科學(xué)“天宮” 筑九霄之上

2021-05-21 08:34張智慧

知識(shí)就是力量 2021年4期

張智慧

中國(guó)載人航天工程經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，圓滿完成“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略前兩步的任務(wù)目標(biāo)，并掌握了載人航天三大基本技術(shù)：天地往返、空間出艙和空間交會(huì)對(duì)接。自此，中國(guó)載人航天工程具備了建造空間站的能力，中國(guó)空間站順利拿到了通往太空的通行證。

解構(gòu)“天宮”

“天宮” 空間站主體由1個(gè)核心艙、2個(gè)實(shí)驗(yàn)艙組成，呈T字形的構(gòu)型，總重量達(dá)60噸，還配有為空間站進(jìn)行乘員運(yùn)輸?shù)摹?神舟” 載人飛船和為空間站進(jìn)行貨物補(bǔ)給的“天舟”貨運(yùn)飛船。此外，還有1個(gè)與空間站共軌飛行的光學(xué)艙。

核心艙被命名為“天和”，全長(zhǎng)約16.6米，最大直徑達(dá)4.2米，發(fā)射質(zhì)量20～22噸。核心艙又分為3部分：節(jié)點(diǎn)艙、生活控制艙和資源艙。主要功能包括為航天員提供居住環(huán)境、支持航天員的長(zhǎng)期在軌駐留、支持飛船及其他航天器對(duì)接?？坎㈤_(kāi)展部分的空間應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，也是空間站的管理和控制中心。節(jié)點(diǎn)艙有2個(gè)對(duì)接口、2個(gè)停泊口和1個(gè)出艙口，停泊口用于對(duì)接2個(gè)實(shí)驗(yàn)艙;對(duì)接口用于“神舟”載人飛船及其他飛行器訪問(wèn)空間站;出艙口供航天員出艙活動(dòng)。資源艙后端也有1個(gè)對(duì)接口，用于對(duì)接“天舟”貨運(yùn)飛船。

此外，核心艙外面還部署了1套機(jī)械臂，用于抓取艙體、運(yùn)送貨物以及支持航天員在艙外的活動(dòng)等。

實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ名為“ 問(wèn)天”，實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ名為“夢(mèng)天”，都主要用于支持開(kāi)展空間科學(xué)與應(yīng)用研究。實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ同時(shí)也作為核心艙的部分功能備份，具有支持航天員出艙及組合體控制功能等。

光學(xué)艙被命名為“ 巡天”，也就是我們常說(shuō)的巡天號(hào)光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡。它與天宮空間站的主體共軌飛行，必要時(shí)可以靠近空間站，與空間站對(duì)接，進(jìn)行燃料補(bǔ)加或進(jìn)行維修。

搭建太空城堡

那么，如何將這樣一組“大家伙” 部署到太空中去呢？科研人員的回答是：一步一步來(lái)，就像在太空搭積木一樣。

2021年春季，首先要發(fā)射的是核心艙，隨后發(fā)射貨運(yùn)飛船（天舟二號(hào)）與核心艙對(duì)接，之后發(fā)射載人飛船（神舟十二號(hào)），將首批3名空間站航天員送入太空，在軌生活3個(gè)月，對(duì)核心艙進(jìn)行全面檢驗(yàn)，然后發(fā)射第二艘貨運(yùn)飛船（天舟三號(hào)）和第二艘載人飛船（神舟十三號(hào)）。2022年陸續(xù)發(fā)射兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙，最后發(fā)射“巡天”光學(xué)艙。

不久的將來(lái)，中國(guó)航天員在太空將進(jìn)入常態(tài)輪值階段。也就是說(shuō)，以后我們的航天員也要像國(guó)際空間站航天員那樣，每天24小時(shí)、每年365天，不間斷地在太空生活工作了。

寶貴的空間資源：微重力環(huán)境

從地球出發(fā)，越過(guò)100千米的“卡門(mén)線”，就是我們常說(shuō)的太空。中國(guó)空間站，運(yùn)行在傾角41°～42°、軌道高度約400千米的近圓軌道上，繞地球一圈只需大約90分鐘，所以航天員在24小時(shí)內(nèi)可以看到16次日出日落。在這里，由于空間站繞地球飛行所產(chǎn)生的離心力與地球引力平衡，所以空間站上的物體會(huì)呈現(xiàn)出微重力狀態(tài)。微重力環(huán)境是開(kāi)展空間科學(xué)研究與實(shí)驗(yàn)非常獨(dú)特而寶貴的資源。

