“神舟十二号”任务：新的征途，新的挑战

科普中国-科普融合创作与传播 2021-06-16

　　出品：科普中国

　　制作：冰结向日葵

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　自2016年“神舟十一号”进入太空，航天员景海鹏、陈冬双人乘组完成了在轨一个月的太空生存之后，时隔5年，酒泉卫星发射中心921工位久违地迎来了新的载人航天飞船——“神舟十二号”。此次任务将要完成多项实验，每一项都与未来空间站的建设有关。

　　（图片来源：人民网）

　　一个空间站的运行时间越长，能够完成的科学任务也就越多，我们对于太空的认识也就能更全面，而空间站的运行也势必需要实现航天员的在轨驻留。显而易见，如果航天员在轨驻留的时间越长，那么飞船发射的频率也就越低，空间站运营成本也越低。但要实现航天员的长期在轨驻留，就需要从许多方面实现突破。此次“神舟十二号”任务将着重验证一些关键技术，在一些方面取得较大突破。

　　从6天到90天，我们有能力为航天员中长期驻留太空提供生命保障

　　人为了维持生存，需要能量。为了产生能量，则需要摄入氧气、水、食物，同时通过新陈代谢作用排出废物。尽管个体间会存在性别、体重、劳动强度等差异，但平均而言，一个人每天需要摄入约840克氧气，3.5升水（饮用1.5升，食品摄入2升）以及640克食物（干重）；同时会释放约1000克二氧化碳，1.6升尿液，120克粪便（干重），通过呼吸排出1.8升水。而且需要注意的是，以上数据还不包括食品包装、食物残余、气瓶以及卫生用水等等必须的物资。

　　如此计算下来，一次载人飞行任务，所需要的物资总量既与航天员数量成正相关，又与飞行时长成正相关。因此，我们在描述一套生保系统的支持水平时，就可以使用【人·日】的单位，将乘员数与任务时长联系起来。

　　那么，对于神舟飞船而言，按照已有的飞行记录推断，其生保系统的支持水平大约是12人·日，即2人乘组6天在轨飞行（神舟六号）或3人乘组4天在轨飞行（神舟七号）；在“天宫一号”空间实验室发射之后，极大扩容的活动空间让生保系统支持水平升级至45人·日，即3人15天的在轨生命保障需求（神舟九号、神舟十号）；经过升级之后的“天宫二号”进一步扩充至60人·日，即2人在轨驻留30天（神舟十一号）。

　　但未来我们要前往更远的地方，在太空待的时间就会更长，短期的在轨驻留显然不能满足我们。要想研究清楚空间环境对航天员的长期影响，就要实现航天员的长期在轨驻留；而要实现航天员的长期在轨驻留，首先要让生命保障系统能够支持更多乘员更长时间的在轨生存，这就需要更多的物资，更大的空间，以及更大的发射质量。

　　而在轨运行一个多月的“天和”核心舱的发射质量为20余吨，已经超过了“神舟-天宫”组合体的质量。在此次任务中，“天和”核心舱与“天舟”货运飞船组合体的生保系统的支持水平实现了数倍的增长，达到了至少270人·日，即3人乘组90天（三个月）的太空生存，可以说，我们已然从过往任务的“短期驻留”开始向“中长期驻留”的高地大踏步迈进了。

　　2021年5月29日，天舟二号成功发射（图片来源见水印）

　　从十几分钟到数小时，航天员在太空中迈出自信步伐

　　如果想在太空中工作更长时间，除了满足基本的生存生活之外，还需要面临一些可能的突发状况，例如设备故障。尽管航天级的产品质量相对优良，但时间长了仍然容易损坏。此次航天员将在轨驻留三个月，这是过去任务从未达到的时长，将可能会遇到以往的任务所不曾出现的状况。比如说，如果舱内的设备出现故障，可以依靠备品备件以及工具进行修理，未来也将会有包括3D打印在内的新技术应用于空间站，进一步提升维修效率。但对于舱外的设备而言，如果损坏，就必须在舱外更换，因此就需要航天员出舱进行维修。

