“天河”逐梦入九天开启建“宫”大业

吕默默

在天气晴朗的夜晚，我们抬头仰望夜幕时，总能看到星星一闪一闪的，好像在对我们眨眼睛。有时候，你是不是也在想，如果能在这些繁星之间畅游，与它们共舞就好了？令人欣喜的是，这个愿望即将要成为现实，因为我们迈出了中国人飞向深空的关键一步——中国空间站“天和”核心舱顺利发射升空。从此，我们的太空梦不再虚幻与遥远。

空间站的设想与尝试

在同学们熟悉的中国古代神话传说中，神仙们都住在天上。如果用现代科学来理解，这些神仙应该是生活在太空之中。那么，神仙们呼吸的氧气、吃的食物从哪里来？水又来自何处呢？关于这些细节，古代的神话中要么归结于“仙法”，要么压根儿就忽略不提了。其实，他们所居住的“宫殿”可以算得上是一种原始的“空间站”，有基本的生命维持系统，可以长期驻留。

真正科学意义上的空间站设想形成于20世纪初。1903年，俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基在其著作《利用反作用力设施探索宇宙空间》中，首次提出了“空间站”的概念。在他的设想中，应该在接近地球的环境中，建造一个可以自主供给能源、有生命保证系统的空间站，满足航天员最基本的生存条件，可以长期驻留。

因为受到科技水平的制约，人类第一个空间站“飞升”入九天一直到1971年才实现，这就是苏联发射的

“礼炮1号”。但当时发射的空间站还不是康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基所设想的模样，至少不能满足能源自主供给，水的来源也是一个问题。1973年，美国发射了其第一个试验型空间站——“天空实验室”。空间站中的饮水都是自带的，用完就没了，不能循环利用。

按照现代空间站的标准，早期的空间站都不合格。首先，空间站必须环绕在地球的轨道之上。如果人类走向更遥远的宇宙，空间站还必须有能力环绕其他星球，例如火星、月球。其次，空间站的空间必须足够大，需要至少两次或者更多次的火箭发射，在太空轨道上最终完成组装。再次，空间站必须能长期使用。除了可以更换零件，还要能停靠、对接新的货运飞船、载人飞船，进行物资补给和人员更替。最后，空间站必须具备满足载人长时间驻留的系统。空间站内要有维持人类生存的环境系统，例如氧气充足、气压足够、拥有合适的防护层防止宇宙致命辐射的伤害，等等。现代空间站还要满足实验与探索的需求。

2021年4月29日发射的“天和”核心舱就是即将建成的中国空间站“天宫”的主要部分之一，技术先进，各项设计和标准已经进入了世界一流行列。

空间站有何用

作为人类历史上规模最大的航天器，空间站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。可是，人类为什么要耗费巨资、时间、人力及物力去建造空间站呢？

早期的人类空间站上天之后，大多数都是用于军事目的。例如，苏联的“礼炮3号”上甚至携带了机炮并进行了试射，目的显而易见。美国也曾有过类似的军事目的，发射一个空间站，飞过苏联上空时，空间站内的航天员拍照监测苏联的国内情况。

随着科技的发展，现代空间站还承担着重要的实验与探索任务，真正成为人类在太空进行探索、学习和实验的重要基地。

1.空间实验室显神通

地球上有很多设施先进的著名实验室，为何要去太空做实验呢？因为在距离地表400千米左右高度的位置，地心引力已经很微弱，物体几乎处于失重状态，这就给很多科学实验带来了难得的机会。例如材料学的合金实验，在地面进行铅和多金属的合金冶炼时，因为铅比较重，容易沉入金属溶液的下层，无法形成有效的材料。但是，在空间站的实验室中，这些金属就可以完美地融合在一起，形成导电性能、抗疲劳度、导热性能更好的合金。

空间实验室还可以在生物和制药方面大显身手。在几乎失重的状态下，形成的蛋白质晶体效果也要比地面上的好。这对于科学家在生物学上的研究有重要的推动作用，也可以用于研发新药，同时可以帮助科学家对一些疑难杂症的致病机制有更深入的了解。

