天宫二号月圆飞天

2016-10-31颜士州

大众科学 2016年10期

颜士州

2016年9月15日，中秋月圆夜，“天宫”飞天时。

这天夜里，一次次掌声在北京航天飞行控制中心响起。在这个曾伴嫦娥升空、送神舟飞天的中国航天飞行控制的“神经中枢”，现场的人们用阵阵掌声标记出人类航天探索的又一个“中国时刻”——天宫二号空间实验室成功发射升空，中国向着自己的空间站迈进了一大步，人类航天探索史又添上了浓墨重彩的一笔。

何为空间站？

关于空间站，这几年公众印象最深的恐怕就是电影《地心引力》了。NASA的美女航天员从国际空间站跑到中国的“天宫”空间站后乘坐神舟飞船返回的剧情，让这部电影在中国赚足了票房。

空间站是一种在近地轨道长时间运行，可供多名航天员巡访、长期工作和生活的载人航天器。空间站的概念最早可追溯到1896年，然而直到1971年前苏联的“礼炮一号”发射升空，人类才有了第一个真正意义上的空间站。

随后，美国的天空实验室空间站、前苏联的“和平”号空间站以及至今还闪耀在夜空的国际空间站相继建成，空间站经历从单舱室到多舱室，独立发射到国际合作的演化，成为人类空间实验的主要力量。

一般来讲，完整的空间站应有10个结构：主体结构、电源供应系统、温度控制系统、姿势控制系统、轨道操作和推进系统、自动化控制机械系统、计算机和通信系统、环境与生命支持系统、乘员生活设施和货物运输系统。

那么，天宫二号是这样的空间站吗？答案是否定的。

空间站的前身

我国之前发射的天宫一号，是中国的第一个“目标飞行器”，其主要目标是交会对接实验，虽然其他各个系统都有涉及，但并不完善，很多功能都是由神舟飞船提供的。

天宫二号则是我国载人航天工程“三步走”第二步第二阶段的首发飞行器，是第一艘真正意义上的空间实验室，它将与“神舟十一号”载人飞船和“天舟一号”货运飞船交会对接，共同开展航天员中期驻留任务、在轨维修技术试验任务、推进剂在轨补加任务以及一系列空间应用科学实验、航天医学实验、空间站技术验证试验等任务，为第三步建造空间站提前开展相关技术验证。

简单来说，空间实验室更像是空间站的前身，是为发展空间站，从载人飞船过渡到载人航天基础设施的试验性航天器。

天宫二号的靓丽身姿

天宫二号全长10.4米，最大直径3.35米，太阳翼展宽约18.4米，重8.6吨，设计在轨寿命2年。舱内宇航员活动的范围约为16到18立方米，按6立方米即可满足住一人居住的人机功效看，天宫二号上可以住两位航天员。

和天宫一号相仿，天宫二号仍是以资源舱和实验舱组成的两舱结构，资源舱主要功能是为天宫二号在太空飞行提供能源和动力。实验舱主要功能是为航天员在太空生活提供洁净、温度和湿度适宜的载人环境和活动空间。

与天宫一号不同的是，天宫二号此次任务将不止满足于飞船交会对接实验，而是搭载了十余个科学实验，实验设备均以模块化设计，可以在轨进行更换，使天宫二号具有了空间站的雏形。

天宫二号装备更强大、装载量高、内部环境好。它里面的机械臂是我国自主研究的机器人，长10米，可以搬运货物、在轨组装，帮助航天员干活。它既可自主爬行，还可做局部精细化操作。

也许你会认为自主爬行不足一谈，但你想想看，太空里大的东西特别大，细小的东西形同针尖，因此如何进行精细化操作并不是一件容易的事。

为了方便航天员的太空生活，天宫二号在内部进行了精心设计：有专门供宇航员工作的实验室，为航天员配备的笔记本电脑，工作室的温度保持恒温；有专门的厨房，宇航员可将事先准备好的饭菜储存在冰箱里，饿了只要拿出来热一热就可以吃了，当然考虑到个人口味，还特制了一些太空食品；在通信上为航天员配备了蓝牙耳机，可和地面保持联系，也可收看电视节目，用网络电视与家人交流；卧室里的环境更加舒适，铺设了地板，舱内灯光可调节亮度，床前都配备了床头灯，可以躺在床上玩手机听音乐；娱乐室里面配备了单车、踏步器等健身器材，供宇航员锻炼身体；在卫生方面，特制了毛巾和抽水马桶，且气压低于舱内，这样气味不易扩散，还可以废物处理。

虽然天宫二号属于空间实验室，还不属于空间站，但它将在太空中驻留30天，这么长时间在空间生活，既是对航天员自身体能的考验，也是对我国载人航天技术的挑战。这次实验的目的，就是研究怎样长时间提供适合宇航员生活的环境及包括水在内的物资供给，这些都要在“天宫二号”上得到验证。

太空中的科学实验

天宫二号将在太空进行14项科学实验，其中，重点进行空间冷原子钟实验、伽玛暴偏振探测、空地量子密钥分配试验。

天宫二号可以载人，具备太空补加功能，宇航员要停留其中并补加推进剂。而对于推进剂补加，其难度如同高空飞行中的飞机在空中加油一样，并不像常人想象的那么简单。

天宫二号作为中国首个空间站的雏形，要想使它在太空停留的时间长久，就得补充推进剂，而航天器在运行期间，推进剂也在慢慢消耗。那么，航天器的推进剂消耗完了怎么办？这就需要“太空加油”——给它补加推进剂。

说起给航天器“太空加油”，花费了科学家的大量精力，补加推进剂要让空间压缩机压缩燃料，而在压缩的同时燃料也会流失。最终，科学家想出了解决方法：在液路浮动断接器上增加安装接口，加快资源舱里的燃料流动。

天宫二号的核心是计算机系统，它能保证所有的分支系统有序地运行，仪表控制器是一种高性能计算机，用于跟其他系统进行数据交换，同时控制着系统的温度，相当于一个大“空调器”，一旦舱内温度过高或者过低，它都会及时调节，使设备正常运行。

或许你还记得天宫一号授课的情景，系统中的图像从万里之遥能看到清楚，此次天宫二号安装的摄像机采用高保真编码话音设备和双向图像解码器，能让我们在电视荧幕上看得比上次更清楚，声音听得更仔细，地面上的人可以跟宇航员对话。天宫二号和神舟十一号分别装上空空无线设备，USB应答机分分秒秒监测它们的方向、距离和速度，能及时将信息返回地面。

天宫二号给我们带来哪些影响

首先在“太空计时”上有所突破，使得计量精度提高。

我们生活中最精准的钟表，每年大约有一分钟的误差；原子钟的精度，可达每2000万年误差一秒；而天宫二号上将携带国际首台空间运行的最高精度超冷原子钟，误差可缩小到2亿年一秒，它将被用于空间系统的时间基准，为深空探测、广义相对论验证等重要领域作出贡献。同时，它还可用于城市与城市之间的距离、出行地点以及里程等的精确距离测算，使导航定位做到百分百准确无误。

随着网络信息的普及，隐私安全也引发广泛关注，天宫二号可以通过遥感加密，生成“公开密钥”密码系统——通过天上发射一个个单光子并在地面接收，生成“天机不可泄露”的量子密钥，因而信息非常安全。

天宫二号里天极望远镜可用来探测研究宇宙中的射线，实现高精度、系统性地观测恒星演化、黑洞形成，为研究其他星球以及宇宙中的爆发现象做更深一步的监测。