澳洲拉开中国载人空间站建设大幕,核心舱为什么重

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4月29日,在长征五号B运载火箭的托举下,航天工程空间站“天和”核心舱精准送入预定轨道,首战告捷标志着中国载人航天工程空间站建设正式拉开大幕。按照空间站建造任务规划,今明两年我国将接续实施 11 次飞行任务,包括 3 次空间站舱段发射、4 次货运飞船以及 4 次载人飞船发射,于 2022 年完成空间站在轨建造,实现中国载人航天工程“三步走”发展战略“第三步”的任务目标。空间站系统包括多个主要舱段、载人飞船和货运飞船,那么,为何先发射“天和”核心舱呢?珠海航展展示的“天和”核心舱1比1模型。  本文图片 澎湃新闻记者 谢瑞强01中国目前最大的航天器空间站是一种在近地轨道长时间运行、可满足航天员长期在轨生活、工作以及地面航天员寻访的载人航天器,航天科技集团五院空间站任务总指挥王翔指出,“作为人类历史上规模最大的航天器,空间站代表了当今航天领域最全面、最复杂、最先进和最综合的科学技术成果,是一国航天实力的重要体现之一。”中国空间站研制工作由航天科技集团五院抓总。据航天科技集团五院空间站任务总设计师杨宏介绍,中国空间站总体构型是3个舱段,包括“天和”核心舱、“问天”实验舱和“梦天”实验舱,整体呈 T 字构型。三个主要舱段,为何“天和”核心舱先上天呢?核心舱,顾名思义,其是核心舱段,在整个空间站中起着核心的作用,居核心地位。“天和”核心舱全长 16.6 米,最大直径 4.2 米,发射质量22.5 吨,是未来空间站的管理和控制中心。“天和”可支持3名航天员长期在轨驻留,支持开展舱内外空间5科学实验和技术试验,是我国目前研制的最大的航天器。“天和”核心舱好比是大树的树干,其他的舱段都会安装在它的接口上,如同大树的根、枝、叶,不断向外延伸。所以,“天和”核心舱有一个庞大的躯体和结实的身板。中国航天科技集团有限公司五院空间站核心舱结构分系统主任设计师施丽铭介绍说,“核心舱的体积非常大,长度比五层楼房还要高,直径比火车和地铁的车厢还要宽不少,体积比国际空间站的任何一个舱位都大,航天员入驻后,活动空间非常宽敞。”“此外,核心舱的重量相当于三辆大客车的空重重量,同样也超过国际空间站的任何一个舱段。”施丽铭补充说。核心舱包括节点舱、生活控制舱和资源舱三部分,有3个对接口和2个停泊口。对接口用于载人飞船、货运飞船及其他飞行器访问空间站,停泊口用于两个实验舱与核心舱组装形成空间站组合体,另有一个出舱口供航天员出舱活动。空间站具备长期自主飞行能力,能够支持航天员长期驻留,支持开展航天医学和空间科学实验。正接受测试的“天和”核心舱02舒适的“太空之家”具体来说,“天和”核心舱由节点舱,大、小柱段,后端通道和资源舱组成,发射升空后,将为航天员提供太空科学和居住环境,支持长期在轨驻留,承接载人飞船和货运飞船的对接停靠。为了让航天员在太空中的长期生活更加舒适,核心舱在设计上较过去有了很大突破。据航天科技集团五院航天专家介绍,核心舱供航天员工作生活的空间约 50 立方米,未来加上两个实验舱后,整体能够达到 110 立方米。航天科技集团五院空间站系统副总设计师朱光辰曾经打过一个非常形象的比喻:如果神舟飞船是一辆轿车,那么天宫一号和天宫二号就相当于一室一厅的房子,而空间站则是三室两厅还带储藏间的“豪宅”。为了让航天员在空间站拥有更舒适的地方,航天科技集团五院空间站系统总体主任设计师张昊介绍道,“天和”核心舱的密封舱内配置了工作区、睡眠区、卫生区、就餐区、医监医保区和锻炼区六个区域。不仅能够保证每名航天员都有独立的睡眠环境和专用卫生间,而且在就餐区配置了微波炉、冰箱、饮水机、折叠桌等家居,还配置了太空跑台、太空自行车、抗阻拉力器等健身器材,以满足航天员日常锻炼。