今天下午，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙即將在海南文昌發(fā)射場(chǎng)搭載長(zhǎng)征五號(hào) B 遙四火箭火箭發(fā)射，小編在這里預(yù)祝發(fā)射圓滿(mǎn)成功，夢(mèng)圓航天！
夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙成功發(fā)射，也意味著中國(guó)天宮空間站的建設(shè)圓滿(mǎn)完成，天宮進(jìn)化到了完全體，呈現(xiàn)令人賞心悅目的“T 字形”。
那么問(wèn)題來(lái)了，完全體的天宮空間站到底有多大，航天員的居住條件到底咋樣，下一步要怎么建設(shè)，天宮都交房了，天庭啥時(shí)候動(dòng)工啊？
別急，聽(tīng)我一一道來(lái)。
天宮空間站簡(jiǎn)介
首先還是要先介紹一下天宮空間站的基本情況。
2021 年 4 月 29 日，天宮空間站核心艙天和從海南文昌發(fā)射中心發(fā)射。標(biāo)志著天宮空間站的建設(shè)正式拉開(kāi)帷幕，算起來(lái)，到今天，夢(mèng)天發(fā)射，天宮還不滿(mǎn) 2 歲。天宮空間站的建設(shè)完成也標(biāo)志著我國(guó)載人航天工程三步走發(fā)展戰(zhàn)略的最終目標(biāo)成功實(shí)現(xiàn)，使得使中國(guó)成為獨(dú)立掌握近地空間長(zhǎng)期載人飛行技術(shù)，具備長(zhǎng)期開(kāi)展近地空間有人參與科學(xué)技術(shù)實(shí) (試) 驗(yàn)?zāi)芰?，能夠綜合開(kāi)發(fā)利用太空資源的國(guó)家。
冷知識(shí)，天宮空間站標(biāo)志著我國(guó)成為第二個(gè)獨(dú)立掌握建設(shè)空間站的國(guó)家，第一個(gè)是蘇聯(lián)，他們獨(dú)立建設(shè)了和平號(hào)空間站。至于現(xiàn)在正在運(yùn)行的國(guó)際空間站，是由國(guó)際合作共同建設(shè)完成的。
天宮空間站由天和核心艙、問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙和夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙三個(gè)艙段組成，呈“T”字構(gòu)型。除了艙體本身以外，空間站還要預(yù)留對(duì)接口承接載人飛船和貨運(yùn)飛船。天宮空間站設(shè)置有前向、后向和徑向三個(gè)對(duì)接口，前向?qū)涌谥饕糜趯?duì)接載人飛船和巡天空間望遠(yuǎn)鏡，后向?qū)涌谥饕糜趯?duì)接貨運(yùn)飛船，徑向?qū)涌谥饕糜趯?duì)接載人飛船。
天宮“三兄弟”
天宮建設(shè)都完成了，是不是還有人不了解這三個(gè)核心艙的具體情況，沒(méi)事，我來(lái)給你補(bǔ)補(bǔ)課。
首先發(fā)射的天和核心艙，顧名思義，這是整個(gè)空間站的核心。天和核心艙主要任務(wù)是空間站平臺(tái)的統(tǒng)一管理和控制，并作為目標(biāo)飛行器支持來(lái)訪飛行器交會(huì)對(duì)接、轉(zhuǎn)位與停泊。我們的航天員就主要生活在天和核心艙中，核心艙在貨運(yùn)飛船的支持下，可以支持航天員長(zhǎng)期停留，也可以支持航天員開(kāi)展密封艙內(nèi)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)。天和核心艙還具有氣閘艙，支持航天員出艙。
天和核心艙包括節(jié)點(diǎn)艙、生活控制艙及資源艙三部分，軸向總長(zhǎng) 16.6 m，最大直徑 4.2 m。
而問(wèn)天和夢(mèng)天均為實(shí)驗(yàn)艙，主要功能是供航天員開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙包括工作艙、氣閘艙、資源艙三部分，艙體軸向長(zhǎng)度為 17.9 m，艙體最大直徑 4.2 m。問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙作為第二個(gè)發(fā)射的艙體，但他其實(shí)不僅只是個(gè)實(shí)驗(yàn)艙，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙主要功能當(dāng)然是為開(kāi)展密封艙內(nèi)和艙外空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)提供保障條件，但你可能不知道的是，它其實(shí)也是天和核心艙的重要備份，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙可以作為天和核心艙能源管理系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和載人環(huán)境系統(tǒng)等關(guān)鍵平臺(tái)功能的備份，同時(shí)問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙其實(shí)也具備對(duì)組合體進(jìn)行統(tǒng)一管理與控制的能力，也就是說(shuō)，航天員在問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙中同樣可以操作整個(gè)空間站。