星辰大海，探無止境

2022-06-20 09:01:05本刊綜合

發明與創新·中學生 2022年8期

本刊綜合

策劃人語：

“空間站”這一概念首次出現在1895年的一部科幻小說中。從1971年，第一代空間站“禮炮1號”發射升空，到國際空間站的投入使用，再到中國空間站的陸續建成，人們想象中的太空正在一代又一代航天人的探索中變得真實。回顧空間站百年歷程，我們在感嘆人類智慧與勇氣的同時，對未來的太空事業更是充滿期待。

空間站又稱航天站、太空站、軌道站，是一種在近地軌道長時間運行，可供多名航天員巡訪、長時間工作和生活的載人航天器。它既是理想的科學實驗室，又是各國軍事、航天發展的重中之重;既是人類深空探索的中間站，又是未來發展星際殖民地的大本營。

空間站的建設與運營是衡量一個國家經濟、科技和綜合國力的重要標志，中國空間站將為人類開展深空探索儲備技術、積累經驗，也是我國為探索宇宙奧秘、和平利用太空、推動構建人類命運共同體作出的積極貢獻。未來，中華民族探索浩瀚星空、未知宇宙的腳步必將愈加穩健。

本期，讓我們走近人類探索星辰大海的第一站——空間站。

——方郁芝? ?秦銀銀

“新秀”：中國空間站

中國空間站由核心艙、實驗艙I、實驗艙II、貨運飛船和載人飛船五個模塊組成。各飛行器既具備獨立的飛行能力，又能與核心艙組合成多種形態的空間組合體，統一在核心艙的調度下協同工作，完成空間站承載的各項任務。

“三室兩廳”——入住空間足

中國空間站整體呈T字構型，核心艙居中，兩個實驗艙分別連接于兩側。如同一套三室兩廳帶儲藏間的“豪宅”，其中“三室”指“天和”核心艙、“問天”實驗艙和“夢天”實驗艙，“兩廳”則是指天舟貨運飛船和神舟載人飛船。

“天和”核心艙

核心艙是空間站的主控艙段，由節點艙、小柱段、大柱段三部分組成，主要控制空間站的飛行姿態、動力性、載人環境。

節點艙是空間站的聯系樞紐，兩個對接口可對接停靠載人飛船，兩個停泊口可用來停靠實驗艙。小柱段是航天員的睡眠區和衛生區，大柱段是航天員工作和實驗的區域。

核心艙的“主動溫控流體回路”可保證空氣溫度、濕度和儀器設備工作溫度在適宜范圍內，確保駐留人員的安全性和舒適性。“再生式生命保障系統”可實現艙內氧氣的再生、二氧化碳等人體代謝產物處理、有害氣體凈化以及水資源的循環利用，保障航天員能在軌長期駐留，減少氧氣、水等消耗品的攜帶。

實驗艙

實驗艙具備核心艙部分關鍵平臺功能，在關鍵時刻可執行對空間站的整體管理和控制。

“問天”實驗艙I主要開展艙內和艙外空間科學與技術試驗，是航天員在軌的主要工作場所。配置有艙內載荷試驗機柜和艙外載荷安裝平臺，提供信息、供電和散熱等支持和保障措施，可開展空間科學、空間材料、空間醫學以及空間探測等多個領域的試驗。

“夢天”實驗艙II除具備實驗艙I類似的功能外，還配置貨物專用氣閘艙，在航天員和機械臂的輔助下支持貨物、載荷自動進出艙。

貨運飛船

由天舟貨運飛船和長征七號運載火箭組成，采用模塊化設計，具有全密封貨艙、半開放貨艙、全開放貨艙三種構型，是空間站的地面后勤保障系統，主要負責對空間站消耗的推進劑進行補給，運送空間站維修和更換設備、航天員工作和生活用品、空間科學實驗設備和用品等。

載人飛船

由“神舟”載人飛船和長征二號F運載火箭組成，用于搭載航天員和部分物資往返空間站。“神舟”載人飛船專為我國近地空間站運營和后續載人月球探測等任務研制，在空間站停靠期間也作為救生船，用于航天員應急救生和返回。

