等影響，運行軌道不斷降低，需要消耗大量燃料，提升空間站軌道，維持正常工作。此外，空間站運行期間還要配合交會對接、太空行走等任務，及時進行變軌及姿態調整。顯然，這些軌道機動都消耗了寶貴的空間站推進劑，有必要探索驅動航天器的新技術。

近年來，網格離子推進器和霍爾推進器逐漸實用化。最新的研究成果顯示，采用氬氣推進劑的無電極等離子體推進器的轉換效率已經達到30%左右。

相信在不久的將來，會有更先進的推進技術應用于航天探索中，效率更高，耗能更少，使相同量級的推進劑可以支持更大航天器，容納更多航天員長期在軌。

▲ 中國空間站上的水稻成長過程

目前，航天員在太空中主要依賴貨運飛船運送補給。雖然地面科研人員盡力讓航天員吃好，種類繁多的食品已加入航天員食譜中，但在太空中生活一年半載仍然不可避免地經常吃類似罐頭與果凍的食物。

但他們不必著急——太空種植實驗不斷取得成果，航天員在太空中親手栽培蔬菜水果，時常品嘗新鮮食材，必將保持更佳的太空工作生活狀態。

當然，太空種植和更多航天員在軌駐留對于環境控制與生命保障系統的要求更嚴格，無論是控制精度、監測指標，還是能耗水平、工作壽命，都是未來改善的方向。

而且，隨著在軌人員增加，對于溫濕度、照明甚至重力等需求也會逐漸多樣化、個性化，環境控制與生命保障系統的技術水平必然升級，很可能允許航天員在軌進行維修、調試工作。

越來越多的專業航天員和太空游客在軌駐留，為航天科研者提供了大量原始數據，有望為未來地外天體及深空探測積累寶貴經驗。未來隨著飛天“門檻”降低，更多人有望親身體驗太空之美，更充實的太空工作生活也將助力人類航天探索飛得更遠。