中国领导人习近平6月23日在北京航天飞行控制中心,同神舟十二号航天员聂海胜、刘伯明、汤洪波进行的天地通话,再次引发各界对划时代的神舟十二号载人升空的关注,天地通话视频画面中也透露了一些中国空间站的硬核技术。

神舟十二号载人飞行任务是中国空间站关键技术验证阶段第4次飞行任务、中国载人航天工程立项实施以来的第19次飞行任务,也是继2016年神舟十一号任务之后中国航天员时隔5年再赴太空,更是中国空间站阶段的首次载人飞行任务,起着承上启下的关键作用。英国广播公司(BBC)指出,这次发射和随后将执行的任务是“中国在太空领域日益增长的信心和能力的又一次证明”。

中国空间站天和核心舱和天舟二号组合体在轨运行17天后,迎来搭载着3位宇航员的神舟十二号。飞船在升空6.5小时后即与天和核心舱成功实现自主快速交会对接,当天18时48分,中国3名航天员先后进入天和核心舱,中国人划时代地首次进入了自己的空间站。

中国空间站建设已进入密集发射期,2021年迈入关键技术验证和建造阶段,计划在2022年投入运行。(多维新闻制作)

开启中国人近地轨道停留最长纪录

中国于1992年确定载人航天工程(921工程)“三步走”发展战略,建造空间站、建成国家太空实验室,是中国实现该战略的重要目标。当下,中国空间站建设已进入密集发射期,继4月29日中国空间站任务首发飞行器——天和核心舱发射成功后,5月29日天舟二号货运飞船又顺利升空,次日与天和核心舱完成交会对接。至此,天舟货运飞船和长征七号运载火箭组成的空间站货物运输系统,完成第一次应用性飞行。

2003年10月15日,长征二号F火箭将“中国航天第一人”杨利伟乘坐的神舟五号飞船送入太空,由此开启了中国载人航天的新序章。从杨利伟只身探天到景海鹏三上太空,从翟志刚太空漫步到景海鹏与陈冬中期驻留,从刘旺手控交会对接到王亚平开展太空授课,至神舟十一号任务成功完成,中国已有11名航天员六入太空,遨游68个日夜,绕地飞行1,089圈,行程4,600余万公里,完成空间科学实验、试验100多项……现在,随着神舟十二号载人航天任务的进行,中国进入太空的航天员又多了3人。

神舟十二号3名航天员进驻天和核心舱后,将完成为期3个月的在轨驻留,这将是中国人在近地轨道停留时间最长的一次。期间开展机械臂操作、太空出舱等活动,验证航天员长期在轨驻留、再生生保等一系列关键技术,其任务量将超过前6次中国载人航天的总和。

任务主要分为4个方面,其中包含两次出舱作业:1.核心舱组合体的日常管理,包括天和核心舱在轨测试、再生生保系统验证、机械臂测试、物资与废弃物管理等;2.出舱进行舱外服在轨转移、组装、测试,开展舱外工具箱的组装、全景摄像机抬升等工作;3.开展空间科学实验和技术试验,包括有关科普教育活动;4.工作之余的自身健康管理。

这些任务的目的意在综合评估空间站各系统之间的协调性,验证长期驻留、再生生保、空间物资补给、出舱活动、舱外操作等空间站建造和运营关键技术的可行性,并为后续中国空间站任务积累经验。

神舟十二号创造的五个历史首次

美国消费者新闻与商业频道(CNBC)在评价神舟十二号发射任务时表示,世界第二大经济体寻求提升其太空能力并挑战美国在太空领域的地位之际,这一举动标志着中国迈出了重要一步。

时隔五年,当神舟飞船再次搭乘中国自己的航天员进入太空,其综合能力已是今非昔比,至少创造了五个历史首次。

1.首次实施载人飞船自主快速交会对接

神舟十二号载人飞船应用了北斗导航、激光导航、光学导航相结合,飞船自行完成测定轨计算、智能控制精准对接等创新技术,在空间站不断调整姿态的配合下,首次实施了载人自主快速对接。据神舟十二号载人飞船系统总体副主任设计师高旭介绍,神舟十二号就像是有着全自动驾驶功能的“超跑”,自主计算,自主判断到达目的地,“从发射到抵达空间站,以前需要两天,但这次提速到了约6.5个小时,交会对接时间缩短,大为缓解了航天员的旅途疲劳”。

2.首次实施绕飞空间站并与空间站径向交会

在此次任务中,神舟十二号载人飞船的交会能力得到加强,具有更复杂的交会对接飞行模式,具备与空间站进行前向、后向、径向对接口对接和分离的功能,并首次开展了绕飞和径向交会对接试验。神舟十二号入轨后,连续进行6次变轨找到导航“位置”,跟空间站对接,形成组合体。

