我们的空间站会用到那些高科技?最炫酷的有空间机械臂
神舟十二号成功飞天,举国欢庆,空间站建设和我国的天眼等诸多大型工程一道,构成了我国的大国重器阵容,具有非常重要的意义。
太空“豪宅”
中国航天科技集团五院空间站系统副总设计师朱光辰曾经说过一个非常形象的比喻:如果神舟飞船是一辆轿车,天宫一号和天宫二号就相当于一室一厅的房子,而空间站就是三室两厅还带储藏间,算是“豪宅”了。
其实当初在2011年发射的“天宫一号”和国际空间站相比,算是很小的了,给宇航员的活动空间也仅仅只有15立方米,就这也比当年的神舟7号那7立方米的空间大不少,但是依然还是显得比较局促。幸好宇航员的在那里面也就待上几天就回来了,所以影响不大。
但是这次造空间站就不一样了,考虑到宇航员要在太空长时间的生活,所以这个“舒适度”怎么说也得提升一下,我国的航天局一下子把生活空间扩展到了110立方米,算是让我们的航天员结束了“筒子楼”的时代,一下子就迈进到了“大平层”。
并且这次的设计更加的人性化,不仅划分出了很多的功能区,还在“私密性”以及“便利性”上下足了功夫,我们的空间站这次可以说是把“人性化”的设计理念发挥到了极致,大的分区有两个,生活区还有工作区,仅仅是生活区就设立了独立的睡眠区,卫生区,锻炼区,甚至连厨房以及餐厅都给配上了,这样的设计方式无疑给我们的航天员大大的提高了太空生活的质量。
空间站使命:太空中的国家实验室
“空间站的神圣使命是,成为太空中的中国国家实验室,支持科学家从事前沿科学探索、空间技术研究和空间资源的开发和利用。最终目的是为全人类造福。”周建平说。
空间站资源十分宝贵,经过科学慎重遴选,空间站上将搭载安装包括生物学、材料科学、基础物理、微重力、流体、燃烧等十余大类的科学研究实验设施。
“材料科学的实验设施设备,能够利用太空微重力环境制备新材料,研究材料的空间使用性能。未来很多研究,孕育在新材料的研发中,具有广阔工业价值。”周建平说,一流的太空实验平台,将为科学家们取得世界级的重大突破提供条件保障。
宇宙之眼:比哈勃视场角大300百多倍的巡天望远镜
未来会单独发射一个十几吨的光学舱,与空间站保持共轨飞行状态。计划在光学舱里架设一套口径两米的巡天望远镜,分辨率与哈勃相当,视场角是哈勃的300多倍。如果在轨十年,可以对百分之四十以上的天区,约一万七千五百平方度天区进行观测。”
这套望远镜,天区和波段覆盖广,像质好,将是中国人的“宇宙之眼”。它可以源源不断地为科学家们研究宇宙学和天文学提供海量的科学数据,为中国科学家站在世界科学前列、做出重大原创性成果提供有力支撑。
宇宙的构成和演化,暗能量、暗物质、黑洞的研究……我们期待对宇宙学、天文学的基本问题取得重大突破。
后发优势:世界领先的信息系统、太阳翼、机械臂
中国不是最早进入宇宙空间的,换一个角度理解,反而有后发优势。近年来,信息技术、新能源、自动化和人工智能技术的进步,将综合体现在中国空间站上。
中国的空间站基于当代最新技术成果设计建造,信息化程度更高、能力更强。“尤其在通信、网络、数据管理和应用等方面,我国的空间站都相当先进。这也得益于当代技术发展和国家科技进步
中国空间站有两对‘翅膀’——单翼翼展约30米的柔性太阳翼。它们与双轴对日定向机构、高效能锂离子电池等一起,构成了空间站先进、强大的电源系统。这个系统能够为空间站提供可靠、充足的不间断供电。
目前,地面上太阳能光伏发电,太阳能到电能的转化率一般在百分之十几左右。空间站使用最新研发的太阳能光伏发电系统,转化效率可达30%以上。
