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建设空间站与探索火星、月球相比,谁的意义更大?
来源 | 航天火焱 2021-05-04 13:30
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2021年4月29日,搭载空间站天和核心舱的长征五号B遥二运载火箭,在我国文昌航天发射场点火升空。约494秒后,天和核心舱与火箭成功分离,进入预定轨道。12时36分,核心舱太阳能帆板两翼顺利展开并正常工作,发射任务取得圆满成功。这也标志着中国空间站在轨组装建造全面展开。

相比于人类对月球、火星以及黑洞等天体的探测,空间站往往显得不是那么“显眼”。空间站究竟是做什么的?宇航员在上面的生活是什么样的?

本期《十问十答》栏目邀请中国航天系统科学与工程研究院航天战略高级研究师张京男,全面起底空间站。

(图片来源于网络)

Q1:什么是空间站?主要是用来做什么的?

空间站(英译为Space Station),从字面意思我们可以理解成是太空中的一个平台或者站,这个站是一个用来在太空中进行一系列太空活动的平台。因为太空中有些特殊的环境是人类在地面上无法模拟和感知到的,例如完全失重的状态、真空中的宇宙射线、从太空中观测宇宙、人体因身处太空而发生变化等,使用并研究这些环境就必须真正身处于太空中。而这项工作的开展往往不是一两个小时或者一两天就能够完成的,大部分实验需要一两个月甚至常年在太空里,这时就需要一个有人照料的常年的实验环境。

因此,空间站不仅需要提供试验的基本环境,还要具备让宇航员在上面长期生活和工作的舱室空间,以及各类安全防护设施等等。可以说,空间站就是一个微型的生态环境,能够在宇宙中提供一个可长期运转的大的封闭孤立的空间。利用这种与地球表面完全不同的太空中环境,可以产生各种意想不到的效果,例如太空育种可将植物的种子送入太空进入空间站或者返回式卫星,在失重、宇宙辐射、真空等环境下使种子基因发生变异,送回地面再进行生长就可以让果实变得更大;同理,在空间站里还可以制造出比在地球表面制造纯度高得多的大块半导体晶体,等等。

也有人问:在地球上模拟太空环境,不是同样可以做实验吗?如果在地球模拟太空环境是永远无法获得长时间失重的。相对而言比较接近失重的模拟是在水下模拟太空环境,但这仍然是一个重力与浮力平衡的环境,而非失重。即使在地面上模拟出真空环境,也无法模拟出宇宙射线的照射,因为宇宙射线穿过大气层之后,已经发生了变化,不再是真正的宇宙射线状态。而真正的失重和宇宙空间环境只有在空间站上才能获得。

Q2:国际上的知名空间站有哪些?

在此次发射中国空间站核心舱之前,从1971年4月到现在,国际上经历了四代空间站的建设,其中前三代由前苏联完成,现均已退役,虽然是三代,但由于当时处于人类航天发展的初期,技术成熟度不高,且当时主要是前苏联单独开展工作,因此空间站的能力差距并不太大,且技术不成熟,容易出现大小各类故障和事故。而第四代则是目前仍在轨工作的、也是工作时间最长的国际空间站(ISS),工作时间已经超过了20年。

第一代空间站是前苏联在美苏太空竞赛期间的产物,即礼炮1号、2号、3号、4号、5号,它们都只能对接一艘飞船,最长在轨工作时间为412天。作为人类首次建设空间站,虽然有着各种不足,但起码解决了有无的问题,把人类社会带入了空间站时代。这也是美苏争霸期间,在前苏联首个宇航员进入太空、美国首次完成载人登月之后,两国之间竞争创造的又一个航天领域第一。

第二代空间站是前苏联的礼炮6号、7号空间站。礼炮6号在轨工作了1760天,大约5年,而礼炮7号则工作了长达10年。第二代与第一代虽然都是礼炮系列空间站,但在功能和可靠性方面远远超过第一代空间站。

礼炮系列空间站是人类首个真正意义上在轨运行的空间站,它首次完成了在太空中进行的一系列试验,包括:宇宙观测、地球大气观测、生物医学和工艺测试等,验证了人类航天科技能够实现空间站实验这一基本概念。

