中国人的太空梦:原来马上发射的“天和”号这么重要|C次元

原创 文/查攸吟 时间:2021-04-29 9:35

这是“921工程”历时二十九年的心血结晶,未来中国空间站构成的核心!

按照我国规划,“天和”号空间站核心舱预定在4月29-30日之间择机发射。

据悉,4月28日18时起至4月29日18 时止,海南省文昌市将实施道路交通管制。如此之大的阵仗,即便是此前未关注“天和”号的吃瓜群众也会感觉到它的重要性。

“天和”号有多重要?它和中国自己的空间站是什么关系?对中国人的太空梦想有什么意义?今天C次元就围绕“星辰梦想”的重要节点,给大家对“天和”号来一次全景透视。

首先必需要明确的一点,把“天和”号称为中国空间站是不正确的,事实上它只是构筑整个太空站系统的最基础舱段,即所谓的“核心舱”部分。

执行发射任务的长征五号B遥二与“天和”号组合体(上)与“天和”号三维构造图(下),图片作者:@BH-Skywalker

从构造上来说,发射质量超过20吨的“天和”号,由一大一小的两个圆柱状舱室拼接而成。其中小直径圆柱体的顶部,有一个特殊的球形构造。若以功能来分区,这个核心舱段主要可划分为:节点舱、生活控制舱、资源舱以及舱外设备等几个模块。

节点舱

顾名思义,节点舱就是未来整个空间站的基座节点,运送人员往返的太空飞船以及空间站的其他舱段,将以此为基座进行对接安装。人员进出飞船,驻站宇航员往来于空间站各舱段,也需要经过这个节点。节点舱被安装在核心舱“小柱段”的末端,是一个设有4个对接口的球形耐压舱,包括1个轴向对接口、1个侧向对接口、2个侧向对接停泊口。

2018年珠海航展上展示的“天和”号等比例模型节点舱部分,正对镜头的就是最重要的轴向对接口

生活控制舱

位于“天和”号中段,包括整个“小柱段”和“大柱段”的2/3部分,是未来宇航员生活起居的主要区域,设有复杂的生态维持系统以及各种生活设施。

航天员在轨非工作期间,将主要在小柱段内活动。“小柱段”内部设制有三个睡眠区、一个锻炼区、两个平台设备区,以及一个对整个空间站进行操控的终端。

“天和”号模型的节点舱以及之后的“小柱段”部分。“小柱段”是驻留宇航员再非工作时段的主要生活、活动区

空间站的生命维持系统,包括氧气生成、二氧化碳循环、恒温与湿度控制、食水补给等设备,被安装在生活区大柱段内。考虑到空间站的容积问题,这里也会见缝插针式设置一些平台设备区,以便容纳更多的设备和仪器。

资源舱

位于“天和”号尾部,大柱段的后1/3部分。设有专门用来对接“天舟”号货运飞船的接口,舱内设有推进剂贮箱,舱外则安装有用于轨道维持与姿态控制的霍尔电推引擎。

从“大柱段”尾部拍摄的照片。注意,照片拍摄时尚未安装货运飞船对接口

外部设备

在外壁上还安装有机械臂、太阳能帆板等附件。

用来抓取并固定设备的机械臂,是空间站完成建时设必不可少的设备,安装在小柱段外壁上。“天和”号配备了两具展开最大长度可达10米的“七自由度大型空间机械臂”,具备自动与手动两种工作模式,自身质量738公斤,可在低轨道上抓取最大25吨重的物体。

央视在报道中提供的“天和”号机械臂镜头

空间站一阶段建设计划

根据目前公布的空间站建设计划,其他的舱段将在核心舱完成测试后,在明年择机发射,并完成组装。

当然,这里的“其他舱段”指的就是“问天”与“梦天”号。根据载人航天办公室此前公布的计划,这两个舱段与“天和”号类似,同属20吨级,将被左右对称接驳到“天和”号节点舱2个侧向对接停泊口上,构成一个以3个大型舱段为主体,总重量超过65吨的空间站系统。

空间站初步建成后主体造型想象图

但“问天”和“梦天”的就位,不代表空间站的完成。整个计划的最后一部分——由长光所研制的“巡天”号光学研究舱,计划于2023年升空。

实验舱Ⅰ:“问天”号

“问天”号是一个多功能实验舱。设计有13个舱内科研机柜装载位、30个舱外标准暴露载荷接口,可根据不同的任务自由搭载相应的仪器设备。除了上述任务模块化区,“天问”号内部还有一些未分配的搭载空间,可额外存放一些空间站内需要的补给品、维修部件和仪器设备。

