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i-Refill | 10个脑洞,想问问问天实验舱

i-Refill | 10个脑洞,想问问问天实验舱

科技

#i-Refill

欢迎回到本周的i-Refill! 


过去几天最令人激动的消息,莫过于问天实验舱(以下简称问天舱)顺利发射,并与天和核心舱顺利交会对接。


作为我国天宫空间站的第一个实验室舱模块,问天舱舱段规模20吨,主要任务是支持密封舱内应用和舱外试验、备份核心舱部分平台管理功能、存储货物等。它可以支持航天员出舱活动,配置的小机械臂也既可以单独使用,也可以跟核心舱的大机械臂组合使用,共同完成航天员的出舱、舱外设施照料、巡检等任务;此外,问天实验舱还配置有3个睡眠区、1个卫生间和厨房等设施......

打住。IDG君相信,大家已经过去几天已经或多或少地了解以上关于问天舱的基本信息,但也一定和IDG君一样,产生了一些没有查到确切答案的好奇。


今天,IDG君把自己的脑洞问题梳理出来,请我们的被投企业银河航天热控分系统主任设计师杨鹏作答。


带着好奇心,一起对问天舱再探究竟。


全文共5285字

阅读时间约8min




Q1🛰️
问天舱和天宫空间站的对接难点究竟是什么?
相信过去几天,大家都对此次长征五号B运载火箭执行的“零窗口”发射任务都有所耳闻,但“零窗口”发射究竟难在哪里呢?


我们知道,两点之间直线距离最短,但理论上可行的道理在太空中要克服很大引力,航天器因此要耗费大量燃料。所以,科学家们采取的策略是:先把问天舱发射到一个低轨道,让问天舱自己运行一段时间,在运行到合适位置时加速和空间站同一高度,在两者相遇后就能实现对接。


看似简单的逻辑实际上有很多障碍需要克服,最大的挑战是要找到最合适的加速时机,因为如果加速时间不准确,问天舱就总是无法和空间站相遇。


在过去,飞行器在何时加速,都是由科学家在地面收集信息、经历复杂计算后再传递给飞行器的,这样一来一往,导致对接需要几十个小时。而此次问天舱的对接请来了最强buff北斗卫星——北斗卫星替科学家先收集空间站的位置速度等信息,然后再同步给问天舱,问天舱收到信息后通过智能计算来决定自己的加速时机。


此外,负责运送问天舱的长征五号B运载火箭的起飞也非常关键。此次长征五号B运载火箭应用了起飞时间偏差修正技术,最大修正时间为2.5分钟,简单来说,就是在0到2.5分钟这个时间段内的任一时间点发射,火箭都可以在飞行过程中自动修正因推迟发射导致的飞行偏差,将实验舱精准送入预定轨道。


这就是我国最新的快速交会对接技术可以把原来动辄几十个小时的对接缩短到此次的13个小时。因为实现了这样历史性的突破,“零窗口”技术才在过去几天被频繁提及。

突破历史的对接瞬间 图源:中国空间技术研究院


Q2🛰️
成功对接后,航天员为什么没有立即去“新家”看看?
发射并完成对接后,航天员是不能直接进入问天实验舱的。航天员首次进入至少需要以下步骤:

①提前启动舱内有害气体净化功能,建立满足进人条件的环境,包括舱内的压力、温度、湿度和风速等;

②确保天和核心舱、过道和问天实验舱压力都一致平衡后,这样才能轻松打开舱门。


北京时间7月25日10:03,神舟十四号航天员乘组已经顺利进问天实验舱,这也是我国航天员首次在轨进入科学实验舱。进入问天实验舱后,航天员马上要进行忙碌的整理工作:物资搬运、生活环境布置、科学实验准备、出舱活动准备,会把“太空之家”布置得更加合理、宽敞、舒适。


目前,航天员们已经顺利完成所有状态设置,后续将按计划开展组合体姿态融合控制、小机械臂爬行和大小臂组合测试等在轨工作,并利用问天舱气闸舱和小机械臂进行航天员出舱活动。

航天员陈冬进入问天舱,到新家啦很开心(•̀ᴗ•́)و ̑̑  图源:新华社


Q3🛰️
问天舱的睡眠区舒服吗?和火车卧铺相比如何?

目前,航天员们生活的天和核心舱有3个睡眠区。考虑到在地面的生活方式,航天员在睡眠区是“躺式”睡觉;此次问天舱配备的3个睡眠舱都是竖式的,同样非常美观和舒适,超过了火车软卧的舒适级别。


3个竖式设计的睡眠区但也意味着一旦6名航天员同时入驻太空舱,就会有3名航天员要“站着”睡觉。其实,因为失重环境下的宇航员已经找不到“躺下”的感觉了,也失去了“上下”的参照坐标,因此睡觉也就没有“平躺”这一说了。
把央视新闻放出的问天舱内部放大 可以看到竖式睡眠舱 图源:央视新闻

所以,无论是躺着还是站着,航天员都可以入睡,甚至可以飘在太空舱里睡——前提是要将身体固定好,不然醒来后会“懵”,因为一时会找不到方向。


Q4🛰️
究竟为什么要在空间站做大量实验?问天舱此次搭载了什么实验装置?

