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中国为什么要建设空间站?

来源:科普中国 作者:李会超 发布时间:2021-04-28 10:04:58 浏览次数: 【字体:

根据中国载人航天工程办公室发布的消息,我国空间站的核心舱“天和”号与与长征五号B遥二运载火箭组合体已转运至发射区,正在进行发射前的准备工作。

中国空间站天和核心舱器箭组合体转运至发射区(图片来源见水印)

回顾人类的航天史,当把人类送入太空还处于概念和想象中时,齐奥尔科夫斯基、冯·布劳恩等航天界的先驱们就已经提出了空间站的设想。从国外载人航天技术的发展过程看,发射和运行大型空间站,让航天员在太空与地面间穿梭成为日常,是载人航天技术走向成熟的标志。

从2003年神舟五号首次将中国航天员送入太空至今,在18年的岁月中,我国的载人航天工程已经成功进行了载人飞船和短期空间实验室的发射和运行,完成了1992年中央批准立项时提出的“三步走”规划中的前两步,即将迈向自己的“成人礼”——建设长期有人驻留的大型空间站。

为什么各国纷纷要建空间站?别急,看完这篇,你就知道了。

具有军事化色彩的空间站

在上世纪六十年代初美苏刚刚掌握载人航天技术时,就提出了各自的空间站计划。除了在宣传上占据先机、显示自己国家技术实力的强大外,当时两国设计的空间站还带有强烈的军事色彩。

苏联早期的军用空间站使用了“礼炮”的名称,甚至还将一门机炮安装到了礼炮3号空间站上,在没有航天员驻留时,在太空中真的鸣响了“礼炮”,进行了一次实弹射击试验。

美国也曾经提出过MOL项目,通过航天员的在轨操作来监视苏联的军事动态。由于当时美国尚未掌握交会对接技术,因此MOL设想对双子星飞船进行改进,将航天员直接放入空间站内发射到太空中,完成一个月的侦查任务后返回。

礼炮3号同款机炮 (来源: russianspaceweb.com)

不过在之后,无人侦查卫星的发展使得空间站的军事功能变得越来越没有必要。

在空间站工程技术发展的同时,空间站存在的目的和执行的主要任务也逐步回归了航天先驱们的“初心”:人类飞往深空的前哨站,人类在太空中的大型科学实验平台。

身兼数职的空间站

如果航天员要乘坐飞船去往火星,要在太空中度过数以年计的时间。在飞行过程中,航天员们将长期处于失重状态,生理和心理还受到各种各样不利因素的冲击。一切在地球上习以为常的生活方式都要发生改变,甚至包括上厕所——在美剧《生活大爆炸》中,工程师霍华德就为此进行了不太成功的工作。而当霍华德真的进入太空后,各种压力与焦虑使他近乎崩溃。

《生活大爆炸》中国际空间站31远征队成员霍华德(图片来源:《生活大爆炸》,剧情为虚构)

进入太空也许是每个人梦寐以求的事情,但长期呆在太空中可能并不是一件十分轻松的事情。未来,要让航天员愉快舒适的完成火星之旅,我们必须先搞清楚长时间的太空飞行究竟会对人体产生怎样的影响。

2019年,一篇发表在《科学报告》(Scientific Reports)上的论文发现,当航天员在太空中生活久了之后,航天员身体上的微生物群落情况也会相应地发生变化。更有趣的是,一旦结伴去了太空,航天员小伙伴们肠道中的细菌的种类和组分会变得越来越一致。

去年,美国科学家对完成长时间航天飞行的航天员大脑进行了核磁共振扫描分析,发现航天员们的大脑的体积有所膨胀,某些结构的形状还发生了改变。

国际空间站 (来源:NASA)

这两项研究是长期太空飞行效应研究的一个缩影,而研究对象都是曾经在国际空间站上工作的航天员。目前,国际空间站是唯一一个可供航天员长期驻留太空的航天器,航天员在空间站上的平均工作时间大约为6个月。