出于安全考虑,“问天”号的两端都设有支持航天员进出空间站的气闸舱,并配有一套独立的舱外机械臂,这些设计使其部分功能可以与核心舱互为备份,对提升空间站的安全冗余大有好处。

实验舱Ⅱ:“梦天”号

“梦天”号的基本构造和“问天”相似,设计有9个舱内科研机柜装载位,但该舱有独具特色的可展开式舱外试验平台,接口位最大可支持37件舱外设备同时工作。

较之“问天”的多用途化,“梦天”的设计任务主要集中在微重力基础物理、空间材料科学、微重力流体物理与燃烧科学等空间科学与应用相关领域,科学实验项目主要通过舱内的科学实验柜来完成。

“巡天”号光学仓

在空间站筹建初期,“巡天”曾是“梦天”号舱内的一个重要的子任务模块,但鉴于其体积和重量较为巨大,设计部门经过评估后认为会吃掉“梦天”内大量的空间,所以在2010年后,该模块被升级成一个独立的实验舱,交由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(即“长光所”)研制。

与其他两个实验舱一样,“巡天”号同属20吨级大型轨道舱,但与Ⅰ、Ⅱ号舱段不同的是,它被设计为主要和空间站一起共轨飞行独立运作,仅在需要维护时才会接驳“天和”号节点舱对接口。

“巡天”号设计安装有2米口径大视场离轴式三反望远镜的光学望远镜一台,角分辨率低至0.15″。根据官方报道,“巡天”号将在研究宇宙加速膨胀、暗能量本质、暗物质属性、检验宇宙学模型、引力波源对应体、银河系三维结构、天体测量、恒星、黑洞、星系等领域,展开观测研究工作。

空间站后续拓展计划

根据“三步走”计划,中国载人空间站将于2023年随着“巡天”号的升空而宣告建成。但这并不代表我国空间站的建设工作将会到此为止。根据目前的最新规划,这座空间站是可以拓展的。

中国工程院院士、中国载人航天工程总设计师

中国载人航天工程总设计师周建平去年5月接受媒体采访时曾经说过:

(空间站)未来可能需要的扩展,更多科学研究的需要会不断涌现出来。我们可以根据研究的需要,通过几种途径,一种就是我们有在轨的维修手段,在轨的技术升级手段,满足这些需要。同时我们也可以扩展空间站本体。现在是三个舱段,扩充到4个舱段,甚至扩成6个舱段,都是可行的。

实际上,我国的“三步走”战略在细节上曾经过多番调整。例如“天和”号,在最初的规划中,只是空间站核心舱的验证舱而已。一旦完成验证任务,将会发射一个正式的核心舱入轨,并以其为基础建设空间站。但由于最近几年,我国在相关领域接连取得突破,航天器无论在可靠性还是在稳定性方面,均得到了较大的提升。针对现状,原本那个从验证舱到正式舱的“两步走”计划被合二为一,最后以一个“天和”实现一步到位。

根据设计,“天和”号用来接驳“天舟”货运飞船的艉对接口,是可以与自己的节点舱轴向对接口进行咬合的。如有必要,大可以在“天和”号的节点舱轴向对接口再接驳上一个核心舱,然后以新的核心舱为基础拓展出2个实验舱。最终构成一个拥有6个舱段构造,总质量超过130吨的终极版中国空间站。

中国载人航天的历史

在上世纪六十年代末至七十年代初的美苏航天竞赛高潮中,我国也曾启动了代号“714工程”的中国载人航天工程,即所谓的“曙光一号”计划。该计划的目标,是设计并制造一种最大可以搭载2名宇航员的中国飞船,并在上世纪70年代初,完成中国的第一次载人航天飞行任务。

然而,理想很丰满,现实却非常的骨干。我国当时综合国力非常羸弱,缺乏从宇航员训练,到在轨生命维持系统在内的,载人航天所需的各项技术。甚至当时研制中的长征2号运载火箭,最大近地轨道运载能力也仅有1.8吨,根本无法将一艘载两名宇航员的飞船,顺利送入近地轨道。最终,“曙光一号”计划未能结出硕果,就被尘封在了史册。

基于长征2号运载火箭构想的中国第一种载人飞船方案。大致构造上,类似于美国“水星”号飞船

时间进入到上世纪八十年代末。随着我国综合国力的提升,特别是大型运载火箭、返回式卫星等航天器技术的不断突破,启动载人航天工程的物质条件,终于初步具备。

1990年7月,随着俗称“长二捆”的长征二号E型运载火箭的成功发射,我国掌握了近地轨道最大9.2吨的运载能力,扫除了研制载人宇宙飞船的最大障碍。

1992年9月21日,经中央政治局常委会批准,中国载人航天工程启动,代号“921工程”。该工程计划周期长达30年,根据“三步走”规划,明确了从研制载人航天器为始,到最终建造大型轨道空间站为止的各项任务以及对应时间节点。

