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中国空间站的价值与优势

已有 1143 次阅读 2021-7-21 21:16 |系统分类:科普集锦

沈海军

      2020年至今,中国北斗导航系统完成全球组网,重型运载火箭长征五号B全面投入应用,嫦娥五号完成中国首次航天器登月采样和返回,火星探测天问一号一次性成功实施火星“绕”、“降”、“巡”等三大工程目标,高分卫星工程、科学卫星和商业航天项目如火如荼,呈现出了欣欣向荣的气象。这些成就反映出了中国航天的实力,也标志着中国从世界航天大国迈入航天强国的行列。

最近,继天舟货运飞船、天和核心舱发射与对接任务完成之后,中国神舟十二号载人飞船再次携3名航天员飞赴太空,意味着中国空间站的时代即将来临。

一、人类空间站史

空间站又称“太空站”或“航天站”,是一种在近地球轨道上长时间运行、可供多名航天员巡访、长期工作和生活的载人航天器

1971年,苏联礼炮1空间站成功发射升空,成为人类历史上首个空间站。此后的15年里,苏联又相继发射了礼炮2号至礼炮7号共6个空间站。1973年,美国也成功发射了天空实验室号空间站。这些空间站中,礼炮1号至5号,以及天空实验室号为单模块、单对接口结构,被称为第一代空间站。而礼炮6号和礼炮7号的结构为单模块、双对接口,可同时对接载人飞船与货运飞船,满足宇航员长期在轨驻留的需要,被称为第二代空间站。

1986年,苏联开启了新一代和平号空间站建设。该空间站历时十年建设,先后对接了5个舱段、模块,后运行到2000年才退役。和平号空间站结构具有多模块、积木式特征。在轨模块化组装,大大降低了每次航天发射的载重,更安全,更适用于太空大型空间站的组建,故被称为第三代空间站。和平号空间站在轨驻人运行4590余天,共接纳了来自12个国家的135名宇航员,完成了78次出舱行走,以及海量的科学实验,这些数据指标远远超越了此前所有载人航天任务的总和。

国际空间站被称为第四代空间站,由美国主导,由俄、日、加和欧洲等15个国家参与共同建造、运行和使用。该空间站始建于1998年,各功能模块随后被陆续送入轨道装配,20112月组装工作全部结束 。国际空间站为多模块、桁架和积木式混合结构,是人类拥有过的规模最大的空间站。国际空间站中科学家们完成了数不清的科学实验,为人类科技进步和航天技术发展做出了卓越贡献。

1992年,中国制定了载人航天工程三步走发展战略,开启了建设空间站的序幕。2011年至2016年期间,中国通过天宫一号、天宫二号证了空间站的一系列关键技术。从2020年始,中国相继成功发射了天宫空间站天和核心舱、天舟二号货运飞船和神舟十二号载人飞船,完成了飞船与核心舱的对接和在轨测试,中国航天员首次进入中国人自己的空间站。按计划,在未来的一年半内,中国将陆续发射多个舱段和飞船,并于2022年年内完成空间站的建设。

二、中国空间站的价值

首先,建设空间站可直接带动整个科技产业链及相关科技的进步,具有重大的战略意义。以天宫号核心舱为例,该舱段由我国自主建造,实现了产品、部组件、原材料、关键元器件均实现了国产化。这其中带动了基础研究领域、工业制造领域、数据应用领域等诸方面的长足进步。再以新一代运载火箭为例。研制中许多先进技术经过转化,已成功运用到大型客机、高铁、风力发电等行业的设计研发中,直接服务于国民经济发展,有效提升了我国的基础工业技术水平。

第二,空间站内可以进行空间科学试验以及技术试验。根据任务安排,中国空间站计划于2022年完成在轨建造,具备长期开展近地空间有人参与科学实验、技术试验和综合开发利用太空资源能力。作为长期在轨运行的太空母港 空间站具有天然的高真空、微重力、超洁净的环境。利用空间站的特殊环境,可瞄准人工智能、量子信息、集成电路、空天科技、深地深海等前沿领域,开展相关科学技术研究,产出一批具有前瞻性的重大科技成果。

第三,空间站上可开展生命科学和生物技术研究。中国空间站将安装1000多套仪器设备,用于支持生命科学与生物技术、微重力流体物理、空间材料科学、微重力基础物理等学科领域。有数据显示,历来的空间站科学研究中,生命科学和生物技术的占比最高,而中国空间站科学实验第一批入选的9个项目中,至少有两项与生命科学直接相关。因此,天宫号空间站的建成将为中国生命科学和生物技术的发展提供新的创新载体,助力中国科学家揭开生命的奥秘。

