神舟十二接天和

作为第一组进入空间站的中国人,三位航天员将度过三个月的太空生活,开展两次出舱活动及舱外作业,首次验证再生生保、机械臂、出舱活动等关键技术

「太羡慕他们了,一进去之后这个『家』太大了。」6 月 17 日晚间,第一位上太空的中国人杨利伟接受新华社采访时开玩笑说。彼时神舟十二号的三名航天员——聂海胜、刘伯明和汤洪波刚刚进驻空间站不久,正忙着设置电解制氧气的档位、安装水箱、整理睡眠区。他们接下来一周的主要工作都是「装修新家」。

2003 年,杨利伟曾搭乘神舟五号上天 21 小时,活动范围仅限于返回舱的座椅,要用类似纸尿裤的装置上厕所。神舟十二号三名航天员居住的「天和」核心舱,活动空间超过 50 立方米,有 3 个卧室,甚至配有 1 个独立卫生间。

但聂海胜、刘伯明和汤洪波要在太空中居住的时间也更长,将达三个月之久。目前,中国载人航天「三步走」的发展战略已经完成了两步,第三步「建造空间站」正处于重要的关键技术验证阶段。作为第一个登上空间站的飞行乘组,三名航天员肩负着一系列复杂的任务,包括开展两次出舱活动及舱外作业。

「对关键技术验证,这个乘组是最重要的。」中国工程院院士、中国载人航天工程总设计师周建平 6 月 17 日接受央视采访时说:「我们有几大关键技术,再生生保技术、机械臂技术、出舱活动技术,这三项我们乘组都是第一个吃螃蟹的。」

神舟十二号「吃螃蟹」之后,中国空间站还有 8 次飞行任务,包括「问天」实验舱和「梦天」实验舱发射,3 次货运飞船及 3 次载人飞船发射,于 2022 年建成在轨稳定运行的国家太空实验室。届时,中国空间站将拥有整体 110 立方米的活动空间,可实现 3 人长期驻留、6 人短期驻留,在轨飞行可达 10 年以上。

小时飞天路

2021 年 6 月 17 日 9 时 22 分,甘肃酒泉卫星发射中心,搭载神舟十二号载人飞船的长征二号 F 遥十二运载火箭点火升空。直播镜头中,火箭从太阳中间划过,很快消失在蓝天之中。发射约 120 秒后,逃逸塔分离,又过了约 40 秒,一级火箭分离。镜头对准神舟十二号返回舱里的三名航天员,聂海胜坐在中间,其左手边是汤洪波,右手边是刘伯明,三人表情都很平静,对着观众比出 OK 手势。画面外,各个指挥员的「正常」响成一片。

神舟十二号飞行乘组的三名航天员是「老带新」组合:聂海胜今年 56 岁,曾两次上天,分别于 2005 年和 2013 年执行过神舟六号和神舟十号飞行任务;刘伯明今年 54 岁,曾于 2008 年执行神舟七号飞行任务,协助翟志刚完成了中国航天史上第一次空间出舱;最年轻的是首次执行航天任务的汤洪波,也已经 45 岁,2010 年入选航天员,训练已垂十年。而聂海胜和刘伯明更是早在 1998 年就入选航天员,每人的训练时长都超过了 6000 学时。

搭载神舟十二号的长征二号 F 火箭被称为「神箭」,具备极高的安全性能。它由四个液体助推器、芯一级火箭、芯二级火箭、整流罩和逃逸塔组成,一旦发生危险,逃逸塔可以瞬间点火,能在 3 秒内把航天员乘坐的轨道舱和返回舱拖拽出来。「长征二号 F 火箭可靠性指标达到 0.97,意思是在 100 次发射任务中,最多只能允许 3 次以内的失误。到目前为止,发射成功率 100%,是可靠性与安全性都极高的运载火箭。」中国运载火箭技术研究院总体设计部型号设计师钱航对财新介绍。

不仅如此,神舟十二号任务还多上了一层「保险」,设计了一个随时准备救援的「备份」。长征二号 F 遥十二火箭发射的同时,长征二号 F 遥十三火箭也完成了准备工作,进入应急救援值班状态,具备 8.5 天和 16 天应急发射的能力,最长可能竖立存放半年。神舟十三号载人飞船同样待命,它具备快速发射和应急救援能力。万一出现意外情况,接到应急救援命令后,长征二号 F 火箭基础级、整流罩(半罩)和逃逸塔可以立即同步开展工作,能够快速发射飞船,将航天员安全接回。