五花八門——科學研究范圍廣

養魚、種菜，打造太空中最精準的時鐘，研制獨特的新型材料，尋找新的物理規律，探索人類如何在太空長期生存，……一大批前沿科學實驗將陸續在中國空間站開展。

中國空間站在空間生命科學與人體研究、微重力物理科學、空間天文與地球科學、空間新技術與應用等領域進行了長期、系統的規劃，研制了一大批科學研究設施，支持在軌開展的千余項研究項目。

空間生命科學與人體研究要深入探究空間環境各因素對生命體細胞、組織、器官等各層次的影響與作用機理。認知生命體太空生長發育與繁衍規律及人類在太空長期生存面臨的健康保障問題，并利用空間特殊環境發展創新的藥物和醫療技術。

微重力物理科學主要研究物質運動的本質規律，建立空間高精度時間頻率系統，進行廣義相對論高精度檢驗等研究。開展極端條件下超冷原子物理、低溫量子相變等前沿實驗，以及基礎燃燒特性與機理、新材料空間制備等研究及應用。

在空間天文與地球科學領域，將利用“巡天”光學望遠鏡、高能宇宙輻射探測器等設施，開展長期深入的天文觀測，研究暗物質與暗能量、宇宙線起源、宇宙形成與早期演化等重大問題。發展對地觀測新技術，著眼全球氣候變化對人類社會可持續發展的影響。

空間新技術與應用領域要發展在軌制造、空間機器人與自主系統、空間信息及精密測量等空間新技術，提升人類探索、開發與利用太空的能力。

目前，“天和”核心艙已安裝了無容器材料科學實驗柜和高微重力科學實驗柜，開展了多項測試試驗。

“問天”實驗艙將開展植物、動物、微生物細胞等十多項生命科學實驗，包括一個由小魚、微生物、水藻組成的密閉生態系統。“夢天”實驗艙將建立世界上第一套由氫鐘、銣鐘、光鐘組成的空間冷原子鐘組，該原子鐘組將成為太空中最精準的時間頻率系統，數億年誤差小于1秒。空間高精度冷原子鐘技術有助于實現更高精度的衛星定位導航，可用于暗物質、引力波探測等基礎物理研究。

此外，北京懷柔科學城建設的地面實驗基地可提供與空間站環境類似的實驗條件，為空間站項目開展地面驗證，支持開展天地比對試驗。

中國空間站以開放的態度開展國際合作。目前，來自瑞士、德國、意大利、日本等17個國家的9個項目首批入選中國空間站科學實驗。6F391035-CC3F-499D-A3D3-BDC9AF0B01DC

自主建造——全部國產化

中國空間站在太陽能電池技術、控制技術、計算機技術等空間站建造相關技術領域，都立足目前我國發展能力和水平。綜合這些能力實現最優的性能，既符合我國國情，又能與世界先進水平比肩。

空間站艙體對接采用積木式布局，有利于節省空間，多接口模式可實現空間的擴展。此外，中國空間站首次應用到空間站的再生生保技術，其配備的冷凝管冷凝干燥組件可收集水汽，凈化后可直接飲用。空間站還建立了物資管理系統，空間上的各種設備以及食品上的專屬二維碼，就是它們的“身份證”。

空間站的太陽能電池效率高，核心艙兩部大型太陽能柔性電池翼應用了三結砷化鎵電池，其轉化率可達30%，兩部電池翼加上核心艙電池翼發電功率可達100千瓦以上。

此外，中國空間站已完全實現自主建造，產品、部組件、原材料已全部國產化，關鍵核心元器件100%自主可控，通過自動化、模塊化的手段開展工作。

“元老”：國際空間站

國際空間站是人類有史以來建造的規模最大的近地軌道空間平臺，它主要由美國國家航空航天局（NASA）、俄羅斯聯邦航天局、歐洲航天局、日本宇宙航空研究開發機構、加拿大空間局共同運營。

