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導(dǎo)讀
2021年4月29日，中國(guó)空間站核心艙“天和”發(fā)射成功，我和我的朋友中科院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員周炳紅、孫志斌做了一場(chǎng)直播。這期視頻是錄播的第二集，共有三集。第一集見(jiàn)《空間站是怎么發(fā)展起來(lái)的？最初還帶了機(jī)關(guān)炮上去？ | 科技袁人》。中國(guó)空間站天和號(hào)發(fā)射直播視頻之二
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本視頻發(fā)布于2021年4月29日，觀看量已超78萬(wàn)
精彩呈現(xiàn)：空間站上種青菜，到火星上種土豆，這是中國(guó)科學(xué)家的獨(dú)特浪漫
歡迎大家來(lái)到《科技袁人》的直播，我們請(qǐng)的兩位嘉賓是中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心的兩位研究員：周炳紅老師和孫志斌老師。孫老師還是剛剛從海南的發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)回來(lái)，所以帶來(lái)了很多前線的信息。
袁嵐峰：我們來(lái)討論第一個(gè)問(wèn)題，就是去年我們是有很多的成功的發(fā)射項(xiàng)目，比方說(shuō)北斗組網(wǎng)、嫦娥5號(hào)從月球取樣又返回了、天問(wèn)一號(hào)今年除夕的時(shí)候也到了火星，再過(guò)不久它就要往下落了，就要看它那個(gè)探測(cè)器是不是能夠真正落到火星上。而我們這個(gè)空間站建設(shè)剛剛開(kāi)始，它會(huì)持續(xù)兩年，跟前面這些任務(wù)相比，空間站的建設(shè)到底難在什么地方呢？
孫志斌：我們是神舟1號(hào)2號(hào)3號(hào)4號(hào),這4個(gè)飛船都是作為前面的技術(shù)驗(yàn)證,就是要把人送上天之前先發(fā)了4艘。這4艘，第一艘是兩艙，第二艘是三艙，第三艘就是加上了人的這些安全的措施，還有這些就叫三艙了，三艙的一個(gè)系統(tǒng)，第四就實(shí)際上是它的一個(gè)應(yīng)急逃生。
應(yīng)急逃生的話這是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)的話要詳細(xì)來(lái)說(shuō)。首先是上升段的逃生。上升段逃生的話，首先要對(duì)應(yīng)的在地面上準(zhǔn)備兩個(gè)逃生的降落基地。一個(gè)是在中國(guó)陸地上有三個(gè)場(chǎng)所，將近1800公里的這樣一個(gè)場(chǎng)所，你怎么尋找這樣的場(chǎng)所，那就在內(nèi)蒙古。另外一個(gè)是要在海洋上降落，在海上也要有將近2000公里的這樣一個(gè)區(qū)域，這是應(yīng)急逃生。
在天上了以后我們要運(yùn)行逃生的話，運(yùn)行期間如果發(fā)生這個(gè)問(wèn)題怎么辦？也有兩個(gè)，第一個(gè)的話是國(guó)內(nèi)應(yīng)急逃生場(chǎng)所，還有一個(gè)是叫國(guó)外。什么叫做國(guó)外呢？國(guó)外的話就是有好幾個(gè)國(guó)家，6個(gè)國(guó)家組成的，6個(gè)地方組成的這樣一個(gè)國(guó)外的逃生場(chǎng)所，包括北美南美北非澳大利亞，這些都是我們國(guó)家要建的。從這個(gè)上面來(lái)說(shuō)，要協(xié)調(diào)這么多國(guó)家完成這樣一個(gè)任務(wù)，實(shí)際上是一個(gè)非常艱巨，它是一個(gè)全球系統(tǒng)。要把中國(guó)人安全地送回來(lái)，在上升段和運(yùn)行段，還有在降落段都要安全回來(lái)，這是第一階段。