不过,逃逸塔和备份火箭都未派上用场。神舟十二号发射约 573 秒后,酒泉卫星发射中心接连响起掌声,船箭成功分离,太阳能帆板展开。三名航天员打开面罩,露出微笑,第一次上太空的汤洪波还玩起了失重漂浮的笔。

9 时 41 分,直播镜头切换回地面,酒泉卫星发射中心主任张志芬宣布,神舟十二号发射任务取得圆满成功。

按照设计,神舟十二号「朝发夕至」,只需约 6.5 个小时就能实现与天和核心舱对接。中国空间技术研究院研究员庞之浩向财新介绍,神舟十二号有北斗卫星的支持,从而实现远距离的自主引导、六个多小时快速对接,而 2012 年神舟九号对接天宫一号则耗时两天。「以前飞船追天宫一号或者天宫二号需要两天,主要是靠地面引导,很花时间,要不断测量两个航天器的位置,然后再输入程序。」他说,「有了北斗导航定位装置,随时知道两个航天器的位置,能够直接追上了,不需要地面干预,节省了很多时间。」

因此,第二个捷报很快传来。从 10 时 7 分开始,神舟十二号飞船进行了多次自主变轨,修正轨道偏差,抬高到与天和核心舱一致的运行平面,到达 200 米停泊点。就在此时,神舟十二号飞天之路出现了少有的「紧张一幕」:聂海胜提问,从神舟返回舱内看过去,有两个天和核心舱的「鬼影」,「上面是真的还是下面是真的?」又是一片「正常」的声音过后,北京指挥部表示,「请神舟十二号自行调光」。随着摄像机里的光线变暗,下面的影子消失。从「神舟看天和」的直播镜头看去,天和核心舱沐浴在阳光之下,两翼的太阳能帆板都闪耀着金色,它悬停一会儿之后,就向神舟十二号缓缓移动而来。

15 时 54 分,神舟十二号飞行 6.5 个小时后,成功与天和核心舱前向端口对接,与此前已对接的天舟二号货运飞船一起构成三舱组合体。随后,三名航天员从神舟十二号的返回舱进入轨道舱,开启节点舱舱门、核心舱舱门。18 时 48 分,聂海胜、刘伯明、汤洪波先后进入天和核心舱。

「神舟十二号报告,我们乘组已进入我们的太空家园天和一号核心舱,感谢全国人民的支持,感谢广大科技工作者的辛勤付出。」在聂海胜的带领下,三名航天员向镜头敬礼,中国人首次进驻自己的空间站。

航天员在太空

作为第一组进入空间站的中国人,聂海胜、刘伯明和汤洪波面对的首要问题就是约三个月的太空失重生活,此前中国航天员在太空停留的最长时间是 33 天。

「(33 天和 3 个月的)不同体现在,3 个月算长期飞行,长期飞行中健康出问题的风险就大大增加了,遇到各种各样的异常情况、突发问题,比如说设备坏了、航天器出现故障了,这种风险的概率也大大增加了,对人的身心素质、知识技能要求也更高了。」中国载人航天工程航天员系统总设计师黄伟芬长期负责航天员的选拔培训,她向央视表示,长期失重和密闭狭小环境对航天员的在轨锻炼、心理支持等方面都有影响,航天员在轨的健康保障技术难度也随之增大。

黄伟芬很关心航天员的睡眠质量,她解释说,在轨航天员采用的是天地同步的作息制度,每天早上八点要和地面沟通当天的工作计划,晚上八九点还会沟通工作完成情况,「我们要定期评估他们的睡眠质量,这也是对他们健康状况评价的一个指标」。

为了能让航天员睡好觉,空间站内配备了声光电的报警系统,地面也配置了预警设备进行实时监测,因此不再需要一名航天员不睡觉值守。此外,天和核心舱划出了独立的睡眠区,提供合适睡眠的照明灯光,也确保三名航天员睡觉时互不干扰,虽然他们依然要「装进睡袋」睡觉,但已经实现了从「站睡」到「躺睡」的变化。

