“天和”升空!中国空间站建设大幕开启

2021-04-29 18:11:40 172

南海之滨,椰风习习。4月29日,中国文昌航天发射场,全世界的目光,此刻聚焦这里。11时23分,巨大的轰鸣中,长征五号B运载火箭托举着中国空间站天和核心舱直刺苍穹,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,太阳能帆板两翼顺利展开且工作正常,发射任务取得圆满成功,标志着中国空间站建设大幕开启,我国载人航天工程“三步走”成功迈出第三步。

中国空间站的“中枢大脑”成功发射,若干关键技术将得到验证

作为我国目前规模的在轨航天器,中国空间站是在近地轨道长时间运行、可满足航天员长期在轨生活、工作以及地面航天员寻访的载人航天器,代表了当今航天领域全面、复杂、和综合的科学技术成果。

“中国空间站由我国自主建造,实现了产品全部国产化,关键核心元器件百分之百自主可控。”据航天科技集团五院空间站任务总指挥王翔介绍,空间站采用规模适度、留有发展空间的思路,既可以满足重大科学研究项目的需要,又同时具备扩展和支持来往飞行器对接的能力,“此次发射的天和核心舱就具备交会对接、转位与停泊、乘组长期驻留、航天员出舱、保障空间科学实验等能力”。

“天和核心舱是中国空间站关键的一个舱段,是空间站的‘中枢大脑’。”中国载人航天工程总设计师周建平表示,中国空间站任务目前正处于关键技术验证阶段,将在轨验证空间站推进剂补加、再生生保、柔性太阳电池翼和驱动机构、大型柔性组合体控制、组装建造、舱外操作、在轨维修等关键技术,为实施空间站组装建造和长期运营任务奠定坚实基础。其中,天和核心舱上使用的若干关键技术,都将在后续运行中得到逐步验证。

此前我国航天员在轨飞行时间的纪录是33天,航天员生存所必需的水和氧气由航天器直接送入太空。而中国空间站设计了完整的可再生生命保障系统,为的就是让航天员在太空实现更久在轨停留,例如航天员呼出的水蒸气将会通过冷凝水的方式得到回收,甚至连尿液也可以实现回收,通过净化后以饮用水或生活用水的形式再次被利用;电解制氧时产生的氢气与航天员呼出的二氧化碳,将通过化学反应生成氧气,这也能够降低氧气的补给需求。

正如人们在地球生活需要电一样,空间站的运行也离不开电。太空中,核心舱的能量来源,就是太阳能。因此天和核心舱配有两对大面积的太阳电池翼,单翼面积可达到67平方米。其在光照区将太阳能转化为电能供整舱应用,同时为蓄电池储存能量,以便核心舱飞至阴影区时使用。这两组太阳电池翼在初期发电能力超过18000瓦,远远超过了国内之前任何一个航天器。

而在近地轨道建设空间站,掌握大型空间设施的建造技术和运营管理技术和强大的维护维修升级能力尤为重要。此次核心舱配备了一条强大的空间站机械臂,它主要承担着悬停飞行器捕获、辅助航天员舱外活动、舱外货物搬运、舱体状态检查、载荷照料等重要任务。

“此次核心舱推进系统除了采用常规动力以外,还额外配置了电推进发动机。这也是我国将电推进动力应用到航天器上。”周建平介绍,电推进系统能够辅助空间站抵抗轨道衰减,维持在原定轨道上正常运转,可有效节省核心舱自带推进剂的消耗,保证推进剂的合理充分利用,“中国空间站的设计研制,秉持规模适度、安全可靠、技术先进、经济高效的理念,总体上体现了中国特色和技术进步。

“太空之家”开工,未来将建成“三室两厅还带储藏间”

图为天和核心舱。图片来源:航天科技集团五院

中国空间站,意味着中国人在太空有了一个“家”。如果把神舟飞船比作是一辆轿车,天宫一号和天宫二号就相当于一室一厅的房子,那么中国空间站就可以说是三室两厅还带储藏间,算是太空“豪宅”了。

“天和核心舱是我国目前研制的的航天器,可支持3名航天员长期在轨驻留,支持开展舱内外空间科学实验和技术试验。”据航天科技集团五院空间站任务总设计师杨宏介绍,中国空间站以天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱三舱为基本构型,三舱飞行器依次发射成功后,将在轨通过交会对接和转位,形成“T”构型组合体。天和核心舱是中国空间站的管理和控制中心,问天和梦天实验舱均作为支持大规模舱内外空间科学实验和技术试验载荷支持舱段。

