中国空间站

       

 

 

 

2020年5月5日,在中国文昌航天发射场首次发射的长征五号B运载火箭,成功将新一代载人飞船试验船和柔性充气式货物返回舱试验舱送入太空轨道。5月8日,新一代载人飞船试验船返回舱成功着陆,试验取得圆满成功。这也是中国空间站在轨建造阶段的第一次飞行任务,令人期盼已久的中国空间站建造大幕终于拉开。

 

空间站长什么样

空间站基本构型有3个舱段:1个核心舱,2个实验舱。每个舱都是20吨级,3舱组合体质量约66吨。空间站整体呈T字构型,核心舱居中,实验舱Ⅰ和实验舱Ⅱ分别连接于两侧。空间站的轨道倾角42°,高度340~450千米,设计寿命10年,额定成员3人,乘组轮换时最多可达6人,乘组一般在轨执行任务周期为半年。中国空间站可以进一步扩展,根据空间科学研究和应用的需要,可以对接更多的舱段。

核心舱命名为“天和”,全长16.6米,最大直径4.2米,发射质量22.5吨。核心舱是空间站的管理和控制中心,负责空间站组合体的统一管理和控制,它由节点舱(具有气闸舱功能)、生活控制舱和资源舱组成。它可支持3名航天员长期在轨驻留,是我国目前研制的最大航天器。它既是空间站的管理和控制中心,也是航天员生活的主要场所,还能支持开展少量的空间科学实验和技术试验。

为了让航天员在太空中的长期生活更加舒适,核心舱在设计上有很大突破,核心舱中的一块大柱段部位,主要是航天员工作和实验的地方。而另一个小柱段,是航天员的睡眠区和卫生区,保证航天员的生活和正常的居住环境。核心舱供航天员工作生活的空间约50立方米,加上两个实验舱后,航天员的活动空间整体达到110立方米。

实验舱Ⅰ名为“问天”,由工作舱、气闸舱和资源舱构成。主要任务是开展舱内和舱外空间科学实验与技术试验,存放航天员消耗品、空间站备品备件和补给货物,是航天员的工作生活场所和应急避难场所。实验舱Ⅰ配备了航天员出舱活动专用气闸舱,支持航天员出舱活动,配置了小型机械臂,可进行舱外载荷自动安装操作。实验舱Ⅰ有着核心舱部分关键平台功能,这意味着在有需要的时候,它可以执行对空间站的整个管理和控制。

实验舱II命名为“梦天”,也是空间站组合体的主要组成部分,发射升空后,完成与核心舱实验舱I组合体的交会对接,参与组合体的在轨运行。作为以服务载荷任务为中心的载人航天器,实验舱II主要完成3项基本任务:装载以多功能光学设施(巡天号光学舱)为主的舱内、舱外载荷;与其他舱段共同支持航天员生活、工作,保证航天员安全;作为独立飞行器,发射后自主完成与核心舱交会对接、转位和停泊。实验舱II还配置有货物专用气闸舱,在航天员和机械臂的辅助下,支持货物、载荷自动进出舱。

中国空间站未来还有一个重要计划,在空间站建造完成后,会单独发射一个十几吨的光学舱,与空间站保持共轨飞行状态。光学舱命名为“巡天”,具备自主飞行能力,正常任务时与空间站共轨、相伴飞行,进行高分辨率天文观测,开展天体物理和空间天文学研究。

中国空间站在建造阶段是靠交会对接,最后组装成一个完整的空间站的本体,所以它的发射任务多:首先发射的是核心舱,然后陆续发射载人飞船、货运飞船以及实验舱,与核心舱对接,其间还会发射载人飞船和货运飞船,运送航天员和物资。总计11次的飞行任务将在两年内完成。

 

