“神舟十二号”任务——新的征途,新的挑战
发布时间: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

  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。

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·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·日,即315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·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·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。

  

  2021529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20205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。

  

  时代楷模——中国航天员英雄群体(图片来源:我们的太空)

  天,我们的航天员将抵达我们自己的空间站,在未来的三个月里,中国人在太空的生存时长纪录将得到突破;在未来的两年内,我们的空间站运行体系将实现从无到有的建立;在未来的几十年中,我们的载人航天事业将以这一天为起点,迈向成熟,我们的航天员也将以这一天为起点,走向更加浩渺的深空。

  鲜花簇拥英雄再启太空征程,火箭托举飞船续写飞天梦想。相约九月金秋时节,我们期待你们的归来。

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