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神舟十四號乘組:親歷空間站T字成型的“勞?!?/h1>
2023-02-20 09:15鄧雨楠
太空探索 2023年1期
關鍵詞:問天乘組實驗艙

文/鄧雨楠

2022年12月4日20時09分,神舟十四號載人飛船返回艙在東風著陸場預定區(qū)域安全著陸。21時01分,航天員陳冬、劉洋、蔡旭哲安全出艙,本次載人飛行任務取得圓滿成功。

這是中國航天員第九次太空遠征,也是中國空間站建造階段的首次載人飛行。自從6月5日由長征二號F運載火箭送入太空以來,3名航天員在軌經(jīng)歷了無數(shù)個高光時刻,見證了空間站由單艙擴建成三艙三船構型,首次進駐問天和夢天實驗艙,首次利用問天實驗艙氣閘艙和機械臂小臂進行出艙工作,并開展大小臂聯(lián)合操作,同時完成了大量科學實驗,開展科普和公益活動等,收獲了“勞?!背私M的贊譽。

“太空新居”擴建配齊

2022年6月5日,3名航天員依次進入中國空間站天和核心艙,并在接下來的1個月內(nèi)快速適應了失重生活,對“太空家園”進行日常維護與維修,為后續(xù)機械臂操作、出艙活動、艙段轉(zhuǎn)移等工作進行了充分準備。

他們的首要工作是建立載人環(huán)境,包括將核心艙組合體設置為有人狀態(tài),對通風凈化、再生生保和水循環(huán)處理相關設備和產(chǎn)品進行設置。

3名航天員分別進行了水樣、空氣、表面微生物取樣測試。在“太空家園”里,部分微生物可能對航天員的健康產(chǎn)生影響,甚至會帶有腐蝕性,對各種設備造成污染和破壞,因此需要定期對微生物進行監(jiān)測,保證在軌生活環(huán)境的安全與舒適。航天員又安裝并測試了二氧化碳還原裝置,進一步提高在軌氧氣的物質(zhì)循環(huán)閉合度。

接下來,航天員迅速進行了物資整理與轉(zhuǎn)移,正式啟用了物資管理系統(tǒng),從整體上對空間站所有物資進行歸類和梳理,能夠騰出更多精力,專注于在軌科學實驗等工作。

▲ “神十四”乘組安全降落

3名航天員每周工作6天,定期體檢必不可少。檢查柜里有十幾件醫(yī)療設備,體檢項目包括超聲檢查和全血細胞計數(shù)等。除了開展采血、互做心臟超聲、腹部超聲及超聲功能影像評估等常規(guī)檢查,航天員還要進行醫(yī)療救護在軌訓練,以便應對各種各樣的突發(fā)情況。利用太空自行車、拉力帶、握力器、腕力球、太空跑臺等器械,他們每天至少要保持2個小時在軌有氧運動訓練,維持心血管系統(tǒng)功能穩(wěn)定。

隨著7月25日問天實驗艙與天和核心艙成功對接,“太空之家”正式擴建。第二天,“神十四”乘組進入“新居”。

問天實驗艙是航天員主要的生活和工作艙段,配置有3個睡眠區(qū)、1個衛(wèi)生區(qū)及廚房等設施,可與天和核心艙一起支持2艘載人飛船輪換期間6名航天員的生活保障。據(jù)悉,問天實驗艙內(nèi)的航天員睡眠區(qū)比核心艙的更為寬敞,舷窗也進行了改進設計,宜居性進一步提高。

▲ 劉洋在空間站內(nèi)“刷手機”

從整體來看,問天實驗艙進駐狀態(tài)設置持續(xù)了約半個月,3名航天員完成了載人環(huán)境的建立,包括對環(huán)控生保系統(tǒng)、衛(wèi)生區(qū)、睡眠區(qū)、太空廚房進行設置,還有科學實驗機柜解鎖、功能檢測、設備安裝、物資整理等工作。

