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中国为什么一定要建自己的空间站?| 地球知识局

4月29日,伴随着长征五号B运载火箭的发射升空,中国空间站天和核心舱成功进入预定轨道。中国天宫号空间站的在轨组装建造工作,宣告全面展开。在今明两年,中国预计通过11次航天发射,完成空间站的建设。届时,中国宇航员将常驻太空。

中国载人航天工程进入新的阶段

中国航天员在太空的“旅游签证”升级为“暂住证”

(图:clicked/图虫创意)

近地轨道空间站诞生于上世纪70年代,是美苏太空竞赛的产物。由于空间站必须满足人员常驻的条件,所以无论是建造还是维护,都需要大笔资金。所以在冷战结束后,美俄等国通过合作共同建造国际空间站,并分担空间站的费用。

1973年,天空实验室作为美国第一个空间站

搭载改良过的土星V运载火箭升空

(图:NASA)

那么,今天的中国人为什么要独自建造自己的空间站呢?空间站的具体用途是什么,又会对未来的太空开发与国力竞争造成何种影响?

胖5出征

此次发射的地点位于海南文昌,这里有着中国最靠近赤道的发射场,这也是文昌航天发射场选址的主要原因之一。

它与中国另外三个卫星发射中心相比,有着低纬度的天然优势。这是因为地球围绕地轴作自转运动。虽然自转的角速度全球相同,但是线速度随着纬度的变化而不同。离赤道越近,自转的线速度就越大,而南北极点的线速度则为0。

地球的自传方向是自西向东

赤道线的速度约465.1 m/s

(图:NASA)

由于地球自转是自西向东的,如果在赤道向东发射火箭,还没有起飞就已经获得了和赤道一样的自转线速度,极大地节省了火箭的能耗。

如此一来,文昌发射场的纬度为19°N,相比酒泉、太原、西昌都更节省燃料,也更适合重型运载火箭。比如此次发射的长征五号B遥二运载火箭,就属于“重量级选手”。

纬度最低的一个

长征五号,以其粗大的外形特点使他获得了“胖5”的称号。中国现役火箭里面,像长征二号、长征三号系列,还有长征七号系列,都是3.35米直径的,而长征五号的直径是5米,最大起飞重量达到800余吨,最大起飞推力是1000余吨。是现役体型最大、力量最强的一型火箭。

长征五号采用了高达95%的新技术

是中国现役芯级直径最粗、运载能力最强的火箭

(图:篁竹水声/Wiki)

由长征五号运载火箭为基础改进研制而成的长征五号B,外观尺寸还要更“矮胖”一点。矮是因为它采用了一级半构型,也就是芯一级+助推器+整流罩,高度为53.7米。而两级半构型(芯一级+助推器+芯二级+整流罩)的长征五号高度为57米,矮了约3.3米。

此外长征五号B的整流罩长度达20.5米,是最大的整流罩。整流罩就是火箭顶端的那一层外壳,使航天器在发射过程中得以避开剧烈的空气摩擦带来的高温。整流罩的尺寸越大,就越能装载更大的航天器。

通俗来说,也就是大家看到的火箭头的外壳部分

里面装载着要送入太空的航天器

(图:Wiki)

这两型火箭虽然同属长征五号系列,但它们在设计、用途等方面都有很多不同。长征五号B与俄罗斯“质子-M”,美国“猎鹰-9号”、“德尔塔IV”,欧洲“阿丽亚娜-5”等火箭的运载能力相当。这项技术的成熟,使得中国大型运载火箭的技术进入世界第一梯队。

重型运载火箭是探索太空的基础

长五B的多次成功发射也使中国跻身航天强国之列

(图:Wiki&网络)

目前长征五号B,主要承担我国空间站舱段等重大航天发射任务。比如此次的中国空间站天和核心舱的发射,这标志着我国载人航天又一个里程碑时刻。

太空实验室

此次发射之所以如此重要,就是因为其搭载的中国空间站天和核心舱,是中国空间站的关键所在。如果空间站是一套住宅,那么天和核心舱就是客厅。

不管从字面意义上,还是功能意义上,核心舱都是中国空间站最重要的一个舱段。它承担着空间站的整体控制、能源、管理等关键功能,由于核心舱进入轨道之后,后续在轨长期驻留的航天员,要在核心舱开展一系列技术验证和科学实验工作。所以核心舱是航天员的一个家,也是他们的工作场所。

发射之前的天和号核心舱

舱体由三个部分组成:可居住的生活区

不可居住的服务区和一个对接中心

(图:Wiki)

人类建设空间站的目的,就是能做一些在地球上做不了的事情。虽然地球引力可以让我们脚踏实地;磁场和大气层可以让我们免受宇宙辐射威胁。但这种保护,某种意义上也是阻碍,正如俄国科学家齐奥尔科夫斯基说过:“地球是人类的摇篮,但是人类不能永远生活在摇篮里。”

在地球的保护之下,人类被束缚住了手脚,有很多科学实验是无法完成的。在观测宇宙方面,大气层相当于一层滤镜,许多天体是我们在地面上无法观测到的。而在空间站当中,可以用太空望远镜,比如说巡天号的光学舱(与中国空间站共轨飞行的巡天仓,可以和空间站对接),来对宇宙进行更精确、更清晰的观察。

