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同濟大學航空航天與力學學院沈教授原創|中國空間站的價值與優勢

分類:特色新工科 發布日期:2022-04-12 發布人:溈徠

2020年至今,中國北斗導航系統完成全球組網,重型運載火箭長征五號B全面投入應用,嫦娥五號完成中國首次航天器登月采樣和返回,火星探測天問一號一次性成功實施火星“繞”、“降”、“巡”等三大工程目標,高分衛星工程、科學衛星和商業航天項目如火如荼,呈現出了欣欣向榮的氣象。這些成就反映出了中國航天的實力,也標志著中國從世界航天大國邁入航天強國的行列。

最近,繼天舟貨運飛船、天和核心艙發射與對接任務完成之后,中國神舟十二號載人飛船再次攜3名航天員飛赴太空,意味著中國空間站的時代即將來臨。


一、人類空間站史


空間站又稱“太空站”或“航天站”,是一種在近地球軌道上長時間運行、可供多名航天員巡訪、長期工作和生活的載人航天器。


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1971年,蘇聯禮炮1號空間站成功發射升空,成為人類歷史上首個空間站。此后的15年里,蘇聯又相繼發射了禮炮2號至禮炮7號共6個空間站。1973年,美國也成功發射了天空實驗室號空間站。這些空間站中,禮炮1號至5號,以及天空實驗室號為單模塊、單對接口結構,被稱為第一代空間站。而禮炮6號和禮炮7號的結構為單模塊、雙對接口,可同時對接載人飛船與貨運飛船,滿足宇航員長期在軌駐留的需要,被稱為第二代空間站。

1986年,蘇聯開啟了新一代和平號空間站建設。該空間站歷時十年建設,先后對接了5個艙段、模塊,后運行到2000年才退役。和平號空間站結構具有多模塊、積木式特征。在軌模塊化組裝,大大降低了每次航天發射的載重,更安全,更適用于太空大型空間站的組建,故被稱為第三代空間站。和平號空間站在軌駐人運行4590余天,共接納了來自12個國家的135名宇航員,完成了78次出艙行走,以及海量的科學實驗,這些數據指標遠遠超越了此前所有載人航天任務的總和。

國際空間站被稱為第四代空間站,由美國主導,由俄、日、加和歐洲等15個國家參與共同建造、運行和使用。該空間站始建于1998年,各功能模塊隨后被陸續送入軌道裝配,20112月組裝工作全部結束 。國際空間站為多模塊、桁架和積木式混合結構,是人類擁有過的規模最大的空間站。國際空間站中科學家們完成了數不清的科學實驗,為人類科技進步和航天技術發展做出了卓越貢獻。

1992年,中國制定了載人航天工程三步走發展戰略,開啟了建設空間站的序幕。2011年至2016年期間,中國通過天宮一號、天宮二號證了空間站的一系列關鍵技術。從2020年始,中國相繼成功發射了天宮空間站天和核心艙、天舟二號貨運飛船和神舟十二號載人飛船,完成了飛船與核心艙的對接和在軌測試,中國航天員首次進入中國人自己的空間站。按計劃,在未來的一年半內,中國將陸續發射多個艙段和飛船,并于2022年年內完成空間站的建設。


二、中國空間站的價值


首先,建設空間站可直接帶動整個科技產業鏈及相關科技的進步,具有重大的戰略意義。以天宮號核心艙為例,該艙段由我國自主建造,實現了產品、部組件、原材料、關鍵元器件均實現了國產化。這其中帶動了基礎研究領域、工業制造領域、數據應用領域等諸方面的長足進步。再以新一代運載火箭為例。研制中許多先進技術經過轉化,已成功運用到大型客機、高鐵、風力發電等行業的設計研發中,直接服務于國民經濟發展,有效提升了我國的基礎工業技術水平。


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第二,空間站內可以進行空間科學試驗以及技術試驗。根據任務安排,中國空間站計劃于2022年完成在軌建造,具備長期開展近地空間有人參與科學實驗、技術試驗和綜合開發利用太空資源能力。作為長期在軌運行的太空母港, 空間站具有天然的高真空、微重力、超潔凈的環境。利用空間站的特殊環境,可瞄準人工智能、量子信息、集成電路、空天科技、深地深海等前沿領域,開展相關科學技術研究,產出一批具有前瞻性的重大科技成果。

第三,空間站上可開展生命科學和生物技術研究。中國空間站將安裝1000多套儀器設備,用于支持生命科學與生物技術、微重力流體物理、空間材料科學、微重力基礎物理等學科領域。有數據顯示,歷來的空間站科學研究中,生命科學和生物技術的占比最高,而中國空間站科學實驗第一批入選的9個項目中,至少有兩項與生命科學直接相關。因此,天宮號空間站的建成將為中國生命科學和生物技術的發展提供新的創新載體,助力中國科學家揭開生命的奧秘。