第四,空间站科技成果的转化。以天宫号航天员尿处理与回收系统为例,该产品可实现航天员日常生活排泄物的可重复利用,使得航天员的生活必须品大大减少。再如,空间站的低重力、真空、超净环境可以冶炼地球上无法冶炼的高性能合金,也可以生产性能更优越的半导体晶体。这些高科技如若未来得到落地转化,必将产生显著的社会经济效益。

第五,空间站建成之后,就相当于在太空为所有航天器建造了一个港口,可为其他航天器提供在轨服务。此外,天宫空间站给中国科研人员的太空研究提供了极大便利,利用空间站的空间资源,进行太空探索和前沿科学研究,可为未来人类移民外太空积累科学基础。

总之,以前的中国科研人员没有机会进行如此级别和深度的太空探究,而天宫空间站将为中国的科研人员插上梦想的翅膀

三、中国空间站的优势

从结构上划分,中国空间站属于第三代空间站。作为第四代的国际空间站,现已年久失修,预计2024年左右退役,到时中国空间站将成为唯一在轨运行的空间站。

1)设计更为合理

由于美俄标准不统一,国际空间站舱室利用上存在大量冗余和浪费,很多地方设计不合理。譬如,宁静号对接节点舱、曙光舱和团结舱之间的对接节点舱室都没有用到科学研究上。国际空间站十几个舱段中真正用于科研实验的只有命运舱、哥伦布舱和希望号实验舱,这3个舱段加起来并不大,实验机柜数约31个。相比之下,中国空间站舱室比国际空间站少了很多,但空间站宽阔,实验机柜数量达到了23个,仅比国际空间站少8个。

中国空间站现有一个核心舱、两个实验舱、一个载人飞船和个货运飞船。其实载人飞船可以接两艘,进行交接班,空间站中间节点舱还可兼作气闸舱用。按照中国空间站的设想,未来还极有可能再发射一个组核心舱、实验舱、货舱及载人飞船,对现有中国空间站进行拼接、“扩容”。总之,中国空间站的舱室和总体设计要优于国际空间站。

2)后发优势,部分技术领先

和国际空间站相比,天宫空间站部分技术已逼近甚至超越前者。

中国空间站的太阳能帆板比国际空间站效率更高。其大型太阳能柔性电池翼采用了先进的砷化镓材料,转化率达到了30%,两部电池翼加上核心舱电池翼发电功率可达100千瓦以上。而国际空间站的太阳能电池板效率只有15%,发电总功率仅为90千瓦。中国空间站具有两个高性能的机械臂,核心舱一个,未来将发射的实验舱还有一个。这两个机械臂可以在舱体上移动和操作,极大方便了舱段的安装、对接等工作。中国空间站有一项黑科技--霍尔电推发动机,不同于传统的化学燃料发动机,它只需携带极少的燃料,比冲相当于传统动力的5倍,不仅效率高,而且还能减少推进剂的消耗。天宫空间站还附带着一个巡天号光学舱--一个口径2米的望远镜。它既可以观测遥远深空也可以对地观测,拥有不亚于哈勃望远镜的性能。该光学舱平时和空间拉开一段距离共轨飞行,如需检修,便可靠过来,和空间站对接,以便宇航员维修。此外,中国空间站在通讯、电子技术和能源管理方面,相比国际空间站,也略胜一筹。

3)性价比高,适合国情

国际空间站是目前在轨运行最大的空间平台,规模约有420余吨。中国空间站一期工程仅百吨级,在总体规模上远不及国际空间站。作为第四代空间站的国际空间站建造耗时12年,至今总投入高达2000亿美元,加上后续的定期任务发射与维护,开销巨大,不是一个国家可以承受得了的,因此,它只是一个多国合作的空间站项目。

第一至第四代空间站,如果一个国家来承担建造,选择哪一代比较合适?第四代规模巨大,代价过高,而第一、第二代又过于陈旧,所以建造一个第三代空间站最为合适,况且第三代空间站完全可以完成绝大多数科学目标,性价比极高。正是基于国情和实效考虑,中国将天宫空间站建设定位为第三代空间站。值得一提的是,中国空间站完全由我国自主建造,因此在后续的空间站科研与国际合作中,我国可以按照自己的意愿进行,具有绝对的话语权。

总之,中国空间站比国际空间站建设得晚,且为第三代空间站,但借助后发优势,无论是规模、还是技术应用方面都充分体现了中国特色,走出了一条符合中国国情的空间站可持续发展道路。


本文为中国科学报旗下《科学新闻》杂志特约稿,特此鸣谢。



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