第三代空间站是前苏联的和平号空间站,在轨工作了15年。其曾与俄罗斯的联盟载人飞船和进步货运飞船对接,也曾参与完成与美国航天飞机的对接。

和平号空间站实现了多模块对接,成为首个能长期有人居住并在轨运行的空间站,使人类活动能够在太空持续进行。和平号空间站在整个寿命周期内共完成了2.2万次试验,共有来自12个国家的135名宇航员在此生活和工作,这使人类空间站运行的规模和能力都达到了一个新的高度。

第四代空间站是由美国和俄罗斯联合主导、共计约16个国家共同参与建设的国际空间站(ISS)。由于在轨时间长,且各国参与度高,其在轨期间完成了大量丰富的试验,为人类科学发展做出了巨大的贡献。国际空间站也首次实现了多国共同提供的关键运输系统,例如欧洲ATV货运飞船、日本的AYV货运飞船、美国货运飞船均可运输货物抵达国际空间站。国际空间站是目前人类开展的规模最大的一项航天系统工程,目前总重量约为420吨,建设成本超过了1000亿美元,建成后每年都要花费约40亿美元维护,其中大部分费用由美国支付。

虽然国际空间站目前运行较为顺利,但其也正面临着退役问题,大概率会在2030年前退役。国际空间站由美国和俄罗斯主导,从上世纪90年代开始陆续建设,经过十几年的时间边使用边建设完毕,又经历了十几年的运营,直到现在,开始过起了“缝缝补补”的日子。

由于使用年头过长,国际空间上的设备和部件大部分已经老化。近期就曾因站内某处一个小的漏洞,使得舱室内气压有一定的下降,给宇航员在轨生存带来隐患。不过好在经过各种不留死角的排查之后,发现了漏洞的位置并进行了修复。

目前国际空间站各种修补越来越多,导致运行的经济成本上升。美国目前为了维护国际空间站的正常在轨运转和各种工作,每年仅本国的预算投入就需要30亿美元左右,因此,美国和俄罗斯方都在考虑,未来如何为空间站寻找新的出路,目前美国是希望能够通过商业公司在轨建设商业空间站,而俄罗斯则打算自己独立建造一座空间站,但这些都是比较久远的考虑。

我国的天宫空间站在4月29日开始陆续发射入轨,这将开启人类新的空间站时代,进一步开展各类太空实验,并通过国际合作惠及各个国家。

Q3:空间站的寿命一般是多久?报废之后是降落到地球,还是成为太空垃圾?

随着航天科技的发展,空间站在轨工作寿命会越来越长,从上世纪70年代第一代空间站的约1年左右,到现在的第4代国际空间站,已经在轨工作了20年。

我国天宫空间站设计寿命周期约为10年,一方面是考虑到更新换代,另一方面如果维护好并且需要继续使用的情况下一定会延期工作,但空间站在轨工作时间过长就容易出现故障,这会大大增加在轨工作的风险,并且增加维护成本。

报废也就是退役,那时空间站会主动减速,速度降下来后会在地球引力作用下坠入大气层,由于速度越来越快,高速会使空间站与大气分子剧烈摩擦产生高温。空间站会在高温下分解或者燃烧,未分解或燃烧完的部分往往会落入大海,多为太平洋。整个退役后的坠毁过程和路线均为设计好的,按计划进行一般不会成为太空垃圾。

Q4:建设空间站需要哪些核心技术?

空间站首先需要从地面发射进入到离地面上空约400千米的近地轨道,因此大型运载火箭必不可少,我国主要是使用长征5号B运载火箭,美国是航天飞机,俄罗斯是用质子号运载火箭来用于运输空间站大型舱段。

空间站进入轨道后要保持正常工作,就需要具备一系列的关键能力。首先是密封,空间站内部是充满空气的加压环境,只有与地面环境基本相似,宇航员才能适应,而整个大型舱体的密封需要百分之百的严密,确保空气不会泄露。

另外就是太阳能供电。空间站在轨工作所需电力几乎都来自太阳能,所以空间站太阳能电池板必须朝着太阳实现不间断持续充电。

其次还有轨位保持助推的因素需要考虑。由于空间站运营一段时间之后轨道会发生变化,为了让空间站一直在正确的轨道上绕地飞行,需要在轨道发生偏离时(往往是空间站略有下降)启动空间站上的助推器,将空间站推回至正确的轨道。

Q5:目前太空垃圾问题越来越突显,我国天宫空间站在轨运行是否会面临被撞击风险?