除了考察太空飞行对人的影响外,空间站还可以测试未来可能用于太空飞行的各种技术设备。

目前,正在空间站上使用的ECLSS系统可以将各种使用过的水,甚至是航天员的尿液进行汇集处理,并再次产生洁净的、可供饮用的水。技术人员们希望这个系统在国际空间站上测试改进后,未来能够用到火星上。

当然,长期“喝尿”会不会让航天员心理崩溃,可能也是需要研究的课题之一。

空间站也有望成为航天器飞向深空或降落行星前的中转站。美国正在计划建设的“深空门户”月球轨道空间站,就将在未来承担起这一职能。

总之,人类如果想亲身飞往更遥远的太空,空间站必然是第一站。

虽然空间站运行在低地球轨道上,与地面的距离不过几百公里,相比于月球火星等天体与地球的距离,显得“近在咫尺”。但是这里已经进入了太空,可以获得微重力环境,也就是我们俗称的“失重”环境。这种在地面上难以长时间获得的特别环境,让空间站成为了理想的科学实验平台。

比如说,在太空中,原子团由于重力的消失会获得不同的运动形态,科学家们可以利用这一变化,在空间实验室中对更加准确的冷原子钟进行试验。原子钟是北斗等卫星定位系统的核心元件,高精度的原子钟未来有望让卫星定位变得更加准确。

同时,由于重力的“消失”,再也不会有“水往低处流”的现象,可以对流体力学问题展开新的研究。

而脱离了大气层的阻挡和干扰,观测仪器还可以接收到伽马波段的天体辐射信号。伽马射线虽然对人体有害,但却携带了宇宙中最剧烈的爆发现象的信息,通过伽马波段的观测,科学家们可以了解黑洞和中子星等天体变化的规律,以及太阳耀斑发生的规律。在太空中培育农作物,不但可以为未来在月球或者火星种菜做一些探索,还能对重力影响植物生长的情况作出研究。

以上这些实验内容,都已经在“天宫二号”空间实验室开展过。作为我国大型空间站的“初代型号”,在轨运行期间,天宫二号已经显示出了作为太空稳定大型实验平台的优势。

其实,在航天飞机尚未退役的年代,类似的实验还可以通过航天飞机货舱中安置的SpaceLab实验舱来完成,我国的实践十号返回式卫星,也是一个理想的空间微重力实验平台。

然而,航天飞机和返回式卫星在太空逗留的时间无法和空间站相提并论,无法进行长期持续的实验。而卫星中的实验装置不但体积规模受限,还无法由航天员操作完成一些复杂的操作。

从国际空间站二十年来运行的情况看,其搭载的科学实验不但产生了不少重大的科学发现,还“反哺”了地球,将不少成果应用到了国计民生中。

建成后的中国空间站 

未来,在我国的大型空间站完成建设后,将有两个专门的实验舱承载科学实验设施,开展规模更大、更加丰富的科学实验,中国科学院空间应用工程与技术中心等多家科研单位在其中将扮演重要角色。

在计划的十余年运行期间,获得的实验样品可以由航天员在返回地球时捎带回地面,新的实验设备也可以由货运飞船上送到空间站中,不断为我国的科学研究产出新的成果。

此外,对于国际上愿意和我们合作的国家,我们不但可以将国外的实验装置载入我国的空间站进行实验,还能够在空间站规模扩大时直接融入国外研制的符合我国空间站标准的舱段。

下一代航天人的启明星

2013年6月天宫一号任务期间,航天员王亚平在太空进行了我国首次太空授课。当时听讲的中小学生,可能有不少都已经进入了大学,有些可能正在航天和空间科学相关的专业学习,将要成为未来航天发展的主力军。

王亚平正在进行太空授课 (来源:中国载人航天工程网)

当我国的空间站建成后,太空授课的频率可能大幅增加,说不定孩子们每个学期都能体验,观察空间站划过夜空时的场景也可能会成为不少学校课外活动的选项。

抬头看,空间站在那里,我们的航天员在那里。能够凝聚下一代仰望太空的目光,使他们由衷地为我们这个强大而进取的国家感到自豪,并启迪他们取得更新奇的科学发现、创造更先进的工程技术,除了实实在在的好处,这可能是建设空间站最大的意义。

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