在微重力條件下，材料的加工及制備過(guò)程與地面完全不同。比如微重力環(huán)境下合金的制備、晶體的生長(zhǎng)、球體的制造都比在地面上更容易。微重力還會(huì)對(duì)一些基礎(chǔ)物理的實(shí)驗(yàn)條件產(chǎn)生重要影響，科研人員能夠以更高的指標(biāo)和精度開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，對(duì)重要的基礎(chǔ)物理理論進(jìn)行驗(yàn)證。

此外，地球上各種生物的生存和進(jìn)化一直是在重力環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的，未來(lái)人類(lèi)要想進(jìn)行星際移民，也必須先行研究微重力環(huán)境對(duì)生物體的影響。

特殊的“觀景臺(tái)”

空間站軌道覆蓋了地球南北緯42°以內(nèi)、地球人口居住90%的區(qū)域，與一般地球遙感衛(wèi)星采用的太陽(yáng)同步軌道相比，空間站可實(shí)現(xiàn)對(duì)同一地區(qū)可變光照條件下的觀測(cè)。而且空間站軌道高度較低，相比對(duì)地觀測(cè)儀器的空間分辨率更高，所以對(duì)地觀測(cè)成像的效果更好。這對(duì)于我們觀察地球周?chē)拇髿猸h(huán)境變化以及海洋、森林等生態(tài)變化等更加有利。

由于空間站位于地球大氣層之上，脫離大氣層的遮擋和電磁場(chǎng)的干擾，能夠接收到來(lái)自宇宙中的各種高能射線，既能開(kāi)展輻射生物學(xué)研究，也是開(kāi)展高能天文觀測(cè)和粒子天體物理研究的絕好平臺(tái)。

另外，巡天號(hào)光學(xué)艙也是一個(gè)獨(dú)立的天文觀測(cè)平臺(tái)，是中國(guó)下一代旗艦級(jí)空間天文望遠(yuǎn)鏡，被稱為“ 中國(guó)的哈勃望遠(yuǎn)鏡”。但它比哈勃望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)要大300倍，它將在兩個(gè)核心艙發(fā)射后進(jìn)入太空，有望在暗物質(zhì)、暗能量、星系形成與演化、系外行星探測(cè)等天文領(lǐng)域和基礎(chǔ)物理領(lǐng)域的重大問(wèn)題上取得突破。

去太空做實(shí)驗(yàn)

在載人航天工程發(fā)展初期有這樣一句話：造船為建站，建站為應(yīng)用。發(fā)展載人航天、建設(shè)空間站的最終目的就是開(kāi)展大規(guī)模的空間應(yīng)用，也就是載人航天工程第三步的目標(biāo)—— 建設(shè)中國(guó)人的國(guó)家級(jí)太空實(shí)驗(yàn)室。

右下圖是生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜，上方是用于開(kāi)展各類(lèi)實(shí)驗(yàn)的模塊，下方是通用的電控、溫控等模塊。實(shí)驗(yàn)柜用來(lái)研究植物或動(dòng)物在微重力環(huán)境下的反應(yīng)與變化以及空間輻射對(duì)它們的影響，從而揭示出微重力對(duì)生物個(gè)體生長(zhǎng)、發(fā)育與衰老的影響。

例如，利用通用生物培養(yǎng)模塊可以種植水稻、生菜等植物;在小型通用生物培養(yǎng)模塊里可以養(yǎng)果蠅、線蟲(chóng)、蠶等微小型動(dòng)物;在小型受控生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)K中可以建一個(gè)水生生態(tài)系統(tǒng)來(lái)養(yǎng)魚(yú)。如果把這些模塊替換成專(zhuān)門(mén)為哺乳動(dòng)物設(shè)計(jì)的模塊，就可以用來(lái)養(yǎng)小老鼠等嚙齒類(lèi)動(dòng)物。

天宮空間站艙內(nèi)一共部署了12 個(gè)學(xué)科方向?qū)嶒?yàn)柜和4 個(gè)共用支持實(shí)驗(yàn)柜?？臻g站艙內(nèi)的實(shí)驗(yàn)柜除了研究空間生命科學(xué)與生物技術(shù)，還能用于開(kāi)展航天醫(yī)學(xué)、微重力流體物理與燃燒科學(xué)、空間材料科學(xué)、微重力基礎(chǔ)物理、航天新技術(shù)等領(lǐng)域研究。

空間站艙外配備了暴露實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，配置了多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)載荷接口或大型載荷掛點(diǎn)，用于開(kāi)展天文觀測(cè)、地球觀測(cè)、空間材料科學(xué)、空間生物學(xué)等多種類(lèi)型的暴露實(shí)驗(yàn)或應(yīng)用技術(shù)試驗(yàn)。除了利用艙內(nèi)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜、艙外的暴露裝置，還可以設(shè)計(jì)艙內(nèi)、艙外專(zhuān)門(mén)的獨(dú)立載荷，用于進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。