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航天员太空会师,中国空间站建造阶段收官之战圆满完成!

闲蛋黄 伊森艾玛 2023-06-22

北京时间20221130733分,神舟十四号航天员乘组(陈冬、刘洋和蔡旭哲)顺利打开“家门”,热情欢迎远道而来的神舟十五号航天员乘组(费俊龙、邓清明和张陆)。“胜利会师”后,中国航天员们在天和核心舱内留下了一张足以载入史册的太空合影。

神舟十五号飞行任务是中国空间站建造阶段的最后一棒,中国空间站首次实现6个舱段组合体结构(天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱以及两艘载人飞船和一艘货运飞船)和6名航天员(56岁的中国首批航天员邓清明,经过25年的等待、坚守与奋斗终于实现了自己的“飞天时刻”)在轨驻留,空间站组合体达到最大规模(总重近100吨),中国空间站将进入长期有人驻留模式。不久后,中国空间站将转入为期10年以上的应用与发展阶段。

太空是人类共同的财富,航天事业是人类共同的事业。中国载人航天工程实施以来,先后与联合国外空司、欧洲航天局、意大利航天局等国家和地区的航天机构开展了广泛交流和合作。

尽管中国航天事业的发展经历了很多波折,还遭到了某些国家的恶意打压,但中国空间站还是向国际社会敞开了大门,乐意接受各个国家的科研项目入驻。中国与联合国外空司合作,对外征集合作项目,不过并不是所有申请的国家都能被批准入驻。我们要求入驻的项目:要能够大幅带动相关技术领域的发展,还要有良好的工程可实施性。而且这些项目不能破坏和平利用外空的原则,不能对空间站构成威胁,此外各国项目申请方还需要自行承担研发经费。

在中方的高标准严要求下,在27个首批申请入驻的国家中,有17个国家的项目被选中,落选率将近40%。最后这17个国家参加的9个项目,正式确认参加中国空间站的科学实验首批入选项目(国际空间站上虽然也有来自很多国家的实验项目,但这些实验机会通常只限于其合作伙伴)。在这9个科研项目中,有7个项目涉及空间物理、天文和太空环境外,有2个项目涉及生物医学。

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空间站的历史演变

人类目前共有四代空间站,我们要建设的相当于是第三代空间站,预期寿命十年,亦可通过维护延期。

上世纪60年代末,苏联因为登月用的N1火箭连续爆炸,知道无论如何是无法打败美国人了,所以干脆另辟蹊径,把空间站的建设提上议事日程。在苏联的设想中,通过建立长期驻人的空间站,可实现覆盖全球的军事侦察甚至潜在的作战目的。在美国还在进行阿波罗登月的1971年,苏联便把极度军事秘密的礼炮一号(Salyut)送入太空,并在后续项目中尝试装载武器。

第一代为实验飞行器性质,仅有一个对接口,意味着一次仅能对接一艘飞船,我国的天宫一号和二号也是类似功能,主要用来验证交会对接、出舱行走、长期在轨驻留等实验,用完就没太大意义了。

第二代为长期驻留空间站,此时已带有两个对接口,一个用来运人,一个用来运货。苏联在礼炮三号上甚至安装了图-22轰炸机自卫航炮作为攻击武器,无奈由于无法解决武器发射时导致的旋转问题被迫放弃。

在苏联压力下,美国方面毅然转向空间站建设。实际上,美国人也是硬着头皮上的,阿波罗计划停了,还剩下几艘阿波罗飞船和土星5号运载火箭。最简单的方法就是用土星5号火箭的第三级改造成空间站,用阿波罗飞船来运送人员。

1973514日,美国通过一枚土星五号运载火箭,将重约80吨的天空实验室送入太空。从性质来讲,天空实验室仅有一个对接口,属于第一代空间站,它无法同时接待货运飞船,当然美国人那时也没货运飞船。而且,无论是运载火箭还是空间站(载人飞船还是阿波罗登月飞船),都极其昂贵,所以前后接待了三批宇航员后,197428日,项目就关闭了。

