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    “神舟十二號”任務——新的征途,新的挑戰
    發布時間:2021-06-16
    出品:科普中國
    制作:冰結向日葵
    監制:中國科學院計算機網絡信息中心

      2016年“神舟十一號”進入太空,航天員景海鵬、陳冬雙人乘組完成了在軌一個月的太空生存之后,時隔5年,酒泉衛星發射中心921工位久違地迎來了新的載人航天飛船——“神舟十二號”。此次任務將要完成多項實驗,每一項都與未來空間站的建設有關。

      

     ?。▓D片來源:人民網)

      一個空間站的運行時間越長,能夠完成的科學任務也就越多,我們對于太空的認識也就能更全面,而空間站的運行也勢必需要實現航天員的在軌駐留。顯而易見,如果航天員在軌駐留的時間越長,那么飛船發射的頻率也就越低,空間站運營成本也越低。但要實現航天員的長期在軌駐留,就需要從許多方面實現突破。此次“神舟十二號”任務將著重驗證一些關鍵技術,在一些方面取得較大突破。

    6天到90天,我們有能力為航天員中長期駐留太空提供生命保障

      人為了維持生存,需要能量。為了產生能量,則需要攝入氧氣、水、食物,同時通過新陳代謝作用排出廢物。盡管個體間會存在性別、體重、勞動強度等差異,但平均而言,一個人每天需要攝入約840克氧氣,3.5升水(飲用1.5升,食品攝入2升)以及640克食物(干重);同時會釋放約1000克二氧化碳,1.6升尿液,120克糞便(干重),通過呼吸排出1.8升水。而且需要注意的是,以上數據還不包括食品包裝、食物殘余、氣瓶以及衛生用水等等必須的物資。

      如此計算下來,一次載人飛行任務,所需要的物資總量既與航天員數量成正相關,又與飛行時長成正相關。因此,我們在描述一套生保系統的支持水平時,就可以使用【人·日】的單位,將乘員數與任務時長聯系起來。

      那么,對于神舟飛船而言,按照已有的飛行記錄推斷,其生保系統的支持水平大約是12·日,即2人乘組6天在軌飛行(神舟六號)或3人乘組4天在軌飛行(神舟七號);在“天宮一號”空間實驗室發射之后,極大擴容的活動空間讓生保系統支持水平升級至45·日,即315天的在軌生命保障需求(神舟九號、神舟十號);經過升級之后的“天宮二號”進一步擴充至60·日,即2人在軌駐留30天(神舟十一號)。

      但未來我們要前往更遠的地方,在太空待的時間就會更長,短期的在軌駐留顯然不能滿足我們。要想研究清楚空間環境對航天員的長期影響,就要實現航天員的長期在軌駐留;而要實現航天員的長期在軌駐留,首先要讓生命保障系統能夠支持更多乘員更長時間的在軌生存,這就需要更多的物資,更大的空間,以及更大的發射質量。

      而在軌運行一個多月的“天和”核心艙的發射質量為20余噸,已經超過了“神舟-天宮”組合體的質量。在此次任務中,“天和”核心艙與“天舟”貨運飛船組合體的生保系統的支持水平實現了數倍的增長,達到了至少270·日,即3人乘組90天(三個月)的太空生存,可以說,我們已然從過往任務的“短期駐留”開始向“中長期駐留”的高地大踏步邁進了。

      

      2021529日,天舟二號成功發射(圖片來源見水?。?/p>

    從十幾分鐘到數小時,航天員在太空中邁出自信步伐

      如果想在太空中工作更長時間,除了滿足基本的生存生活之外,還需要面臨一些可能的突發狀況,例如設備故障。盡管航天級的產品質量相對優良,但時間長了仍然容易損壞。此次航天員將在軌駐留三個月,這是過去任務從未達到的時長,將可能會遇到以往的任務所不曾出現的狀況。比如說,如果艙內的設備出現故障,可以依靠備品備件以及工具進行修理,未來也將會有包括3D打印在內的新技術應用于空間站,進一步提升維修效率。但對于艙外的設備而言,如果損壞,就必須在艙外更換,因此就需要航天員出艙進行維修。

      

      在20205月發射的新一代載人飛船試驗船上,就曾開展3D打印實驗

     ?。▓D片來源見水?。?/p>

      截至目前,我們僅實現了一次太空行走,是由航天員翟志剛在“神舟七號”任務中實現的,時長僅十幾分鐘。

      

     

      