到第二階段的話，把中國(guó)人的神五神六神七，就把一批宇航員，像楊利偉神五給送上去，做了一個(gè)一人的；然后神六是兩人的；神七三人的。你看都是一步一步來(lái)走，你想想多一個(gè)人的重量，到天上的吃喝這些都是要有它的很高的成本，都要一個(gè)一個(gè)做實(shí)驗(yàn)，還不能一下子上三個(gè)，這樣的話成本太高，失敗率也很高，風(fēng)險(xiǎn)也就很高。所以在這個(gè)過(guò)程中，為了把人送上去，這個(gè)飛船的大腦和火箭的大腦，都變成了什么，雙腦。雙腦是什么？控制器都是雙的，有一個(gè)不行，萬(wàn)一這個(gè)壞了，還有另外一個(gè)還能確保它的工作。這就是我想這是和之前的衛(wèi)星，和其他的飛船之間的一個(gè)最大的差異，因?yàn)樗际且_保人員安全。所以這是第一階段完成了以后，我們進(jìn)入了第二階段就是天宮一號(hào)，然后和神八神九神十的對(duì)接，要正向?qū)雍头聪驅(qū)印?/p>
當(dāng)年蘇聯(lián)的時(shí)候，禮炮1號(hào)到禮炮6號(hào)的時(shí)候都有好多次的對(duì)接失敗。這些對(duì)接失敗，中國(guó)是不是會(huì)發(fā)生呢？那就一個(gè)一個(gè)技術(shù)來(lái)實(shí)驗(yàn)，有幸是我們中國(guó)的這些技術(shù)都成功了。到了天宮二號(hào)和神十一對(duì)接，把宇航員再送上去，這些基本上就是我們把前面的技術(shù)都走了。
在這個(gè)過(guò)程中，還要有不光是我們，要有天宮一號(hào)和二號(hào)，還有這些神舟的還有貨運(yùn)天舟一號(hào)飛船，這些都是完成對(duì)接了，還要有什么？還要有楊利偉上去，我們要有境外的有6顆衛(wèi)星作為中繼星實(shí)現(xiàn)24小時(shí)通訊。一個(gè)衛(wèi)星在中國(guó)的天空上大概有10分鐘的時(shí)間和地面上通訊，但是人上去了以后，就必須要確保24小時(shí)能實(shí)現(xiàn)不間斷地通訊和溝通，所以最后我們又發(fā)射了大量的天鏈一號(hào)天鏈二號(hào)作為中繼星，這樣的話構(gòu)成了一個(gè)由空間站神舟和天舟，還有天鏈組成了天上的好多顆飛行器，組成了一個(gè)龐大系統(tǒng)。在地面上也組成了一個(gè)有酒泉，還有我們現(xiàn)在的海南文昌，組成了一南一北的這樣一個(gè)。南邊的是送貨的，和送空間站的核心艙了，北邊這個(gè)是送人的，所以走出了南北這樣一個(gè)體系。所以這樣一個(gè)系統(tǒng)它是由八大系統(tǒng)構(gòu)成，這八個(gè)系統(tǒng)有區(qū)域之間的一個(gè)協(xié)調(diào)是一個(gè)非常難的問(wèn)題。也就是在過(guò)去這20年里我們中國(guó)建立了這套系統(tǒng)，為我們今天的空間站的核心艙天問(wèn)號(hào)的飛行，做出了巨大的這樣一個(gè)基礎(chǔ)的驗(yàn)證。
周炳紅：我是想回應(yīng)一下袁老師一直很關(guān)心的錢學(xué)森的系統(tǒng)科學(xué)思想。來(lái)稍微給它總結(jié)一下，就是說(shuō)咱們空間站建設(shè)，剛才孫老師講了很多具體的例子，也做了一些定性和少量的定量的描述。我就說(shuō)錢學(xué)森的系統(tǒng)工程思想，它就是說(shuō)最后從定性要上升到定量。我就用定量的語(yǔ)言把我們國(guó)家的空間站建設(shè)的發(fā)展歷程簡(jiǎn)單地說(shuō)一下。
首先要解決我們一個(gè)人上天的問(wèn)題，也就是說(shuō)一人一天；那么第二階段我們可能要多人一天在天上生存，在天宮特別是天宮二號(hào)就解決了，應(yīng)該說(shuō)是兩人33天生存問(wèn)題。那么我們空間站將來(lái)的難點(diǎn)就是要解決三個(gè)人能不能，當(dāng)然不是他們?nèi)齻€(gè)人連續(xù)生存，但是我不間斷地輪換，三人能不能生存10年以上的時(shí)間。用這么一個(gè)指標(biāo)來(lái)描述它的難處，將來(lái)也是我們要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。具體的技術(shù)，我們后面的其他問(wèn)題可以再展開(kāi)。
袁嵐峰：我們來(lái)討論下一個(gè)問(wèn)題天宮上能夠開(kāi)展什么樣的科學(xué)實(shí)驗(yàn)？這個(gè)對(duì)于將來(lái)的深空探索有什么影響？