为了让航天员在太空中的长期生活能够更加舒适,天和核心舱提供了约 50 立方米的空间供航天员工作生活,未来加上两个实验舱后,航天员的活动空间整体能够达到110立方米。天和核心舱内配置了工作区、睡眠区、卫生区、就餐区、医监医保区和锻炼区等6个区域。不仅能够保证每名航天员都有独立的睡眠环境,还新增了专门的卫生区和运动区。此外,核心舱内还可以连接 WIFI 上网,航天员从核心舱往地面发送语音、视频、数据的速率相当于地面5G通信速率的几十倍,保障地面与空间站的联络畅通无阻。

然而,如同汽车在使用一定年限和里程后要报废一样,空间站也没有寿命,只要使用,有人在里面居住、工作和进行科学实验,就会产生损耗。而且空间站在太空中安家后,还将面对原子氧、紫外辐照、空间碎片等来自宇宙的重重威胁与挑战,纵使中国空间站有一个结实的“身板”,偶尔的“头疼脑热”也在所难免。

为了保证空间站长期在轨稳定运行,科研人员从设计伊始就开展了长寿命、可靠性、维修性、安全性一体化设计。“中国空间站设计在轨飞行10年,具备延寿到15年的能力。”航天科技集团五院空间站系统副总设计师侯永青介绍,为了保证空间站在轨不小于15年长寿命要求,在进行天和核心舱主结构设计时,科研人员就从抗腐蚀、抗疲劳、抗断裂三个维度进行了综合分析和评价,从材料选择、构型、参数设计等方面进行了科学优化的设计,并从材料到构件到舱段都进行了仿真验证。

“针对长寿命问题,结构研制团队还创新设计了健康监测子系统。”航天科技集团五院空间站系统结构分系统主任设计师施丽铭介绍,这个新增的子系统就像体检医生一样,能够在轨对承受的载荷以及自身的结构状态进行实时监测,也能够对空间碎片等“飞来横祸”进行及时监测、定位和报警。

计划于2022年前后完成空间站在轨建造

自上世纪90年代初,我国载人航天工程正式启动,规划了“三步走”目标:步,发射载人飞船,在此期间建成初步配套的试验性载人飞船工程,开展空间应用实验;第二步,突破航天员出舱活动技术、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;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。

“造船为建站,建站为应用。”空间站工程是载人航天工程“三步走”中的第三步,天和核心舱则是第三步的首飞之战。后续核心舱将按照既定程序稳步开展在轨各项工作,静候货运飞船和载人飞船的到来。

据专家介绍,中国空间站主要有五大工程目标——

一是建造并运营近地空间站。突破、掌握和发展大型复杂航天器的在轨组装与建造、长期安全可靠飞行、运营管理和维护技术,提升航天技术水平,带动相关领域和行业的科技进步,增强综合国力;

二是突破、掌握和发展近地空间长期载人航天飞行技术,解决近地轨道长期载人航天飞行的主要医学问题,实现航天员长期在轨健康生活和有效工作;

三是建成太空实验室。发展具有国际先进水平的空间科学与应用能力,开展多领域空间科学实验和技术试验、空间应用,以及科普教育,获取具有重大科学价值的研究成果和重大战略意义的应用成果;

四是开展国际(区域)合作,为人类和平开发和利用空间资源做出积极贡献;

五是以在轨服务、地月和深空载人探测需求为牵引,试验和验证相关关键技术,为载人航天持续发展积累技术和经验。

“开展空间站工程将从全产业链角度,极大地引领和带动包括空间科学、生命科学等多种前沿学科和原材料、元器件、智能制造等多领域先进技术发展,发挥着不可替代的作用。”中国载人航天办公室主任郝淳表示,空间站内规划了一大批空间实验载荷,入轨后将持续进行科学研究和实验。经过运营,有望产出一大批具有世界先进水平的空间科学和技术应用成果,“空间站还提供了空间科学实验的国际合作机会,希望能够成为一个造福人类的开放平台”。

按计划,今年还将执行发射两艘天舟货运飞船和两艘神舟载人飞船共计4次任务。到了组装建造阶段,明年共计规划了6次任务,分别发射问天和梦天实验舱、2艘天舟货运飞船以及2艘神舟载人飞船,计划于2022年前后完成空间站在轨建造。转入运营阶段后,我国每年将定期发射载人飞船和货运飞船,确保中国空间站长期有人驻留。“中国空间站是一个不断升级的空间设施,能够进一步扩展,将来还可以对接更多的舱段,也可以通过在轨维修、在轨技术升级等方式来满足要求,相信它的未来一定会运行得更长久。”周建平说。