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中国首个空间站“天和”核心舱发射成功,内部哪些技术比较牛?

2021-04-30 胡安 阅读:
EDN小编感觉未来我们没准五一小长假都可以去一趟空间站旅游了。

昨天中午中国空间站天和核心舱由长征五号 B 运载火箭托举,成功发射入轨至预定轨道,揭开了中国空间站建设的大幕。EDN小编感觉未来我们没准五一小长假都可以去一趟空间站旅游了。pCYednc

这次天和核心舱与火箭成功分离,进入预定轨道,之后太阳能帆板两翼顺利展开且工作正常,发射任务取得圆满成功,标志着中国空间站在轨组装建造全面展开。pCYednc

中国空间站正式建成后将呈T型,重约66吨,由三部分构成:一个18米长的天和核心舱、两个14.4米长的问天和梦天实验舱。pCYednc

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整个空间站建设完成以后,其总质量大约是国际空间站的约五分之一到六分之一,大小不算太大,与之前的苏联和平号差不多。pCYednc

空间站一般情况下可以让三位宇航员在轨生活工作6个月,在多个机组交接情况下也可以同时容纳六名宇航员,呆的时间也就相对短一些。pCYednc

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天和核心舱中哪些技术比较牛?

中国航天科技集团五院空间站系统副总设计师侯永青介绍,“中国空间站设计在轨飞行10年,具备延寿到15年的能力。我们从设计伊始就开展了长寿命、可靠性、维修性、安全性一体化设计。具体来讲,就是以系统和产品的长寿命和固有可靠性设计为基础,配合开展系统和产品在轨故障诊断、处置预案设计、维修性设计,以实现长寿命、可靠性的既定目标。”pCYednc

1.  热管辐射器——降低被空间碎片击穿风险

空间站在轨运行后,在微流星、空间碎片撞击等意外损伤的条件下,有可能会出现较大的裂纹,从而引起舱体泄漏、舱体开窗、撕裂等灾难性事故。pCYednc

结构研制团队创新设计了健康监测子系统。这个新增的子系统就像体检医生一样,能够在轨对承受的载荷以及自身的结构状态进行实时监测,也能够对空间碎片等“飞来横祸”进行监测、定位和报警,一旦发现有空间碎片撞击上来,能迅速及时地报警,第一时间通知地面和航天员,立即处理。它还能对舱内的压力情况进行监测,根据不同的压力指标进行分级报警。pCYednc

航天科技集团五院空间站热控分系统主任设计师韩海鹰介绍,为了应对空间碎片等“劲敌”的攻击,天和核心舱热控分系统针对长寿命可靠性问题,在载人二期的基础上,开展了健壮性设计,为空间站安装了两条相当于“大动脉”的管子——热管辐射器,以减少流体管在外暴露的面积,大大降低被空间碎片击穿的风险。pCYednc

2.  舱门保护罩——舱外用保护罩为卷帘式结构,便于操作

空间站天和核心舱有多个大小不一、形状不一的舱门,当航天员在空间站舱间穿行或出舱时,舱门沿着舱门门轴旋转处于侧开状态,通过舱门过程中,存在对舱门门体密封圈剐蹭的风险,一旦密封圈受损,舱门密闭失效,就可能影响航天员的生存环境。为保护舱门门体密封圈不受剐蹭,航天科技集团五院专门研制了舱门保护罩。pCYednc

舱门保护罩功能虽然单一,但针对空间站的使用高要求,具有操作简便、产品寿命长、使用次数多的特点。pCYednc

根据舱内和舱外两种不同的操作环境,空间站核心舱分别研制了2种状态的舱门保护罩,包括舱内用舱门保护罩和舱外用可展收舱门保护罩。为了便于航天员操作,舱内用舱门保护罩为罩盖式结构,就像落地电风扇防尘罩,使用时只需要航天员将舱门保护罩口部撑开套在舱门上即可;舱外用舱门保护罩为卷帘式结构,使用时航天员只需“抓”“套”“拉”几个简单的操作步骤即可完成。pCYednc

3. 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。pCYednc

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。pCYednc

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。pCYednc

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。pCYednc

4.  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。pCYednc

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。pCYednc

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。pCYednc

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。pCYednc

5.  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。pCYednc

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。pCYednc

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。pCYednc

此外,知乎网友“李Well2002”认为,pCYednc

  • 首先,“天和”成为世界上第一个使用“一级半”构型的火箭发射入轨的空间站核心舱。也就是说只用芯一级+4个助推器就能入轨,没有二级,三级。这是前所未有的。国际上同类的如苏联礼炮系列空间站,苏联和平号空间站核心舱,国际空间站曙光舱,星辰舱都是采用三级构型的“质子”火箭发射
  • 其次,“天和”也是世界上第一个自带大型空间机械臂的核心舱。在小柱段外侧自带有一个长近10m,七自由度,承重25吨的大型机械臂。同类的苏联礼炮空间站,和平号空间站核心舱,国际空间站曙光舱,星辰舱等均无此配置。现在国际空间站上使用的“加拿大臂”是后来单独发射安装上去的
  • 最后,“天和”还是人类目前为止最重的积木式空间站核心舱,22.5吨的入轨重量,超过苏联礼炮系列全部空间站(重约18~19吨),超过苏联和平号空间站核心舱(重约20.5吨),超过国际空间站同类的曙光号功能舱(重19.3吨),星辰号服务舱(重19吨)

中国空间站和国际空间站的区别在哪?