問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙同樣可以保障航天員在軌長(zhǎng)期駐留, 提供專(zhuān)用氣閘艙和應(yīng)急避難場(chǎng)所，可以在天和核心艙遇到突發(fā)狀況時(shí)保證航天員安全。
今天發(fā)射的就是天宮空間站大家庭的“三弟”—— 夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙。夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙包括工作艙、貨物氣閘艙、載荷艙、資源艙四部分，艙體軸向長(zhǎng)度為 17.9 m, 最大直徑 4.2 m。哎，有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)新成員。沒(méi)錯(cuò)，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙比問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙多了一個(gè)載荷艙。這個(gè)載荷艙艙外設(shè)置展開(kāi)式載荷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，發(fā)射后在軌展開(kāi)。至于資源艙則與問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙基本相同。
夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙主要任務(wù)是為航天員在密封艙內(nèi)工作提供保障條件，保證航天員安全。為開(kāi)展艙內(nèi)及艙外空間實(shí) (試) 驗(yàn)提供保障條件，提供貨物氣閘，實(shí)現(xiàn)載荷與設(shè)備自動(dòng)進(jìn)出艙。
為啥要去太空做實(shí)驗(yàn)？
要問(wèn)實(shí)驗(yàn)艙的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，首先我們要清楚，為什么要在太空開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。在太空開(kāi)展實(shí)驗(yàn)主要有四大優(yōu)勢(shì)。
在太空實(shí)驗(yàn)當(dāng)然是看重天空特有的實(shí)驗(yàn)條件。最重要的，就是你第一個(gè)想到的，微重力環(huán)境。
在地表，重力環(huán)境下，生命體和物質(zhì)受到重力作用，物質(zhì)的某些本質(zhì)規(guī)律可能被重力作用掩蓋，因此在微重力或無(wú)重力環(huán)境下，或許會(huì)有一些意想不到的結(jié)果。
空間站實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)是：上面有人。
如果沒(méi)有空間站，我們進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)就只能把裝置實(shí)驗(yàn)發(fā)射上去，既不能及時(shí)地操作，更不能隨意控制實(shí)驗(yàn)的時(shí)間。但如果實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一直有人參與，就可以更便利地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、記錄以及對(duì)可能出現(xiàn)的狀況進(jìn)行維修。
另外，空間站中實(shí)驗(yàn)在時(shí)間上也更有便利?？臻g站會(huì)進(jìn)行更頻繁的天地運(yùn)輸，這本來(lái)就是維持空間站運(yùn)行的基本需求，而我們也可以利用貨運(yùn)飛船或載人飛船實(shí)現(xiàn)樣品的輸送與返回。
還有最后一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)：空間站特定的軌道高度，便于進(jìn)行天文、地球觀測(cè)和空間物理研究。當(dāng)我們進(jìn)行天文觀測(cè)時(shí)，位于地面的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡會(huì)受到來(lái)自大氣的干擾或吸收，因此，我們會(huì)選擇射電望遠(yuǎn)鏡或者直接把望遠(yuǎn)鏡搬到太空中。而我們這次天宮空間站的建設(shè)也計(jì)劃發(fā)射巡天望遠(yuǎn)鏡與空間站共軌飛行，開(kāi)展這方面實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)艙到底實(shí)驗(yàn)了個(gè)啥？
