天宫核心舱发射,中国航天正式迈入空间站时代!

科普中国-科普融合创作与传播 2021-04-29

  出品:科普中国

  制作:太空精酿

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  4月29日11时23分,中国空间站天和核心舱发射升空,准确进入预定轨道,任务取得成功。

  

  图片来源见水印

  

  图片来源见水印

  1992年9月21日,中国载人航天工程正式起步。筚路蓝缕,经过的29年不懈探索,长征、神舟、天舟和天宫等一系列浪漫的名字逐渐变成现实。如今,中国终于要拥有自己的“天上宫阙”,让飞天的神话从梦想照进现实!

  为什么必须发射空间站?

  建设空间站的意义很大,但也可以简单到一句通俗的话可以概括:“因为它能长期飞在天上”。或者说,它能实现多人次长期在轨驻留。这意味着我们在外太空会有一个长期稳定的生活和工作空间,搭载一系列顶级科研设备,航天员可以通过载人火箭和飞船,实现频繁的天地往返并长期驻留那里,并通过货运飞船定期补给。

  

  这种上下不分的场景在地球上是很难出现的,但在空间站是常态(图源:NASA)

  太空有着得天独厚的环境,例如长期的失重条件,这是地球上几乎无法实现的,因此可以开展很多地球上难以进行的科研,对地球进行稳定的遥感探测。人类进入太空后,也会变成“科研载荷”,失重、上下不分、体液重新布置等,经历与地球环境截然不同的生活状态。这孕育出了崭新的航天医学学科,也产生了很多改变人类生活的新发明,例如尿不湿、耳温计、各种集成便携的医疗器械等。

  建设空间站是人类载人航天技术发展到一定程度后才出现的里程碑事件,它能促进航天、甚至很多相关制造业的发展,对于提升一个国家的整体科学技术水平有着重要意义,是任何一个航天大国技术发展的必经之路。

  为什么要一个这样的天宫?

  人类载人航天技术于1971年进入空间站时代,是年,苏联把“礼炮一号”送入太空,第一代空间站诞生。随后12年内,共计有9个18-20吨的空间站发射,其中7个成功并被命名为“礼炮系列”,礼炮6号和7号更是可同时对接两艘飞船。1973年,刚结束了阿波罗登月的美国,利用土星五号登月火箭的强大能力,直接将其中的一部分改装并发射成了一个80吨级的“天空实验室”。

  这些早期空间站大都处于试验性质,为后续的空间站转型换代做技术储备。中国的“天宫一号”和“天宫二号”,与早期的“礼炮号”思路一致,主要用来验证空间交会对接、出舱行走和多人次在轨驻留等技术。

  

  天舟一号与天宫二号对接,是天宫正式开建前的大事件(图源:中国载人航天办公室)

  在空间站发展史上有着举足轻重意义的是1986年2月开始建造的苏联“和平号空间站”,它采取积木式模块化结构,由核心舱、五个科学实验/生活舱段和多艘对接飞船构成。在它15年的飞行史中,对接过超过100艘载人和货运飞船,其中包括9次与航天飞机的对接经历,共计接纳了来自12个国家的135名宇航员在此工作与生活。

  人类航天四代载人空间站技术特点

  

  大家更耳熟能详的多国合作的“国际空间站”,是唯一的第四代积木式、桁架式空间站,尺寸更大、功能更复杂。自从2000年11月2日首次载人任务以来,已经连续保持了21年载人飞行,成长为一个宽109米、长73米、高20米、重达419吨、内部容积916立方米的空间巨无霸,相当于一栋七层楼高的小型体育场。它孕育了各个国家的多种载人航天相关器具,容纳过数百个宇航员工作生活,成为了独一无二的航天平台。

  

  国际空间站(图源:NASA)

  然而,国际空间站的建造成本和运营成本颇为惊人。目前的总造价已经超过2000亿美元,每年各成员国为此付出的总运营费用也高达30亿美元级别,占据了大量的航天预算资源。正因如此,随着它的老化,关于它退役的新闻总会经常出现。此外,随着航天飞机于2011年退役,人类很难在太空中建造如此大的桁架结构,已经不太可能再出现第二个国际空间站了。

  综合性价比而言,第三代积木式空间站已经足够满足科研和应用需求,建造和运营维护成本更低,也就成为了目前的最佳方案。天宫就采取这个策略,核心舱(天和号)、两个实验舱(问天号,梦天号)和机械臂等组成总重约60吨的T字结构,对接货运飞船和载人飞船,足够满足三名航天员驻留并长期稳定运行。未来如有需要,还有潜力进一步扩展为十字形结构,尺寸和能力进一步提升。

  如何正确建成一个天宫?