結構建造——多國合作

國際空間站由各種模塊和組件拼接而成，并將其他服務設施掛靠在桁架上，形成桁架掛艙式結構，主要由兩大部分立體交叉組合而成。

一部分是以俄羅斯的多功能艙為基礎，通過對接艙段及節點艙與俄羅斯服務艙、實驗艙、生命保障艙、美國實驗艙、日本實驗艙、歐洲航天局的“哥倫布”軌道設施等對接，形成空間站的核心部分。

另一部分是在美國的桁架結構上安裝加拿大的遙操作機械臂服務系統和空間站艙外設備，在桁架的兩端安裝四對太陽能電池帆板。

這兩大部分垂直交叉構成“龍骨架”，不僅加強了空間站的剛度，還有利于各分系統和科學實驗設備、儀器工作性能的正常發揮，有利于宇航員進行出艙裝配與維修等工作。

國際空間站的各種部件由合作各國研制。由俄羅斯研制的多功能艙具有推進、導航、通信、發電、防熱、貯存燃料和對接等多種功能，在國際空間站初期裝配過程中提供電力、軌道高度控制及計算機指令，并在其運行期間提供軌道機動能力和推進劑的貯存。

服務艙作為國際空間站組裝期間的控制中心，用于對國際空間站的姿態控制和再推進，包括衛生間、睡袋、冰箱等生存保障設施和一對太陽能電池板，可向俄羅斯提供的部件供電。

實驗艙是國際空間站進行科學研究的主要場所，包括美國的實驗艙和離心機艙、俄羅斯的研究艙、歐洲航天局的“哥倫布”軌道設施和日本實驗艙。艙內的實驗設備和儀器大部分都置于國際標準機柜內，以便維護和更換。

由加拿大研制的遙操作機械臂可用于空間站的裝配與維修、軌道器的對接與分離、有效載荷操作以及協助出艙活動等，在國際空間站的裝配和維護中發揮關鍵作用。

近期開展的實驗

空間站為人類提供了一個長期在軌進行對地觀測和天文觀測的機會，尤其是在了解宇宙天體位置、分布、運動結構、物理狀態、化學組成及其演變規律等方面。同時，開展太空實驗也是推動人類科技進步的催化劑。

人工視網膜制造

一項基于蛋白質的人工視網膜制造研究，對使用細菌視紫紅質的光激活蛋白質的人工視網膜的制造過程進行了評估。細菌視紫紅質可以替代眼睛中受損感光細胞的功能，通過一層層涂加薄膜來制造植入物。微重力環境下可以較好地限制粒子的聚集和沉降，從而提高形成薄膜的質量和穩定性。

水培與氣培

XROOTS實驗是在沒有土壤或其他傳統生長介質的情況下在空間站種植植物。研究人員計劃使用視頻和靜止圖像來評估植物在整個生命周期中的生長情況。

水培和氣培技術可為太空探索提供更大的農作物生產規模，為這項調查開發的系統組件還可增強某些陸地環境中的植物種植，比如溫室環境，為人類提供更好的糧食安全。

醫療監測

rHEALTH演示測試設備采用流式細胞儀，通過激光對細胞進行分類和識別的方法，分析細胞計數和細胞特征，檢測微生物、生物標志物和蛋白質，并診斷相關疾病。

該演示驗證了適當的硬件也可以在空間環境中運行，并對準確性進行了評估。這項技術還可為地球上無法獲得醫療保健基礎設施的患者，提供及時、可靠和方便的診斷測試。

瀕臨“退休”——何去何從

國際空間站的使用年限為10～15年。隨著空間站服役時間的增加，航天器除了自身硬件老化的因素外，各國航天活動頻繁帶來大量的太空垃圾也對國際空間站構成了潛在威脅。當國際空間站的安全性降低，尤其是當環控生保系統無法正常工作，難以保障宇航員在太空的生活和工作時，國際空間站將不得不退役。

按照NASA規劃的最新時間表，國際空間站或將于2031年1月脫離軌道，最終墜入太平洋無人區。