在美国天空实验室任务周期内,苏联官方提出了第三代大型空间站设想,即和平号空间站的前身。和平号的最大特点是模块化组装,降低了每次航天发射的载重需求,每一个模块具有完全不同的独立功能。苏联解体后,新成立的俄罗斯重新恢复了与美国的航天合作,和平号也因为美国航天飞机的合作而修改了建设方案(比如撤销了苏联暴风雪号航天飞机的后续建造计划),新增了光谱号、对接舱和自然号三个舱段。

和平号空间站是礼炮号系列空间站的技术结晶,作为国际空间站发射前全球最重要的空间站,奠定了多舱模块化组装、积木式结构方式搭建长期可驻留空间站技术的发展思路。和平号实现了83.2%生命周期内驻人(4592/5519天),共计接纳了来自12个国家的135名宇航员在此工作与生活,完成了78次出舱行走并完成海量实验,我国的天宫也是按照这个思路来进行设计的。

苏联计划发展和平号空间站的同时,美国也在设计发展自家的自由号空间站(Freedom)。他们设想的是舱室必须随时能替换。如果到寿命了,那就换一个。如果像和平号那样的结构,空间站想造大一点都不可能,哪个舱坏了,老化了,也无法更换。那怎么办呢?用一系列的桁架组成个日字形,然后把舱室都挂在桁架上。

随着苏联解体、俄罗斯建国,二者的空间站方案一拍即和,决定共建一个空间站,这便是1998年运行到今天的国际空间站。它是个标准的第四代空间站,桁架结构。可是桁架式结构运输和搭建都是个问题,好在美国人研发了航天飞机。这东西就是个客货混装的大卡车。拉上钢筋和建材送到国际空间站,靠宇航员太空行走搭建。

经过后续实践,NASA自由号空间站计划搁置,只保留了一根桁架当扁担,不再提日字形结构了。空间站的舱室还是用类似于和平号的搭积木方式,和桁架构成了一横一竖的结构。

国际空间站重480吨,始建于1998年,耗时12年时间建成。共有16个国家联合参与,虽是群策群力,但以美国和俄罗斯为主,设计上有许多不合理的地方。比如说,用于舱段对接的宁静号节点舱规模有19吨,可真正用于科研实验的舱段也只有3个,也就是命运舱、哥伦布舱、希望号实验舱。

中国空间站小是小了点,但麻雀虽小五脏俱全。而且中国空间站完全由我国自主建造,实现了产品、部组件、原材料全部国产化,关键核心元器件100%自主可控。从2020年开始,耗时两年很快就完成了。

随着技术的进步,我们的设计也有了更多的发挥空间。比如我们用的太阳能电池也比国际空间站的效率高。天宫两部大型太阳能柔性电池翼应用了“三结砷化镓电池”,可以达到30%的转化率(国际空间站的太阳能电池板效率只有15%),两部电池翼加上核心舱电池翼发电功率可达100千瓦以上,也够用了。

原本我们是打算在空间站上装台巡天望远镜的,但后来发现,空间站产生的振动对望远镜拍摄照片有干扰,干脆就把这台望远镜做成了一台独立的光学舱,平时和空间站是脱离的,可以拉开一段距离共轨飞行,如果需要检修一下,那就可以靠过来,和空间站对接,让宇航员们维修。这个设计思路就挺巧妙的。

最重要的是国际空间站快要到寿命了,NASA打算给国际空间站延寿,多撑几年是几年。可俄罗斯已明确表示,计划在2024年后退出国际空间站。负责国际空间站轨道姿态和高度,主要是俄舱段。美国天鹅座飞船、龙飞船虽然也具备提供轨道和高度调整的能力,但这些都是应急措施,维持不了太久。

俄罗斯早有建造自己独立的空间站的想法,而且俄舱段设备比较完整,功能比较完善,但想要独立运行,需要资金支持,而俄罗斯缺的恰恰就是资金。有人说,让俄舱段和我们的舱段对接,这个也不太可能。一方面是因为对接口都不一致,无法对接。另一方面是,与我们对接后也需要重新计算姿态,否则也可能会出现翻滚的现象。

不管怎么说,中国的天宫空间站会向全世界各国开放。以后,会有越来越多的外国航天员入住“天宫”。虽说操作系统支持多语种不难,但学习中文,还是很有必要的。

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