一名航天员在舱内操作机械臂,一名航天员在舱外太空行走。无论是舱段转位、大设备的移动,还是航天员自身的移动,都可以通过机械臂完成。”这不是科幻片,而是不久将来的现实。“中国空间站有两类机械臂,长度累计15米。人机配合,让空间站建造维修成为可能。
太空经济:循环利用和高效利用
往太空运送物资的成本非常高,载人航天的发展必须把经济性作为重大、优先问题。“进行物资循环利用并提高物资循环利用率,是世界载人航天关注的重大技术挑战问题。
中国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,将通过化学反应重新生成氧气,这也降低了氧气的补给需求。
提高单位物质的效率是提高经济性的有效手段。中国空间站将采用电推进技术作为空间站轨道维持的动力装置,这将显著降低空间站运行期间的推进剂补给需求。
我国也在研究下一代载人天地往返运输系统的发展思路,将瞄准可重复使用的目标,以期进一步降低空间运输的成本,提高效益。
太空智能家居
我国在这10年间,发展最迅速的就要数无线通讯还有物联网的技术了,所以空间站的设计师们,在之前的基础上不断地升级,不仅用上了全新的信息技术,连“移动WIFI”都给你装上了,所以让宇航员的核心舱直接升级到了“智能家居”时代。
在空间站生活的宇航员,每个人都配发了一个手持终端,这些手持终端上面的APP可以根据宇航员的要求,设置各种的模式,什么照明模式,睡眠模式,工作模式,运动模式,那叫一个全,甚至舱内的灯光都有给宇航员们调节情绪的作用,这个智能化队长也想要一个。
其实在设计之初,整个舱内的灯光设置还有温度环境,都是设计师们亲自反复体验的结果,这个过程有多反复队长就不多说了,只能是为我们的设计师大大的点个赞,他们为了我国的航天员长期驻留太空有一个舒适的生活体验,可谓是劳心劳力了。
当然这个“智能家居”最贴心的还是能够实现“天地通话”,这样所有的宇航员都可以和自己的家人“私聊”一会,以解自己的相思之苦,其实这个项目一直都是各国的航天产业的“传统项目”,但是我国的就比较人性化,给空间站的宇航员们开通了私密语音通道,这样宇航员们可以和自己的家人说点“悄悄话”也不会觉得不好意思,毕竟太空生活,短期还能有点新鲜劲,但是长期的太空生活难免单调。
和家人分享一下自己的太空生活相比,也是一个不错的体验,当然宇航员之间的通讯就更是简单了,有仓内WIFI一个骨传导耳机就全解决了,这样不管他们在空间站的任何位置都可以实现互相通话或者和地面的动画。
太阳电池翼,收拢后只有一本书的厚度
天和核心舱首次采用了大面积可展收柔性太阳翼,其双翼展开面积可达134平方米。这是我国首次采用柔性太阳翼作为航天器的能量来源。
与传统刚性、半刚性的太阳电池翼相比,柔性翼全部收拢后只有一本书的厚度,仅为刚性太阳翼的1/15,同时,展开面积大、功率重量比高,单翼即可为空间站提供9KW的电能,在满足舱内所有设备正常运转的同时,也完全可以保证航天员在空间站中的日常生活。
核心舱作为我国寿命设计要求最长的一个飞行器,对所有产品的长寿命提出了最高要求。太阳翼作为舱外产品,要面对的空间环境极其恶劣,除了需要经历88000次±100℃的高低温循环外,还要经受低轨环境中原子氧、等离子体、紫外辐照、电离辐照等多种空间环境的考验。航天科技集团八院805所柔性太阳电池翼研制团队开展了3年多的方案论证和比较工作,经过大量的地面模拟长寿命测试。
比如,太阳翼上的张紧机构看似是一根简单的钢丝绳,但其实是一套恒力弹簧绳索系统,通过它的不断伸缩才能保证太阳翼在高低温环境下的足够刚度以及姿态控制。团队历经多年攻关,地面完成了40万次热真空疲劳寿命试验、100万次常温常压寿命试验,充分验证了产品的高可靠、长寿命。