睡眠区之外,天和核心舱还配备了专门的就餐区、卫生区、锻炼区、医保医监区和工作区,都有一系列配套设施:在饮食上,空间站配置了 120 余种航天食品,还准备了由纳米气凝胶隔成的「冰箱」和加热装置,冷热均衡、荤素搭配,为三名航天员准备了个人喜欢的口味,「一个星期都不会重样」;在卫生上,航天员可以使用湿毛巾加热擦拭身体,戴上浴帽,用免冲洗的洗发液洗头,天和核心舱还配置了中国第一个独立的太空厕所;在体育锻炼上,配置有太空跑台、太空自行车等健身器材。黄伟芬介绍,三名航天员一周要进行三到四次、每次至少两个多小时的运动训练,以防止失重状态下的肌肉萎缩,地面团队也会对其身体状态进行动态评估;而在医疗上,则配备了百余种常见药品和医疗器械,如果生病可以及时处理,航天员也有自我救护和互相救护的能力。

在狭小的密闭空间生活三个多月,除了吃喝拉撒睡,另一个大问题是航天员的心理健康。「我们在轨配备了航天员能调节心情、休闲娱乐的设施,可以看电影,听自己喜欢的音乐,可以看书。我们还研发了一个基于虚拟现实的心理舒缓系统,航天员能看到自己的家人、熟悉的生活场景、风景。」黄伟芬介绍说,在地面训练时就专门加强了航天员的心理调试能力,在轨时则采用社会心理支持、专业心理支持和自我心理调试相结合的模式。

让航天员尽量享受舒适的生活,也是因为他们身背重任。「入舱后他们的任务非常多,光螺丝就要卸 1000 多个。」杨利伟如此感慨道。

聂海胜也表示,这次任务在轨时间长、操作难度大、技术状态新。「比如,神舟飞船与天和核心舱快速对接后,航天员一进驻核心舱,就要开始取出货包、拆卸、安装设备,对核心舱进行『软装修』,建立工作生活的环境,接下来还要做出舱准备,涉及舱外航天服的检测、维护等。」他说,「因此,航天员必须全面具备空间站在轨组装建造、维护维修、舱外作业、空间应用、科学实验以及空间站监控和管理能力。而且,长期飞行中应急事件概率增加,对航天员应急处置能力和综合素质提出很高的要求。」

6 月 16 日的新闻发布会上,中国载人航天工程办公室主任助理季启明介绍,三名航天员计划开展两次出舱活动及舱外作业,完成四项主要任务:一是要开展核心舱组合体的日常管理,包括天和核心舱在轨测试、再生生保系统验证、机械臂测试与操作训练,以及物资与废弃物管理等;二是要开展两次出舱活动及舱外作业,包括舱外服的在轨转移、组装、测试,开展舱外工具箱的组装、全景摄像机抬升和扩展泵组的安装等工作;三是要开展空间科学实验和技术试验,进行空间应用任务实验设备的组装和测试,按程序开展空间应用、航天医学领域等实(试)验,以及有关科普教育活动;四是要进行航天员自身的健康管理。按计划开展日常的生活照料、身体锻炼,定期监测、维持与评估自身健康状态。

这四项任务的主要目的,是为中国空间站的关键技术验证服务,比如再生生保技术、机械臂技术、能源技术和航天员出舱技术等。周建平介绍,这四项技术中,除了能源技术,有三项都需要航天员来亲身验证,「我们这个乘组是第一个吃螃蟹的」。

再生生保技术是首次在中国航天史亮相。「生保」即生命保障系统,太空中的航天员一人一天平均需要 2.5 千克水、0.83 千克氧气和 1.8 千克食物,为保持空气的清洁,还需消耗 1.8 千克氢氧化锂吸收产生的二氧化碳,而生命保障系统就是在航天器狭小的密闭空间内,创造一个与地表接近的生活环境,为航天员提供水、氧气、食物等必需物质和其他的生命保障。它分为非再生与再生两大类,非再生生保技术是所有消耗性物质都是从地面携带或运送,所有废弃物不再回收利用,适合短期飞行任务;而再生生保技术则与之相反,能对航天员排泄的二氧化碳、水汽和尿等废弃物进行回收利用,实现航天员氧、水甚至食物等物质的供应平衡。