太空垃圾一词一般指的就是航天工程领域中的空间碎片,Space Debris,泛指地球轨道上无用的各种人造物体,既可以是一个完成的系统,也可以是系统破碎后产生的残片。由于在轨道上绕地飞行的各种航天器的线速度极快,常常在第一宇宙速度即7.9km/s以上,物体之间的相对速度可能超过这个速度,也可能小于这个速度,存在各种可能,因此空间碎片若撞上正常工作的卫星、空间站或者飞船,很容易对其产生毁灭性的破坏。

这种碰撞主要是物理碰撞,可穿透航天器整个结构。有一部名叫《地心引力》的硬科幻电影,情节中设想了国际空间站在遭受到空间碎片打击后解体,而其中幸存的宇航员历尽艰险从轨道上乘坐飞船返回地面。电影呈现了空间碎片,也就是太空垃圾,对空间站带来的灾难性后果。实际中,这种碎片也时常干扰正常的航天活动。4月23日美国SpaceX公司的龙飞船在NASA第二次正式载人运输任务中送4名宇航员前往国际空间站时,就有一个空间碎片从飞船旁边快速飞过,险些相撞。如果撞上龙飞船,后果不堪设想,而这么多年来这种近距离的“擦肩而过”也时有发生。我国天宫空间站建设和运营过程中同样会面临空间碎片带来的撞击威胁。随着人类航天活动越来越多,产生的空间碎片也会越来越多。

除了空间碎片,近地轨道在轨飞行的正常工作的卫星也越来越多,尤其是微小卫星。这些情况的出现都会大大增加在轨碰撞的风险,尤其是失控的、自行解体或碰撞解体的卫星,会产生大量不可预测的轨道碎片从而带来风险,人类在轨的航天系统还无法完全避免这些风险,无论是国际空间站还是我国的天宫空间站,都只能时刻提高警惕。

Q6:我国的天宫空间站,大概相当于美苏(俄罗斯)第几代空间站的水平?为什么我国空间站建设方案采用了相对较小的规模?

单看空间站的质量,我国空间站建设目标规模确实不大,三舱的基本型质量约为90吨,最大可扩展为180吨。这和目前420吨的国际空间站甚至前苏联123吨的“和平号”空间站相比,在质量上有较大的差别。

这一方面和我国空间站发展所处的阶段有关,因为我国首次建设长期在轨运营的空间站,各方面仍需积累经验,所以当前重点关注的是如何能够安全可靠的持续推进,另一方面,空间站建设规模越大,成本和风险就会越高,我国空间站长期在轨的舱段是1个核心舱和2个实验舱,通过3次发射即可建成。而今在轨运行的国际空间站舱段复杂,通过几十次、十几年的发射运输才完成建设,初期建设成本超1000亿美元,后续每年也需要每年耗资40亿美元来维护。

因此,对我国来说重要的不是规模和耗资,而是性价比,尽量用最少的代价完成最多的科研活动并形成成果。所以没有必要在规模上过多在意,我国目前的天宫空间站建设模式能够完成未来10年左右的太空实验以及各项工作,未来随着科技发展,空间站也会面临更新换代。

Q7:天和核心舱有哪些技术是中国独家的?世界领先的?

单就核心舱而言,“天和”核心舱的独特之处在于自带了机械臂。之前的“礼炮”号、“和平”号以及国际空间站都不是核心舱直接自带机械臂,国际空间站使用的加拿大的机械臂也是后续发射任务中携带上去的。这主要和我国的空间站建设模式有关。我国空间站独立自主建设,任务统筹规划,机械臂与核心舱系统集成工作相对容易,同时我国空间规模设计以简洁实用为主,因此机械臂与核心舱集成发射有利于快速建设和应用。

另外“天和”核心舱也是世界上首次引入电推进动力的核心舱,装有4台lht-100型,推力80毫牛的霍尔电推进发动机。空间站上的动力系统主要用来保持轨位。而电推进目前的主要用途在于通过持续提供微小推力,实现卫星系统的轨道爬升和轨位保持。对于空间站这种质量较大的在轨系统,虽然电推进推力过小,作用有限,但可以充分验证电推在空间站上的应用,这将是一次重要尝试。

Q8:为了让宇航员生存,空间站内部做了哪些工作?