      翟志剛出艙進行太空行走(圖片來源見水?。?/p>

      盡管航天員在地面的水池中對太空行走這一項目演練了很多次,但這與真正的空間環境仍存在差異。

      事實上,第一次太空行走也確實出現了一些意外。例如,氣閘艙蓋無法正常打開、陽光照射艙內傳感器導致虛警等。由此來看,我們對于太空行走的經驗仍然是有所欠缺的。因此,筆者認為,此次“神舟十二號”的太空行走仍然是實驗性的。令人振奮的是,航天員將在未來的三個月中開展次太空行走,逐步延長太空行走時間,最終達到數個小時。

      不僅如此,“天和”核心艙外圍的機械臂將助航天員一臂之力,讓航天員實現人機協同,能在較短的時間內實現較遠距離的移動,到達空間站的任何一個角落。無論是取回放置在艙外的科學實驗儀器,還是對“天和”核心艙實現全方位的肉眼檢查,機械臂的加入都將令這些操作變得十分輕松且方便。

      2021年與2008年已然不同,更先進的設施、更完備的計劃、更充分的準備將幫助航天員在太空邁出更加自信的步伐。

    航天員長期在軌的身心健康問題仍需研究

      航天員雖然是萬里挑一的頂尖人才,而且接受了相當漫長且嚴苛的訓練,體質超出常人,但這并不意味著他們在太空中也能保持這樣的健康狀況??臻g環境對于人的短期影響可能并不顯著,但長期影響可能會是巨大的:

      失重效應——人站立在地面上,體液會受到重力的作用自然流向下肢,人體的血壓呈現“上低下高”的情形,且下肢作為主要承力結構,其骨密度也比較大。但在失重狀態下,體液會較為均勻地分布在人體各處,那么上半身的血壓會因此升高,大腦得到反饋體液過多;而要想釋放掉多余的體液,就主要依靠排尿,導致大量水分丟失;同時這也意味著下半身的血壓將進一步降低,下肢中的營養物質輸入減少,輸出增加,長此以往將導致下肢肌肉萎縮。此外,在微重力的環境下,人體不再需要保持較高的骨密度,鈣質也將持續流失,會導致骨質疏松。

      輻射效應——盡管“天和”核心艙的軌道高度在400 km以下,低于“范-艾倫輻射帶”的高度,而且航天器的金屬外殼也對輻射具有一定的防護作用,但來自太陽和銀河的宇宙射線仍然有一部分會穿過艙壁,形成低劑量的電離輻射。有些外國航天員報告自己在睡覺時,會突然被眼前的閃光驚醒,這就是由于太空粒子穿過眼瞼,在晶狀體內與其中的液體相作用,被視網膜捕捉所導致。盡管電離輻射劑量較低,但如果長期在這樣的環境下生存,患癌概率也可能因此上升。

      心理健康——“天和”核心艙的容積與過往的載人航天器相比實現了質的飛躍,達到了50立方米,但如果按照現代樓房每層3米的高度換算,核心艙內面積就僅有約17平方米。3名航天員將在這狹小逼仄的空間內生活3個月,這就會為他們施加無形的壓力。不僅如此,24小時的日出日落周期塑造了人類近24小時的晝夜節律,而在近地軌道上,航天器每90分鐘環繞地球一周,這就意味著一天24小時之內,“天和”核心艙會迎來16次日出日落。盡管在太空中,航天員將按照北京時間進行作息調整,但艙外的晝夜變化仍然會影響航天員的節律。而且艙內可能的突發狀況也會突然中斷航天員的休息,讓他們以最快的速度投入到應急工作中去。如何在這樣的長時間壓力下保障航天員的身心健康,同樣值得我們在未來好好研究。

      

      時代楷?!袊教靻T英雄群體(圖片來源:我們的太空)

      天,我們的航天員將抵達我們自己的空間站,在未來的三個月里,中國人在太空的生存時長紀錄將得到突破;在未來的兩年內,我們的空間站運行體系將實現從無到有的建立;在未來的幾十年中,我們的載人航天事業將以這一天為起點,邁向成熟,我們的航天員也將以這一天為起點,走向更加浩渺的深空。

      鮮花簇擁英雄再啟太空征程,火箭托舉飛船續寫飛天夢想。相約九月金秋時節,我們期待你們的歸來。

    中國科學院科普云平臺技術支持,中國科學院計算機網絡信息中心運行
    文章內容僅為作者觀點,不代表中國科普博覽網、中國科普博覽網運行單位、中國科普博覽網主辦單位的任何觀點或立場。
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