空间机械臂,六维力传感器打破国外垄断
空间站机械臂主要承担着悬停飞行器捕获、辅助航天员舱外活动、舱外货物搬运、舱体状态检查、载荷照料等重要任务。由中国航天科技集团有限公司四院44所自主为机械臂研制了3款传感器。
其中,六维力传感器是三款传感器中结构最为复杂、研制难度最大的一款,能够同时测量三个方向上的力分量和转动时的力矩分量;一维力传感器主要负责机械臂末端执行器在实施目标抓取和拖动功能时,对拖动力进行监测;一维力矩传感器则用于感知机械臂关节转动时所承载的力矩,实现整臂的柔顺控制。
三款传感器产品作为机械臂进行伸缩、扭转、抓握和拖动等动作时各关键部位的测力元件,就像机械臂的“触觉神经”,能够实时将力学参量反馈至机械臂的“大脑”,为机械臂实现精准控制提供重要依据,使机械臂具备强大的自由运动能力。
这三款传感器产品是航天四院44所历时10年打造出的,具备体积小、质量轻、空间环境适应性强、精度及可靠性高、可在轨稳定运行15年以上等特点,特别是六维力传感器作为国内首款、目前唯一一款自主研制的能够实现空间环境下同时测量6个力和力矩分量并且成功搭载空间站应用的传感器产品,成功打破了国外在该领域的技术垄断,对于在该领域进一步实现国产化具有重要意义。
太空厨房
可定量分配常温水和热水,滤除银离子
在太空中,航天员的身体健康状况尤为重要。在核心舱上,安装了很多监测航天员身体状况的医学监测设备。这些产品都是由航天科技集团九院771所负责研制生产。
例如,常规医监设备可以为航天员在长期飞行中的生理健康状态和功能提供全面有效的医学监督和保障;
无线生理信号检测装置负责监测航天员心电、呼吸、体温;睡眠监护仪能够采集航天员睡眠时产生的多路生理信号,为航天员睡眠质量做定期评价提供数据;
采集航天员常规心电、运动心电、动态心电、抢救心电的12导同步心电信号的动态心电监测仪;
无创血液动力学监护仪能够实现对航天员一导心电和二导脉搏的无创监测,协助完成航天员的脉搏量、心排量、外周血管阻力等各项血液动力学参数的健康监督。
此外,为方便航天员长期飞行中的饮食需求,771所提供了多种太空厨房食品设备。热风加热装置可将航天食品在规定时间内加热到适合在轨食用的温度;
微波加热装置则用于加热非金属包装类的食品和饮用水等;
饮水分配器除了加热日常饮用水,还能定量分配常温水和热水,滤除水中的银离子,保证航天员健康饮水。
中国空间站与国际空间站有什么不同?
国际空间站是目前在轨运行最大的空间平台,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。它的规模大约有423吨,由美国、俄罗斯、加拿大、日本等16国联合,先后经历12年建造完成。
航天五院专家表示,中国空间站由一个核心舱和两个实验舱组成,在总体规模上不及国际空间站,这主要是在建设思路上按照符合中国国情,有所为、有所不为来考虑,综合当前需求和耗费等因素,不搞像国际空间站那么大规模的空间站,而是采用规模适度、留有发展空间的思路,既可以满足重大科学研究项目的需要,又同时具备扩展和支持来往飞行器对接的能力。
中国空间站由我国自主建造,实现了产品全部国产化,部组件全部国产化,原材料全部国产化,关键核心元器件100%自主可控。
细节方面,国际空间站的蓄电池初期采用氢镍蓄电池,后来又经历技术升级实现了锂电换氢镍的过程。而中国空间站从开始就将使用锂电技术,从技术研发基础上已并列国际水平。
太阳电池翼作为中国空间站最大的舱外产品,其在轨具备的重复展收技术、整体更换技术、柔性电缆传输技术都已接近并超越国际空间站的太阳电池翼的技术体系。