中国在建的空间站“天宫”可进行物质科学、宇宙空间科学、生命科学等各种实验，这些功能随着空间站“天和”核心舱发射、入轨成功，在空间站建成后逐渐实现。

1进行生理学功能检测和行为与認知功能测试

2开展多种动植物的空间培养实验等

3开展细胞组织实验、微生物类实验等

4支持空间蒸发与冷凝相变、沸腾传热、两相流动与回路系统等研究

5支持微重力环境下的燃烧科学及应用研究、空间推进中的微重力燃烧问题等研究

6支持微重力下材料制备过程机理研究、重要应用背景材料制备与研究等研究

7开展微重力下金属、非金属等材料无容器加工研究和材料深过冷研究等

8开展量子新物态研究、天体物理的量子模拟研究、量子拓扑与量子计算研究等

9为动植物、细胞和材料科学等实验提供样品装载、精细操作、低温存储等支持

10开展相对论物理与引力物理、微重力流体动力学等研究

11配有离心机，支持与重力相关的多类科学实验

12支持载荷的准备、装调、清洁、焊接、组装、测试和维修等舱内精细操作

13、14利用极高稳定度的时间频率开展原子跃迁光频对比、基本物理常数精密测量和引力红移测量的相对论验证等基础物理研究和应用

15支持微重力等空间环境下以验证航天基础技术、关键技术目标的实验等

16开展微重力流体动力学及其应用研究、晶体生长动力学和蛋白质结晶研究等

此次发射的“天和”核心舱内只装备了少量的实验装置，未来发射的实验舱能开展更多的科学研究

2.人类飞向深空的前哨站

早在康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基提出空间站的概念之初，除了科研，空间站还有一个重要作用就是作为人类飞向深空的中转站、前哨站。

在太空中近乎失重的状态下，航天员的生理和心理都会受到冲击。长时间进入太空的航天员，因为身体上的不适应，加上空间狭小，缺乏运动，在昼夜不分明的状态下，极有可能精神崩溃。这还仅仅是在距离地面400千米左右的高度，不算出远门。如果我们的目标是更遥远的深空探索，就必须适应这种状态。

即使在今天，空间站仍然是唯一可以使航天员长期驻留、进行工作和实验的航天器。所以，想要预测人类长时间驻留在太空里的状态及受到的影响，也只有在这里做测试和研究了。

此外，空间站还可以用于测试未来可能用于太空探索的各类技术、设备。例如，解决航天员如何喝水这个问题的环境控制与生命保障系统（ECLSS），可以将各种使用过的水甚至包括航天员的尿液收集起来，进行过滤、净化，达到再次使用甚至饮用的状态。科学家寄希望于这个系统将来可以用在火星的实验基地之上。

空间站还能成为探索建造更大型飞船的实验模型。如若我们要飞向更遥远的星辰，肯定需要建造更大的宇宙飞船。空间站如今“搭积木”式的建造方式，可以为建造更大、更合理的宇宙飞船提供经验。

人类如果想飞往更遥远的深空，空间站必然是这趟旅途的前哨站。

为何要建我们自己的空间站

说起空间站，同学们最先想到的是國际空间站吗？这是目前在轨运行的最大的空间平台，是一个拥有现代化科研设备，可开展大规模、多学科基础和应用科学研究的空间实验室。它重达400多吨，由美国、俄罗斯、加拿大、日本等16国联合，历时12年建造完成。

空间站作为长期在轨运行的“太空母港”，是人类历史上规模最大的航天器，可满足航天员长期在轨生活工作，其天然的高真空、微重力、超洁净环境也可以充分用于开展各类科学技术研究，推动科学技术进步。因此，空间站工程将产生巨大的经济效益和社会效益，已经成为衡量一个国家经济、科技实力和综合国力的重要标志，受到各航天大国的高度重视。然而，国际空间站的合作大门并未向中国敞开，因此我国走上了自主研制的道路。早在1992年，中国载人航天工程就提出了“三步走”的发展战略：第一步是发射载人飞船，建成初步配套的试验性载人飞船工程，开展空间应用实验;

第二步是突破航天员出舱活动技术、空间飞行器的交会对接技术，发射空间实验室，解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题;第三步是建造空间站，解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。“天和”核心舱的发射就属于第三步。

中国空间站和国际空间站有何不同

国际空间站总质量约为420吨，我国“天宫”空间站一期工程则是100吨级。虽然吨位确实有差距，但国际空间站是多国合力建设的，约420吨的规模中供航天员工作、生活、实验的舱段只有180吨，其他几乎都是重复建设的设施。在这180吨的舱段之中，真正用于科研实验的舱段只有3个，分别是“命运号”实验舱、“哥伦布号”实验舱和“希望号”实验舱，加起来并不大，也都没超过20吨的规模。其中安装的实验机柜，美国、日本这一侧有23个，俄罗斯有8个。反观中国“天宫”空间站，一期建成之后就可以安装23个机柜。国际空间站在轨规模是我国“天宫”空间站的4倍有余，然而机柜数量仅为“天宫”的1.3倍。我国“天宫”空间站用更小规模实现与国际空间站等量齐观的科研能力，由此可见我国“天宫”空间站的空间利用率更高。