除了對艙內(nèi)環(huán)境定期進行維護外,航天員還在問天實驗艙內(nèi)持續(xù)開展了空間材料研究、高等植物培養(yǎng)等空間科學實(試)驗項目。他們利用科學手套箱、生命生態(tài)實驗柜、生物技術實驗柜和變重力實驗柜等設施設備,不斷產(chǎn)出更多科學成果。長勢喜人的擬南芥、水稻和生菜為“太空家園”帶來了勃勃生機。

10月31日,夢天實驗艙給“太空家園”帶來了又一次升級擴建的機遇。航天員進入夢天實驗艙后,完成了貨包整理、設備安裝等工作,建立載人環(huán)境,解鎖各類工作設備,并進行工作區(qū)的設備安裝。

隨著三艙“T”字基本構型不久后在軌轉(zhuǎn)位完成,空間站組合體實現(xiàn)了控制、能源、信息、環(huán)境等功能的并網(wǎng)管理,支持開展更大規(guī)模的空間研究實驗和新技術試驗?!吧袷摹背私M通過繁忙工作,建成國家太空實驗室。其中,問天實驗艙主要面向空間生命科學研究,夢天實驗艙主要面向微重力科學研究。

▲ “神十四”乘組入駐問天實驗艙

架起“天橋”迎接會師

入駐“太空家園”以來,“神十四”乘組完成了3次出艙任務,不斷刷新相關紀錄。

9月1日,他們首次出艙。這也是中國航天員首次在小機械臂輔助下從問天實驗艙氣閘艙實施的出艙活動,完成了問天艙擴展泵組安裝、問天艙全景相機抬升、艙外自主應急返回驗證等任務,順利檢驗了航天員與小機械臂協(xié)同工作能力,驗證了問天艙氣閘艙和出艙活動相關支持設備的功能性能。

9月17日,他們第二次出艙,與第一次出艙間隔僅半個月,對于航天員和艙外航天服都是新的挑戰(zhàn)和突破。

因為出艙活動需要由航天員與地面科研人員緊密協(xié)作配合,有些特殊任務還需要調(diào)整空間站姿態(tài),并考慮太陽光照、天地通信技術等條件,因此頻繁出艙對航天員和科研人員都是重大考驗。其間,地面的出艙專業(yè)支持小組會通過語音隨時指導航天員活動,比如什么時候運動到什么位置,什么時候開艙門,什么時候出去,怎樣登上機械臂,怎樣取工具,怎樣操作等,并做好預案,應對可能發(fā)生的故障、意外。

▲ “太空種菜”成果豐碩

3名航天員在軌緊張忙碌了170多天后,又進行了第三次出艙活動。這也是空間站“T”字構型在軌組裝完成后的首次出艙任務。11月17日,他們首先成功安裝好天和核心艙與問天實驗艙、天和核心艙與夢天實驗艙艙間連接裝置,搭建起一座三艙間艙外行走的“天橋”。接下來,航天員蔡旭哲通過“天橋”實現(xiàn)了首次跨艙段艙外行走,完成了問天實驗艙全景相機A抬升和小機械臂助力手柄安裝等任務。

其實,“天橋”不僅包括空間站艙外的實物,還有天地之間聯(lián)絡信息、傳授知識的無形通道。10月12日,“天宮課堂”第三課開講。3名新晉“太空教師”為廣大青少年帶來了一場精彩的太空科普課,在軌展示了問天實驗艙工作生活場景,演示了微重力環(huán)境下毛細效應、水球變“懶”等實驗,并與地面師生互動交流。

▲ 航天員進入貨運飛船搬貨

此外,航天員們繁忙工作之余,在“太空之家”收錄了星月之輝,欣賞了宇宙壯麗。蔡旭哲拍下了美麗的地球和偉大的祖國,俯瞰長江和黃河,聚焦親愛的家鄉(xiāng)。他們還在太空中賞中秋,記錄下從空間站看到的月亮,收到了地面提前數(shù)月準備的中秋食品大禮包。此外,航天員展示了“拿手好菜”,首次享用了自己在太空種植的蔬菜。正如他們所言,“每一天都非常精彩,每一刻都值得銘記?!?/p>