为了确保这项中国航天的“世纪工程”能够顺利实施,国务院还专门设立了中国载人航天工程办公室。

三步走规划-第一步

成功突破载人宇宙飞船技术,在国内初步建成完全自主的试验性载人飞船工程以及配套体系,开展空间应用实验;

搭乘神舟五号飞船升空并成功返回的杨利伟,代表着“第一步”的完结

三步走规划-第二步

解决航天员太空行走(出舱活动)难题、突破空间飞行器的交会与对接技术瓶颈,实现在轨固、液两态物资补给技术的突破,验证在轨空间实验室技术,解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题;

2017年9月22日,天舟一号任务的成功,代表着“第二步”的顺利完成

三步走规划-第三步

建造真正的空间站,解决有较大规模(3人以上)的、长期有人照料的空间应用问题。

2021年4月中下旬,在海南省文昌发射基地整装待发的长征五号B遥二火箭,“天和”号此事已吊装到位,照片拍摄时正裹在火箭整流罩内。随着“天和”号的入轨,“921工程”正迈入其最后一阶段

建设可以容纳3人以上在轨长期生活的空间站,是中国载人航天工程的最终目标。而为了实现这个目标,中国航天人将为之奋斗整整三十一年!

如果以1999年11月20日“神舟一号”飞船首飞为节点,后来22年时间里,中国航天人为了迈向这个“第三步”,先后发射了11艘“神舟”飞船(7艘为载人飞船)、1艘“天舟”货运飞船、天宫一号目标飞行器与天宫二号空间实验室,总计14个大型航天器。

2019年7月19日21时06分,随着完成里历史使命的天宫二号空间实验室,受控再入大气层销毁,载人航天工程三步走战略,进入最后阶段。

已经安装到整流罩内,转运中的“天和”号

历时31年建造的空间站,到底有何意义?

如果摆在十年前,这几乎是社媒体上必有的一问。

答案也几乎可以想见——“定体问”“等一等灵魂”“面子工程”,以及各种各样角度清奇的“我陷思”系列。2012年7月,神舟九号飞船发射前后那漫天的非议,仿佛就历历在目。

然而时代变了。

随着近年来国内法制化的建设、民生的不断提高、内外部形势的巨大变化,特别是新冠疫情以来,国人从欧美国家抗疫中见识到的种种荒诞乱象,站在2021年的时间点上,舆论的基本氛围已经翻天覆地。

但这不意味着我们不该去搞清楚这个“有什么用”的问题。其实这个问题非但不愚蠢,而且很重要。如果将它搞清楚,不但能使我们的认知层面提升到崭新的境界上,更是对于中国航天人31年奋斗历史的一种无声的肯定。

其实到底有什么用这一点,可以从国际空间站项目上找到答案。

根据著名的《nature》杂志去年的统计,自国际空间站部分启用至2020年,在这片人类目前位于地球以外唯一“领土”上,科学家和宇航员们,已完成了超过3000次的科学试验,取得了数以千计的研究成果。在这些成果中,有相当一部分完成了转化,包括但不限于以下这些:

理解了骨质疏松症的形成机理,为开发治疗药物和全新的治疗方法提供了思路;

观察到了电场环境下胶体的自组装,为制作新的纳米材料提供了方法;

发现超光谱仪可用于海岸环境保护,为海洋环境监控探索出了新方法;

发现细菌病原体进入太空环境后会变得更致命等现象;

基于为空间站开发机械臂的技术,完成了脑科手术用高精度机器人的研发;

发现了全新的化疗药物靶向输送方法,可用于乳腺癌临床试验。

在这其中,手术机器人的贡献尤为突出。这种神奇设备,可以令医生不必亲自到场,通过远程控制即可完成复杂手术。自2003年起来,这项技术已为数以十万计的病人解除了病痛折磨。而全新的癌症药物靶向输送方法、对骨质酥松症的全新认识,也正在迅速向着临床应用过渡,相信将为全球百万计的患者带来福音。

国际空间站是迄今为止最,最大的国际间太空合作项目,由美国、俄罗斯、日本、加拿大、欧洲航天局……总计16个国家发起并完成。但是,这其中并没有中国。

至此,哪怕不是航天迷,也很容易了解到,自行打造空间站,对中国航天事业有着怎样的重要价值;“天和”号作为空间站核心舱,对我国自己的空间站具备何种关键意义。

“没有中国”很快会成为暂态,而中华民族对宇宙由来已久的向往,终将在星空写下无可替代的精彩一笔。

分享到:
2
评论专区:
最新评论

汽车公社

一句话点评