[科普中国]-“天宫”空间站3年后建成，国际空间站离“退休”还有多久

6月12日，中国载人航天工程办公室与联合国外空司在奥地利维也纳举办的联合国外空委第62届会议期间，共同组织召开发布会，宣布了联合国/中国围绕中国空间站开展空间科学实验的第一批项目入选结果，共有来自17个国家、23个实体的9个项目成功入选。那么我们的空间站已经建设到怎样的地步了？国际空间站的停止使用又是怎么一回事呢？“天宫”长啥样？有哪些部分？我国空间站命名为“天宫”，通过交会对接和转位组装构成空间站本体。空间站基本构型包括核心舱、实验舱Ⅰ和实验舱Ⅱ，采用水平对称T形构型作为空间站三舱组合体基本拓扑结构，所有舱段处于同一平面内。核心舱命名为“天和”，是空间站的管理和控制中心，负责空间站组合体的统一管理和控制，支持实验舱、载人飞船、货运飞船等飞行器与其交会对接和在轨组装，具备接纳航天员长期访问和物资补给的能力，配置大机械臂，具有气闸舱功能，支持开展航天医学和空间生命科学实验。实验舱I命名为“问天”，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功能，存放航天员消耗品、空间站备品备件和补给货物。配置主份气闸舱，支持航天员出舱活动，配置小机械臂。实验舱II命名为“梦天”，主要任务是支持密封舱内应用和舱外试验，配置货物专用气闸舱，在航天员和机械臂配合下，支持载荷、设备自动进出舱。空间站密封舱内布设26个（4个+9个+13个）载荷装载空间，安装接口通用化设计，支持标准单元、整体机柜两种形式。空间站在太空中的搭建过程如下图所示，第一次交会对接后，舱段进行位置调整。调整的内容主要在于旋转移动舱段位置。在这里有一点需要关注，即空间站用于接收载人飞船和货运飞船的接口位于整体的两侧，这限制了空间站在布局规模上的进一步扩大。国际空间站停止使用？要看需求接下来我们关注一下国际空间站的停止使用问题。1983年由美国总统里根首先提出自由空间站计划，经过多年的探索和设计，直到前苏联解体、俄罗斯加盟，这个空间站才于1993年完成设计并开始实施，在协商之下命名为国际空间站（International Space Station，简称ISS）。它是一个由6个国际主要太空机构联合推进的国际合作计划，参与的六方分别是美国国家航空航天局、俄罗斯联邦航天局、欧洲航天局、日本宇宙航空研究开发机构、加拿大国家航天局和巴西航天局。ISS是名副其实的国际合作大项目，集结了当时全世界最先进的航天科研力量。下表为国际空间站的重点技术提供国家。与ISS不同的是，中国“天宫”空间站的所有技术均为中国自主持有。有人认为，国际空间站即将停止使用是因为其无法维持继续在轨。国际空间站的海拔高度为400千米，属于近地轨道，它体型庞大，受到的空气阻力也比较大，如果放着不管，很快就会下降，脱离原轨道，在与地球大气的摩擦中烧毁。在太阳活动正常的情况下，空间站的轨道每天下降的高度大约是80米至100米。这个高度需要靠空间站上的推进器进行补偿，而推进使用到的能源一部分来自货运飞船的供给。每次给空间站运送物资的飞船都会留下一些燃料，使空间站有能力对轨道高度进行微调，避免其持续下落。所以，国际空间站的“退休”不完全取决于它的轨道下降问题，而更多取决于空间站对人类是否还有价值，同时维护的成本与收获的价值比能否被接受。如果空间站还有进一步被利用的价值，那么人们还是依旧会为其维护买单，只要还有足够的经费。对于国际空间站而言，其计划书中表明，空间站的设计寿命是可使用到2015年，之后又延长到2020年，而2015年美俄航天部门签署的航天任务协议中，又将报废期限延长到2024年。从现在来看，国际空间站至少需要工作到2024年。作为国际空间站的主要承包商，波音公司正在对空间站的使用寿命进行评估和进一步的可行性研究。按照波音公司的计划，空间站或许还能坚持到2028年。当然，这之中还有诸多问题待解决。例如，空间站的设计其实是有明确的上下布局的，就是说面向太阳的一面需要长时间耐受太阳的高温，而面对地球的一面需长时间耐受低温。高温使得空间站结构膨胀，而低温使结构紧缩。两侧受到的力的大小不同，这意味着空间站整体长时间受到热应力，使用寿命也将受到严重影响。空间站上的能源系统会随时间推移而老化。如太阳能电池板、电气管路和生物再生系统等。太阳能电池板在经受空间条件的影响后会持续变黑，表面接受太阳光的能力不断下降，从而降低电池板的发电效率。此外，空间中的碎片会对太阳能电池板产生破坏，电池板的效率也会受到影响。按照波音公司的计算，到2028年空间站整体供能能力将降低为原来的70%。但波音公司对此表示乐观，他们认为在现有情况下，国际空间站应还能继续使用到2028年。还有三年建成，“天宫”空间站进入倒计时阶段中国载人航天整体为“三步走”战略:第一步，把人安全地送入太空，并安全接回到地面。第二步，突破出舱活动技术和交会对接技术，为将来建造中国空间站做技术储备。同时建立空间实验室，把天宫一号作为试验性空间实验室，天宫二号作为真正意义上的空间实验室来验证空间站设计的技术。所以，第二步是一个非常重要、承上启下的阶段。第三步，建立中国自己的空间站，也就是中国的太空实验室，将会开展较大规模的科学实验，使载人航天真正发挥科学价值、经济价值以及社会效益。天宫一号已于2011年9月29日发射升空，先后与神舟八号、九号、十号飞船进行6次交会对接，完成了各项既定任务，为中国载人航天发展作出了重大贡献。2016年3月16日，天宫一号目标飞行器正式终止数据服务，全面完成了历史使命，进入轨道衰减期。截至2018年3月25日，天宫一号目标飞行器运行在平均高度约216.2公里的轨道上（近地点高度208.1公里、远地点高度224.3公里），整器结构完整。2018年4月2日8时15分左右，天宫一号落入大气层，落区位于南太平洋中部区域，绝大部分器件在落入大气层的过程中烧蚀销毁。天宫二号是在天宫一号目标飞行器备份的基础上，根据天宫二号的任务需要改装研制而成。天宫二号空间实验室于2016年9月15日成功发射，设计在轨寿命2年，入轨以来，先后与神舟十一号载人飞船和天舟一号货运飞船完成了交会对接，突破了航天员中期驻留及推进剂补加等一系列关键技术，开展了空间科学实验和技术试验，取得了一大批具有国际领先水平和重大应用效益的成果。目前，天宫二号在轨稳定运行、状态良好，将继续开展拓展试验和各项科学实验。最后，引用中国载人航天工程办公室副主任、载人航天工程新闻发言人林西强的精彩发言，“目前中国空间站研制建设工作正在有序开展，计划于2022年前后建成并投入使用。未来空间站任务中，中国载人航天将以更加开放的姿态，在设备研制、空间应用、航天员培养、联合飞行和航天医学等多个方面，积极开展国际间的交流与合作，与世界各国特别是发展中国家，分享中国载人航天发展成果”。作者：祁敏 北京航空航天大学宇航学院博士生，审稿：赵磊 北京航空航天大学宇航学院助理教授编辑：王波文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自科普中国