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十問十答|建設空間站與探索火星、月球相比,誰的意義更大?

作者/中國航天系統科學與工程研究院航天戰略高級研究師 張京男

2021年4月29日,搭載空間站天和核心艙的長征五號B遙二運載火箭,在我國文昌航天發射場點火升空。約494秒後,天和核心艙與火箭成功分離,進入預定軌道。12時36分,核心艙太陽能帆板兩翼順利展開並正常工作,發射任務取得圓滿成功。這也標誌著中國空間站在軌組裝建造全面展開。

相比於人類對月球、火星以及黑洞等天體的探測,空間站往往顯得不是那麽“顯眼”。空間站究竟是做什麽的?宇航員在上面的生活是什麽樣的?

本期《十問十答》欄目邀請中國航天系統科學與工程研究院航天戰略高級研究師張京男,全面起底空間站。

Q1:什麽是空間站?主要是用來做什麽的?

空間站(英譯為Space Station),從字面意思我們可以理解成是太空中的一個平台或者站,這個站是一個用來在太空中進行一系列太空活動的平台。因為太空中有些特殊的環境是人類在地面上無法模擬和感知到的,例如完全失重的狀態、真空中的宇宙射線、從太空中觀測宇宙、人體因身處太空而發生變化等,使用並研究這些環境就必須真正身處於太空中。而這項工作的開展往往不是一兩個小時或者一兩天就能夠完成的,大部分實驗需要一兩個月甚至常年在太空裡,這時就需要一個有人照料的常年的實驗環境。

因此,空間站不僅需要提供試驗的基本環境,還要具備讓宇航員在上面長期生活和工作的艙室空間,以及各類安全防護設施等等。可以說,空間站就是一個微型的生態環境,能夠在宇宙中提供一個可長期運轉的大的封閉孤立的空間。利用這種與地球表面完全不同的太空中環境,可以產生各種意想不到的效果,例如太空育種可將植物的種子送入太空進入空間站或者返回式衛星,在失重、宇宙異塵餘生、真空等環境下使種子基因發生變異,送回地面再進行生長就可以讓果實變得更大;同理,在空間站裡還可以製造出比在地球表面製造純度高得多的大塊半導體晶體,等等。

也有人問:在地球上模擬太空環境,不是同樣可以做實驗嗎?如果在地球模擬太空環境是永遠無法獲得長時間失重的。相對而言比較接近失重的模擬是在水下模擬太空環境,但這仍然是一個重力與浮力平衡的環境,而非失重。即使在地面上模擬出真空環境,也無法模擬出宇宙射線的照射,因為宇宙射線穿過大氣層之後,已經發生了變化,不再是真正的宇宙射線狀態。而真正的失重和宇宙空間環境只有在空間站上才能獲得。

Q2:國際上的知名空間站有哪些?

在此次發射中國空間站核心艙之前,從1971年4月到現在,國際上經歷了四代空間站的建設,其中前三代由前蘇聯完成,現均已退役,雖然是三代,但由於當時處於人類航天發展的初期,技術成熟度不高,且當時主要是前蘇聯單獨開展工作,因此空間站的能力差距並不太大,且技術不成熟,容易出現大小各類故障和事故。而第四代則是目前仍在軌工作的、也是工作時間最長的國際空間站(ISS),工作時間已經超過了20年。

第一代空間站是前蘇聯在美蘇太空競賽期間的產物,即禮炮1號、2號、3號、4號、5號,它們都只能對接一艘飛船,最長在軌工作時間為412天。作為人類首次建設空間站,雖然有著各種不足,但起碼解決了有無的問題,把人類社會帶入了空間站時代。這也是美蘇爭霸期間,在前蘇聯首個宇航員進入太空、美國首次完成載人登月之後,兩國之間競爭創造的又一個航天領域第一。

第二代空間站是前蘇聯的禮炮6號、7號空間站。禮炮6號在軌工作了1760天,大約5年,而禮炮7號則工作了長達10年。第二代與第一代雖然都是禮炮系列空間站,但在功能和可靠性方面遠遠超過第一代空間站。

禮炮系列空間站是人類首個真正意義上在軌運行的空間站,它首次完成了在太空中進行的一系列試驗,包括:宇宙觀測、地球大氣觀測、生物醫學和工藝測試等,驗證了人類航天科技能夠實現空間站實驗這一基本概念。

