在轨驻留人渐多技术难点知多少

文/蔡洋

2022年11月29日，长征二号F火箭托举神舟十五号载人飞船升空。不久，3名航天员飞入“天宫”，在太空中首次同时出现6名中国航天员的身影。与此同时，太空旅游发展如火如荼，国外商业空间站建设蓄势待发。可以说，未来在轨工作生活的人必将越来越多。专业航天员和太空游客会经历哪些纷繁复杂的工作生活？为支持更多人在轨，科研人员需要攻克多少技术难关？我们不妨一探究竟。

▲ 中国两批6名航天员“太空会师”

更多人成就太空事业

“飞天梦永不失重，科学梦张力无限。”这不仅是太空授课老师对青少年播撒的探索宇宙奥秘的“种子”，更是专业航天员在轨工作生活的生动写照。除了开展航天科普教育活动外，密切关注交会对接，谨慎出舱太空行走，广泛开展空间物理实验、航天医学实验等，大量工作都少不了航天员的参与。在轨人数之所以越来越多，很大一部分原因是太空工作任务越来越繁杂，对人员的需求大增。

按设计，国际空间站可支持7人长期驻留，曾创下短期容纳13人的纪录。自2010年完全建成并投入运营以来，国际空间站累计接纳了数百名来访者，其中很多人是空间科学载荷专家或航天工程师。

他们有的积极开展生物医学实验，研究空间飞行状态下动植物、微生物、细胞的生命活动，关注生物组织破坏及再生特性。有的研究太空飞行对人类染色体端粒、认知能力、基因表达等方面的影响，获取生命科学领域的前沿成果。有的在太空中培育粮食作物，力争为缓解粮食短缺问题作贡献，甚至把若干瓶酒带上天，对外宣称是“研究失重对酿造工艺的影响”。

▲ 国际空间站曾创下短期内容纳13人的纪录

此外，航天员还在轨开展了很多工程技术应用研究，比如出舱更换冷却及通信系统部件，维护、装配空间望远镜等。虽然空间站配备了成熟的自动化系统，但航天员应对意外事态的能力更胜一筹。以前和平号空间站曾发生火灾，全靠航天员及时灭火，恢复了正常空气成分并修好部分设备。

▲ 和平号空间站曾遭遇火灾险情

总之，纷繁复杂的事务需要航天员参与，未来还会有更多航天员投身新领域工作。而随着太空旅游越来越火，不仅在轨人数屡创新高，为保障游客的安全和享受，专业航天员需要负责更多细致琐碎的事务。

技术保障满足高要求

想要在轨维持更多人员驻留，首要条件当然是载人天地往返，“安全”指标压倒一切。尤其需要注意的是，一旦航天员在太空中遇到意外，现有的在轨医疗救助条件毕竟有限。因此“最安全”原则对空间站提出了随时能让航天员返回地面的要求。

随着在轨航天员越来越多，地面需要准备的应急救援飞船也越来越多，保证其在待命期间安全可靠是关键。目前，载人飞船普遍采用滚动执行救援待命、正常飞行任务的运作模式，确保每艘飞船在地面等待时间不长且基本相同，避免了飞船长期放置可能带来的一系列隐患。

除此之外，生活物资与个人物品主要依靠货运飞船送到空间站。要知道，航天发射领域有“一克重量一克金”的俗语，可见太空运力弥足珍贵。

货运飞船的载荷种类很多，包括生活物资、航天饮水、补给气体、实验载荷与空间站补加推进剂等。随着在轨航天员增多，对地面货运补给的依赖更大，因此提高货运飞船运输效率成为技术难点和重要改进方向。

目前，各国货运飞船广泛采用增加复合材料、优化船体结构和自重控制、提高推进剂能量转换效率、提升入轨精度等手段，使货运飞船在上行载货比、快速运输、推进剂补加等方面更出色地完成任务。

支撑航天员长时间在轨工作生活，最重要的技术保障当属空间站环境控制与生命保障系统。在恶劣的太空环境中，空间站具备保温、隔热、防撞击、防辐射、温度调节、压力调节等多种保护功能，可抵御太空碎片、宇宙射线、异常辐射的影响，构建起航天员太空生活的坚实屏障。

▲ 美国天鹅座货运飞船带故障送货

随着越来越多航天员在轨驻留，对生命保障系统提出了更高的要求，必须制造数倍于之前的氧气、水，去除更多二氧化碳、微量有害气体、微生物、微尘，并更精确快捷地调节温湿度、气压等。

当前空间站中，电解制氧技术可以为航天员提供氧气，二氧化碳还原技术可以将航天员呼出的二氧化碳巧妙转化成水，经过再处理后，变成可供饮用的生活用水。

可以说，高效可靠的环境控制与生命保障系统“生生不息”地运转，有效减轻了对货运飞船补给的依赖，为服务更多在轨人员，其扩容升级势在必行。

▲ 中国空间站内航天员安装二氧化碳还原装置

▲ 火箭、飞船等可回收复用将显著降低载人航天任务成本

▲ 等离子推进器和霍尔推进器已广泛用于航天器

多领域创新前景光明

传统上，航天器、火箭基本是一次性使用的，综合成本较高。俄罗斯联盟系列载人飞船每次任务成本接近亿美元，高昂价格成为制约人类探索太空的重要因素。

随着科技进步，火箭或航天器回收复用技术成为航天科研热门并逐渐成熟。经过简单维修后，越来越多的航天设备可以多次使用，显著降低了发射成本。一旦低成本可重复用技术在航天领域取得更广泛的实用性进展，必将助力更多航天员前往太空。

空间站在运行中受到稀薄大气阻力及太阳风等影响，运行轨道不断降低，需要消耗大量燃料，提升空间站轨道，维持正常工作。此外，空间站运行期间还要配合交会对接、太空行走等任务，及时进行变轨及姿态调整。显然，这些轨道机动都消耗了宝贵的空间站推进剂，有必要探索驱动航天器的新技术。

近年来，网格离子推进器和霍尔推进器逐渐实用化。最新的研究成果显示，采用氩气推进剂的无电极等离子体推进器的转换效率已经达到30%左右。

相信在不久的将来，会有更先进的推进技术应用于航天探索中，效率更高，耗能更少，使相同量级的推进剂可以支持更大航天器，容纳更多航天员长期在轨。

▲ 中国空间站上的水稻成长过程

目前，航天员在太空中主要依赖货运飞船运送补给。虽然地面科研人员尽力让航天员吃好，种类繁多的食品已加入航天员食谱中，但在太空中生活一年半载仍然不可避免地经常吃类似罐头与果冻的食物。

但他们不必着急——太空种植实验不断取得成果，航天员在太空中亲手栽培蔬菜水果，时常品尝新鲜食材，必将保持更佳的太空工作生活状态。

当然，太空种植和更多航天员在轨驻留对于环境控制与生命保障系统的要求更严格，无论是控制精度、监测指标，还是能耗水平、工作寿命，都是未来改善的方向。

而且，随着在轨人员增加，对于温湿度、照明甚至重力等需求也会逐渐多样化、个性化，环境控制与生命保障系统的技术水平必然升级，很可能允许航天员在轨进行维修、调试工作。

越来越多的专业航天员和太空游客在轨驻留，为航天科研者提供了大量原始数据，有望为未来地外天体及深空探测积累宝贵经验。未来随着飞天“门槛”降低，更多人有望亲身体验太空之美，更充实的太空工作生活也将助力人类航天探索飞得更远。