▲ “神十四”乘組開展第三次出艙任務

11月30日,神舟十五號載人飛船與空間站組合體成功實現(xiàn)自主快速交會對接后,“神十五”乘組從飛船返回艙進入軌道艙。

完成各項準備后,期盼已久的“神十四”乘組激動地打開“家門”。在節(jié)點艙,兩個乘組的指令長率先會面,陳冬與費俊龍握手擁抱。隨后,6名中國航天員在問天實驗艙內(nèi)順利會師,留下了足以載入史冊的太空合影。

此后,兩個乘組在軌交叉駐留5天,完成了中國載人航天工程歷史上第一次在軌交接?!吧袷摹俺私M指令長陳冬將中國空間站鑰匙鄭重交給了“神十五”乘組指令長費俊龍。

在地面科研人員配合下,“神十四”乘組還完成了空間站組合體狀態(tài)設置、實驗數(shù)據(jù)整理下傳、留軌物資清理轉(zhuǎn)運等撤離前各項工作,與同事們揮手告別,為183天在軌生活畫上句號。

▲ “天宮課堂”第三課“水球變懶”實驗

多方“保駕”安全回家

長期處于微重力環(huán)境,航天員的體液會重新分配,血液可能減少20%左右。由于航天員身體多處肌肉不需要對抗重力,比如腿部、腰部和脊柱等長期處于放松狀態(tài),肌肉可能會萎縮20%以上。另外,空間站24小時環(huán)繞地球飛行16圈,導致航天員每天要經(jīng)歷16次日出和日落,這會影響激素分泌,造成不同程度的免疫系統(tǒng)紊亂。因此,航天員撤離前,地面支持團隊必須實時監(jiān)測航天員健康狀況,提前制定好醫(yī)療方案。

▲ 陳冬從空間站拍攝月亮過中秋節(jié)

航天三江紅峰公司研制的生理信號測試盒和心電記錄裝置佩戴在航天員身上,能實時監(jiān)測航天員的呼吸、體溫、心電等生理指標,供地面醫(yī)護人員監(jiān)護分析。

航天科技集團五院研制出中繼終端,成為空間站與地面通信聯(lián)系的重要渠道。儀表計算機應用軟件可以提供空間站各個系統(tǒng)的工作狀態(tài)及航天員身體狀況,成為“智慧大腦”,匯集與三艙有關的所有信息,通過中繼終端傳回地面,供地面團隊進行數(shù)據(jù)分析。

在技術人員精心設計下,神舟十四號載人飛船的回家之旅把握住了“3個度”,即速度、精度和溫度。

本次任務延續(xù)了神舟十三號載人飛船的快速返回模式,返回繞飛地球從18圈縮短至5圈,返回時間縮短近20個小時。

飛船需要從距離地球400千米的地方精準地降落到東風著陸場,難度堪比“萬里中10環(huán)”。為提高返回艙救援定位精度,飛船設計師們通過不斷改進技術,將定位最大誤差控制到百米級,進一步提升搜救效率。

▲ 陳冬是我國首位在軌累計時間超過200天的航天員

神舟十四號載人飛船延續(xù)了自神舟十二號載人飛船開始采用的返回制導方式,即采用預測-校正雙環(huán)制導方式。飛船不用沿著所謂“標準路線”返回,只需一往無前地向落點飛去,既提升了軌道規(guī)劃能力,也提高了返回再入的控制精度和可靠性。

按設計,返回艙以小角度進入大氣層,使航天員身體所承受的過載降到最低。返回艙內(nèi)還安裝了緩沖裝置,航天員座椅會在著陸前開始抬升,使沖擊能量被緩沖吸收,充分保證航天員落地的舒適性。

