中國為什麼一定要建自己的空間站?


中國為什麼一定要建自己的空間站?的頭圖

中國為什麼一定要建自己的空間站?

4月29日,伴隨著長征五號B運載火箭的發射升空,中國空間站天和核心艙成功進入預定軌道。中國天宮號空間站的在軌組裝建造工作,宣告全面展開。在今明兩年,中國預計通過11次航天發射,完成空間站的建設。屆時,中國宇航員將常駐太空。

中國載人航天工程進入新的階段

中國航天員在太空的“旅遊簽證”升級為“暫住證”

(圖:clicked/圖蟲創意)▼

近地軌道空間站誕生於上世紀70年代,是美蘇太​​空競賽的產物。由於空間站必須滿足人員常駐的條件,所以無論是建造還是維護,都需要大筆資金。所以在冷戰結束後,美俄等國通過合作共同建造國際空間站,並分擔空間站的費用。

1973年,天空實驗室作為美國第一個空間站

搭載改良過的土星V運載火箭升空

(地圖:NASA)▼

那麼,今天的中國人為什麼要獨自建造自己的空間站呢?空間站的具體用途是什麼,又會對未來的太空開發與國力競爭造成何種影響?

胖5出征

此次發射的地點位於海南文昌,這裡有著中國最靠近赤道的發射場,這也是文昌航天發射場選址的主要原因之一。

它與中國另外三個衛星發射中心相比,有著低緯度的天然優勢。這是因為地球圍繞地軸作自轉運動。雖然自轉的角速度全球相同,但是線速度隨著緯度的變化而不同。離赤道越近,自轉的線速度就越大,而南北極點的線速度則為0。

地球的自傳方向是自西向東

赤道線的速度約465.1 m/s

(地圖:NASA)▼

由於地球自轉是自西向東的,如果在赤道向東發射火箭,還沒有起飛就已經獲得了和赤道一樣的自轉線速度,極大地節省了火箭的能耗。

如此一來,文昌發射場的緯度為19°N,相比酒泉、太原、西昌都更節省燃料,也更適合重型運載火箭。比如此次發射的長征五號B遙二運載火箭,就屬於“重量級選手”。

緯度最低的一個▼

長征五號,以其粗大的外形特點使他獲得了“胖5”的稱號。中國現役火箭裡面,像長征二號、長征三號系列,還有長征七號系列,都是3.35米直徑的,而長征五號的直徑是5米,最大起飛重量達到800餘噸,最大起飛推力是1000餘噸。是現役體型最大、力量最強的一型火箭。

長征五號採用了高達95%的新技術

是中國現役芯級直徑最粗、運載能力最強的火箭

(圖:篁竹水聲/Wiki)▼

由長征五號運載火箭為基礎改進研製而成的長征五號B,外觀尺寸還要更“矮胖”一點。矮是因為它採用了一級半構型,也就是芯一級+助推器+整流罩,高度為53.7米。而兩級半構型(芯一級+助推器+芯二級+整流罩)的長征五號高度為57米,矮了約3.3米。

此外長征五號B的整流罩長度達20.5米,是最大的整流罩。整流罩就是火箭頂端的那一層外殼,使航天器在發射過程中得以避開劇烈的空氣摩擦帶來的高溫。整流罩的尺寸越大,就越能裝載更大的航天器。

通俗來說,也就是大家看到的火箭頭的外殼部分

裡面裝載著要送入太空的航天器

(地圖:Wiki)▼

這兩型火箭雖然同屬長征五號系列,但它們在設計、用途等方面都有很多不同。長征五號B與俄羅斯“質子-M”,美國“獵鷹-9號”、“德爾塔IV”,歐洲“阿麗亞娜-5”等火箭的運載能力相當。這項技術的成熟,使得中國大型運載火箭的技術進入世界第一梯隊。

重型運載火箭是探索太空的基礎

長五B的多次成功發射也使中國躋身航天強國之列

(圖:Wiki&網絡)▼

目前長征五號B,主要承擔我國空間站艙段等重大航天發射任務。比如此次的中國空間站天和核心艙的發射,這標誌著我國載人航天又一個里程碑時刻。

太空實驗室

此次發射之所以如此重要,就是因為其搭載的中國空間站天和核心艙,是中國空間站的關鍵所在。如果空間站是一套住宅,那麼天和核心艙就是客廳。

不管從字面意義上,還是功能意義上,核心艙都是中國空間站最重要的一個艙段。它承擔著空間站的整體控制、能源、管理等關鍵功能,由於核心艙進入軌道之後,後續在軌長期駐留的航天員,要在核心艙開展一系列技術驗證和科學實驗工作。所以核心艙是航天員的一個家,也是他們的工作場所。

發射之前的天和號核心艙

艙體由三個部分組成:可居住的生活區

不可居住的服務區和一個對接中心

(地圖:Wiki)▼

人類建設空間站的目的,就是能做一些在地球上做不了的事情。雖然地球引力可以讓我們腳踏實地;磁場和大氣層可以讓我們免受宇宙輻射威脅。但這種保護,某種意義上也是阻礙,正如俄國科學家齊奧爾科夫斯基說過:“地球是人類的搖籃,但是人類不能永遠生活在搖籃裡。”

在地球的保護之下,人類被束縛住了手腳,有很多科學實驗是無法完成的。在觀測宇宙方面,大氣層相當於一層濾鏡,許多天體是我們在地面上無法觀測到的。而在空間站當中,可以用太空望遠鏡,比如說巡天號的光學艙(與中國空間站共軌飛行的巡天倉,可以和空間站對接),來對宇宙進行更精確、更清晰的觀察。