载人飞船和货运飞船

空间站工程也包括天地往返运输系统和货物运输系统。天地往返运输系统由神舟载人飞船和长征二号F运载火箭组成,用于航天员和部分物资往返空间站,在空间站停靠期间也作为救生船,用于航天员应急救生和返回。空间站货物运输系统由天舟货运飞船和长征七号运载火箭组成。货运飞船为空间站运送航天员的生活物资、推进剂、载荷设备等补给物资。

 

 

 

新一代载人飞船

今年5月5日长征五号B运载火箭在文昌航天发射场发射升空,5月8日顺利返回东风着陆场,其搭载的是新一代载人飞船试验船,此飞船虽然也叫神舟,属于神舟号飞船系列,但它是面向空间站运营和载人月球探测任务全新研制的航天器。与老神舟号飞船相比,它有许多优点:

飞得更远 与老神舟号飞船相比,新飞船可以飞得更远—近可送航天员往返离地球400千米的中国空间站;远能完成38万千米外的载人登月,甚至去更遥远的星球探险。

体积更大,寿命更长从个头来看,新飞船身高近9米,腰围约4.5米,体重超过20吨。跟只有“3座”的老飞船相比,新飞船在执行近地轨道任务时可以一次运送6、7名航天员。老飞船的在轨寿命最长仅180天,新飞船增加到了3年。

“两居室”乘坐更舒适 和老飞船的3舱结构不同,新飞船是两舱构成的。返回舱采用“墙壁+保温层”的双层壳结构,“墙壁”围起来的是航天员的“驾驶室”,具有容积大、密封性好、舱内视野遮挡少等特点。新飞船的“驾驶室”里只安装环控生保、人机交互等直接关系到航天员生命安全和飞船操控的设备,腾出了大量空间,最大程度地避免了大量设备和航天员共处一室的安全隐患。其他设备都放在了“墙壁”和“保温层”中间的夹层中。新飞船的返回舱空间更大,未来里面可以根据任务需求做“隔间”,打造工作区、娱乐区、餐饮区以及卫生区,为航天员提供更舒适的生活居住环境。

返回更安全 对飞船家族来说,颜值就意味着实力。新飞船有着流畅的倒锥形钝头体气动外形。与老飞船的钟形相比,倒锥形空气升阻比更大,能让新飞船在以第二宇宙速度高速返回时,依靠空气阻力减速,更加平稳、精准地落地。新飞船的返回舱穿了两件“衣服”∶“内衣”用新型金属材料做成,相当于墙壁的作用,围出了航天员的驾驶室,密封性好、舱内视野遮挡少;“外套”则是由耐烧蚀的新型轻质防热材料打造而成,与老飞船的“外套”相比,重量降低了30%,防热效率更高,而且首次采用可拆卸更换设计,有效提高可重复使用率。另外,新飞船的头上还有一顶漂亮的“帽子”,可以保护脆弱而娇贵的对接机构,这是航天工程师们用防热材料为新飞船设计的。和其他飞行器对接时,可以把“帽子”摘掉露出对接机构,等返回地球时再把“帽子”戴上,保护里面的设备不被烧坏,实现重复使用。

“导航”能“看病” 新飞船试验船的“飞船大脑”—GNC系统可以独立控制飞船飞行,进一步提高了自主运行能力,提高了在轨生存能力和应用潜力。新飞船试验船入轨后,GNC系统自主确定行驶路线并进行导航,还能实时掌握飞船当前的位置和速度。GNC不仅知道飞船现在处在什么位置,而且还知道将要去哪里,走哪条路能更快地到达目的地。新飞船试验船还能自己给自己“看病”。在飞行过程中,它实时关注着自己的健康,一旦出现问题,通过系统智能的算法自己给自己“诊病”,找到“病灶”并临时或长久剔除“病灶”。