返回艙再入大氣層時會與空氣發(fā)生劇烈摩擦,艙體表面局部溫度可達上千攝氏度。為此,科研人員在艙體表面設計了防熱涂層,敷設燒蝕材料。當溫度達到一定程度時,燒蝕材料升華脫落,帶走大量熱量。艙內(nèi)溫度基本上維持在26攝氏度左右,航天員在艙內(nèi)不會感到不適,只會通過舷窗看到外面熊熊的火光。

飛船再入過程中,返回艙和大氣層空氣劇烈摩擦,形成包裹住返回艙的等離子區(qū),造成地面與艙體之間信號中斷,這就是“黑障區(qū)”。這時地面無法通過任何遙控方式對飛船進行控制,依靠飛行器全自動處理,監(jiān)測設備確保不會“跟丟”。

在距離地面萬米左右,返回艙降落傘緩緩打開。降落傘由引導傘、減速傘和主傘構成,逐級開傘,減小過載,保護航天員。其中,主傘面積為1200平方米,可以讓飛船的速度降低到數(shù)米/秒。為防止減速傘和主傘張開瞬間承受的力太大,在開傘時會處于半打開狀態(tài),工作幾秒后再完全打開。

此外,為保證航天員生命安全,提高回收著陸系統(tǒng)工作的可靠性和安全性,返回艙上還配置了備份降落傘。飛船一旦檢測到故障,就會按照預定程序切換到備份降落傘工作狀態(tài)。

▲ 兩批航天員在節(jié)點艙激動擁抱

不過,相比前兩次載人飛船返回任務,暗夜與低溫是本次任務的兩大挑戰(zhàn)。

夜晚寒風中,在距離地面約1米高度,返回艙底部著陸緩沖發(fā)動機點火,返回艙穩(wěn)穩(wěn)落地。1支直升機搜救分隊、1支載有傘降隊員的空運機動搜救分隊、1支地面搜救分隊以及著陸區(qū)周邊民兵分隊利用搜救信息系統(tǒng),及時出動。

東風著陸場面積達到2萬平方千米,地形起伏多樣,有許多枯樹、高壓輸電線、低矮建筑、鐵絲圍網(wǎng)等,對直升機夜間降落和人車路線規(guī)劃造成麻煩。

零下20攝氏度的低溫主要影響人員保暖與設備適應性的問題,可能導致機械設備啟動困難、電子設備工作異常、電池續(xù)航能力降低、搜救隊員操作失誤等。為此,東風著陸場對所有野外工作設備進行了抗低溫防護,為車輛加裝了低溫啟動裝置,給通信設備配足了備用電池,著陸現(xiàn)場臨時搭建場所均按8小時供暖標準配齊電力保障設施,讓航天員在著陸現(xiàn)場就能吃熱飯,喝熱水,洗熱水澡。

▲ 神舟十四號載人飛船返回艙著陸瞬間

▲ 返回艙打開艙門

為保證及時找到返回艙,除布設一定數(shù)量的多型雷達,跟蹤測量返回艙軌道并預報落點位置外,返回艙上還安裝了自主標位設備,告訴搜救人員“我在這里”。

找到返回艙后,搜救人員首先對艙體進行狀態(tài)檢查,確認艙外危險源處于可控狀態(tài)。確認無誤后,搜救人員打開艙門,對艙內(nèi)狀態(tài)進行檢查,同時將伽馬源防護蓋蓋上,避免現(xiàn)場人員受到射線輻射危害。

其實,航天員安全出艙后,回收試驗隊仍在忙碌:首先將艙內(nèi)的伽馬源及時取出、封存,接著進行載荷交接,包括科學實驗樣品、航天員個人物品等,再將艙內(nèi)火工品插上短路保護插頭,防止火工品意外點燃,然后將艙內(nèi)電源斷電,最后完成航天員座椅緩沖效果檢查、返回艙信標信號準確度確認等工作。

總之,“神十四”乘組和地面團隊在為期半年的任務中為空間站建設付出了無數(shù)辛勞,在中國載人航天史上留下了濃墨重彩的一頁。

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