庞之浩介绍,目前再生生保技术分为物理化学式和生态式两类,空间站采用的是物理化学式,主要生成的是氧气和水。「一个是净化水装置,能够把航天员排的小便、冷凝器收集到的湿气等,经过收集处理以后循环使用,不仅能当卫生水,还能当饮用水;另一个装置是制造氧,电解水生成氧气和氢气,氢气与航天员呼出的二氧化碳结合,经过化学反应再生成氧气。」他表示,航天员要在空间站里长期生活,消耗的物资巨大,如果这些物质能够再生,将大大减少地面运输的压力,从而节省经费。

航天员出舱技术也需要进一步验证。中国航天员曾在神舟七号飞行任务时执行了出舱活动,但周建平表示,当时条件有限,利用飞船轨道舱进行出舱活动,主要目标是掌握舱外活动技术,做到安全进出航天器。「后续,中国空间站长期在轨运行,需要依靠航天员在舱外进行大量复杂活动,对航天员出舱能力要求更高,出舱活动能力将成为保障空间站顺利建成的一个重要技术支撑。」

最受瞩目的是机械臂技术。天和核心舱有一对大型机械臂,工作时最长长度可达 18 米,直径约 4 米,具有七个自由度,能以接近人类手臂的方式在太空抓取物品,开展空间站建造任务。它具备舱体爬行功能,并实现舱外状态监视,还可以捕获来访悬停飞行器、转移货运飞船载荷、进行空间站舱表状态检查、辅助航天员出舱活动,并与实验舱实现机械臂级联组合。

「机械臂大臂的负载能力能到 25 吨,实验舱一和实验舱二这么大的舱,它是能抓住运动的。」周建平表示,机械臂是空间站在轨建造能力的一个重要标志,「今后我们还在舱外安装各种试验载荷,也包括更换试验载荷,还有一个大口径的光学望远镜,也会与空间站对接,机械臂在这其中也起到非常大的作用」。

空间站建设中

神舟十二号上天后,与天和核心舱的前向端口对接,和天舟二号货运飞船一起,形成了中国空间站的首个「一」字构型,为规划中的「T」字构型画上了一竖。

这个构型还要从中国空间站的设计说起。世界航天史上,空间站在技术上分为四代:第一代是实验飞行器性质,只有一个对接口,一次仅能对接一艘飞船,最早见于 1971 年苏联发射的礼炮一号空间站,中国的天宫一号和天宫二号也属于这一类型;第二代空间站首次出现在 1977 年,苏联发射了礼炮六号,它具有两个对接口,能同时对接两艘飞船,把载人和运货分开,因其实用性质也叫实用性空间站;第三代空间站以前苏联的「和平」号空间站为代表,由于它先后像搭积木一样对接了 5 个专用实验舱,形成了空间复合体,因此被称为「积木式构型」;目前尚在服役的「国际空间站」已经是第四代空间站,采用桁架挂舱式构型,即以长达几十米或上百米的组装式或展开式桁架为基础结构,然后将多个舱段和设备安装在桁架上,规模庞大,费用较高,需要多次的组装工作。

中国空间站采用的是第三代空间站的多舱积木式构型,天和核心舱居中,左右两端是问天实验舱和梦天实验舱,组成「T」字型,其前端有 2 个对接口,用以接纳载人飞船对接停靠,后端有一个对接口,用以接纳货运飞船停靠补给。

「今年的 1+1+1,是核心舱 + 货运飞船 + 神舟飞船,而当货运飞船、神舟飞船完成使命以后,会撤离空间站,航天员返回地面,神舟十三号、天舟三号又会形成新的 1+1+1。」周建平接受央视采访时说,「空间站最大的构型是 6 个 1 加在一起:空间站的 3 个舱,停泊一艘货运飞船,再停泊两艘载人飞船,形成航天轮换的状态。」

远望智库研究员、航天专家黄志澄对财新表示,苏联「和平」号空间站在实践中暴露出许多缺陷,比如太阳能电池板相互遮挡、复杂的结构容易与飞船发生碰撞,但中国空间站采用了一系列当代的技术,能够克服「和平」号的种种问题,组装和运行成本也大大低于国际空间站,还留有一定的扩展空间,是符合国情的最佳选择。

为了完成空间站的「T」字构型,2021 年和 2022 年,中国共计划了 11 次飞行任务,包括 3 次空间站舱段发射,4 次货运飞船及 4 次载人飞船发射——这 11 次任务目前已经完成了 3 次,除神舟十二号,2021 年 4 月 29 日 11 时 23 分,天和核心舱上天,5 月 29 日 20 时 55 分,天舟二号货运飞船升空。