周炳紅：我來(lái)先說(shuō)一下，圍繞著空間站核心目標(biāo)，就是我們要很多人要能夠長(zhǎng)期地在太空生存，那么就要第一個(gè)就是要檢驗(yàn)我們核心艙相關(guān)的設(shè)備是不是正常，要開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，就是我們這個(gè)核心艙主要是要實(shí)驗(yàn)達(dá)標(biāo)。它對(duì)于宇航員，水的循環(huán)系統(tǒng)能不能正常的工作，還有空氣，氧氣制氧系統(tǒng)能不能工作，如果這些能工作了以后，我們宇航員上去以后就很舒適了。如果是這些實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了我們核心艙這個(gè)功能是完善的，那對(duì)未來(lái)就會(huì)有一個(gè)影響。因?yàn)槲覀冞@個(gè)核心艙其實(shí)是還有一個(gè)備份件，意味著我們未來(lái)這個(gè)空間站，可能就可以進(jìn)行擴(kuò)展，把備份件那個(gè)備份的核心艙，就加到空間站上去，這樣我們的空間站相當(dāng)于就拓展了。那就有可能從三人在這個(gè)空間站上，我們可以達(dá)到六人同時(shí)在空間站上長(zhǎng)期的生存，這是一個(gè)可能的實(shí)驗(yàn)，需要考核的一個(gè)方向。
第二個(gè)就是我們的空間站能不能做到很舒適，宇航員在上面，不管是空氣水食物都很舒適。還有我們的鍛煉設(shè)備、體育訓(xùn)練設(shè)備，讓宇航員感覺(jué)很舒服。這樣的話單個(gè)宇航員能夠在空間站上生存很長(zhǎng)時(shí)間，他沒(méi)有壓力。這樣的話就有一個(gè)什么樣的目標(biāo)呢？就是說(shuō)我們空間站建設(shè)的目標(biāo)，本來(lái)就是為了實(shí)現(xiàn)人類在太空的長(zhǎng)期的生存，這個(gè)長(zhǎng)期是沒(méi)有上限的。所以也就是說(shuō)對(duì)未來(lái)的影響，我們能不能夠打破這個(gè)世界紀(jì)錄，我們有沒(méi)有可能一個(gè)宇航員在上面生活兩年三年，這是將來(lái)值得觀察的一個(gè)需要實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)的方向，也是值得期待的一件事情。這個(gè)會(huì)很難，但我覺(jué)得做空間站的實(shí)驗(yàn)，做這個(gè)研究，就是奔著這些難題而去的。
所以如果我們的空間站，將來(lái)宇航員的生存很舒適，就有可能宇航員能夠也愿意在上面持續(xù)地待上兩年到三年的時(shí)間，我覺(jué)得主要的是這兩個(gè)方面，看孫老師能不能需不需要補(bǔ)充些什么？
孫志斌：宇航員在天上要長(zhǎng)期吃飯，這吃飯的話能不能在天上我們把成本降低，在天上解決能長(zhǎng)期自給自足的這樣一種基本的一個(gè)問(wèn)題，那就需要我們開(kāi)展植物的培育，高蛋白動(dòng)物的一些培育。這些實(shí)驗(yàn)我們要在其中要開(kāi)展，開(kāi)展完了以后還要讓它變成一個(gè)系統(tǒng)。變成一個(gè)現(xiàn)在的話是一個(gè)叫有限的生命保障系統(tǒng)，但以后是完全自主的一個(gè)不受控的真正的保障系統(tǒng)，到最后我們能減少天地往返帶來(lái)的成本。
這樣的話我們就為我們后面10年20年30年，為我們后面的人再到天上的時(shí)候，上面早就建好了一個(gè)菜園子，等你上去吃飯去。嘗嘗太空生產(chǎn)的這些食物是什么樣的味道，就和人有關(guān)的一系列的安全科學(xué)方面的一些探索實(shí)驗(yàn)，包括生命包括物理，包括燃燒流體等等。能想到的或者還想不到的我們都要去做。這就是國(guó)家要建成的一個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展趨勢(shì)。
袁嵐峰：您剛才說(shuō)的讓我想到一個(gè)笑話，說(shuō)是中國(guó)人無(wú)論搞什么，最后都會(huì)變成種菜，是吧。你現(xiàn)在這么快就開(kāi)始談到在空間站上種菜了，當(dāng)然這個(gè)不只是空間站上，對(duì)于我們將來(lái)移民去火星，也是有非常大的意義。我看過(guò)一些關(guān)于談?wù)撘泼窕鹦堑臅?，里面有談到將?lái)在火星上吃什么。因?yàn)槭紫日f(shuō)火星上它是有土壤的，所以我們可以在那種比方說(shuō)土豆，這樣的植物在那是可以生長(zhǎng)的。你如果在火星上不滿足于吃植物你要吃肉，那吃什么呢？也可以培養(yǎng)一些高蛋白的，比方說(shuō)什么面包蟲之類的東西。這些東西看樣子我們都不需要到火星，我們?cè)诳臻g站上就可以先把它種起來(lái)了。