第四,空間站科技成果的轉化。以天宮號航天員尿處理與回收系統為例,該產品可實現航天員日常生活排泄物的可重復利用,使得航天員的生活必須品大大減少。再如,空間站的低重力、真空、超凈環境可以冶煉地球上無法冶煉的高性能合金,也可以生產性能更優越的半導體晶體。這些高科技如若未來得到落地轉化,必將產生顯著的社會經濟效益。

第五,空間站建成之后,就相當于在太空為所有航天器建造了一個港口,可為其他航天器提供在軌服務。此外,天宮空間站給中國科研人員的太空研究提供了極大便利,利用空間站的空間資源,進行太空探索和前沿科學研究,可為未來人類移民外太空積累科學基礎。

總之,以前的中國科研人員沒有機會進行如此級別和深度的太空探究,而天宮空間站將為中國的科研人員插上夢想的翅膀。


三、中國空間站的優勢


從結構上劃分,中國空間站屬于第三代空間站。作為第四代的國際空間站,現已年久失修,預計2024年左右退役,到時中國空間站將成為唯一在軌運行的空間站。


同濟大學航空航天與力學學院沈教授原創|中國空間站的價值與優勢(圖3)

1)設計更為合理

由于美俄標準不統一,國際空間站艙室利用上存在大量冗余和浪費,很多地方設計不合理。譬如,寧靜號對接節點艙、曙光艙和團結艙之間的對接節點艙室都沒有用到科學研究上。國際空間站十幾個艙段中真正用于科研實驗的只有命運艙、哥倫布艙和希望號實驗艙,這3個艙段加起來并不大,實驗機柜數約31個。相比之下,中國空間站艙室比國際空間站少了很多,但空間站寬闊,實驗機柜數量達到了23個,僅比國際空間站少8個。

中國空間站現有一個核心艙、兩個實驗艙、一個載人飛船和個貨運飛船。其實載人飛船可以接兩艘,進行交接班,空間站中間節點艙還可兼作氣閘艙用。按照中國空間站的設想,未來還極有可能再發射一個組核心艙、實驗艙、貨艙及載人飛船,對現有中國空間站進行拼接、“擴容”??傊?,中國空間站的艙室和總體設計要優于國際空間站。

2)后發優勢,部分技術領先

和國際空間站相比,天宮空間站部分技術已逼近甚至超越前者。

中國空間站的太陽能帆板比國際空間站效率更高。其大型太陽能柔性電池翼采用了先進的砷化鎵材料,轉化率達到了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。而國際空間站的太陽能電池板效率只有15%,發電總功率僅為90千瓦。中國空間站具有兩個高性能的機械臂,核心艙一個,未來將發射的實驗艙還有一個。這兩個機械臂可以在艙體上移動和操作,極大方便了艙段的安裝、對接等工作。中國空間站有一項黑科技--霍爾電推發動機,不同于傳統的化學燃料發動機,它只需攜帶極少的燃料,比沖相當于傳統動力的5倍,不僅效率高,而且還能減少推進劑的消耗。天宮空間站還附帶著一個巡天號光學艙--一個口徑2米的望遠鏡。它既可以觀測遙遠深空也可以對地觀測,擁有不亞于哈勃望遠鏡的性能。該光學艙平時和空間拉開一段距離共軌飛行,如需檢修,便可靠過來,和空間站對接,以便宇航員維修。此外,中國空間站在通訊、電子技術和能源管理方面,相比國際空間站,也略勝一籌。

3)性價比高,適合國情

國際空間站是目前在軌運行最大的空間平臺,規模約有420余噸。中國空間站一期工程僅百噸級,在總體規模上遠不及國際空間站。作為第四代空間站的國際空間站建造耗時12年,至今總投入高達2000億美元,加上后續的定期任務發射與維護,開銷巨大,不是一個國家可以承受得了的,因此,它只是一個多國合作的空間站項目。

第一至第四代空間站,如果一個國家來承擔建造,選擇哪一代比較合適?第四代規模巨大,代價過高,而第一、第二代又過于陳舊,所以建造一個第三代空間站最為合適,況且第三代空間站完全可以完成絕大多數科學目標,性價比極高。正是基于國情和實效考慮,中國將天宮空間站建設定位為第三代空間站。值得一提的是,中國空間站完全由我國自主建造,因此在后續的空間站科研與國際合作中,我國可以按照自己的意愿進行,具有絕對的話語權。

總之,中國空間站比國際空間站建設得晚,且為第三代空間站,但借助后發優勢,無論是規模、還是技術應用方面都充分體現了中國特色,走出了一條符合中國國情的空間站可持續發展道路。


本文來自:沈海軍科學網博客


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