中国空间站迎来首批“常驻民”

2021年06月17日 10:32 次阅读 稿源:虎嗅网 条评论

今天上午,我国3名宇航员聂海胜、刘伯明、汤洪波乘坐“神舟十二号”载人飞船前往悬于地球轨道400KM的“三室一厅豪宅”——“天宫号”空间站,成为首批“常驻民”!北京时间6月17日6:30,3名宇航员参加出征仪式(右手携带的是给航天服通风的风机),然后进入发射塔,从左到右为:汤洪波、刘伯明、聂海胜。

北京时间6月17日7:00左右,3名宇航员在发射塔第九层等待进入“神舟十二号”飞船“返回舱”。这是聂海胜第三次参加载人发射,曾参与过“神舟六号”(2005年)、“神舟十号”(2013年)发射任务;刘伯明是第二次参与载人发射,上一次是“神舟七号”(2008年)发射任务。汤洪波是首次参与载人发射。

北京时间6月17日7:10左右,3名宇航员进入“神舟十二号”飞船“返回舱”做最后准备,再次熟悉飞船操作手册,从左至右为:刘伯明、聂海胜(指令长)、汤洪波。

北京时间6月17日9点22分27秒,长征二号F遥十二运载火箭点火,2.6秒后火箭腾空。预计“神舟十二号”载人飞船将在6小时内,实现与“天宫号”核心舱“天和”进行快速对接。

这次载人发射任务对我国空间站的构建至关重要,主要有4大特点。

一是验证天地运输的载人火箭和飞船的整体性能。

长征二号F运载火箭的可靠性和安全性不必多说,已有足够多的实践验证。它是中国航天员的“专属火箭”,绰号“神箭”,也是我国唯一的载人运载火箭,可以将8.6吨的有效载荷送入近地点200公里、远地点350公里的近地轨道。从1999年服役至今,它几乎没有败绩,此前将5艘无人飞船、6艘载人飞船、1个目标飞行器和1个空间实验室送入太空,创造了100%成功率的完美飞行记录。

“神舟十二号”作为空间站的首艘载人飞船,相比此前神舟系列飞船,主要在交会对接技术上有所提升,能在轨停靠180天,另外返回时会首次启用载人飞船应急救援任务模式。

神舟十二号飞船示意图,由3部分组成,从上到下为:轨道舱、返回舱及推进舱。

宇航员去往空间站和返回地球时乘坐“返回舱”,它是飞船的控制中心,各种通讯设备都集中在此。“轨道舱”是宇航员的生活场所,携带300公斤载荷,包括一些科学实验的样品,新鲜蔬菜水果等物资。“推进舱”主要提供电源和推进剂,储存有氧气罐和水罐,以及2个太阳能电池阵。

神舟十二号飞船将在入轨6小时内与“天宫号”空间站核心舱进行对接,其过程示意图。

二是验证航天员在空长期驻留的保障技术。

这次3位宇航员们将创造新的飞行时长记录。他们将在“天宫号”空间站驻扎3个月,与地球同步作息,每天工作8小时,大概中秋节前后返回地球。此前的记录保持者,还是5年前乘坐“神舟十一号”飞船的景海鹏和陈冬,他们在“天宫二号”和“神舟十一号”组合体内驻留了32天。

航天员长期处于失重环境中,不仅行动不便,每天还需锻炼至少2小时,才能缓解因微重力环境造成的骨密度降低、肌肉萎缩、红细胞数量减少等健康问题。所以,这次也是对空间站“宜居性”的大考,尤其是水、氧气等生存必备资源的再生生保,生活物资补给,以及航天员的健康管理等。

在5月30日发射的“天舟二号”货运飞船,把宇航员们的“粮草”早就准备好了,包括160余件货包、200多件货物、2吨推进剂等,涉及到航天员的食物、维修备件,以及一些科学实验载荷。“天舟二号”上的货品等三位宇航员抵达空间站之后,就能被取出安装。等所有任务完成了,它就带着空间站上的各种垃圾返回到预定海域的大气层进行自我销毁。

5月30日清晨5时左右,“天舟二号”货运飞船在成功发射约8小时后,实现“万里穿针”,与中国空间站天和核心舱顺利实现了快速交会对接。

三是验证航天员出舱活动的可行性。

虽然早在2008年,我国航天员就实现了出舱行走,但这次的难度不可同日而语。三位航天员的挑战主要在于,要在复杂的近地轨道环境中,首次跟机械臂配合,进行更多的设备安装、维修维护等操作。