國(guó)際空間站現(xiàn)在已經(jīng)到了它的壽命的末期了，因?yàn)樗A(yù)定是2024年退役。所以它現(xiàn)在已經(jīng)是各種小事故都層出不窮了。我們這個(gè)空間站，我們要保障可靠性安全性，我們?cè)诩夹g(shù)上有什么創(chuàng)新和突破呢？
周炳紅：首先我們國(guó)家空間站，由于是我們一個(gè)國(guó)家獨(dú)立建設(shè)的。所以總體來(lái)說(shuō)它，而且在前人的基礎(chǔ)上，所以它會(huì)在整個(gè)的使用效率上會(huì)比前人的會(huì)更高，因?yàn)槲覀兪且粋€(gè)國(guó)家建設(shè)的。特別就體現(xiàn)在核心艙的功能上，也就是說(shuō)我們國(guó)家的空間站的模式是叫積木式，國(guó)際空間站是桁架式，它是一個(gè)多個(gè)模塊的拼湊。我們的積木式是三個(gè)模塊，應(yīng)該說(shuō)是很高效率的結(jié)合在一起。
在最后就是我們的單位重量，里面的實(shí)驗(yàn)設(shè)施會(huì)更多，密度更高。有人是比較了一下，我們大概可能建成打比方只有100噸左右，國(guó)際空間站是400噸，但我們的實(shí)驗(yàn)柜大概有他們的70%-80%，我們的實(shí)驗(yàn)柜就數(shù)量上跟他們是比較接近的，這是總體上的一個(gè)技術(shù)。這個(gè)也會(huì)體現(xiàn)在我們現(xiàn)在積木用的對(duì)接口，今天發(fā)射核心艙的前面那個(gè)對(duì)接口上，我們對(duì)接口其實(shí)主要的對(duì)接口，就是沿著軸向前方的那個(gè)對(duì)接口。
我今天是特意到中國(guó)科技館去看了一下實(shí)物，它是1：1的，里面的結(jié)構(gòu)和功能也都是完全一樣的。你會(huì)發(fā)現(xiàn)它在前端對(duì)接口裝了大量的用于對(duì)接的設(shè)備，就是有一個(gè)十字形的對(duì)接的，相當(dāng)于是一個(gè)應(yīng)該叫示標(biāo)，一個(gè)示蹤的標(biāo)志，這是一個(gè)。還有它會(huì)有一些光學(xué)的光照的燈光，能夠是有光學(xué)相機(jī)，用光學(xué)相機(jī)來(lái)判斷我的目標(biāo)飛行器跟對(duì)接飛行器之間是不是位置達(dá)到了精確的對(duì)準(zhǔn)；還有雷達(dá)設(shè)備，那么在其他的兩個(gè)口，就是側(cè)向的兩個(gè)口，它就不叫對(duì)接口，它叫停泊口。
所以我們兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室，問(wèn)天號(hào)和夢(mèng)天號(hào)實(shí)驗(yàn)艙都是先在前面那個(gè)對(duì)接口對(duì)接對(duì)接完了以后，用裝在核心艙的一個(gè)機(jī)械臂把它轉(zhuǎn)移到兩邊的兩個(gè)停泊口，所以這樣的話就，整個(gè)空間站的建設(shè)效率就更高了，這是一個(gè)。
第二方面，它的調(diào)姿用到了一種霍爾電推進(jìn)技術(shù)?；魻栃?yīng)的電推進(jìn)裝置，這是在空間站上第一次用，當(dāng)然這是因?yàn)槲覀兘ǖ母怼＿@樣的話會(huì)有一個(gè)什么好處呢？就是因?yàn)榛魻栯娡七M(jìn)它的效率更高，這樣的話我們國(guó)家以后推進(jìn)劑補(bǔ)給就可以更少。為什么要補(bǔ)給？是因?yàn)檫@個(gè)空間站在400公里高，其實(shí)是有一定的空氣的，這樣它導(dǎo)致空間站每天會(huì)下降100米左右，所以要補(bǔ)加推進(jìn)劑去維持它的軌道，過(guò)一段時(shí)間要用推進(jìn)劑去提升一下，所以我們國(guó)家也是有推進(jìn)劑的補(bǔ)加技術(shù)。通過(guò)霍爾推進(jìn)裝置的使用，就減少了推進(jìn)劑的補(bǔ)加量，這也是一個(gè)技術(shù)上的突破。
袁嵐峰：我來(lái)向觀眾解釋一下，霍爾推進(jìn)劑它是用電推進(jìn)就是說(shuō)用一個(gè)很高的電場(chǎng)，把離子帶電的離子加速然后噴出去，這樣的話你達(dá)到的速度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超過(guò)化學(xué)反應(yīng)的一個(gè)推進(jìn)劑?；瘜W(xué)推進(jìn)劑噴出來(lái)的速度一般都是幾公里每秒，但是霍爾推進(jìn)劑它是可以達(dá)到多少？有上百公里每秒嗎還是多少？
