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“太空出差三人组” 在空间站做了哪些事

来源:《北京日报》  发布时间:2022-04-22

  4月16日,神舟十三号载人飞船返回舱平安抵达内蒙古东风着陆场。从2021年10月16日发射进入太空开始计算,由翟志刚、王亚平、叶光富3名航天员组成的神舟十三号乘组共执行了6个月的空间站任务。在这6个月当中,他们在空间站都做了哪些工作?有哪些重要意义?本文将进行简要回顾和分析。

航天员翟志刚、王亚平、叶光富在空间站工作。

  一 具备在轨紧急撤离能力

  首先,神舟十三号乘组任务的成功开展,让我国在载人航天领域的综合能力和水平又上了一个新台阶。这种水平和能力的提升可以直观地从时间、空间、质量等多个评价维度的定量指标来体现,例如与神舟十二号乘组相比,航天员的在轨时间从3个月提升到了6个月;空间站的整体规模从3个舱段(飞船)构成的49吨级组合体扩展成为4个舱段(即神舟十三号飞船、天和核心舱、天舟二号货运飞船、天舟三号货运飞船)构成的组合体,相当于航天员的“住处”从两室一厅变成了三室一厅。

  此外,在神舟十三号乘组在轨期间,我国验证和形成了多项新的技术能力,从公开报道来看,包括但不限于以下几种:

  航天应急救援和在轨紧急撤离能力。在此前的神舟十二号任务中,我国首次实施了载人飞船和火箭“应急救援待命”,也就是当航天员在空间站遇到意外或危险,需要立即返回地球时,可以立即发射备份的火箭和飞船,将航天员从太空接回地球。所以这次神舟十三号任务的飞船、火箭均是在发射场直接由应急待命的备份状态转为发射状态。此外,2021年11月7日,神舟十三号飞行乘组进行了首次在轨紧急撤离演练,模拟了在空间站核心舱遭遇撞击、内部产生失压时,3名航天员紧急撤离到神舟十三号返回舱中的情况。随着我国空间站开启有人长期驻留时代,具备这种应急能力对于保障航天员生命安全显然至关重要。

  复杂航天设施的在轨组装和建造能力。神舟十三号飞船首次从“径向”与我国空间站进行了自主交会对接,而此前从神舟八号以来的我国5艘飞船与目标都是“轴向”对接,这两种方向夹角相差90度。为了实现径向对接,科研人员开发了基于北斗卫星数据的多源数据融合实时计算、具备多目标识别及绕飞功能的激光雷达等关键技术和方法。此外,2022年1月6日,我国首次开展利用空间站机械臂转位货运飞船的试验,验证了利用机械臂操作大型航天装备的技术可行性和有效性。受限于单次运载火箭的发射能力,像空间站这样的大型航天设施都需要采用多次发射、在轨组装的方式来完成“搭积木”式的建造,因此相信本次验证的机械臂等关键技术未来还将发挥重要作用。

  在轨遥控航天器实现交会对接的能力。2022年1月8日,神舟十三号航天员乘组在地面技术人员的协同下,手动遥控完成了天舟二号货运飞船与空间站组合体的交会对接,这是我国首次开展此类试验。当航天器的自主交会对接发生故障或意外时,这种由航天员在轨遥控实现交会对接的能力可以发挥重要的备份作用。

  载人航天器快速再入返回的能力。神舟十二号飞船的返回过程历时一天多,而神舟十三号返回任务首次采用了“快速返回方案”,将再入返回过程由11圈缩减至5圈,时长缩短到了几个小时,但变轨和飞行动作没有减少。在更短时间内完成返回,相当于航天员的返程体验从“绿皮车”换成了“高铁”,而这对地面测控和飞船返回舱都提出了更高挑战。

  此外,神舟十三号乘组任务还进一步验证和提升了航天指挥控制能力、天地协同能力、舱内外航天员协同能力、航天运输能力等,实现了对我国载人航天工程各个系统的一次全面考核。