近地轨道高真空、超低温、原子氧辐照、紫外辐照、高能粒子辐照等并存,空间站外部的太阳池板很容易出现故障,另外为了延长空间站的使用寿命,空间站70%的零部件可更换,所以空间站的精细维护和保养,需要宇航员有很多舱外工作。

好在机械臂能帮助宇航员减轻一部分负担。空间站机械臂由7个关节、2根臂杆、2套延长件、2套末端执行器及相机、1套中央控制器及肘部相机组成,按照3+1+3构型形成整臂,全长10米并可扩展到15米,产品设计寿命15年、负载能力25吨、末端定位精度45毫米。

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可以说,它算是国内智能程度最高、规模与技术难度最大、系统最复杂的空间智能制造系统,核心部件全部实现国产化。它可以配合宇航员工作,以及自主监控飞行器,对目标物进行抓取,还能自己在空间站表面移动。

四是将首次检验东风着陆场的搜索回收能力。

这次载人飞船的返回舱着陆点将从内蒙古四子王旗调整到东风着陆场,首次开启着陆场系统常态化应急待命搜救模式。东风着陆场紧邻巴丹吉林沙漠,约2万平方公里,以沙漠、山地、草湖、戈壁为主,地貌比较复杂。飞船降落后定位并不难,难的是如何快速找到、并安全地运出去。

这需要非常接地气的地面搜索回收能力,包括沙漠驾驶、道路勘查、直升机滑降、吊车操作等。去年5月份新一代载人飞船试验船返回舱落地东风着陆场后,酒泉卫星发射中心搜索回收分队使用了蟒式全地形履带车、吊车等多种运输工具才将其连夜运回厂房。

这次“神舟十二号”载人飞船发射成功后,“天宫号”空间站将完成主体的“一字型”结构,由“天和”核心舱、“天舟二号”货运飞船、“神舟十二号”载人飞船构成。接下来还会发射两侧的实验舱“梦天”和“问天”,以及载人和货运飞船。

“天和”核心舱的空间大约50立方米,主要供宇航员的生活起居,以及部分科研试验。生活区内有独立的睡眠区、卫生区、锻炼区,还配有太空厨房及就餐区。未来加上两个实验舱后,整体空间将达到110立方米。

每位航天员都配置了一台手持终端和平板电脑,可以通过App调节舱内的照明环境、睡眠模式、工作模式、运动模式等,还能用电脑对舱内设备进行工作和监测,甚至连上“WiFi”,与我们一样网上冲浪。

今明两年内,我国将进行11次跟空间站相关的发射,包括3次空间站舱段发射、4次货运飞船以及4次载人飞船发射,之后前往太空站的中国宇航员能驻留6个月之久。预计到2022年年底,中国空间站将结束构建阶段,形成“T”字形构造,进入正式使用阶段,使用寿命为10年以上,可以支持大量科学研究和实验。

漫长的准备

上世纪美苏太空竞赛中,空间站一直都是竞争的主战场。1971年苏联发射“礼炮1号”空间站后,在后续15年内共发射了8个空间站,包括3个军用空间站,5个科研实验空间站。美国的第一个“天空实验室”空间站也在1972年成功发射,但美国当时的路线是先重点投入可重复使用的“航天飞机”,以降低昂贵的运输成本。

苏联解体后,国际形势大变。1998年美国与俄罗斯联合其他14个国家开始共建国际空间站(ISS),并在2011年完成最后组件安装,2024年前后退役。遗憾的是,从90年代开始,中国一直被国际空间站排斥在外,但也早有自建空间站的打算。

1992年9月21日(921工程)被国家敲定之后,就有了“载人航天”三步走战略,空间站作为一种可以支撑人类在太空长期工作、生活的航天器,也被囊括其中。

这三步走包括:

第一步,发射载人飞船,建成初步配套的试验性载人飞船工程,开展空间应用实验;(199年-2005年,“神舟一号”到“神舟六号”,实现载人返回。)

第二步,突破载人飞船和空间飞行器的交会对接技术,发射空间实验室,解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题;(2008年-2017年,神舟系列继续突破载人技术,“天宫一号”、“天宫二号”实验室进行太空舱技术验证,“天舟一号”货运飞船验证补给运输)