空间站内部为了尽量模拟出地球表面人类的生存环境,首先是进行了站内全密封的空气加压,让人体感觉到就像是在大气层内压力环境下生活一样,这是最基本的生存条件。

二是站上会有宇航员的健身设备和器材。因为长期的失重环境会对人体带来一定的负面影响,所以宇航员在站内生活工作必须有健身活动,以保持人体肌肉不会萎缩,尽量减少钙质流失。

空间站可以模拟地球重力,使用一个大型的离心转动机构,保持适当的转速,那么离心机构进行圆周运动的部分就会出现重力效果。

Q9:长期在空间站工作生活,会对宇航员产生哪些负面影响?

长期在站内工作是指连续在站内停留6个月甚至更长时间。首先是人体很难适应长期的失重体感,即使是经过长期训练的宇航员,也不容易承受,压力也会很大。其次就是长期在封闭空间内,人的精神压力较大,没有了地球上生活中的各种娱乐和社交,人会觉得很压抑,这对人考验也是极大的。因此,这需要宇航员在站内工作一段时间后返回地面,与下一批宇航员轮换在轨工作。

失重状态下,人体肌肉容易萎缩,血液在无重力下涌向心脏和大脑对其形成较大的压力,并且骨质容易出现钙流失等现象,这些都是习惯了有重力作用的人体循环系统,在无重力作用下产生的负面作用,其会对人体器官功能造成较大的损伤。

历史上在太空中连续生活和工作时间最长的人是俄罗斯宇航员波利亚科夫。1995年3月22日,他从“和平”号空间站返回地面,在太空中连续停留了437天17小时58分17秒,至今仍无人打破。

一方面,这和波利亚科夫的医生身份有着很大关系,他是俄罗斯生物医学研究所副所长、宇航指挥中心负责医疗的副主任。为了研究太空对人体的影响,波利亚科夫在空间站上全身心地投入工作。

另一方面,要经受这种长时间在太空对人体的考验,就必须进行各种体能训练,同时还要通过特殊设施对宇航员肌肉和骨骼施加压力促进人体血液循环,另外为了缓解肌肉萎缩,还采用弱的交流电电击刺激肌肉。

通过采用种种措施,才保证了波利亚科夫医生在自身健康状况良好的基础上完成了一系列关于太空对人体影响的科研工作。他返回地面后不久,俄罗斯时任总统叶利钦对他授予了“俄联邦英雄”的荣誉称号。波利亚科夫当之无愧,因为他完成的工作大大推进了俄罗斯航天医学的发展,确立了当时俄罗斯在该领域的国际地位。

除了这位单次在太空停留时长的记录保持者之外,前苏联也是俄罗斯的宇航员克里卡列夫创造了累计在太空中时间最长的记录——803天9小时39分钟!这一记录至今也无人打破。他的经历更加传奇,他曾在1991年的任务中在“和平号”空间站上停留了311天,远超原计划,因为当时恰逢苏联解体,苏联变成了俄罗斯,而他和另外一名宇航员被遗忘在了太空。当他们返回地面时,由于计划外承受宇宙辐射、失重等环境,心理上也承受着极大的压力,身体非常虚弱。

Q10:空间站与探月、探火(星)相比,哪个意义更大?

个人认为,相比之下,空间站的发展意义更大。因为月球探测和火星探测主要意义是认识地球外部天体、认识宇宙,是认知未知世界的活动。目前,短期内对月球和火星的探测无法直接或者间接惠及地球上人类生活,只能停留在触及层面。但对空间站的建设和发展就不同了,人类能够长期在站内生活,并进行各种试验,这些试验的结果和结论都会直接转化用在我们眼前的学科发展、社会生活中的,可以比较直接地促进生物科学、材料科学、天体物理学等发展。而在空间站发展过程中的航天系统工程经验还可以转化用于探测月球、探测火星,例如空间站的载人飞船、货运飞船改装之后可以用于未来载人登月、载人登火。

空间站的在轨动力系统是太空环境下工作的动力系统,其关键技术例如太阳能电池、太空电推进等技术,这些工程经验和技术都可以用于其他深空探测活动。因此,空间站可以看作是地球与其他深空空间之间的一个纽带,既有利于当前人类文明的发展,又为未来人类走出地球打下了坚实的基础。因此,空间站建设的意义要更大一些。但这并不代表探测月球和探测火星就不重要或者应该滞后发展,因为这几方面完全可以并行发展,可以相互促进,它们之间并不矛盾。

作者/中国航天系统科学与工程研究院航天战略高级研究师 张京男

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