完整的天宮空間站包括兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙，那么這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙到底要進(jìn)行什么實(shí)驗(yàn)?zāi)?？天宮空間站共可以搭載 25 個(gè)實(shí)驗(yàn)柜，能開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可豐富了呢。
問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射已經(jīng)有一段時(shí)間了，大家可能已經(jīng)了解了問(wèn)天的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，這里還是再重復(fù)一下。
問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙主要面向空間生命科學(xué)研究，也就是說(shuō)問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙主要關(guān)注生命在微重力環(huán)境下的生存狀態(tài)。問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙配置了生命生態(tài)、生物技術(shù)和變重力科學(xué)等實(shí)驗(yàn)柜，能夠支持開(kāi)展多種類(lèi)植物、動(dòng)物、微生物等在空間條件下的生長(zhǎng)、發(fā)育、遺傳、衰老等響應(yīng)機(jī)理研究，以及密閉生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，并通過(guò)可見(jiàn)光、熒光、顯微成像等多種在線(xiàn)檢測(cè)手段，支持分子、細(xì)胞、組織、器官等多層次生物實(shí)驗(yàn)研究，還能提供 0.01g 至 2g 的變重力模擬，支持開(kāi)展不同重力條件下生物體生長(zhǎng)機(jī)理的對(duì)比研究。
舉個(gè)例子，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜中就種植了水稻和擬南芥，在“天宮課堂”中和大家見(jiàn)過(guò)面。不知道，這兩天你們有沒(méi)有關(guān)注天宮的它們長(zhǎng)得怎么樣了？
夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙主要面向微重力科學(xué)研究，更關(guān)注一些基本物理規(guī)律在微重力環(huán)境中的變化。夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙配置了流體物理、材料科學(xué)、燃燒科學(xué)、基礎(chǔ)物理以及航天技術(shù)試驗(yàn)等多學(xué)科方向的實(shí)驗(yàn)柜，支持開(kāi)展重力掩蓋下的多相流與相變傳熱、基礎(chǔ)燃燒過(guò)程、材料凝固機(jī)理等物質(zhì)本質(zhì)規(guī)律研究以及超冷原子物理等前沿實(shí)驗(yàn)研究。
同時(shí)，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙還將在天宮二號(hào)空間冷原子鐘的基礎(chǔ)上，建立世界上第一套由氫鐘、銣鐘、光鐘組成的空間冷原子鐘組，構(gòu)成在太空中頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度最高的時(shí)間頻率系統(tǒng)，開(kāi)展引力紅移、精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)測(cè)量等前沿的科學(xué)研究。
這兩天，空間站在干啥？
答：在變形。
別誤會(huì)，空間站可不是汽車(chē)人，不會(huì)整出幾個(gè)輪子跑了。這里的變形實(shí)際上是指天和核心艙和問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的空間位置調(diào)整。
先思考一個(gè)問(wèn)題，在不考慮天舟貨運(yùn)飛船和神舟載人飛船的時(shí)候，空間站在太空中是什么形狀。
當(dāng)只有天和核心艙的時(shí)候，這壓根就不是問(wèn)題，因?yàn)橹豢赡苡幸环N形狀。
但當(dāng)問(wèn)天上天之后，兩個(gè)艙體組合就可以有不同的形狀了，它們一會(huì)排成“一”字，一會(huì)排成“人”字。咳咳，搞錯(cuò)了，是可以排成“一”形，可以排成“L”形。
