关于重力的科学实验(高危重力科学实验柜)

 

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天和核心舱的发射

正式拉开了中国空间站建设的序幕

北京时间4月29日11时许，中国在文昌航天发射场用长征五号B遥二运载火箭发射空间站天和核心舱。图/中新网

本刊记者/彭丹妮

今年4月19日，是世界第一座空间站礼炮一号升空50周年纪念日。10天后，中国空间站天宫号的核心舱也发射了。

迄今为止，人类已研制出宇宙飞船、航天飞机和空间站三种载人航天器。宇宙飞船和航天飞机因运行时间短、容积小，因此主要用于天地往返运输，为空间站接送航天员和货物；而空间站则具有寿命长、容积大、功能强、载人多等优点，是开发太空资源的理想基地。

中国空间站研制工作由航天科技集团五院抓总。航天五院空间站任务总指挥王翔介绍，作为人类历史上规模最大的航天器，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，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。

中国今年的航天重点就是空间站，基本上大量的钱就砸在上面了。国家天文台行星科学家郑永春告诉《中国新闻周刊》。今年和明年，中国将接续实施11次载人航天任务，包括3次空间站舱段、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。

太空之家

天和核心舱可支持3名航天员长期在轨驻留，供航天员工作生活的空间约50立方米，支持开展舱内外空间科学实验和技术试验，是中国目前研制的最大的航天器。航天五院相关设计师介绍，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。

核心舱是空间站的指挥控制中心。具备交会对接、转位与停泊、乘组长期驻留、航天员出舱、保障空间科学实验等能力；密封舱内配置有工作区、睡眠区、卫生区、就餐区、医监医保区以及锻炼区，能够为航天员工作和生活提供舒适良好的保障条件。

图/中新视频截图

天气炎热，很多市民开始吹起了空调，本想吹着空调凉爽一夏，而有些人在连打若干个喷嚏后却是鼻水止不住地流，原来他们患有过敏性鼻炎。

这里配置了微波炉、冰箱、饮水机、折叠桌等家居，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，舱内情景照明可由手机APP控制。此外，核心舱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；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。

航天五院空间站任务总指挥王翔介绍，此前中国航天员在轨飞行时间的最高纪录是33天，所必需的水和氧气由航天器直接送入太空。为了航天员可以待得更久，这次空间站设计了可再生系统：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。

核心舱成功发射后，下一个执行任务的将是天舟二号货运飞船，之后再发射载人飞船，天舟二号和核心舱实行对接后，载有3名航天员的神舟十二号飞船也将进入发射准备阶段。其中，空间站各舱段将由长征五号B运载火箭在中国文昌航天发射场发射，货运飞船将由长征七号运载火箭发射，神舟载人飞船将由长征二号F火箭在中国酒泉卫星发射中心发射。

太空科研平台

按计划，中国空间站将在2022年前后建成，运行在高度340至450公里的近地轨道，在轨飞行可达10年以上。空间站是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。

中国天宫空间站由三个部分组成，包括天和核心舱、问天及梦天两个实验舱，整体呈T字型。作为长期有人照料的太空实验室，这里可以支持开展大规模、多学科交叉的空间科学实验，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。同时，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。

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，比起地球到月球、火星等天体的距离近很多，但是这里已经进入了太空，可以获得微重力环境，这为许多研究提供了可能性。

微重力环境下，会出现液体和气体由重力导致的自然对流基本消除、液体中浮力消失、由于物质密度不同引起的沉浮和分层现象也消失等现象。地球上一些常见的物理现象就不再适用，在这里，水变成了水珠，可以当乒乓球打。因此，微重力环境可以开展流体物理研究，括界面现象、多相流、复杂流体等。这一领域的研究对发展先进的空间流体管理、热管理等航天技术有十分重要的作用。

再比如，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。

此外，还可以研究微重力条件下的材料制备：空间材料科学是深入开展材料科学研究的独特途径，可能获得地面难以生产的先进材料和地面难以精确测量的重要参数。具体来说，这方面的研究一是排除重力影响下研究材料的制备过程规律及材料的结构和性能变化，二是空间应用材料在高能粒子和紫外辐照、原子氧侵蚀、高低温交变循环等空间环境下的使役行为。

过去镍镉电池时代的电池记忆效应，导致有很多人习惯在拿到新电器时会先充饱电，或是等完全放电之后再充电，但现在手机使用的几乎都是锂电池，几乎不太会有电池记忆效应。

2019年6月，中国载人航天工程办公室与联合国外空司就联合对外公布，来自17个国家、23个实体的9个项目成功入选中国空间站第一批科学实验项目，这是中国载人航天工程首次通过联合国进行的大规模国际合作。

图/中新视频截图

美、俄开始逐渐退出空间站

1961年4月，苏联发射了世界第一个载人航天器——东方1号飞船，把航天员加加林送上了太空。接下来的目标是，如何让人在太空中待得住待得久。10年之后，苏联成功发射了世界第一座空间站礼炮1号。

