科學(xué)“天宮” 筑九霄之上

張智慧

中國載人航天工程經(jīng)過近30年的發(fā)展，圓滿完成“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略前兩步的任務(wù)目標(biāo)，并掌握了載人航天三大基本技術(shù)：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(gòu)“天宮”

“天宮” 空間站主體由1個(gè)核心艙、2個(gè)實(shí)驗(yàn)艙組成，呈T字形的構(gòu)型，總重量達(dá)60噸，還配有為空間站進(jìn)行乘員運(yùn)輸?shù)摹?神舟” 載人飛船和為空間站進(jìn)行貨物補(bǔ)給的“天舟”貨運(yùn)飛船。此外，還有1個(gè)與空間站共軌飛行的光學(xué)艙。

核心艙被命名為“天和”，全長約16.6米，最大直徑達(dá)4.2米，發(fā)射質(zhì)量20～22噸。核心艙又分為3部分：節(jié)點(diǎn)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(huán)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停靠并開展部分的空間應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，也是空間站的管理和控制中心。節(jié)點(diǎn)艙有2個(gè)對接口、2個(gè)停泊口和1個(gè)出艙口，停泊口用于對接2個(gè)實(shí)驗(yàn)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(gè)對接口，用于對接“天舟”貨運(yùn)飛船。

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

實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ名為“ 問天”， 實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ名為“夢天”，都主要用于支持開展空間科學(xué)與應(yīng)用研究。實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ同時(shí)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(xué)艙被命名為“ 巡天”，也就是我們常說的巡天號光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡。它與天宮空間站的主體共軌飛行，必要時(shí)可以靠近空間站，與空間站對接，進(jìn)行燃料補(bǔ)加或進(jìn)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(fā)射的是核心艙，隨后發(fā)射貨運(yùn)飛船（天舟二號）與核心艙對接，之后發(fā)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(gè)月，對核心艙進(jìn)行全面檢驗(yàn)，然后發(fā)射第二艘貨運(yùn)飛船（天舟三號）和第二艘載人飛船（神舟十三號）。2022年陸續(xù)發(fā)射兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙，最后發(fā)射“巡天”光學(xué)艙。

不久的將來，中國航天員在太空將進(jìn)入常態(tài)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(shí)、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(huán)境

從地球出發(fā)，越過100千米的“卡門線”，就是我們常說的太空。中國空間站，運(yùn)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(shí)內(nèi)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(chǎn)生的離心力與地球引力平衡，所以空間站上的物體會呈現(xiàn)出微重力狀態(tài)。微重力環(huán)境是開展空間科學(xué)研究與實(shí)驗(yàn)非常獨(dú)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(huán)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(chǔ)物理的實(shí)驗(yàn)條件產(chǎn)生重要影響， 科研人員能夠以更高的指標(biāo)和精度開展實(shí)驗(yàn)， 對重要的基礎(chǔ)物理理論進(jìn)行驗(yàn)證。

此外，地球上各種生物的生存和進(jìn)化一直是在重力環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的，未來人類要想進(jìn)行星際移民，也必須先行研究微重力環(huán)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(nèi)、地球人口居住90%的區(qū)域，與一般地球遙感衛(wèi)星采用的太陽同步軌道相比，空間站可實(shí)現(xiàn)對同一地區(qū)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(huán)境變化以及海洋、森林等生態(tài)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(xué)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(xué)艙也是一個(gè)獨(dú)立的天文觀測平臺， 是中國下一代旗艦級空間天文望遠(yuǎn)鏡， 被稱為“ 中國的哈勃望遠(yuǎn)鏡”。但它比哈勃望遠(yuǎn)鏡的視場要大300倍， 它將在兩個(gè)核心艙發(fā)射后進(jìn)入太空，有望在暗物質(zhì)、暗能量、星系形成與演化、系外行星探測等天文領(lǐng)域和基礎(chǔ)物理領(lǐng)域的重大問題上取得突破。

去太空做實(shí)驗(yàn)

在載人航天工程發(fā)展初期有這樣一句話： 造船為建站， 建站為應(yīng)用。發(fā)展載人航天、建設(shè)空間站的最終目的就是開展大規(guī)模的空間應(yīng)用， 也就是載人航天工程第三步的目標(biāo)—— 建設(shè)中國人的國家級太空實(shí)驗(yàn)室。

右下圖是生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜，上方是用于開展各類實(shí)驗(yàn)的模塊，下方是通用的電控、溫控等模塊。實(shí)驗(yàn)柜用來研究植物或動物在微重力環(huán)境下的反應(yīng)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(gè)體生長、發(fā)育與衰老的影響。

例如， 利用通用生物培養(yǎng)模塊可以種植水稻、生菜等植物;在小型通用生物培養(yǎng)模塊里可以養(yǎng)果蠅、線蟲、蠶等微小型動物;在小型受控生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)K中可以建一個(gè)水生生態(tài)系統(tǒng)來養(yǎng)魚。如果把這些模塊替換成專門為哺乳動物設(shè)計(jì)的模塊， 就可以用來養(yǎng)小老鼠等嚙齒類動物。

天宮空間站艙內(nèi)一共部署了12 個(gè)學(xué)科方向?qū)嶒?yàn)柜和4 個(gè)共用支持實(shí)驗(yàn)柜?？臻g站艙內(nèi)的實(shí)驗(yàn)柜除了研究空間生命科學(xué)與生物技術(shù)， 還能用于開展航天醫(yī)學(xué)、微重力流體物理與燃燒科學(xué)、空間材料科學(xué)、微重力基礎(chǔ)物理、航天新技術(shù)等領(lǐng)域研究。

空間站艙外配備了暴露實(shí)驗(yàn)平臺， 配置了多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)載荷接口或大型載荷掛點(diǎn)， 用于開展天文觀測、地球觀測、空間材料科學(xué)、空間生物學(xué)等多種類型的暴露實(shí)驗(yàn)或應(yīng)用技術(shù)試驗(yàn)。除了利用艙內(nèi)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜、艙外的暴露裝置， 還可以設(shè)計(jì)艙內(nèi)、艙外專門的獨(dú)立載荷，用于進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

總之，空間站的獨(dú)特環(huán)境，加上10年以上的連續(xù)運(yùn)行以及天地往返運(yùn)輸支持和航天員參與等條件，為系統(tǒng)地開展各類科學(xué)實(shí)驗(yàn)與技術(shù)試驗(yàn)打下了非常有利的基礎(chǔ)。讓我們期待中國空間站早日建成，為推動中國各領(lǐng)域的科學(xué)研究，為人類探索更多宇宙奧秘作出積極貢獻(xiàn)。