多套设备可重复利用 随着航天事业的发展,新飞船天地往返运输需求不断高涨,这就需要研发更经济、更高效的交通工具。为了实现多功能使用,新飞船采用“搭积木”式的模块化设计。未来根据不同的任务需求,通过相同的返回舱和不同的服务舱的配置就可以完成。为了提高可重复使用率,新飞船试验船也精打细算到每一个细节。像星敏感器、计算机等高价值设备原先都放在服务舱里,落入大气层时会被烧毁。在新一代飞船中,这些高价值设备统统被放在返回舱,跟着返回地球,以便重复利用。这些先进的设计,让新飞船的成本大幅降低。

 

 

 

货运飞船

中国的货运飞船全长9米以上,最大直径为3.35米,质量为13吨,最大上行货物运载量达到6吨。无论是直径、质量还是运载能力,中国研制的货运飞船都达到世界先进水平。

货运飞船名为天舟,是空间站的地面后勤保障系统,货运飞船采用模块化设计,具有全密封货舱、半密封/半开放货舱、全开放货舱3种构型,可以把不同的载荷包括小型舱段运输上去,由航天员和机械臂将其装配到空间站上。

货运飞船的主要任务是:①补给空间站的推进剂消耗、空气泄漏,运送空间站维修和更换设备,延长空间站的在轨飞行寿命;②运送航天员工作和生活用品,保障空间站航天员在轨中长期驻留和工作;③运送空间科学实验设备和用品,支持和保障空间站具备开展较大规模空间科学实验与应用的条件;④航天员用过后的废弃物、垃圾等,也都会由货运飞船带回来。

 

中国发射空间站的重要意义

1.是世界上第二个靠自主研制发射的空间站

至今,美国没有自主建造过空间站,只发射过几个空间实验室,且维持了不到一年就报废了。现在的所谓国际空间站也是由16个国家共同建造、运行和使用的,主要由美国国家航空航天局、俄罗斯国家航天集团、欧洲航天局、日本宇宙航空研究开发机构和加拿大航天局共同运营,没有一个国家可以自己说了算。中国空间站则是完全靠自己力量来建设的,中国将成为继苏联/俄罗斯之后,以一国之力独自完成空间站建设的国家。今后的任何运行、操作和实验都是由我们自己说了算,不受任何其他国家的限制。

2.中国将拥有全球唯一在太空遨游的空间站

国际空间站原计划2020年离轨,现已确认延寿到2024年,也就是说到2024年国际空间站退役并坠毁时,中国将成为全球唯一拥有空间站的国家。

3.有广阔的应用前景

空间科学研究的应用前景十分广阔。比如空间生物学研究应用方面,可以为培育优良物种、探索疾病机理、研发生物医药、改进人类健康而服务;微重力流体与燃烧研究应用方面,可以促进新型清洁能源开发、改善地球环境;空间材料研究应用方面,开展空间材料加工、先进材料制备等研究,探索与揭示材料物理和化学过程规律,可以改进地面材料加工与生产工艺,研发与生产有关的先进材料,推动工业技术进步。

4.促进科学的发展

空间站建成后,将是科学研究的“太空实验室”,是一流的太空实验平台。目前空间应用系统在空间站规划部署了13个科学实验柜、舱外暴露实验平台以及共轨飞行的巡天望远镜,支持在轨实施空间天文、空间生命科学与生物技术、微重力基础物理、空间材料科学等8个学科领域30余个研究主题的数百项科学研究与应用项目。在科学前沿探索方面,巡天望远镜将以接近哈勃望远镜的分辨率和大其百倍的视场开展巡天观测;在人类生存方面,空间站将围绕人类长期太空生存和提高地面生活质量开展研究与应用,将支持开展微生物、植物、动物在分子、细胞、组织、个体、群体等不同层次的空间生物学效应研究,开发减弱和对抗不良效应的措施与手段,为人类在太空的长期生存提供解决方案;在太空活动方面,空间站支持开展遥感科学技术、在轨组装与维修维护、人机联合作业等应用技术试验验证,增强人类的太空活动能力和在轨服务能力,拓展人类的活动范围。通过这些研究,有望获得一大批重大科学成果,突破一大批核心关键技术,产生无法估量的经济和社会效益。(沈羡云)