3.神舟飞船首次实现长期在轨停靠

鉴于神舟十二号载人飞船将实现在轨停靠3个月,为适应空间站复杂构型和姿态带来的复杂外热流条件,神舟团队对返回舱、推进发动机和贮箱等热控方案,船站并网供电方案进行了专项设计,使飞船具备了供电、热环境保障的适应性配套条件。

4.首次具备从不同高度轨道返回着陆场的能力

在神舟十二号之前,载人飞船均从固定轨道返回地球。中国空间站任务中,为节省推进剂的消耗,轨道位置会随着不同时间节点进行相应调整,以满足长期停靠的要求。神舟团队为此对返回轨道重新进行了适应性设计,使载人飞船返回高度从固定值调整为相对范围,并改进返回的算法,提高了载人飞船返回适应性和可靠性。

5.首次具备天地结合多重保证的应急救援能力

为保证天上、地上都具有保护航天员生命,紧急条件下接回航天员的能力,神舟团队开创了天地结合的应急救援任务模式,即携带两艘飞船进场,采用“滚动待命”策略,在前一发载人飞船发射时,后一发载人飞船在发射场待命,并具备8.5天应急发射及太空救援的能力。在航天员长期在轨期间,为保证飞船每天都具备返回主着陆场的能力,这次也对返回的策略包括制导的算法进行了升级和改进。万一在轨的神舟十二号飞船出现了严重故障,地上还有神舟十三号已完成发射场的总量和测试工作,具备待命状态。

神舟十二号载人航天任务中的硬核技术

中国空间站天和核心舱的机械臂具备支持航天员的出舱活动,辅助航天员“太空漫步”的能力,是神舟十二号载人航天飞行任务的一个大亮点。特级航天员刘伯明早前在接受央视采访时表示,在神舟十二号载人飞行任务中与机械臂共同出舱将会是一次考验,“一是考验机械臂的安全性、可靠性与灵活性,还要考验航天员之间在舱外在服装加压的状态下配合的能力”。

这款七自由度机械臂展开长度10.2米,采用了“肩部3关节+肘部1关节+腕部3关节”的配置方案。其肩部、腕部的配置方案相同,各有一个末端执行器,用于对接舱体表面的适配器,具备舱体表面爬行功能。除辅助出舱以外,机械臂还能承担舱外状态监视检查、负载搬运、舱外设备安装、悬停飞行器捕获及辅助对接等任务。

天和机械臂还配有一套视觉监视系统,可用于检查空间碎片撞击、舱内气体泄露导致的失压问题。其肩部、腕部、肘部各有一台视觉相机,其中的肩部与腕部视觉相机是舱外状态监视与舱表状态检查的主要设备。同时,天和机械臂具备承载25吨级舱段实施转位对接的能力,将作为实验舱转位对接的备份手段。

中国制机械臂强大的功能已引发美国的担忧,美军太空司令部司令迪金森(James Dickinson)5月在美国国会军事委员会作证时表示,中国空间站天和核心舱的机械臂也是一件太空武器,可以用来拽落或捕获美国的卫星。现在,有关中国空间站机械臂的视频已火爆外网,甚至有西方网友评论称,中国空间站的先进技术显得国际空间站像上个世纪的古老产品。

另外,无论是中国空间站还是神舟十二号,在防差错设计上都颇费心思。天和核心舱有1,243台设备,诸多组装工作都需要航天员上手完成。设计师们从颜色、标志、外形对各种设备、线缆和插头采取措施,以确保航天员在太空操作时不看错、不误操作。在航天员通讯设备上,设计师们则选用了骨传导耳机,便于各个舱段都能进行通话。

在天和核心舱中,舱内活动空间从天宫一号时的15m³提升到了整个空间站的110m³,且生活区和工作区分开,包含睡眠、卫生、锻炼、厨房、餐厅等独立区域。吃的方面,包含120余种太空食品,以及加热/冷藏/饮水装置;住的方面,从“站睡”转为“躺睡”,可在包裹式淋浴间洗澡;用的方面,空间站全WiFi覆盖,且包含各种智能家居;娱乐方面,有太空自行车、太空跑台等运动设施,且配备了“私密语音通道”,航天员可以和地球上的家人私聊。

除此之外,地球上还有一个和中国空间站“完全一致”的空间站,在遇到紧急情况时,地面人员可模拟实际突发情况,及时给予航天员有力支持。

今年的9月和10月,中国还将分别实施天舟三号货运飞船和神舟十三号载人飞船的飞行任务,其中神舟十三号载人飞船上也将有3名航天员组成飞行乘组,并在轨驻留6个月。后续,中国空间站航天员在轨驻留6个月或将成为常态。在充分验证长期驻留和空间站建造的各项技术后,中国计划在2022年发射“问天”与“梦天”两个实验舱,正式开展在轨组建工作。

对外界来说,天宫太空站投入使用已是具备划时代意义的事件。中国人正在做的,以及计划要做的太空探索任务,已让外界有些目不睱接。

(本文原载于《香港01》周报,略有编辑。)

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