2021 年余下的半年时间还有两次任务,即 9 月发射的天舟三号货运飞船和 10 月发射的神舟十三号载人飞船,中国载人航天办公室主任郝淳曾表示:「其中神舟十三号有 3 名航天员,他们将在轨驻留 6 个月。今后,6 个月的驻留就是航天员乘组在轨的常态。」

而 2022 年将全面进入空间站在轨建造阶段,一共规划 6 次飞行任务,包括问天和梦天两个实验舱的发射任务,还包括两艘货运飞船和两艘载人飞船的发射任务。

问天和梦天两个实验舱与天和核心舱质量相当,都是 20 多吨的量级,都将使用目前中国运力最大的长征五号 B 火箭发射。其中,问天实验舱配备了航天员出舱活动专用气闸舱,支持航天员出舱活动,配置了小型机械臂,可进行舱外载荷自动安装操作,也有核心舱部分关键平台功能,在需要时可以执行对空间站的整个管理和控制,主要任务是开展舱内和舱外空间科学实验和技术试验,也是航天员的工作生活场所和应急避难场所。梦天实验舱具备和问天实验舱类似的功能,还配置有货物专用气闸舱,在航天员和机械臂的辅助下,支持货物、载荷自动进出舱。

空间站建造完成后,还将单独发射一个光学舱,与空间站保持共轨飞行状态,它重约十几吨,具备自主飞行能力,正常任务时与空间站共轨飞行,进行高分辨率天文观测,开展天体物理和空间天文学研究。需要燃料补给和设备维修时,光学舱可与空间站对接,进行推进剂补加和设备维修维护,提高自身寿命和工作性能。「计划在光学舱里架设一套口径两米的巡天望远镜。如果在轨 10 年,可以对 40% 以上的天区进行观测。」周建平说。

与此同时,向太空「运人」和「运货」将成为常态,这也是空间站工程的组成部分。「运人」即天地往返运输系统,由神舟系列载人飞船和长征二号 F 运载火箭组成,运送航天员和部分物资往返空间站,神舟载人飞船在空间站停靠期间也作为救生船,用于航天员应急救生和返回。「运货」即空间站货物运输系统,由天舟系列货运飞船和长征七号运载火箭组成,为空间站运送航天员生活物资、推进剂、载荷设备等补给物资。

据悉,执行空间站建造阶段剩余 3 次载人飞行的航天员乘组已经选定,有男有女,主要将由第一批、第二批选拔的航天员组成,正在同步开展训练。庞之浩介绍,未来还会将航天工程师和载荷专家送上太空,「航天工程师就是工程技术人员,主要负责空间站的组装、维修、运营等工程方面的工作,载荷专家是科学家,负责进行更复杂的科学实验」。

中国空间站的设计中,也为科学家留下了一席之地。空间站与巡天望远镜共规划部署了密封舱内的十多个科学实验柜、舱外暴露实验平台,每个都可看成是小型的太空实验室。

中国载人航天工程办公室和联合国外层空间事务办公室 2019 年曾宣布,来自 17 个国家的 9 个项目成为中国空间站科学实验首批入选项目,涉及领域包括空间天文学、微重力流体物理与燃烧科学、地球科学、应用新技术、空间生命科学与生物技术等。

「进入到空间站阶段,我们将继续加大国际合作与交流的深度与广度。计划在空间站功能拓展、空间科学与应用、中外航天员联合飞行、技术成果转化等领域开展更加广泛深入的国际合作,使中国空间站成为一个造福全人类的太空实验室。」季启明在新闻发布会上说,「已经有不少国家和地区向我们提出了合作意愿,对此总体上我们持欢迎态度。相信在中国空间站建成后,也就是不久的将来,我们将会看到中外航天员联合参加中国空间站的飞行。」

据俄罗斯媒体报道,俄罗斯宇航员马克・谢罗夫表示:「令人欣慰的是,俄罗斯国家航天局将与中国同行合作。我认为这样的合作很有前景,我希望我们的宇航员能前往中国空间站,而中国宇航员前往我们的国家空间站 ROSS(计划 2025 年开建)。

我们应该学会去理解别人的观点,不仅仅是服从和被告知。

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