第三步,建造空间站,解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。 (2018年至2022年,“天宫号”空间站全面构造。)

由下图可以看到,全球比较重要的跟空间站或实验性空间站相关的发射时间点。

“天宫号”空间站的构建看起来在今明两年密集发射,实际上为此已做了20多年的准备。从1999年的试验飞船“神舟1号”发射以来,逐渐突破了近地太空探索的“三座大山”:载人天地往返、宇航员出舱活动和空间站组件的交会对接。因为空间站是一个需要货运飞船、载人飞船、空间实验室等多方技术的综合体,尤其是在美国空间技术封锁的条件下,我们走得虽然走得慢了些,但还算稳健。

如果跟已经更迭到了第四代的国际空间站相比,“天宫”空间站只能算是第三代空间站。

第一代空间站是指,前苏联在上世纪70年代-80年代发射的“礼炮1号”至“礼炮5号”空间站。他们都属于实验性空间站,只配备了一个对接口,每次只能与一艘飞船对接,所以空间站只能携带有限的氧气、燃料和食品等物资,宇航员无法长期驻留,运行寿命也很短。“礼炮1号”在轨运行175天就坠毁了,3位宇航员在上面只工作和生活了24天。

“礼炮1号”

第二代空间站则做了更多的改进,属于搭积木式的实用性空间站。“礼炮6号”、“礼炮7号”就是典型的第二代空间站。它们有两个对接口,载货、载人分开,宇航员的在轨时长、核心舱的使用寿命大大延长。

“礼炮7号”

“礼炮6号”先后对接了35艘飞船,分16批次接待了来自9个国家的33名航天员,共工作683天,出舱活动3次。“礼炮7号”类似,对接了21艘飞船,2个空间站舱体,分12批次对接了31名航天员进站工作816天。

第三代空间站的不同之处在于,苏联建造了首个长久性模块“和平号”核心舱,它就是一个大型的可居住的科学实验室,有10多个对接口。“和平号”在1986年发射后,1996年才完成所有组件安装,形成了一个长约87米,总重130吨的庞然大物,直到2001年坠毁,共在轨5510天。期间来自12个国家的104名宇航员曾到“和平号”驻留,完成了24个国际性科研计划和2.2万次科学实验。

第四代空间站则是苏联解体后,由美国、俄罗斯、日本、加拿大、欧洲、巴西主导,联合其他十多个国家共同建造的国际空间站(ISS)。它是衍架结构和积木式的“混血”结构,其构建目的不仅是建设实验室、观测台、工厂,还要为远空探索提供中转服务。在1998年发射核心舱后,又花了13年才安装完所有组件,长88米,宽108.5米,高44米,重约440吨,相当于一座七层楼高的小型体育场。

我国即将建好的“天宫号”空间站基本规模达到66吨,虽然体量无法跟ISS相比,但“麻雀虽小、五脏俱全”。2022年之后,“天宫号”还会部署巡天望远镜,其视野将是哈勃太空望远镜的300倍,另外,空间站的规模还会再次扩展,包括核心舱、实验舱,最大规模可达180吨左右。这对后续我国的远空探索,如去月球勘查、火星取样等都会带来不少便利。

2021-2035中国大型深空探测和载人航天工程项目规划:

2022年建成长期有人照料的载人空间站

2023年前后实施嫦娥七号极区环境与资源勘查;

2024年前后实施嫦娥六号月球极区采样返回 2024年发射巡天CSST空间望远镜;

2025年实施近地小行星取样返回和主带彗星的环绕探测;

2025年前后载人空间站二期工程 2026年实施载人绕月飞行任务(技术关深);

2027年前后实施嫦娥八号月球极区资源开发利用验证;

2028年前后实施火星取样返回任务(技术关深);

2028年实施金星绕飞着陆探测任务(项目未立项 方案处于预研状态);

2029年实施木星系及行星际穿越探测任务(技术关深);

2030年前后实施载人登月任务 (技术关深);

2031年前后实施海王星探测及飞出太阳系(项目未立项,方案论证状态);

2033年前后实施天王星探测(项目未立项,方案论证状态);

