在空间站上种青菜,到火星上种土豆,这是中国科学家的独特浪漫 | 科技袁人

  导读

  2021年4月29日,中国空间站核心舱“天和”发射成功,我和我的朋友中科院国家空间科学中心研究员周炳红、孙志斌做了一场直播。这期视频是录播的第二集,共有三集。第一集见《空间站是怎么发展起来的?最初还带了机关炮上去? | 科技袁人》。中国空间站天和号发射直播视频之二

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  本视频发布于2021年4月29日,观看量已超78万

  精彩呈现:空间站上种青菜,到火星上种土豆,这是中国科学家的独特浪漫

  欢迎大家来到《科技袁人》的直播,我们请的两位嘉宾是中国科学院国家空间科学中心的两位研究员:周炳红老师和孙志斌老师。孙老师还是刚刚从海南的发射现场回来,所以带来了很多前线的信息。

  袁岚峰:我们来讨论第一个问题,就是去年我们是有很多的成功的发射项目,比方说北斗组网、嫦娥5号从月球取样又返回了、天问一号今年除夕的时候也到了火星,再过不久它就要往下落了,就要看它那个探测器是不是能够真正落到火星上。而我们这个空间站建设刚刚开始,它会持续两年,跟前面这些任务相比,空间站的建设到底难在什么地方呢?

  孙志斌:我们是神舟1号2号3号4号,这4个飞船都是作为前面的技术验证,就是要把人送上天之前先发了4艘。这4艘,第一艘是两舱,第二艘是三舱,第三艘就是加上了人的这些安全的措施,还有这些就叫三舱了,三舱的一个系统,第四就实际上是它的一个应急逃生。

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  应急逃生的话这是一个复杂的系统,这个系统的话要详细来说。首先是上升段的逃生。上升段逃生的话,首先要对应的在地面上准备两个逃生的降落基地。一个是在中国陆地上有三个场所,将近1800公里的这样一个场所,你怎么寻找这样的场所,那就在内蒙古。另外一个是要在海洋上降落,在海上也要有将近2000公里的这样一个区域,这是应急逃生。

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  在天上了以后我们要运行逃生的话,运行期间如果发生这个问题怎么办?也有两个,第一个的话是国内应急逃生场所,还有一个是叫国外。什么叫做国外呢?国外的话就是有好几个国家,6个国家组成的,6个地方组成的这样一个国外的逃生场所,包括北美南美北非澳大利亚,这些都是我们国家要建的。从这个上面来说,要协调这么多国家完成这样一个任务,实际上是一个非常艰巨,它是一个全球系统。要把中国人安全地送回来,在上升段和运行段,还有在降落段都要安全回来,这是第一阶段。

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  到第二阶段的话,把中国人的神五神六神七,就把一批宇航员,像杨利伟神五给送上去,做了一个一人的;然后神六是两人的;神七三人的。你看都是一步一步来走,你想想多一个人的重量,到天上的吃喝这些都是要有它的很高的成本,都要一个一个做实验,还不能一下子上三个,这样的话成本太高,失败率也很高,风险也就很高。所以在这个过程中,为了把人送上去,这个飞船的大脑和火箭的大脑,都变成了什么,双脑。双脑是什么?控制器都是双的,有一个不行,万一这个坏了,还有另外一个还能确保它的工作。这就是我想这是和之前的卫星,和其他的飞船之间的一个最大的差异,因为它都是要确保人员安全。所以这是第一阶段完成了以后,我们进入了第二阶段就是天宫一号,然后和神八神九神十的对接,要正向对接和反向对接。

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  当年苏联的时候,礼炮1号到礼炮6号的时候都有好多次的对接失败。这些对接失败,中国是不是会发生呢?那就一个一个技术来实验,有幸是我们中国的这些技术都成功了。到了天宫二号和神十一对接,把宇航员再送上去,这些基本上就是我们把前面的技术都走了。

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  在这个过程中,还要有不光是我们,要有天宫一号和二号,还有这些神舟的还有货运天舟一号飞船,这些都是完成对接了,还要有什么?还要有杨利伟上去,我们要有境外的有6颗卫星作为中继星实现24小时通讯。一个卫星在中国的天空上大概有10分钟的时间和地面上通讯,但是人上去了以后,就必须要确保24小时能实现不间断地通讯和沟通,所以最后我们又发射了大量的天链一号天链二号作为中继星,这样的话构成了一个由空间站神舟和天舟,还有天链组成了天上的好多颗飞行器,组成了一个庞大系统。在地面上也组成了一个有酒泉,还有我们现在的海南文昌,组成了一南一北的这样一个。南边的是送货的,和送空间站的核心舱了,北边这个是送人的,所以走出了南北这样一个体系。所以这样一个系统它是由八大系统构成,这八个系统有区域之间的一个协调是一个非常难的问题。也就是在过去这20年里我们中国建立了这套系统,为我们今天的空间站的核心舱天问号的飞行,做出了巨大的这样一个基础的验证。