此外,张昊还透露,舱内情景照明可由手机 APP 控制。说到手机,核心舱不仅已配备,可以实现在轨航天员之间通话和天地通话;还配了天地视频通话设备,可以实现与地面的双向视频通话;此外,还有可以支持航天员收发电子邮件的测控通信网和相关设备。不仅活动空间大,航天员在空间站的补给也得到了更好保障。此前我国航天员在轨飞行时间的最高纪录是33天,航天员生存所必需的水和氧气由航天器直接送入太空。为了让航天员实现更久的在轨停留,空间站设计了完整的可再生生命保障系统。航天员呼出的水蒸气会通过冷凝水方式回收,排泄的尿液也会回收净化,重新作为饮用水和生活用水使用。电解制氧时产生的氢气与航天员呼出的二氧化碳,将通过化学反应生成氧气,这也能够降低氧气的补给需求。空间站资源十分宝贵,经过科学且慎重的遴选,空间站上将搭载安装包括生物学、材料科学、基础物理、微重力、流体等类别相关的科学研究实验设施。据悉,空间站上将部署10余个先进科学实验柜、舱外载荷安装平台以及共轨飞行的巡天望远镜,提供空间科学实验条件,解决大规模空间应用问题。节点舱前段对接口,可对接载人飞船。03安全的“太空之家”据悉,中国空间站的设计寿命是15年,并可通过维修延长寿命。“中国空间站设计在轨飞行10年,具备延寿到15年的能力。为了保证空间站在轨不小于15年长寿命要求,我们从设计伊始,就开展了长寿命、可靠性、维修性、安全性一体化设计。”空间站系统副总设计师侯永青表示,“具体来讲,就是以系统和产品的长寿命和固有可靠性设计为基础,配合开展系统和产品在轨故障诊断、处置预案设计、维修性设计,以实现长寿命、可靠性的既定目标。”空间站在太空中安家后,将面对来自宇宙的各种威胁和挑战,比如,原子氧、紫外辐照、真空、温度交变、空间碎片以及微重力等等,这些危险元素可能会造成空间站的材料性能衰退,或者诱发故障,从而制约舱外电缆、表面涂层、光学镜头等产品和设备的使用寿命。“影响核心舱舱体主结构长寿命的因素主要有疲劳损伤、意外损伤和腐蚀三种模式。”航天科技集团五院空间站系统总体主管设计师夏乔丽说。为了最大限度地减少损坏和伤害,设计团队想方设法让空间站变得更结实、更强壮。“在‘天和’核心舱主结构设计时,我们从抗腐蚀、抗疲劳、抗断裂三个维度进行了综合分析和评价,从材料选择、结构设计、构型、参数设计等方面进行了科学优化的设计,并从材料到构件到舱段都进行了仿真验证,以确保长寿命。”施丽铭介绍说。核心舱侧面此外,针对长寿命问题,结构研制团队还创新设计了健康监测子系统。这个新增的子系统就像体检医生一样,能够在轨对承受的载荷以及自身的结构状态进行实时监测,也能够对空间碎片等“飞来横祸”进行监测、定位和报警,一旦发现有空间碎片撞击上来,能迅速及时地报警,第一时间通知地面和航天员,立即处理。它还能对舱内的压力情况进行监测,根据不同的压力指标进行分级报警。为了应对空间碎片等“劲敌”的攻击,“天和”核心舱热控分系统针对长寿命可靠性问题,在载人二期的基础上,开展了健壮性设计,为空间站安装了两条相当于“大动脉”的管子——热管辐射器,以便减少流体管在外暴露的面积,大大降低被空间碎片击穿的风险。就像家里使用的水管子、水龙头,用上几年可能就坏了,必须及时更换、维修,否则家里容易闹“水灾”和用水危机。航天科技集团五院空间站热控分系统主任设计师韩海鹰强调,空间站的热控分系统决不能坏掉,特别是有着热控回路系统心脏之称的“回路泵”,必须是可维修的。据悉,空间站在轨长寿命的秘方还有很多,比如舱体结构密封圈、壁板、各种阀门、各种管路等,都在可靠性和长寿命方面进行了巧妙的设计。“千言万语汇成一句话,就是空间站采取了以设备长寿命设计为基础,结合可靠性设计,补充在轨维修的策略,确保长寿命。”侯永青总结说。

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