第三代空間站是前蘇聯的和平號空間站,在軌工作了15年。其曾與俄羅斯的聯盟載人飛船和進步貨運飛船對接,也曾參與完成與美國太空梭的對接。

和平號空間站實現了多模塊對接,成為首個能長期有人居住並在軌運行的空間站,使人類活動能夠在太空持續進行。和平號空間站在整個壽命周期內共完成了2.2萬次試驗,共有來自12個國家的135名宇航員在此生活和工作,這使人類空間站運行的規模和能力都達到了一個新的高度。

第四代空間站是由美國和俄羅斯聯合主導、共計約16個國家共同參與建設的國際空間站(ISS)。由於在軌時間長,且各國參與度高,其在軌期間完成了大量豐富的試驗,為人類科學發展做出了巨大的貢獻。國際空間站也首次實現了多國共同提供的關鍵運輸系統,例如歐洲ATV貨運飛船、日本的AYV貨運飛船、美國貨運飛船均可運輸貨物抵達國際空間站。國際空間站是目前人類開展的規模最大的一項航天系統工程,目前總重量約為420噸,建設成本超過了1000億美元,建成後每年都要花費約40億美元維護,其中大部分費用由美國支付。

雖然國際空間站目前運行較為順利,但其也正面臨著退役問題,大概率會在2030年前退役。國際空間站由美國和俄羅斯主導,從上世紀90年代開始陸續建設,經過十幾年的時間邊使用邊建設完畢,又經歷了十幾年的運營,直到現在,開始過起了“縫縫補補”的日子。

由於使用年頭過長,國際空間上的設備和部件大部分已經老化。近期就曾因站內某處一個小的漏洞,使得艙室內氣壓有一定的下降,給宇航員在軌生存帶來隱患。不過好在經過各種不留死角的排查之後,發現了漏洞的位置並進行了修複。

目前國際空間站各種修補越來越多,導致運行的經濟成本上升。美國目前為了維護國際空間站的正常在軌運轉和各種工作,每年僅本國的預算投入就需要30億美元左右,因此,美國和俄羅斯方都在考慮,未來如何為空間站尋找新的出路,目前美國是希望能夠通過商業公司在軌建設商業空間站,而俄羅斯則打算自己獨立建造一座空間站,但這些都是比較久遠的考慮。

我國的天宮空間站在4月29日開始陸續發射入軌,這將開啟人類新的空間站時代,進一步開展各類太空實驗,並通過國際合作惠及各個國家。

Q3:空間站的壽命一般是多久?報廢之後是降落到地球,還是成為太空垃圾?

隨著航天科技的發展,空間站在軌工作壽命會越來越長,從上世紀70年代第一代空間站的約1年左右,到現在的第4代國際空間站,已經在軌工作了20年。

我國天宮空間站設計壽命周期約為10年,一方面是考慮到更新換代,另一方面如果維護好並且需要繼續使用的情況下一定會延期工作,但空間站在軌工作時間過長就容易出現故障,這會大大增加在軌工作的風險,並且增加維護成本。

報廢也就是退役,那時空間站會主動減速,速度降下來後會在地球引力作用下墜入大氣層,由於速度越來越快,高速會使空間站與大氣分子劇烈摩擦產生高溫。空間站會在高溫下分解或者燃燒,未分解或燃燒完的部分往往會落入大海,多為太平洋。整個退役後的墜毀過程和路線均為設計好的,按計劃進行一般不會成為太空垃圾。

Q4:建設空間站需要哪些核心技術?

空間站首先需要從地面發射進入到離地面上空約400千米的近地軌道,因此大型運載火箭必不可少,我國主要是使用長征5號B運載火箭,美國是太空梭,俄羅斯是用質子號運載火箭來用於運輸空間站大型艙段。

空間站進入軌道後要保持正常工作,就需要具備一系列的關鍵能力。首先是密封,空間站內部是充滿空氣的加壓環境,只有與地面環境基本相似,宇航員才能適應,而整個大型艙體的密封需要百分之百的嚴密,確保空氣不會洩露。

另外就是太陽能供電。空間站在軌工作所需電力幾乎都來自太陽能,所以空間站太陽能電池板必須朝著太陽實現不間斷持續充電。

其次還有軌位保持助推的因素需要考慮。由於空間站運營一段時間之後軌道會發生變化,為了讓空間站一直在正確的軌道上繞地飛行,需要在軌道發生偏離時(往往是空間站略有下降)啟動空間站上的助推器,將空間站推回至正確的軌道。

Q5:目前太空垃圾問題越來越突顯,我國天宮空間站在軌運行是否會面臨被撞擊風險?