最著名的太空望遠鏡就是哈勃太空望遠鏡了

在太空看宇宙是人類研究宇宙的一個必要視角

(地圖:NASA)▼

哈勃望遠鏡拍攝的著名影像“創生之柱”

(2014版本圖:NASA)▼

在材料合成方面,空間站的建設也有著重要意義。受限於重力,地球上很多金屬材料無法融合在一起做成合金。比如鉛,其質量大於絕大多數常見金屬。如果將鉛與其它金屬一起熔鑄,鉛就會因為重力原因而沉到底下。就如同水和油一樣,總是油浮在上面,水沉在下面。

而在太空中就不存在這樣的問題,處於失重狀態的空間站有條件把地面上無法相融的金屬加熱之後在太空當中合成到一起,進而製造出很多新型合金。美國在其航天器上,加工出了鋁鉛、铥鍺、鉛鋅、鋁銅等合金。太空合金所具備的強度、抗疲勞程度、導電率、導熱率等性能都比地面上加工出來的材料要高得多。我們可以展望,如果這些新型材料能夠大量生產,將會給人們的日常生活帶來何種改變。

在國際空間站外部進行的材料實驗

是一項關於不同材料暴露在太空環境中的信息收集實驗

(地圖:NASA)▼

此外,空間站中可以生成新的蛋白質和材料。在失重環境下,蛋白質晶體的生長效果比在地面上更好。科學家可以通過合成這種新型蛋白質研發新藥,也可以對很多疑難雜症的致病機理進行更通透的了解。

還可以試著種白菜

(地圖:Wiki)▼

建造空間站並不僅僅為了探索太空,也可以探索我們人類自身。航天員長期處在太空環境下,可以讓我們了解人體在太空飛行過程中的問題,比如說骨鈣的流失、心理問題等等。所以,空間站可以作為以後進行深空載人探索的實驗基地。

對於人體在太空中的健康研究也是太空移民的基礎

若人類只能是地球的過客

那太空移民計劃似乎是物種延續的一個方向

丹尼斯·戴維森(Dennis Davidson)和帕特·羅林斯(Pat Rawlings)/ NASA

唯一的天宮

從空間站的設想到實際建設,中國人​​一直都無緣參與。 1869年,美國作家愛德華·希爾在其科幻作品《磚砌的月亮》中,最早描繪了空間站的概念。後來,蘇聯科學家齊奧爾科夫斯基以及歐洲火箭之父赫爾曼·奧伯特提出了空間站的理論設想。 1971年,蘇聯“禮炮一號”發射升空,是人類歷史上第一座空間站。

作為人類航天的先行者

禮炮一號的命運也頗為坎坷

僅運行了175天就化為碎片散落於太空

(圖:蘇聯郵政)▼

此後的一段時間,美蘇(或者說美俄)幾乎壟斷了航天技術。如今,地球上空的人造衛星有8成都屬於美國或俄羅斯。始建於1998年的國際空間站,其核心技術與材料也都出自美俄兩國。

國際空間站是以美俄為主導

日本,加拿大及歐洲空間局為簇擁者的人類第九個空間站

執行的太空計劃幾乎也都是以美俄為主

(圖:NASA/Paolo Nespoli)▼

直到今天,中國航天人才迎頭趕上。從2011年9月“天宮一號”發射升空,到天和核心艙歸位,中國航天已經取得了全球矚目的成就。當天宮號建成後,我們可以自豪地仰望天宇,近地軌道中僅有的兩個空間站,一個是國際空間站,另一個則獨屬中國。

由於國際空間站已經接近其使用壽命,有人認為,到了2024年,也許中國的空間站將成為世界上唯一的近地軌道空間站。屆時,許多國家都不得不與中國進行合作,來完成他們的的太空實驗和宇宙觀測工作。

美國頒布法令將國際空間站的運行期限延長至2030年

也是擔心美國航天在低地球軌道上存在空白期

但縫縫補補的高齡空間站仍舊存在很大不確定性

(地圖:NASA)▼

這個說法是否會成為現實,現在還很難下一個定論。國際空間站雖然已經接近使用年限,但據一位不願透露姓名的俄羅斯科學家稱,它還可以延長壽命到2028年。因為在設計之初,俄羅斯科學家們就設計了延長其使用年限的方法。

另一方面,俄羅斯和美國都提出過自行建造空間站的計劃。如果這些項目都能穩步推行,那麼未來將會有4個載人空間站同時運行。

美國計劃2024年在月球軌道建造空間站

作為阿爾忒彌斯計劃的一部分

目標是重返月球並登陸火星!

(地圖:NASA)▼

不過,空間站的建設談何容易。俄羅斯建造空間站確實有經驗,但資金是個大問題。美國方面,是否還願意一邊投資維護國際空間站,一邊建造自己的空間站,同樣是個問題。如果兩頭兼顧,勢必耗費更多資金。

所以在很大概率上,中國的空間站將會在較長一段時間內,成為人類太空探索事業的一件重器。

期待從天宮空間站傳回的宇宙影像

參考文獻:

1.http://live.baidu.com/m/media/pclive/pchome/live.html?room_id = 4384795059&source = search

2.《中國空間站將成為唯一的人類空間站嗎? 》環球網

3.https://infogalactic.com/info/Space_station

4.https://infogalactic.com/info/Tiangong_program

5.http://www.xinhuanet.com/politics/2021-04/29/c_1127391037.htm

*本文內容為作者提供,不代表地球知識局立場

封面:NASA

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