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  周炳红:我是想回应一下袁老师一直很关心的钱学森的系统科学思想。来稍微给它总结一下,就是说咱们空间站建设,刚才孙老师讲了很多具体的例子,也做了一些定性和少量的定量的描述。我就说钱学森的系统工程思想,它就是说最后从定性要上升到定量。我就用定量的语言把我们国家的空间站建设的发展历程简单地说一下。

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  首先要解决我们一个人上天的问题,也就是说一人一天;那么第二阶段我们可能要多人一天在天上生存,在天宫特别是天宫二号就解决了,应该说是两人33天生存问题。那么我们空间站将来的难点就是要解决三个人能不能,当然不是他们三个人连续生存,但是我不间断地轮换,三人能不能生存10年以上的时间。用这么一个指标来描述它的难处,将来也是我们要实现的目标。具体的技术,我们后面的其他问题可以再展开。

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  袁岚峰:我们来讨论下一个问题天宫上能够开展什么样的科学实验?这个对于将来的深空探索有什么影响?

  周炳红:我来先说一下,围绕着空间站核心目标,就是我们要很多人要能够长期地在太空生存,那么就要第一个就是要检验我们核心舱相关的设备是不是正常,要开展实验,就是我们这个核心舱主要是要实验达标。它对于宇航员,水的循环系统能不能正常的工作,还有空气,氧气制氧系统能不能工作,如果这些能工作了以后,我们宇航员上去以后就很舒适了。如果是这些实验验证了我们核心舱这个功能是完善的,那对未来就会有一个影响。因为我们这个核心舱其实是还有一个备份件,意味着我们未来这个空间站,可能就可以进行扩展,把备份件那个备份的核心舱,就加到空间站上去,这样我们的空间站相当于就拓展了。那就有可能从三人在这个空间站上,我们可以达到六人同时在空间站上长期的生存,这是一个可能的实验,需要考核的一个方向。

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  第二个就是我们的空间站能不能做到很舒适,宇航员在上面,不管是空气水食物都很舒适。还有我们的锻炼设备、体育训练设备,让宇航员感觉很舒服。这样的话单个宇航员能够在空间站上生存很长时间,他没有压力。这样的话就有一个什么样的目标呢?就是说我们空间站建设的目标,本来就是为了实现人类在太空的长期的生存,这个长期是没有上限的。所以也就是说对未来的影响,我们能不能够打破这个世界纪录,我们有没有可能一个宇航员在上面生活两年三年,这是将来值得观察的一个需要实验来检验的方向,也是值得期待的一件事情。这个会很难,但我觉得做空间站的实验,做这个研究,就是奔着这些难题而去的。

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  所以如果我们的空间站,将来宇航员的生存很舒适,就有可能宇航员能够也愿意在上面持续地待上两年到三年的时间,我觉得主要的是这两个方面,看孙老师能不能需不需要补充些什么?

  孙志斌:宇航员在天上要长期吃饭,这吃饭的话能不能在天上我们把成本降低,在天上解决能长期自给自足的这样一种基本的一个问题,那就需要我们开展植物的培育,高蛋白动物的一些培育。这些实验我们要在其中要开展,开展完了以后还要让它变成一个系统。变成一个现在的话是一个叫有限的生命保障系统,但以后是完全自主的一个不受控的真正的保障系统,到最后我们能减少天地往返带来的成本。

  这样的话我们就为我们后面10年20年30年,为我们后面的人再到天上的时候,上面早就建好了一个菜园子,等你上去吃饭去。尝尝太空生产的这些食物是什么样的味道,就和人有关的一系列的安全科学方面的一些探索实验,包括生命包括物理,包括燃烧流体等等。能想到的或者还想不到的我们都要去做。这就是国家要建成的一个国家实验室的发展趋势。

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  袁岚峰您刚才说的让我想到一个笑话,说是中国人无论搞什么,最后都会变成种菜,是吧。你现在这么快就开始谈到在空间站上种菜了,当然这个不只是空间站上,对于我们将来移民去火星,也是有非常大的意义。我看过一些关于谈论移民火星的书,里面有谈到将来在火星上吃什么。因为首先说火星上它是有土壤的,所以我们可以在那种比方说土豆,这样的植物在那是可以生长的。你如果在火星上不满足于吃植物你要吃肉,那吃什么呢?也可以培养一些高蛋白的,比方说什么面包虫之类的东西。这些东西看样子我们都不需要到火星,我们在空间站上就可以先把它种起来了。

  国际空间站现在已经到了它的寿命的末期了,因为它预定是2024年退役。所以它现在已经是各种小事故都层出不穷了。我们这个空间站,我们要保障可靠性安全性,我们在技术上有什么创新和突破呢?