和地面相比,空间站可以提供长时间的、稳定的微重力和辐射环境,十分有利于开展探索宇宙起源、揭示物质本质和运动规律的基础性科学实验,以及面向空间生命科学、材料科学等一系列的实验。

对空间科学和应用研究,不仅可以帮助我们理解基础的物理学和宇宙学规律,同时通过生物、医学、材料学等研究提升人类在地球上的生活质量,而且可为人类未来走向深空而做一些知识和技术上的储备。


在问天舱内部,有多个宽约1米、高1.8米、深0.8米的科学实验柜,相当于把占地几十平方米的科学实验系统装到一个不到2立方米的柜子里。这次问天舱搭载的实验柜包括:变重力科学实验柜、生命生态实验柜、生物技术实验柜、科学手套箱、低温存储柜。

滑动查看每个实验柜的具体功能 ⬇️:

变重力科学实验柜

为科学实验提供0-2g(零重力到两倍重力范围)高精度模拟重力环境,支持开展模拟月球重力、火星重力下的科学研究,提供无线传能、载波通信技术,支持多种标准实验单元组合使用。


生命生态实验柜

主要为植物、水生生物、小型模式动物和小型哺乳动物等多类别生物样品提供相应的培养环境与生命保障,用于研究小型生物在太空中的生长发育;而生物技术实验柜则支持开展以生物细胞培养和组织构建、空间蛋白质结晶、蛋白与核酸共起源、空间生物力学等生物技术及应用研究,关注细胞、生化、分子等生命科学尖端学科。


科学手套箱

提供洁净密闭空间,配置灵巧机械臂,支持各类科学实验样品的隔离密闭和精细操作。简单地说,科学手套箱就是航天员的科研助手,有了它的帮助,非科学专业出身的航天员也能轻松完成专业科学家才能进行的复杂实验。


低温存储装置

是一个大冰箱,有冷冻还有冷藏(-80℃、-20℃、+4℃),满足样品不同低温存储要求,这样实验用品就可以长期保存了。



此次问天舱在空间生命科学与生物技术、微重力流体物理、空间材料科学、空间应用新技术试验等4个领域方向规划部署了10余个研究主题,已立项40余项科学项目。其中,生命生态实验柜将开展拟南芥、果蝇、斑马鱼等动植物的空间生长实验,揭示微重力对生物个体生长、发育、代谢的影响,促进人类对生命现象本质的理解。


Q5🛰️
做实验对温度有一定要求,问天舱内的实验温度如何保持呢?
航天器在轨时没有大气层的保护,在太阳照射的情况下,表面温度可达100摄氏度以上,而没有阳光时,温度会降到零下100摄氏度以下。


问天舱作为我国目前最重、尺寸最大的单体飞行器,在极冷极热的太空环境中,想要保证舱内各种设备始终处于20多摄氏度的舒适环境,就要靠航天科技集团五院空间站问天实验舱热控团队研制的“太空空调”。


“太空空调”的核心是遍布各个位置的液冷系统,此次科学家为问天实验舱研制了3套液冷系统,将各种设备或试验载荷产生的热量收集并辐射到外太空,可支持数千瓦级以上试验载荷的散热,其中一套是专门为舱外试验载荷进行温度保障的散热回路;此外,科研人员开发了大尺寸、高效界面导热材料,兼顾了舱外载荷维修和导热的双重目的。


在“太空空调”的研制中,为满足部分特殊设备的温度控制要求,许多新科技纷纷登场,如舱外设备上使用的太阳反射率超过90%的“白色外衣”、石墨烯导热索技术等。



Q6🛰️

实验柜的寿命大概是多少年?如果实验柜坏了,是直接扔进宇宙,还是放回货运飞船带回大气层烧烧毁?

实验柜的设计寿命和空间站一样长。实验柜上的各个功能模块具备可拆卸和更换的能力,如果发生故障,可进行在轨维修更换。


Q7🛰️

韦布望远镜刚受到陨石撞击,被太空“刺客”撞击在所难免,问天舱有应对措施吗?

在问天实验舱舱体上,科学家搭建了结构健康监测系统,会对舱体结构的健康状态进行实时监控。

一旦出现空间碎片撞击事件或舱压异常下降事件,系统会立即自动响应并快速报警,同时对撞击进行高精度定位,同步为航天员显示出撞击区域图形,全面保障太空驻留安全。




Q8🛰️

被大家关注的问天舱小机械臂有什么特点?