　　在2020年5月发射的新一代载人飞船试验船上，就曾开展3D打印实验（图片来源见水印）

　　截至目前，我们仅实现了一次太空行走，是由航天员翟志刚在“神舟七号”任务中实现的，时长仅十几分钟。

　　翟志刚出舱进行太空行走（图片来源见水印）

　　尽管航天员在地面的水池中对太空行走这一项目演练了很多次，但这与真正的空间环境仍存在差异。

　　事实上，第一次太空行走也确实出现了一些意外。例如，气闸舱盖无法正常打开、阳光照射舱内传感器导致虚警等。由此来看，我们对于太空行走的经验仍然是有所欠缺的。因此，笔者认为，此次“神舟十二号”的太空行走仍然是实验性的。令人振奋的是，航天员将在未来的三个月中开展两次太空行走，逐步延长太空行走时间，最终达到数个小时。

　　不仅如此，“天和”核心舱外围的机械臂将助航天员一臂之力，让航天员实现人机协同，能在较短的时间内实现较远距离的移动，到达空间站的任何一个角落。无论是取回放置在舱外的科学实验仪器，还是对“天和”核心舱实现全方位的肉眼检查，机械臂的加入都将令这些操作变得十分轻松且方便。

　　2021年与2008年已然不同，更先进的设施、更完备的计划、更充分的准备将帮助航天员在太空迈出更加自信的步伐。

　　航天员长期在轨的身心健康问题仍需研究

　　航天员虽然是万里挑一的顶尖人才，而且接受了相当漫长且严苛的训练，体质超出常人，但这并不意味着他们在太空中也能保持这样的健康状况。空间环境对于人的短期影响可能并不显著，但长期影响可能会是巨大的：

　　失重效应——人站立在地面上，体液会受到重力的作用自然流向下肢，人体的血压呈现“上低下高”的情形，且下肢作为主要承力结构，其骨密度也比较大。但在失重状态下，体液会较为均匀地分布在人体各处，那么上半身的血压会因此升高，大脑得到反馈体液过多；而要想释放掉多余的体液，就主要依靠排尿，导致大量水分丢失；同时这也意味着下半身的血压将进一步降低，下肢中的营养物质输入减少，输出增加，长此以往将导致下肢肌肉萎缩。此外，在微重力的环境下，人体不再需要保持较高的骨密度，钙质也将持续流失，会导致骨质疏松。

　　辐射效应——尽管“天和”核心舱的轨道高度在400 km以下，低于“范-艾伦辐射带”的高度，而且航天器的金属外壳也对辐射具有一定的防护作用，但来自太阳和银河的宇宙射线仍然有一部分会穿过舱壁，形成低剂量的电离辐射。有些外国航天员报告自己在睡觉时，会突然被眼前的闪光惊醒，这就是由于太空粒子穿过眼睑，在晶状体内与其中的液体相作用，被视网膜捕捉所导致。尽管电离辐射剂量较低，但如果长期在这样的环境下生存，患癌概率也可能因此上升。

　　心理健康——“天和”核心舱的容积与过往的载人航天器相比实现了质的飞跃，达到了50立方米，但如果按照现代楼房每层3米的高度换算，核心舱内面积就仅有约17平方米。3名航天员将在这狭小逼仄的空间内生活3个月，这就会为他们施加无形的压力。不仅如此，24小时的日出日落周期塑造了人类近24小时的昼夜节律，而在近地轨道上，航天器每90分钟环绕地球一周，这就意味着一天24小时之内，“天和”核心舱会迎来16次日出日落。尽管在太空中，航天员将按照北京时间进行作息调整，但舱外的昼夜变化仍然会影响航天员的节律。而且舱内可能的突发状况也会突然中断航天员的休息，让他们以最快的速度投入到应急工作中去。如何在这样的长时间压力下保障航天员的身心健康，同样值得我们在未来好好研究。