最著名的太空望远镜就是哈勃太空望远镜了

在太空看宇宙是人类研究宇宙的一个必要视角

(图:NASA)

哈勃望远镜拍摄的著名影像“创生之柱”

(2014版本 图:NASA)

在材料合成方面,空间站的建设也有着重要意义。受限于重力,地球上很多金属材料无法融合在一起做成合金。比如铅,其质量大于绝大多数常见金属。如果将铅与其它金属一起熔铸,铅就会因为重力原因而沉到底下。就如同水和油一样,总是油浮在上面,水沉在下面。

而在太空中就不存在这样的问题,处于失重状态的空间站有条件把地面上无法相融的金属加热之后在太空当中合成到一起,进而制造出很多新型合金。美国在其航天器上,加工出了铝铅、铥锗、铅锌、铝铜等合金。太空合金所具备的强度、抗疲劳程度、导电率、导热率等性能都比地面上加工出来的材料要高得多。我们可以展望,如果这些新型材料能够大量生产,将会给人们的日常生活带来何种改变。

在国际空间站外部进行的材料实验

是一项关于不同材料暴露在太空环境中的信息收集实验

(图:NASA)

此外,空间站中可以生成新的蛋白质和材料。在失重环境下,蛋白质晶体的生长效果比在地面上更好。科学家可以通过合成这种新型蛋白质研发新药,也可以对很多疑难杂症的致病机理进行更通透的了解。

还可以试着种白菜

(图:Wiki)

建造空间站并不仅仅为了探索太空,也可以探索我们人类自身。航天员长期处在太空环境下,可以让我们了解人体在太空飞行过程中的问题,比如说骨钙的流失、心理问题等等。所以,空间站可以作为以后进行深空载人探索的实验基地。

对于人体在太空中的健康研究也是太空移民的基础

若人类只能是地球的过客

那太空移民计划似乎是物种延续的一个方向

(图:Dennis Davidson&Pat Rawlings/NASA)

唯一的天宫

从空间站的设想到实际建设,中国人一直都无缘参与。1869年,美国作家爱德华・希尔在其科幻作品《砖砌的月亮》中,最早描绘了空间站的概念。后来,苏联科学家齐奥尔科夫斯基以及欧洲火箭之父赫尔曼・奥伯特提出了空间站的理论设想。1971年,苏联“礼炮一号”发射升空,是人类历史上第一座空间站。

作为人类航天的先行者

礼炮一号的命运也颇为坎坷

仅运行了175天就化为碎片散落于太空

(图:苏联邮政)

此后的一段时间,美苏(或者说美俄)几乎垄断了航天技术。如今,地球上空的人造卫星有8成都属于美国或俄罗斯。始建于1998年的国际空间站,其核心技术与材料也都出自美俄两国。

国际空间站是以美俄为主导

日本,加拿大及欧洲空间局为簇拥者的人类第九个空间站

执行的太空计划几乎也都是以美俄为主

(图:NASA/Paolo Nespoli)

直到今天,中国航天人才迎头赶上。从2011年9月“天宫一号”发射升空,到天和核心舱归位,中国航天已经取得了全球瞩目的成就。当天宫号建成后,我们可以自豪地仰望天宇,近地轨道中仅有的两个空间站,一个是国际空间站,另一个则独属中国。

由于国际空间站已经接近其使用寿命,有人认为,到了2024年,也许中国的空间站将成为世界上唯一的近地轨道空间站。届时,许多国家都不得不与中国进行合作,来完成他们的的太空实验和宇宙观测工作。

美国颁布法令将国际空间站的运行期限延长至2030年

也是担心美国航天在低地球轨道上存在空白期

但缝缝补补的高龄空间站仍旧存在很大不确定性

(图:NASA)

这个说法是否会成为现实,现在还很难下一个定论。国际空间站虽然已经接近使用年限,但据一位不愿透露姓名的俄罗斯科学家称,它还可以延长寿命到2028年。因为在设计之初,俄罗斯科学家们就设计了延长其使用年限的方法。

另一方面,俄罗斯和美国都提出过自行建造空间站的计划。如果这些项目都能稳步推行,那么未来将会有4个载人空间站同时运行。

美国计划2024年在月球轨道建造空间站

作为阿尔忒弥斯计划的一部分

目标是重返月球并登陆火星!

(图:NASA)

不过,空间站的建设谈何容易。俄罗斯建造空间站确实有经验,但资金是个大问题。美国方面,是否还愿意一边投资维护国际空间站,一边建造自己的空间站,同样是个问题。如果两头兼顾,势必耗费更多资金。

所以在很大概率上,中国的空间站将会在较长一段时间内,成为人类太空探索事业的一件重器。

期待从天宫空间站传回的宇宙影像

参考文献:

1.http://live.baidu.com/m/media/pclive/pchome/live.html?room_id=4384795059&source=search

2.《中国空间站将成为唯一的人类空间站吗?》环球网

3.https://infogalactic.com/info/Space_station

4.https://infogalactic.com/info/Tiangong_program

5.http://www.xinhuanet.com/politics/2021-04/29/c_1127391037.htm

*本文内容为作者提供,不代表地球知识局立场

封面:NASA

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