2022年1月8日7时55分,神舟十三号航天员乘组在地面科技人员的密切协同下,在空间站核心舱内采取手动遥控操作方式,圆满完成了天舟二号货运飞船与空间站组合体交会对接试验。

  二 3位航天员将自己当作“小白鼠”

  载人空间站具有支持科学探索和研究新现象新规律的得天独厚、独一无二的条件,包括长期的微重力环境、真空、低温、强辐射环境、有人参与的条件等,非常适合作为太空实验室,开展航天医学、生命科学、生物技术、微重力物理、空间天文学、地球科学等领域的研究。因此,神舟十三号乘组的另一大“功劳”是其在轨期间支持开展了一系列科学实验,获得了全新的知识,推进了我国甚至全人类对自然和宇宙的认知边界。尤为可敬的是,微重力环境下的人体本身事实上就是“实验对象”,相当于3位航天员将自己当作“小白鼠”,去帮助全人类了解长期的失重和封闭的环境对人体健康的影响。

  神舟十三号任务期间完成的在轨实验有二十余项,其中包括:

  微重力环境下人体操作能力的变化。东南大学宋爱国教授等人开发了供航天员在轨使用的操作力测量传感器与设备,神舟十三号乘组利用这套设备,完成了航天员在轨指捏力、手握力、推拉力、双手插拔力、双手旋转力矩、足部多维力等精准测量,获取了微重力环境下人的生物力学等测量数据。

  不同重力条件对心肌细胞收缩过程的影响。利用心肌细胞对重力敏感的特性,借助航天员的在轨实验观测,中国航天员训练中心的李莹辉研究员等人开展了地面和在轨心肌细胞收缩过程的对比研究。据介绍,该技术对研究大众健康、人类的衰老与再生,包括人类的长寿和心脏病的发生,提供了非常好的实验模型。

  皮肤干细胞失重悬浮培养实验。依托中国空间站和神舟十三号任务,我国科研工作者设计了特制的培养容器,让细胞在太空悬浮条件下完成了长达一个月的存活。该实验室为长期失重条件的细胞研究提供了重要的技术平台。

  由于对神舟十三号在轨期间取得的实验数据还有更多分析和研究工作要开展,相信未来一段时间,还会有更多科学探索成果不断涌现。

  三 面向社会开放货运飞船搭载资源

  载人航天工程的成功实施可以带动社会经济的发展。有分析认为,20世纪60到70年代美国实施的“阿波罗计划”每投资1美元就产生了14美元的回报,这种回报主要是基于阿波罗计划产出的3000多项专利技术来测算的,包括脱水蔬菜技术、条形码技术、核磁共振和计算机断层扫描(CT)技术等。近年来,在国际商业航天迅猛发展的背景下,航天经济、大航天时代等概念逐步为人们所熟知,我国2022年1月28日发布的《2021中国的航天》白皮书也提出“加速航天技术成果转移转化,推动空间应用产业发展,提升航天发展效益效能”。

  作为跨部门、跨行业合作的系统工程,包括神舟十三号在内的我国载人航天历次任务,都有国内众多企业参与,客观上对相关产业的进步起到了带动作用。值得一提的是,在神舟十三号乘组任务期间,我国首次发布公告,面向社会开放了货运飞船搭载资源。2021年11月25日,中国载人航天工程办公室首次面向社会公开征集天舟飞船搭载科学技术试(实)验和应用项目,宣布我国天舟系列货运飞船(具有接近6.5吨的物资上行能力)将以平均每年2艘的频度实施发射。公告还指出,自神舟一号飞行任务开始,历次任务中都搭载了具有科研价值或社会效益的项目,在服务带动科学研究、农业发展、产业升级等方面发挥了积极作用。

  四 “天宫课堂”成功创办“美国分校”

  航天一直是满足人类好奇心、激发社会公众特别是青少年对科学和技术热爱与兴趣的重要领域。自1957年首颗人造地球卫星发射、人类进入太空时代开始,美国和苏联就十分重视通过航天任务开展科普教育、培养未来人才;而航天员更是天然的科学知识和探索精神的“宣传委员”。