周炳紅：這個(gè)大概是，因?yàn)槲铱吹降臄?shù)據(jù)大概可能是15公里每秒左右。我們的液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)大概是4.5公里每秒，所以是它的3倍左右。
袁嵐峰：對(duì)于質(zhì)量的節(jié)省就會(huì)很多了。它實(shí)際上噴出來(lái)的就是氙氣Xenon，那么它是一個(gè)惰性氣體，所以我們要補(bǔ)加推進(jìn)劑。
周炳紅：另外就是我們的核心艙把這些功能都集中在一塊，所以用了一個(gè)大尺寸大重量的核心艙。我們是22.5噸，有16米長(zhǎng)，這是因?yàn)槲覀儑?guó)家長(zhǎng)征5號(hào)的運(yùn)載能力剛好是比較大。美國(guó)的話，因?yàn)樗煤教祜w機(jī)，航天飛機(jī)運(yùn)輸?shù)臅r(shí)候是人貨混裝，所以其實(shí)它的運(yùn)載能力就是它的運(yùn)載重量并不重的。所以它們國(guó)際空間站最重的艙段都不超過(guò)20噸。所以它的核心艙，就是核心艙的功能，我們的核心艙的功能是由俄羅斯三個(gè)艙段組合在一起才實(shí)現(xiàn)的。這是我們國(guó)家由于站在前面的基礎(chǔ)上，所以把他們的這些功能，就是系統(tǒng)性的集成在一起，也取得了一些突破。
袁嵐峰：孫老師有沒(méi)有要說(shuō)的？
孫志斌：實(shí)際上國(guó)際空間站現(xiàn)在，它已經(jīng)上面有好多孔了，這些孔已經(jīng)開(kāi)始漏氣了。于是好多人就是為了找到這樣一個(gè)泄漏孔，怎么去找泄漏孔，大家想出了好多辦法。有的人說(shuō)哪個(gè)地方泄露，我通過(guò)什么手段給測(cè)一下，但是他們目前用了一種我散發(fā)一些小的碎片看它往哪兒飄，通過(guò)這種方法來(lái)測(cè)，大家就可想而知了。國(guó)際空間站經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期服役以后，這些漏洞就百出，安全系數(shù)就太低了。我們空間站也要在這上面，為了保證我們的安全，在這些防護(hù)方面我們會(huì)看到它里面有個(gè)內(nèi)層，外面還要再加一個(gè)外層，有個(gè)多層結(jié)構(gòu)，減少這種碎片。更重要的話我們還要有我們地面上組成了一個(gè)龐大的碎片監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，要對(duì)它進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，然后躲避。如果需要我發(fā)現(xiàn)在這個(gè)軌道上有一個(gè)重要的東西，我們就把軌道提升或者調(diào)姿，然后把它避開(kāi)過(guò)，這就變成一個(gè)主動(dòng)的飛行器。這個(gè)主動(dòng)飛行器那就相當(dāng)于它要求對(duì)姿態(tài)的控制和過(guò)去就不一樣了，所以這是在第二點(diǎn)。
第三點(diǎn)上，國(guó)際空間站是一個(gè)龐大的系統(tǒng)。這個(gè)龐大的系統(tǒng)，它每個(gè)系統(tǒng)相互之間有一個(gè)機(jī)械的耦合，它會(huì)帶來(lái)一個(gè)微重力水平的下降，而我們這個(gè)空間站，我們相對(duì)比它小，微重力水平相比較比它高，這也就是為什么我們中國(guó)空間站到了天上以后，后面還會(huì)再發(fā)射一個(gè)光學(xué)艙，光學(xué)的一個(gè)在這個(gè)軌道上對(duì)接，必要的時(shí)候把它對(duì)接，不必要的時(shí)候把它分開(kāi)，這樣能實(shí)現(xiàn)一個(gè)很高微重力水平的這樣一個(gè)平臺(tái)。因?yàn)槲覀兩先ミ€要做實(shí)驗(yàn)，它是一個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，這個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室如果重力水平比國(guó)際空間站還差，我想我們這個(gè)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)怎么去做，這就是科學(xué)家所關(guān)心的事。
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