① 更加精巧。小机械臂的重量和长度均约为大臂的一半,负载能力约为大臂的1/8,相应的目标适配器也更加轻巧,小臂的运动和操控灵活。
②更加精准。小机械臂的末端定位精度更高,位置精度优于大臂的五倍,姿态精度优于大臂的两倍,能够完成精度要求更高的精细操作。
③小机械臂可与大臂级联工作。小机械臂可被大机械臂抓取形成组合机械臂,让舱外作业覆盖范围更广,通过大范围转移满足去往不同位置进行精细作业的需求,可以实现天宫空间站外表面的全触达。
IDG君注:为了让大家更清晰地了解小机械臂的作用,IDG君找到了中国数字科技馆的互动动画,复制以下网站到浏览器,可以更清晰地感受小机械臂的工作情况。http://h5.cdstm.cn/v2/manage/book/pnhld2/


Q9🛰️

未来会有外国宇航员入驻天宫空间站吗?

中国载人航天工程自立项实施以来,始终坚持和平利用、平等互利、共同发展的原则,已经和多个航天机构和组织签署了合作协议,实施了形式多样的合作项目,也取得了丰硕的合作成果。中国空间站是首个向所有联合国会员国开放的项目,目前已有17个国家、23个实体的9个项目成为中国空间站科学实验首批入选项目。


当前,中国正在组织实施同联合国外空司合作的中国空间站首批国际合作项目,最快有望在今年年底上行开展实验研究。中国空间站欢迎国外航天员来访,并和中国航天员一道,共同为人类探索宇宙奥秘。


Q10🛰️

问天、天问、梦天、天宫、天舟、天和、天链......傻傻分不清?

莫慌,这么多“天”,我们一次性了解清楚。


| 天宫

我国正处于载人航天工程“三步走”的第三步,在第二步走阶段,我国发射了天宫一号和天宫二号。


天宫一号于2011年9月29日发射升空,是我国当时全新研制的首个目标飞行器。它先后与神舟八号、神舟九号、神舟十号飞船进行交会对接,完成了各项既定任务。期间,与神舟九号实施首次载人空间交会对接,神舟十号航天员王亚平在天宫一号进行首次太空授课。2018年4月,天宫一号再入大气层,再入落区位于南太平洋中部区域,绝大部分器件在再入大气层过程中烧蚀销毁。


天宫二号空间实验室于2016年9月15日发射入轨,与神舟十一号、天舟一号进行了多次交会对接,并开展了一系列空间实验,充分验证了航天员中期驻留太空的能力、推进剂在轨补加技术,为建造空间站奠定基础。2019年7月,天宫二号受控离轨并再入大气层。


| 天和+问天+梦天组合

我国正处于载人航天工程“三步走”的第三步,建造空间站是第三步的重要目标。中国空间站以天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱三舱为基本构型,其中天和核心舱是空间站的中枢和智慧大脑,是航天员做长期驻留的主要生活场所,问天和梦天都是空间站实验舱,都会安装在天核的接口上,其中问天实验舱主要面向空间生命科学研究,梦天实验舱主要面向微重力科学研究。


|天舟(就是我们亲切的“快递小哥”)

天舟是货运飞船,就是被大家亲切称呼为“快递小哥”的那位!它的主要任务是为空间站运送货物和推进剂等物资。


2017年,天舟一号成功发射并与天宫二号成功交会对接,突破并掌握货物运输、推进剂在轨补加等关键技术,载人航天工程第二步圆满收官;2021年至今,“天舟二号”“天舟三号”“天舟四号”货运飞船和“神舟十二号”“神舟十三号”“神舟十四号”载人飞船成功发射,先后与天和核心舱对接。


| 天问

我国行星探测任务命名为“天问系列”,首次火星探测任务命名为“天问一号”,后续行星任务依次编号。“天问一号”于2020年7月23日成功发射,2021年5月15日登录火星,一周后,火星车“祝融号”开展巡视探测,在火星上首次留下中国人的印迹,中国航天实现从地月系到行星际探测的跨越。

天问一号和祝融号的合影


截至2022年6月29日,天问一号获取了覆盖火星全球的中分辨率影像数据,各科学载荷均实现火星全球探测。天问一号任务环绕器和火星车均完成既定科学探测任务。


| 天链

在载人航天任务中,如果注意观察,我们大概率会看到播出画面右上角的“天链”字样。“天链”就是天链中继卫星。


简单来说,中继卫星是地面站与卫星之间的数据中转站。

天链最主要的任务是为飞船、空间实验室、空间站等载人航天器提供数据中继和测控服务,例如天地通话、太空授课、交会对接、出舱活动等重要任务的通信就是以天链中继卫星为主来完成的。

没有中继卫星时,神舟五号航天员杨利伟在轨期间数次进行“天地通话”,必须在地面测控站收到飞船信号后,利用极短的时间窗口进行通信;到了神舟十号,首次“太空授课”信号连续、画面清晰,得益于天链。

我国是全球第二个拥有全球覆盖能力的中继卫星系统的国家,已经成功研制两代地球同步轨道数据中继卫星系统。第一代已成功发射天链一号01至05五颗卫星,第二代已成功发射了天链二号01至03三颗卫星。






本期QA结束!
再次感谢银河航天对本期内容的大力支持。
期待问天实验舱的实验直播,
也期待中国载人航天带我们探索更多未知,
带来更多惊喜!

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