2035年前后建成有人/无人月球科研基地。

另外,我国空间站其实还有后发优势,随着ISS在2024年之后逐渐退役,“天宫号”将会是全球唯一的空间站,ISS的一些商业运营经验,也有很多可借鉴之处。

“最贵”的实验室

空间站最主要作用是做实验,也是很多科学家梦寐以求的理想实验室。去年《自然》杂志统计,宇航员在ISS上进行了大约3000次科学实验,主要集中在生物及生物技术、技术开发、教育活动、人类研究、物理科学、地球和空间科学这六大领域。

空间站上的大多数科学实验旨在研究物体在微重力下的不同运作方式,如火焰燃烧的方式或小鼠细胞的发育方式,以了解这些经验是否可以应用于地球上的新技术或药物研发。其他实验则利用空间站在低地轨道上的位置,俯瞰地球或眺望太空。

NASA 也统计过从1999年到2020年10月份,与ISS相关的期刊论文等共有2850篇,涉及到5000多位科学家,而且这些发表期刊论文平均年增长率为17%。

ISS自成立至2020年的学术出版文献和引用情况

可以看出,ISS的实验能力从2010年建造完工之后才有实质性的进展,其实主要还是受制于运载火箭的成本,以及太空环境对人体质的严苛要求。ISS 第一个十年(2000-2010 年)以及第二个十年(2011-2020年)相关出版文献的主题关键词分析也可以看出,最核心的关键词还是微重力、基因表达相关。

“天宫号”构建完成后,相信也会在相应的科研领域取得更多突破。另外空间站是一个投入非常大的低空基础设施,为了减轻其运营成本,NASA也有一些先行经验。

公开数据显示,ISS第一个10年的建造阶段,各国累积投入高达1551亿美元,其中美国1311亿美元(直接投入724亿美元,航天飞机费用587亿美元),俄罗斯120亿美元,欧空局50亿美元,日本50亿美元,加拿大20亿美元。“天宫号”空间站的投入大约为600亿人民币,也是一笔不小的投入。

但从投资回报来看,目前还没有看到太多明确的效益,不管是科研用途还是商业用途,都无法短期证明其前景。空间站的构建和正常运转,本身就是一件了不起的成就,甚至一定程度上,远超在里面做科研所取得的成绩。

NASA为了降低运输成本,直接扶持了SpaceX,让其能在洛克希德·马丁、波音等巨头,甚至是俄罗斯、欧空局等国家队面前分食。这种方式为NASA能实现一次性送4-6名宇航员去往ISS(此前都是3名左右),而且每位宇航员能至少停留6个月,科研时间也能翻倍。

NASA每年在ISS上的费用高达40亿美元,约占总经费的五分之一,于是在2018年直接宣布将于2025年终止对国际空间站的直接支持,并将其交给商业公司运营。为了充分利用ISS的美国舱段,NASA委托空间科学促进中心(CASIS)面向全美的征集各类空间科学项目和商业项目。

比如Teledyne Brown Engineering公司就在2017年在ISS上安装了遥感平台MUSES,该平台预计将具备430亿美元的市场规模,同年ISS美国舱段新增了76个载荷,其中一半以上都是由商业合作公司制造,一定程度下降低了NASA的运营成本。

总体来说,ISS也计划在2024年后成为商业空间站,但大多还在前期探索,主要有5类商业化的尝试:

1) 吸引商业公司合作开展医学、生物、材料领域的研究;

2) 吸引商业公司为国际空间站开发硬件设施,如外太空研究平台、气闸舱、遥感相机等;

3) 作为星载设备的试验田;

4) 开发太空旅游;

5) 构建商业空间站。

中国虽然国情不同,航天发展一直都是“集中力量办大事”,而且航空航天体系相对比较封闭,民营企业作为承包商的机会不大,作为零部件的供应商还是有希望。目前我国空间站也有了初步的合作方式,第一批的合作项目已经有了结果,来自17个国家、23个实体的9个项目成功入选。

合作方式主要有三种:

一是外方独立或与中方联合研制的实验或试验装置,可安装在预留的国际合作机柜空间内,开展实验或试验应用;

二是外方独立或与中方合作提出实验方案,利用我方已规划研制的相关领域应用机柜内对装置开展实验或试验应用;

三是外方独立或与中方合作研制舱外载荷,安装在预留的舱外载荷适配器上,开展相应试验或实验应用。

相信在2022年“天宫号”空间站投入使用后,随着ISS的老化,“天宫号”的重要性会逐步体现,越来越多的企业、机构、个体,都能加入到这场太空拓荒中,将近地轨道市场变成一个与普罗大众更强相关的事情。

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