之后，苏联从1986年开始发射由多个舱段组成的和平号空间站，由1个核心舱和5个实验舱组成，因而大大扩展了航天员的活动空间，提高了空间站的工作能力。苏联这方面的强势使得美国也开始转变重点，国家天文台行星科学家郑永春说，整个1980年代，美苏月球与火星探测进入低潮，美国的航天重点放在了发展空间站相关的东西。

空间探测技术资深科普作者庞之浩写道，随着苏联解体，1993年，美国对其自由号空间站建造方案进行了大手术，其中最主要的措施是吸收俄罗斯为正式合作伙伴，采用了很多苏联空间站的成熟技术，目的是节省费用、少走弯路、降低风险和缩短时间，这就是今天国际空间站的前身。

国际空间站以其庞大的规模、酷炫的外形，已经成为当代世界航天的标志。它是一项国际太空合作计划，于1998年由16个国家历经10年共同建设完成，建造成本高达1500亿美元。1998年11月20日，由美国出资、俄罗斯制造的第一个组件曙光号功能舱发射成功，随后10多年间，国际空间站从2个太空舱拓展至15个太空舱，直到2010年才最终建造完成并转入全面使用阶段。

该空间站是迄今世界上耗时最长、涉及国家最多、规模最大、设备最先进的航天工程，主要由美国国家航空航天局、欧洲航天局、俄罗斯联邦航天局、日本宇宙航空研究开发机构、加拿大空间局共同运营。

4月12日俄罗斯宇航节召开的相关工作会议上，俄总统普京做出正式退出空间站项目的决定，并着手计划建造自己的空间站。副总理尤里·鲍里索夫在接受媒体采访时表示，国际空间站的运行年限已满，它的状态已不尽如人意。最近关于技术故障的消息越来越多。为了避免在紧急情况下的任何风险，必须对空间站进行技术考察。而且我们最终（做出了退出的）决定并就此诚实地对伙伴们发出预警。

国际空间站的设计寿命最初只有15年，但在2015年，美国和俄罗斯的航天部门达成一致意见并签署协议，同意国际空间站的使用寿命由2020年延长至2024年。如今已是国际空间站工作的第23个年头，超长的服役期使得空间站的设备性能严重老化，每年高达50亿美元的维护成本，依旧无法修补超长服役期带来的损伤。

与此同时，郑永春说，空间站、载人航天这一块，现在美国慢慢在退出来，将重心转向火星探测、重返月球等等，美国国家航空航天局（NASA）就想把投到这方面的钱省出来，交给商业公司去做，因为觉得这部分工程已经成熟了。

在过去20来年里，美国在国际空间站上的投入已超过1000亿美元，如此巨大的开支对于NASA来说压力不小。每年为了运维空间站，美国都需耗费约40亿美元，而NASA整个财年的预算大约在170至180亿美元。

2018年，特朗普政府开始将国际空间站逐渐私有化，交由私营企业经营，计划从2025年开始，美国联邦政府将停止向国际空间站提供任何资金。美国在2019财年投入1.5亿美元的财政预算，培养航空领域的商业实体进一步发展、成熟，以确保商业领域的接替者，届时有能力接管空间站。

太空中唯一的空间站

2024年国际空间站退役之后，在一段时间内，中国的地球空间站可能将是太空中唯一的空间站。庞之浩指出，载人航天是一项高投入、高风险、高技术的系统工程，至今只有俄罗斯、美国和中国三个国家独立掌握载人航天技术。

空间站工程是中国载人航天工程三步走的第三步。1992年，中国载人航天工程正式启动，第一步是研制载人飞船阶段，实现航天员天地往返等目标，第二步是空间实验室阶段，掌握出舱、交会对接技术，验证推进剂在轨补加技术，完成运送货物补给等任务。从2003年神舟五号首次将中国航天员送入太空至今，在前两步中，中国成功研制和发射了6艘神舟载人飞船、2座天宫空间实验室和1艘天舟货运飞船，已把11名航天员送上了太空。

这些都为第三步——空间站建设打下了基础。其中，空间站任务又分为关键技术验证、组装建造和运营三个阶段，目前正处于第一个阶段：通过发射天和核心舱和2艘载人飞船、2艘货运飞船，验证柔性太阳电池翼和驱动机构、空间站推进剂等技术。

尽管历史悠久，空间站未来依然大有可为。目前，美国正联合一些国家合作研制月球空间站——深空门户，预计2024年以后投入使用。月球空间站既可成为前往月面、小行星甚至火星的载人飞船的出发平台，又能作为月球车的中继通信平台，还是前往维修日地L2轨道上的空间望远镜的中转站。

照我说，不如把中国的空间站建到月球（轨道上）去，这样载人登月就不用像‘阿波罗’（计划），那样太困难了。今年1月13日，中国科学院院士、中国月球探测工程首席科学家欧阳自远在一次报告中说道，自己曾建议中国跳过地球空间站建设，直接建设月球空间站，更利于未来的载人登月计划。

欧阳自远认为，从苏联空间站到国际空间站，已经有几十年历史了，中国再建造地球空间站意义不大，人家几十年基本上什么重要的事情都做了。不过，着眼当下，天和核心舱的发射，正式拉开了中国空间站建设的序幕，也是中国载人航天史上的一个重要里程碑。

来源： 中国新闻周刊

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