  周炳红:首先我们国家空间站,由于是我们一个国家独立建设的。所以总体来说它,而且在前人的基础上,所以它会在整个的使用效率上会比前人的会更高,因为我们是一个国家建设的。特别就体现在核心舱的功能上,也就是说我们国家的空间站的模式是叫积木式,国际空间站是桁架式,它是一个多个模块的拼凑。我们的积木式是三个模块,应该说是很高效率的结合在一起。

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  在最后就是我们的单位重量,里面的实验设施会更多,密度更高。有人是比较了一下,我们大概可能建成打比方只有100吨左右,国际空间站是400吨,但我们的实验柜大概有他们的70%-80%,我们的实验柜就数量上跟他们是比较接近的,这是总体上的一个技术。这个也会体现在我们现在积木用的对接口,今天发射核心舱的前面那个对接口上,我们对接口其实主要的对接口,就是沿着轴向前方的那个对接口。

  我今天是特意到中国科技馆去看了一下实物,它是1:1的,里面的结构和功能也都是完全一样的。你会发现它在前端对接口装了大量的用于对接的设备,就是有一个十字形的对接的,相当于是一个应该叫示标,一个示踪的标志,这是一个。还有它会有一些光学的光照的灯光,能够是有光学相机,用光学相机来判断我的目标飞行器跟对接飞行器之间是不是位置达到了精确的对准;还有雷达设备,那么在其他的两个口,就是侧向的两个口,它就不叫对接口,它叫停泊口。

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  所以我们两个实验室,问天号和梦天号实验舱都是先在前面那个对接口对接对接完了以后,用装在核心舱的一个机械臂把它转移到两边的两个停泊口,所以这样的话就,整个空间站的建设效率就更高了,这是一个。

  第二方面,它的调姿用到了一种霍尔电推进技术。霍尔效应的电推进装置,这是在空间站上第一次用,当然这是因为我们建的更晚。这样的话会有一个什么好处呢?就是因为霍尔电推进它的效率更高,这样的话我们国家以后推进剂补给就可以更少。为什么要补给?是因为这个空间站在400公里高,其实是有一定的空气的,这样它导致空间站每天会下降100米左右,所以要补加推进剂去维持它的轨道,过一段时间要用推进剂去提升一下,所以我们国家也是有推进剂的补加技术。通过霍尔推进装置的使用,就减少了推进剂的补加量,这也是一个技术上的突破。

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  袁岚峰我来向观众解释一下,霍尔推进剂它是用电推进就是说用一个很高的电场,把离子带电的离子加速然后喷出去,这样的话你达到的速度可以远远的超过化学反应的一个推进剂。化学推进剂喷出来的速度一般都是几公里每秒,但是霍尔推进剂它是可以达到多少?有上百公里每秒吗还是多少?

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  周炳红:这个大概是,因为我看到的数据大概可能是15公里每秒左右。我们的液氢液氧发动机大概是4.5公里每秒,所以是它的3倍左右。

  袁岚峰对于质量的节省就会很多了。它实际上喷出来的就是氙气Xenon,那么它是一个惰性气体,所以我们要补加推进剂。

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  周炳红:另外就是我们的核心舱把这些功能都集中在一块,所以用了一个大尺寸大重量的核心舱。我们是22.5吨,有16米长,这是因为我们国家长征5号的运载能力刚好是比较大。美国的话,因为它用航天飞机,航天飞机运输的时候是人货混装,所以其实它的运载能力就是它的运载重量并不重的。所以它们国际空间站最重的舱段都不超过20吨。所以它的核心舱,就是核心舱的功能,我们的核心舱的功能是由俄罗斯三个舱段组合在一起才实现的。这是我们国家由于站在前面的基础上,所以把他们的这些功能,就是系统性的集成在一起,也取得了一些突破。

  袁岚峰孙老师有没有要说的?

  孙志斌:实际上国际空间站现在,它已经上面有好多孔了,这些孔已经开始漏气了。于是好多人就是为了找到这样一个泄漏孔,怎么去找泄漏孔,大家想出了好多办法。有的人说哪个地方泄露,我通过什么手段给测一下,但是他们目前用了一种我散发一些小的碎片看它往哪儿飘,通过这种方法来测,大家就可想而知了。国际空间站经过长期服役以后,这些漏洞就百出,安全系数就太低了。我们空间站也要在这上面,为了保证我们的安全,在这些防护方面我们会看到它里面有个内层,外面还要再加一个外层,有个多层结构,减少这种碎片。更重要的话我们还要有我们地面上组成了一个庞大的碎片监测系统,要对它进行预测预报,然后躲避。如果需要我发现在这个轨道上有一个重要的东西,我们就把轨道提升或者调姿,然后把它避开过,这就变成一个主动的飞行器。这个主动飞行器那就相当于它要求对姿态的控制和过去就不一样了,所以这是在第二点。

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  第三点上,国际空间站是一个庞大的系统。这个庞大的系统,它每个系统相互之间有一个机械的耦合,它会带来一个微重力水平的下降,而我们这个空间站,我们相对比它小,微重力水平相比较比它高,这也就是为什么我们中国空间站到了天上以后,后面还会再发射一个光学舱,光学的一个在这个轨道上对接,必要的时候把它对接,不必要的时候把它分开,这样能实现一个很高微重力水平的这样一个平台。因为我们上去还要做实验,它是一个国家实验室,这个国家实验室如果重力水平比国际空间站还差,我想我们这个空间科学实验怎么去做,这就是科学家所关心的事。

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