  天宫空间站是中国载人航天技术的大集合,需要调动最核心的资源建造。

  首先,需要的是长征火箭家族三剑客,长征五号B、长征二F和长征七号。其中,长征五号B专门负责近地轨道重载任务,运力在25吨级别,负责发射核心舱和实验舱。长征二F运力在8.5吨级别,是目前保持100%成功率的一款“神箭”,也是中国唯一的载人火箭,它头部尖尖的逃逸塔成为最容易识别的标志,主要负责发射神舟飞船。而长征七号是中国新一代主力火箭,运力在14吨级别,用来发射天舟货运飞船。

  

  建造天宫需要长征家族三大主力一起上阵(图源:中国载人航天办公室)

  其次,需要两大发射场。其中,酒泉卫星发射中心拥有我国唯一的载人航天发射和返回相关配套,这里见证了此前所有11艘神舟飞船的起航,是中国航天员真正“登天”和“下凡”的地方。文昌航天发射场是中国最新最先进的发射场,这里三面环海、无残骸问题,海运让长征五号不再受限于陆路运输而变得“胖起来”(5米最大芯级直径),新建造的各种配套也让它成为长征五号和长征七号系列火箭的定点基地,支撑起整个天宫的核心建造和补给过程。

  天宫不是一天可以建成的,核心舱发射之后,还需要在太空中借助机械臂系统像“堆积木”一样逐渐把整个结构搭建起来,期间需要有航天员在轨驻留,并需要定期补给。随后,还规划有十次任务,包括两次长征五号B火箭发射实验舱,四次长征二F火箭发射四艘神舟飞船,以及四次长征七号火箭发射天舟飞船。最终,预计于2022年,天宫空间站才能正式建成。

  

  天宫空间站示意图(图源:人民日报)

  天宫开始正式运行后,将标志着中国航天进入崭新的发展阶段。利用特有的太空环境,能实现多种技术创新和科技产出,是个不折不扣的“超级实验室”。例如早在天宫二号空间实验室阶段,就实现了伽马射线暴偏振测量仪器、世界首台空间冷原子钟、空—地量子密钥分配与激光通信试验和多种材料科学实验等技术进展。而天宫空间站建成后,空间科学技术必将取得更大的进步。

  空间站技术是处在航天技术金字塔最顶端的存在,直到今天也仅有苏联、美国和中国有过独立建造的历史,对于带动整个航天和相关产业的发展有无法替代的地位。对于人类更远的星辰大海和星际移民梦想,空间站几乎是容纳大规模人类的唯一选择,相信不少读者们已经从各种科幻影视作品中了解过各种酷炫的空间站。天宫,或许就是中国人走向更远深空的起点。

  

  2019年中国航天日海报:从梦想到现实(图源:国家航天局)

  “盘古破鸿蒙,天宫有九重”,是华夏民族对头顶那片未知天空最美好的想象。但古人们的想象力仍有边界,也深知探索苍穹的难度,以至于“难如登天”成为了描述“不可能”的词汇。但“天宫”这座中国建造的天上宫阙,对“登天有多难”这个问题,给出了不同的答案。屈原在长诗《天问》中,也提出了对于更遥远的星辰大海的疑问— “九天之际,安放安属?”“日月安属,列星安陈?”。正在火星轨道运行的“天问一号”火星探测器,也在用“天问,问天”作出回答。除此之外,北斗、墨子、悟空、嫦娥、玉兔、祝融、张衡等,这些以中华文化命名的航天器,都正在天空中向着真理孜孜探索。

  什么是浪漫,这就是浪漫!祝福浪漫的中国航天不断进步。

责任编辑:王超

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