太空垃圾一詞一般指的就是航天工程領域中的空間碎片,Space Debris,泛指地球軌道上無用的各種人造物體,既可以是一個完成的系統,也可以是系統破碎後產生的殘片。由於在軌道上繞地飛行的各種航天器的線速度極快,常常在第一宇宙速度即7.9km/s以上,物體之間的相對速度可能超過這個速度,也可能小於這個速度,存在各種可能,因此空間碎片若撞上正常工作的衛星、空間站或者飛船,很容易對其產生毀滅性的破壞。

這種碰撞主要是物理碰撞,可穿透航天器整個結構。有一部名叫《地心引力》的硬科幻電影,情節中設想了國際空間站在遭受到空間碎片打擊後解體,而其中幸存的宇航員歷盡艱險從軌道上乘坐飛船返回地面。電影呈現了空間碎片,也就是太空垃圾,對空間站帶來的災難性後果。實際中,這種碎片也時常干擾正常的航天活動。4月23日美國SpaceX公司的龍飛船在NASA第二次正式載人運輸任務中送4名宇航員前往國際空間站時,就有一個空間碎片從飛船旁邊快速飛過,險些相撞。如果撞上龍飛船,後果不堪設想,而這麽多年來這種近距離的“擦肩而過”也時有發生。我國天宮空間站建設和運營過程中同樣會面臨空間碎片帶來的撞擊威脅。隨著人類航天活動越來越多,產生的空間碎片也會越來越多。

除了空間碎片,近地軌道在軌飛行的正常工作的衛星也越來越多,尤其是微小衛星。這些情況的出現都會大大增加在軌碰撞的風險,尤其是失控的、自行解體或碰撞解體的衛星,會產生大量不可預測的軌道碎片從而帶來風險,人類在軌的航天系統還無法完全避免這些風險,無論是國際空間站還是我國的天宮空間站,都只能時刻提高警惕。

Q6:我國的天宮空間站,大概相當於美蘇(俄羅斯)第幾代空間站的水準?為什麽我國空間站建設方案採用了相對較小的規模?

單看空間站的質量,我國空間站建設目標規模確實不大,三艙的基本型質量約為90噸,最大可擴展為180噸。這和目前420噸的國際空間站甚至前蘇聯123噸的“和平號”空間站相比,在質量上有較大的差別。

這一方面和我國空間站發展所處的階段有關,因為我國首次建設長期在軌運營的空間站,各方面仍需積累經驗,所以當前重點關注的是如何能夠安全可靠的持續推進,另一方面,空間站建設規模越大,成本和風險就會越高,我國空間站長期在軌的艙段是1個核心艙和2個實驗艙,通過3次發射即可建成。而今在軌運行的國際空間站艙段複雜,通過幾十次、十幾年的發射運輸才完成建設,初期建設成本超1000億美元,後續每年也需要每年耗資40億美元來維護。

因此,對我國來說重要的不是規模和耗資,而是性價比,盡量用最少的代價完成最多的科研活動並形成成果。所以沒有必要在規模上過多在意,我國目前的天宮空間站建設模式能夠完成未來10年左右的太空實驗以及各項工作,未來隨著科技發展,空間站也會面臨更新換代。

Q7:天和核心艙有哪些技術是中國獨家的?世界領先的?

單就核心艙而言,“天和”核心艙的獨特之處在於自帶了機械臂。之前的“禮炮”號、“和平”號以及國際空間站都不是核心艙直接自帶機械臂,國際空間站使用的加拿大的機械臂也是後續發射任務中攜帶上去的。這主要和我國的空間站建設模式有關。我國空間站獨立自主建設,任務統籌規劃,機械臂與核心艙系統集成工作相對容易,同時我國空間規模設計以簡潔實用為主,因此機械臂與核心艙集成發射有利於快速建設和應用。

另外“天和”核心艙也是世界上首次引入電推進動力的核心艙,裝有4台lht-100型,推力80毫牛的霍爾電推進發動機。空間站上的動力系統主要用來保持軌位。而電推進目前的主要用途在於通過持續提供微小推力,實現衛星系統的軌道爬升和軌位保持。對於空間站這種質量較大的在軌系統,雖然電推進推力過小,作用有限,但可以充分驗證電推在空間站上的應用,這將是一次重要嘗試。

Q8:為了讓宇航員生存,空間站內部做了哪些工作?