国际空间站(International Space Station,简称ISS),是由美国宇航局与俄罗斯联邦航天局共同创建一个国际共用的空间站项目。ISS最早发起国有16个国家,如今主要由5个国家/机构合作运营,主要是美国宇航局NASA、俄罗斯联邦航天局Roscosmos、欧洲空间局ESA、日本航空航天研究开发机构JAXA、加拿大航天局CSA。地面管控机构包括俄罗斯科罗廖夫航天飞行控制中心、美国NASA休斯顿航天中心、美国马歇尔太空飞行中心、欧洲空间局ATV控制中心、德国航空航天中心、日本筑波航天中心、加拿大约翰·H·查普曼航天中心。pCYednc

1998年11月20日,ISS的第一个组件曙光号成功发射,12月4日迎接首批宇航员进驻,历经32批组装任务,国际空间站如今已经使用23个年头。原计划使用到2024年,但根据美国、俄罗斯、欧空局、日本、加拿大5家航天机构的共同决定,通过陆续更换组件的方式,将ISS延长使用寿命到2026~2028年。pCYednc

ISS大型部件主要有18个,包括1个控制舱(曙光号),1个服务舱(星辰号),3个实验舱(命运号、哥伦布号、希望号),3个移动维修平台(加拿大臂、机械臂、特色微动作机械手),1个穹顶舱等。pCYednc

其主体结构是“中心主桁架+双龙骨”构型,这样能使更多功能舱段和更大太阳能电池阵列,悬挂在这种主体结构上。同时可以停靠航天飞机、联盟号飞船、进步号货运飞船、货运龙飞船、天鹅座飞船等。ISS并不单单是放大版的第二代“和平号”空间站,而是全新的第三代空间站——桁架挂舱式空间站。 pCYednc

 知乎网友“洋上妖姬Mirai”分享了自己的观点,她指出了中国空间站CSS和曾经把我们拒之门外的国际空间站ISS的区别在哪。pCYednc

1、结构形式不同。

CSS采用了舱体对接的积木式布局,而ISS采用的是大型衍架结构。pCYednc

理论上来说ISS的衍架结构能提供更好的资源使用效率,由衍架统一供电,但事实是由于俄国区和美国区各类接口和标准的不一致导致大量空间资源被浪费,资源利用效率反而不如CSS。pCYednc

除此之外,CSS采用新材料制成的太阳翼在能源转换效率上高达30%,在不使用ISS独立衍架结构的情况下达到了高达100千瓦的发电效率,远远高于ISS。pCYednc

CSS核心舱的柔性太阳翼,可以看到中间的小型折叠衍架结构以及很明显的柔性材料。pCYednc

CSS的主体结构是由两个实验舱对接在节点舱上组成的,就像搭积木一样。这也是第二代空间站的主要特征。pCYednc

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ISS则使用了衍架结构,舱体被嵌入安装在衍架上。本意是实现舱段集中统一供电,但由于俄美分歧导致困难重重。pCYednc

2、轨道维持方式不同

由于空间站运行的400公里LEO轨道上仍存在稀薄的空气,导致在这一高度运行的航天器会由于轻微的大气摩擦逐渐减速,从而失去高度渐渐坠入大气。因此,必须定期对航天器进行轨道维持来确保其不因为大气摩擦坠入大气层。pCYednc

目前,ISS的轨道维持主要依靠对接在其尾部的进步号货运飞船来实现。货运飞船的动力系统工作为其提高速度,从而维持轨道高度。而CSS的核心舱本身就配备了动力系统,而且采用的是极为先进的电推系统。通过电推进行轨道维持,不仅极大地提高了燃料(氙气)使用效率,而且还极大的降低了货运飞船的出动频率,降低了空间站运行维护成本。pCYednc

这也是人类第一次将电推系统运用在载人航天器上。pCYednc

对接在ISS尾部的欧空局ATV货运飞船也可以进行轨道维持。pCYednc

3、科研目的不同

CSS作为我国在太空中的国家级实验室,其科研范围覆盖非常广泛。pCYednc

例如与空间站共轨运行的巡天望远镜就属于ISS没有涉及的新领域。巡天望远镜原计划安置于实验舱内,后期改为独立共轨运行,可以在必要时与空间站对接进行维护。pCYednc

该巡天望远镜成像清晰度相当于哈勃望远镜,但视场是后者的300倍。原先用于安置望远镜的舱室被改为可翻转暴露实验平台,提供各类舱外暴露实验搭载。pCYednc

除此之外,CSS还具备更高的舱内科研能力。虽然三舱布局下其内部空间不如ISS大,但其标准化实验机柜实现了远超ISS的系统集成度,因此在内部空间不如对方的情况下实现了更大数量的科研实验机柜搭载,能够进行的实验数量和范围也更多更广泛。pCYednc

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CSS核心舱内部,虽然整体容积不如ISS,但通过高度集成化的内部设计实现了更高的空间利用率。pCYednc

4、合作方式不同

我们的合作方式只基于科学,而不基于政治目的。通过各种方式的国际科学载荷搭载,我们能够为更多国家,尤其是以前没有条件上天的第三世界国家提供更广泛更先进的科研合作。pCYednc

中国空间站预计明年底建造完成,将成国家级太空实验室和太空母港。写在最后,送给EDN读者一段《庄子•知北游》:pCYednc

“啮缺问道乎被衣,被衣曰:“若正汝形,一汝视,天和将至;摄汝知,一汝度,神将来舍。德将为汝美,道将为汝居。汝瞳焉如新生之犊而无求其故。”pCYednc

天和将至,神来将舍。德为美,道为居。pCYednc

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