科學“天宮” 筑九霄之上

張智慧

中國載人航天工程經過近30年的發展，圓滿完成“三步走”發展戰略前兩步的任務目標，并掌握了載人航天三大基本技術：天地往返、空間出艙和空間交會對接。自此，中國載人航天工程具備了建造空間站的能力，中國空間站順利拿到了通往太空的通行證。

解構“天宮”

“天宮” 空間站主體由1個核心艙、2個實驗艙組成，呈T字形的構型，總重量達60噸，還配有為空間站進行乘員運輸的“ 神舟” 載人飛船和為空間站進行貨物補給的“天舟”貨運飛船。此外，還有1個與空間站共軌飛行的光學艙。

核心艙被命名為“天和”，全長約16.6米，最大直徑達4.2米，發射質量20～22噸。核心艙又分為3部分：節點艙、生活控制艙和資源艙。主要功能包括為航天員提供居住環境、支持航天員的長期在軌駐留、支持飛船及其他航天器對接?？坎㈤_展部分的空間應用實驗，也是空間站的管理和控制中心。節點艙有2個對接口、2個停泊口和1個出艙口，停泊口用于對接2個實驗艙;對接口用于“神舟”載人飛船及其他飛行器訪問空間站;出艙口供航天員出艙活動。資源艙后端也有1個對接口，用于對接“天舟”貨運飛船。

此外， 核心艙外面還部署了1套機械臂， 用于抓取艙體、運送貨物以及支持航天員在艙外的活動等。

實驗艙Ⅰ名為“ 問天”， 實驗艙Ⅱ名為“夢天”，都主要用于支持開展空間科學與應用研究。實驗艙Ⅰ同時也作為核心艙的部分功能備份，具有支持航天員出艙及組合體控制功能等。

光學艙被命名為“ 巡天”，也就是我們常說的巡天號光學天文望遠鏡。它與天宮空間站的主體共軌飛行，必要時可以靠近空間站，與空間站對接，進行燃料補加或進行維修。

搭建太空城堡

那么，如何將這樣一組“大家伙” 部署到太空中去呢？ 科研人員的回答是： 一步一步來， 就像在太空搭積木一樣。

2021年春季，首先要發射的是核心艙，隨后發射貨運飛船（天舟二號）與核心艙對接，之后發射載人飛船（神舟十二號），將首批3名空間站航天員送入太空，在軌生活3個月，對核心艙進行全面檢驗，然后發射第二艘貨運飛船（天舟三號）和第二艘載人飛船（神舟十三號）。2022年陸續發射兩個實驗艙，最后發射“巡天”光學艙。

不久的將來，中國航天員在太空將進入常態輪值階段。也就是說， 以后我們的航天員也要像國際空間站航天員那樣，每天24小時、每年365天， 不間斷地在太空生活工作了。

寶貴的空間資源：微重力環境

從地球出發，越過100千米的“卡門線”，就是我們常說的太空。中國空間站，運行在傾角41°～42°、軌道高度約400千米的近圓軌道上，繞地球一圈只需大約90分鐘，所以航天員在24小時內可以看到16次日出日落。在這里，由于空間站繞地球飛行所產生的離心力與地球引力平衡，所以空間站上的物體會呈現出微重力狀態。微重力環境是開展空間科學研究與實驗非常獨特而寶貴的資源。

在微重力條件下，材料的加工及制備過程與地面完全不同。比如微重力環境下合金的制備、晶體的生長、球體的制造都比在地面上更容易。微重力還會對一些基礎物理的實驗條件產生重要影響， 科研人員能夠以更高的指標和精度開展實驗， 對重要的基礎物理理論進行驗證。

此外，地球上各種生物的生存和進化一直是在重力環境下實現的，未來人類要想進行星際移民，也必須先行研究微重力環境對生物體的影響。

特殊的“觀景臺”

空間站軌道覆蓋了地球南北緯42°以內、地球人口居住90%的區域，與一般地球遙感衛星采用的太陽同步軌道相比，空間站可實現對同一地區可變光照條件下的觀測。而且空間站軌道高度較低，相比對地觀測儀器的空間分辨率更高，所以對地觀測成像的效果更好。這對于我們觀察地球周圍的大氣環境變化以及海洋、森林等生態變化等更加有利。

由于空間站位于地球大氣層之上， 脫離大氣層的遮擋和電磁場的干擾， 能夠接收到來自宇宙中的各種高能射線， 既能開展輻射生物學研究， 也是開展高能天文觀測和粒子天體物理研究的絕好平臺。

另外，巡天號光學艙也是一個獨立的天文觀測平臺， 是中國下一代旗艦級空間天文望遠鏡， 被稱為“ 中國的哈勃望遠鏡”。但它比哈勃望遠鏡的視場要大300倍， 它將在兩個核心艙發射后進入太空，有望在暗物質、暗能量、星系形成與演化、系外行星探測等天文領域和基礎物理領域的重大問題上取得突破。

去太空做實驗

在載人航天工程發展初期有這樣一句話： 造船為建站， 建站為應用。發展載人航天、建設空間站的最終目的就是開展大規模的空間應用， 也就是載人航天工程第三步的目標—— 建設中國人的國家級太空實驗室。

右下圖是生命生態實驗柜，上方是用于開展各類實驗的模塊，下方是通用的電控、溫控等模塊。實驗柜用來研究植物或動物在微重力環境下的反應與變化以及空間輻射對它們的影響， 從而揭示出微重力對生物個體生長、發育與衰老的影響。

例如， 利用通用生物培養模塊可以種植水稻、生菜等植物;在小型通用生物培養模塊里可以養果蠅、線蟲、蠶等微小型動物;在小型受控生命生態實驗模塊中可以建一個水生生態系統來養魚。如果把這些模塊替換成專門為哺乳動物設計的模塊， 就可以用來養小老鼠等嚙齒類動物。

天宮空間站艙內一共部署了12 個學科方向實驗柜和4 個共用支持實驗柜。空間站艙內的實驗柜除了研究空間生命科學與生物技術， 還能用于開展航天醫學、微重力流體物理與燃燒科學、空間材料科學、微重力基礎物理、航天新技術等領域研究。

空間站艙外配備了暴露實驗平臺， 配置了多個標準載荷接口或大型載荷掛點， 用于開展天文觀測、地球觀測、空間材料科學、空間生物學等多種類型的暴露實驗或應用技術試驗。除了利用艙內的科學實驗柜、艙外的暴露裝置， 還可以設計艙內、艙外專門的獨立載荷，用于進行更多的實驗項目。

總之，空間站的獨特環境，加上10年以上的連續運行以及天地往返運輸支持和航天員參與等條件，為系統地開展各類科學實驗與技術試驗打下了非常有利的基礎。讓我們期待中國空間站早日建成，為推動中國各領域的科學研究，為人類探索更多宇宙奧秘作出積極貢獻。