空間站內部為了盡量模擬出地球表面人類的生存環境,首先是進行了站內全密封的空氣加壓,讓人體感覺到就像是在大氣層內壓力環境下生活一樣,這是最基本的生存條件。

二是站上會有宇航員的健身設備和器材。因為長期的失重環境會對人體帶來一定的負面影響,所以宇航員在站內生活工作必須有健身活動,以保持人體肌肉不會萎縮,盡量減少鈣質流失。

空間站可以模擬地球重力,使用一個大型的離心轉動機構,保持適當的轉速,那麽離心機構進行圓周運動的部分就會出現重力效果。

Q9:長期在空間站工作生活,會對宇航員產生哪些負面影響?

長期在站內工作是指連續在站內停留6個月甚至更長時間。首先是人體很難適應長期的失重體感,即使是經過長期訓練的宇航員,也不容易承受,壓力也會很大。其次就是長期在封閉空間內,人的精神壓力較大,沒有了地球上生活中的各種娛樂和社交,人會覺得很壓抑,這對人考驗也是極大的。因此,這需要宇航員在站內工作一段時間後返回地面,與下一批宇航員輪換在軌工作。

失重狀態下,人體肌肉容易萎縮,血液在無重力下湧向心髒和大腦對其形成較大的壓力,並且骨質容易出現鈣流失等現象,這些都是習慣了有重力作用的人體循環系統,在無重力作用下產生的負面作用,其會對人體器官功能造成較大的損傷。

歷史上在太空中連續生活和工作時間最長的人是俄羅斯宇航員波利亞科夫。1995年3月22日,他從“和平”號空間站返回地面,在太空中連續停留了437天17小時58分17秒,至今仍無人打破。

一方面,這和波利亞科夫的醫生身份有著很大關係,他是俄羅斯生物醫學研究所副所長、宇航指揮中心負責醫療的副主任。為了研究太空對人體的影響,波利亞科夫在空間站上全身心地投入工作。

另一方面,要經受這種長時間在太空對人體的考驗,就必須進行各種體能訓練,同時還要通過特殊設施對宇航員肌肉和骨骼施加壓力促進人體血液循環,另外為了緩解肌肉萎縮,還採用弱的交流電電擊刺激肌肉。

通過採用種種措施,才保證了波利亞科夫醫生在自身健康狀況良好的基礎上完成了一系列關於太空對人體影響的科研工作。他返回地面後不久,俄羅斯時任總統葉利欽對他授予了“俄聯邦英雄”的榮譽稱號。波利亞科夫當之無愧,因為他完成的工作大大推進了俄羅斯航天醫學的發展,確立了當時俄羅斯在該領域的國際地位。

除了這位單次在太空停留時長的記錄保持者之外,前蘇聯也是俄羅斯的宇航員克裡卡列夫創造了累計在太空中時間最長的記錄——803天9小時39分鐘!這一記錄至今也無人打破。他的經歷更加傳奇,他曾在1991年的任務中在“和平號”空間站上停留了311天,遠超原計劃,因為當時恰逢蘇聯解體,蘇聯變成了俄羅斯,而他和另外一名宇航員被遺忘在了太空。當他們返回地面時,由於計劃外承受宇宙異塵餘生、失重等環境,心理上也承受著極大的壓力,身體非常虛弱。

Q10:空間站與探月、探火(星)相比,哪個意義更大?

個人認為,相比之下,空間站的發展意義更大。因為月球探測和火星探測主要意義是認識地球外部天體、認識宇宙,是認知未知世界的活動。目前,短期內對月球和火星的探測無法直接或者間接惠及地球上人類生活,只能停留在觸及層面。但對空間站的建設和發展就不同了,人類能夠長期在站內生活,並進行各種試驗,這些試驗的結果和結論都會直接轉化用在我們眼前的學科發展、社會生活中的,可以比較直接地促進生物科學、材料科學、天體物理學等發展。而在空間站發展過程中的航天系統工程經驗還可以轉化用於探測月球、探測火星,例如空間站的載人飛船、貨運飛船改裝之後可以用於未來載人登月、載人登火。

空間站的在軌動力系統是太空環境下工作的動力系統,其關鍵技術例如太陽能電池、太空電推進等技術,這些工程經驗和技術都可以用於其他深空探測活動。因此,空間站可以看作是地球與其他深空空間之間的一個紐帶,既有利於當前人類文明的發展,又為未來人類走出地球打下了堅實的基礎。因此,空間站建設的意義要更大一些。但這並不代表探測月球和探測火星就不重要或者應該滯後發展,因為這幾方面完全可以並行發展,可以相互促進,它們之間並不矛盾。

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