说起空间大小，就不得不说一说我国“天宫”空间站的“天和”核心舱打破的两项世界纪录。核心舱长度达16.6米，最大直径为4.2米，发射质量达22.5吨，是当前体积最大、质量最大的单模块空间站舱段，供航天员工作、生活的空间约50立方米。未来加上两个实验舱后，整体能够达到110立方米。其长度比5层楼房还要高，直径比火车和地铁的车厢还要宽不少。此外，核心舱的质量相当于3辆大客车的空重质量，同样也超过国际空间站的任何一个舱段。

“天和”核心舱不仅活动空间大，也将给航天员提供更好的补给保障。为了让航天员实现更久的在轨停留，我国“天宫”空间站设计了完整的可再生生命保障系统。航天员呼出的水蒸气会通过冷凝水的方式回收，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，这也能够降低氧气的补给需求。

此外，“天和”核心舱还负担了航天员初期驻留以及科研所需的全部物质条件，配置了工作区、睡眠区、卫生区、就餐区、医监医保区和锻炼区6个区域。其中，就餐区配置了微波炉、冰箱、饮水机、折叠桌等设施;锻炼区配置了太空跑台、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的需求。而且，舱内情景照明可由手机应用软件控制。

国际空间站上有几节骨干舱段，例如负责储存燃料的“曙光号”功能货舱，负责生命保障、轨道控制和指导功能的“星辰号”服务舱，再加上连接其他舱段的“团结号”节点舱，质量超过50吨。

与之相比，我国“天宫”空间站一个20吨级的“天和”核心舱就满足了国际空间站上述三大舱段的功能需求。从外形来看，“天和”核心舱分为“大柱段”和“小柱段”两部分;以功能分区，则分为资源舱、生活控制舱、节点舱三部分。“天和”核心舱的两侧还会建造两个20吨级的大型实验舱——“问天号”实验舱I与“梦天号”实验舱II，它们是“天宫”空间站23个科研机柜的主要布放场所。

“问天号”实验舱I的主要任务是开展舱内、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，配备了航天员出舱活动专用的气闸舱，支持航天员出舱活动，还配置了小型机械臂，可进行舱外载荷自动安装操作。

“梦天号”实验舱II具备和“问天号”实验舱I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。在早期的设计方案中，“梦天号”实验舱II还设置了一个大口径的巡天望远镜，后来考虑到光学设施特殊的工作环境和镜头调整，在最终的设计方案中，把大口径巡天望远镜设计成了与“天宫”空间站在同一轨道飞行的“巡天”光学舱，是一个单独的舱室，既可以对接空间站，又可以独立运行。

“巡天”光学舱也是20吨级的大型舱段，配置了2米口径的离轴三反光学望远镜，具有强大的国际竞争力，可在宇宙加速膨胀、暗能量本质、暗物质属性等领域展开观测研究工作。

有了以上精巧的设计和完善的设施，我国“天宫”空间站将以曼妙的身姿在九天之上尽情舞动。

“天宫”未来可期

无论是为了之后更遥远的深空探索，还是为了在火星轨道建立环火星轨道空间站，“天和”核心舱的成功发射，无疑是我们的太空梦实现的第一步，也是最关键的一步。

由于国际空间站已经步入高龄，有科学家认为，到2024年，也许中国“天宫”空间站将成为世界上唯一的近地轨道空间站。到那时，中国“天宫”空间站将是世界各国进行太空研究的第一选择。

中国“天宫”空间站已经开始向联合国所有成员国开放，这在人类航天史上还是第一次。当前已有来自17个国家的9个科研项目成功入选“天宫”空间站首批合作清单，我国免费为这些科研项目提供上行运输服务，以及在轨空间实验场所。

而且，建造空间站并不是单一去进行科学实验，还可以探索航天员长期处在太空环境下心理和生理上的变化，可以让我们了解人体在太空飞行过程中出现的问题，为人类飞往更遥远的太空、拥抱宇宙做准备。