  神舟十三号乘组任务期间共开展了两次“太空授课”,收获了非常显著的效果。2021年12月9日,神舟十三号“天宫课堂”第一课正式开讲,3位航天员演示了微重力环境下细胞学实验、人体运动、液体表面张力等神奇现象。2022年3月23日,“天宫课堂”第二课开讲,演示了微重力环境下太空“冰雪”实验、液桥演示实验、水油分离实验、太空抛物实验等。在两次“太空授课”过程中,3名航天员都通过视频与地面师生进行了实时的互动交流,相信在许多孩子心中播下了追逐科学技术梦想的种子。

  2022年4月,在中国驻美使馆的推动下,神舟十三号乘组还回答了十几个由美国孩子提出的问题,秦刚大使4月10日同上百名美国孩子在使馆一起收看了3位航天员的“天空回答”视频。可以说,我国的“天宫课堂”成功创办了“美国分校”,客观上起到了提升软实力的效果。

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2022年3月23日下午,“天宫课堂”第二课在中国空间站正式开讲并直播。

  五 应对航天器碰撞规避等重大挑战

  “航天员是人类派往外层空间的使节”,这是联合国《外空条约》的规定。神舟十三号乘组和中国空间站像一面旗帜,在全世界树立了我国工程技术能力的良好形象,并且在推动国际航天合作、应对共同的太空问题和挑战等方面起到了重要作用。

  当前,国际航天发射活动快速增加,空间碎片问题日益严重。根据2021年5月欧洲空间局(ESA)发布的《2021空间环境报告》,截至2020年初,地球轨道上的物体(包括卫星、卫星载荷和火箭残骸等)总数超过27000个,总质量超过9000吨。因此,各国航天特别是载人航天活动都面临在轨交通管理、航天器碰撞规避等重大挑战。

  在神舟十三号乘组在轨运行期间,曾遭遇至少两次与其他航天器碰撞的危险。从联合国和平利用外层空间委员会(COPUOS)官方网站可以查到,2021年12月3日,中国常驻联合国(维也纳)代表团向联合国秘书长提交照会,指出美国太空探索技术公司(SpaceX)发射的星链卫星先后两次接近中国空间站,对3名航天员生命健康构成危险,为此中国空间站两次实施了“紧急避碰”措施。

  如果卫星等无人航天器“价值连城”,那么航天员的生命更是“无价之宝”。神舟十三号乘组的经历启示我们,如何在未来加强空间风险探测和碰撞规避的技术能力,提高对国际航天活动的态势感知能力,并且进一步推动国际太空的有效治理乃至推动构建“人类太空命运共同体”,是值得我们认真思考研究的重要问题。

2021年11月7日,航天员翟志刚、王亚平进行舱外活动。

  未来展望 丨 我国航天员未来将在太空“会师”

  经常有人将人类征服太空的事业同“大航海时代”的探索类比。作为人类生存和活动的新疆域,太空承载着人们的梦想和希望,是新知识、新技术的发源地,在维护国家安全、促进经济发展、激励和培养下一代人才等方面具有至关重要的作用。

  载人航天是空天技术的高地,有人照料并长期运行的空间站更是国家综合实力的标志。《2021中国的航天》白皮书指出,未来几年,我国将继续实施载人航天工程,发射“问天”实验舱、“梦天”实验舱、“巡天”空间望远镜以及“神舟”载人飞船和“天舟”货运飞船,全面建成并运营中国空间站,打造国家太空实验室,开展航天员长期驻留、大规模空间科学实验、空间站平台维护等工作。

  2022年3月4日,全国政协委员、中国载人航天工程总设计师周建平在全国政协十三届五次会议期间表示,神舟十四号、神舟十五号两个乘组6名航天员将在太空“会师”,并共同在轨工作一周左右时间。届时我国空间站将成为由6个舱段组成、总质量接近100吨、支持6名航天员同时生活的大型太空设施,成为我国走向“深空”的又一关键里程碑。

  (来源:《北京日报》2022年4月20日,第17版;作者:郭世杰,中国科学院文献情报中心副研究员;图片:原文配图)

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