實(shí)際上，通常，天和核心艙和問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙都是排成“一”形的，但現(xiàn)在，他們準(zhǔn)備迎接夢(mèng)天上天，因此會(huì)調(diào)整成“L”形，等夢(mèng)天對(duì)接完成之后，三個(gè)艙段就變成了完整的“T”字形，這也是天宮空間站的完全體。
天宮到底有多大？
終于，到了這個(gè)話(huà)題，天宮空間站到底有多大？我可以這么說(shuō)，經(jīng)過(guò)我的計(jì)算，天宮空間站可能比我的宿舍要大。當(dāng)然，這也合理。
其實(shí)跟國(guó)際空間站比，你幾乎一眼就能看到天宮空間站小一號(hào)，這也是事實(shí)，不過(guò)做人不能心急，現(xiàn)在的空間站其實(shí)也已經(jīng)夠用了，況且，天宮的技術(shù)更先進(jìn)、更成熟。
從質(zhì)量上看，天宮空間站三艙質(zhì)量約為 69 t，國(guó)際空間站質(zhì)量約為 423t。雖然差距明顯，但我們也應(yīng)該意識(shí)到，國(guó)際空間站由于是多國(guó)共建，結(jié)構(gòu)上有些不合理之處，在去掉桁架之后，居住艙段總質(zhì)量約為 327t。至于分配給單獨(dú)每個(gè)國(guó)家的艙段，就更少了。例如，美國(guó)部分總質(zhì)量只有約 110t。
另一方面，發(fā)電量也是一個(gè)很重要的維度。國(guó)際空間站發(fā)電效率并不如天宮空間站。舉個(gè)例子，國(guó)際空間站的發(fā)電功率質(zhì)量比是 0.26kW / t，而天宮則達(dá)到了 0.41kW / t。一個(gè)顯而易見(jiàn)的結(jié)果就是，雖然國(guó)際空間站比天宮空間站大了這么多，總質(zhì)量幾是天宮的 6 倍，但國(guó)際空間站只搭載了 31 個(gè)實(shí)驗(yàn)柜，比天宮的 25 個(gè)實(shí)驗(yàn)柜多不了多少。
以后有時(shí)間，我們可以聊一聊天宮空間站上的黑科技。
回到開(kāi)始的問(wèn)題，航天員的居住條件到底咋樣？別急，這就揭曉答案，根據(jù)資料國(guó)際空間站常駐航天員 6 人，總活動(dòng)體積大約是 388m3。而我們有 3 名航天員，總活動(dòng)體積約有 110m3。如果以層高 3m 計(jì)算，天宮的體積大約相當(dāng)于 36 平的一居室。比起小編 20 平的宿舍大了不少呢。
看到這，是不是對(duì)航天員的居住條件放心了。
天宮都來(lái)了，天庭還會(huì)遠(yuǎn)嗎？
最后一個(gè)問(wèn)題，天宮嘛，顧名思義，這只是宮殿，那么比宮殿更大的，就應(yīng)該是天庭了吧，畢竟沒(méi)有天庭，咱們熟知的各路仙神，也沒(méi)地兒住啊，雖然，我平時(shí)也沒(méi)咋關(guān)心過(guò)他們就是了。
所以，天宮已經(jīng)建成了，天庭啥時(shí)候開(kāi)始動(dòng)工？
其實(shí)這還真不是開(kāi)玩笑。天宮空間站確實(shí)還有擴(kuò)建計(jì)劃。
天宮空間站在方案設(shè)計(jì)階段就對(duì)未來(lái)的擴(kuò)展方案進(jìn)行了統(tǒng)籌考慮.在現(xiàn)有三艙構(gòu)型基礎(chǔ)上， 預(yù)留了機(jī)、電、熱等擴(kuò)展接口, 具備擴(kuò)展對(duì)接 3 個(gè)新艙段形成約 180 t 六艙組合體的擴(kuò)展能力。屆時(shí)，天宮 plus 將常駐 6 名航天員，總活動(dòng)體積約為 240m3。
照這個(gè)趨勢(shì)，天庭說(shuō)不定真有可能，畢竟所謂天庭，說(shuō)白了也就是一個(gè)宮殿區(qū)嘛，多間幾座“天宮”，再圈個(gè)院子，不就是天庭了嘛。
最后，預(yù)祝夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射圓滿(mǎn)成功！
參考資料：
[1] 王翔，王為.天宮空間站關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)綜述 [J].中國(guó)科學(xué): 技術(shù)科學(xué)，2021,51 (11):1287-1298.
[2] 張茜.為什么要到空間站做實(shí)驗(yàn) [N]. 中國(guó)青年報(bào)，2022-08-08 (008).
[3] 神舟十四號(hào)載人飛船將創(chuàng)多個(gè)“首次”任務(wù)期間完成天宮空間站建造 [J].中國(guó)軍轉(zhuǎn)民，2022 (12):6-7.
[4] 中國(guó)空間站是不是太小了？
[5] 擬南芥、水稻、小麥，空間站的植物都生長(zhǎng)得如何？
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：穆梓
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