百家乐赌场充值返水:唐驳虎:中国空间站首次出舱 航天员背后有多少科技支撑?

2021年07月04日 21:20:32
来源:唐驳虎

文/凤凰新闻客户端荣誉主笔 唐驳虎

核心提要:

1. 本次行动是中国空间站首次出舱活动,也是时隔13年中国第2次太空出舱行走。相较于过往的技术验证性质出舱,本次活动真正实现了航天员大范围作业。

2.两代航天服的真正差距在于利用率。中国不再采取一次性出舱航天服,现今使用的可重复出舱服一套造价高达3000万。航天员与舱体不再有电脐带连接,航天员活动范围更广。

3.空间站主机械臂各项指标均达到世界领先水平,且全部核心部件实现国产化。出舱活动中,无处不在的摄像头保证航天员无论何时何地都能被看到,以确保其安全。

4.十三年前,做好一去不归准备的刘伯明协助翟志刚将五星红旗送上太空。彼时他处于辅助位置,不能完全出舱。第二次执行自己出舱作业的他,终于得以窥见了浩瀚宇宙的全貌。航天发展的背后,是中国综合国力日益发展的红利。这一切诚如邓小平所言,“只有改变落后状况,才能对人类做出比较多的贡献,那时候大家才会真正相信中国是可以的?!?/p>

北京时间2021年7月4日8时11分 起,航天员刘伯明、汤洪波身着中国新一代“飞天”舱外航天服,先后从空间站的节点舱成功出舱,开始中国空间站的首次出舱活动。

中国第一次太空出舱行走是2008年9月27日,神舟七号载人航天任务,由翟志刚、刘伯明两名航天员完成。

当时还是中国载人航天的追赶补课、技术验证阶段,两名航天员从神舟飞船的轨道舱开舱,进行了短时间的出舱任务。

任务一是让五星红旗在太空中“飘扬”,二是取回一件放置在舱外、经太空暴露后的实验样本。全过程仅持续20分钟。

“神舟七号”任务已过去近13年,当时翟志刚一句“我已出舱,感觉良好”至今仍铭刻在很多人心中。

相比13年前技术验证性质的出舱,本次从空间站出舱的活动时间长达6-7小时,而且要实现两名航天员(刘伯明、汤洪波)的同时大范围作业。

既要实现两人协同、也要实现舱内舱外协同(机械臂操控)、还要实现天地联动监控,复杂程度和难度完全不可同日而语。

而在接下来的空间站建设与运营阶段,这样的任务将司空见惯。

因为空间站需要进行舱室组装、维护调整、样品回收等作业。需要航天员经常性执行太空出舱行走任务。

但7月4日的任务,依然是空间站“第一次”,有着丰富而重大的意义。

重复使用的出舱航天服

一个多月前,天舟二号货运飞船从中国文昌航天发射场起航,将重约6.8吨的货物送到中国空间站,这其中就有两件重达130公斤的“飞天”舱外航天服。

舱外航天服其实是一种微型载人航天器,既能满足航天员生命保障需求,又能实现舱外移动。

据介绍,一套造价高达3000万元(含研制费用)。而舱内航天服的造价为数百万元。

这次用来执行出舱任务的舱外航天服高2米左右,科技含量比以前更高,关节更灵活,支持出舱时间也更久——从以前的4个小时增加到8个小时。

航天服头盔上配有摄像机,可以全程以航天员主视角,直播、记录舱外操作过程。

此次出舱,航天员与舱体之间不再有电脐带连接。 这是因为舱外航天服已实现供氧和温度、压力控制,使得航天员的活动范围更广、更灵活。

舱外航天服在太空要面对交替出现的极热极寒,但内部温差要严格控制在一定范围内,保障航天员生命安全、体感舒适。

因此航天服重量,也从上一代的120公斤,增加到130公斤。

其实,两代舱外航天服真正的差距在于利用率。

由于神舟飞船的返回舱体积有限,只能载人,不能携回大件货物。

最后,翟志刚、刘伯明的两套舱外航天服只用了一次(20分钟),就留在轨道舱,最终一起坠入大气层燃烧消失。

“神舟七号”任务只能带回手套部件,以作纪念。这就是航天平台规模不足时的一些无奈。

而这两件带上去的“飞天”舱外航天服,将得以在未来两年的空间站建设组装阶段,多次重复使用。

为确保航天员绝对安全,舱外航天服的使用寿命定为3年、15次。未来将再通过货运飞船运送新的舱外航天服,予以更换。

由于空间有限,退役的舱外航天服预计仍放置在货运飞船内,坠入大气层燃烧消失。

神奇多变的空间机械臂

机械臂是空间站的关键技术之一。天宫空间站的机械臂包括核心舱主机械臂、实验舱机械臂。

主机械臂初始安装在天和核心舱小柱段对地球一面,因此也得名“天和机械臂”。

主机械臂展开长达10.2米,全重738公斤、可在失重环境抓取移动25吨物体。负载自重比、操控精度等指标均达到世界领先水平,且全部核心部件实现国产化。

两端都是脚(手)——末端执行器,更关键的是,它两端能根据需求,在空间站外“爬行”移动定位,类似于机器人的作用。

“末端执行器”对接空间站的是舱体表面的“适配器”,“适配器”不仅可以实现物理对接,还包括了电力、控制连接。

而“适配器”在空间站三大舱段外表面都有广泛分布配置。

在机械臂两端执行器与舱体表面适配器的一接一放的过程中,机械臂两端互为手脚,机械臂因而具备了舱体表面爬行移动功能,进而实现空间站外表面的全触达。

机械臂有7个自由度分别对应7个关节,因此也被称为“七自由度空间机械臂”,操作精度达45毫米,可在手动/自动两个工作模式中自由切换。

为了增强环境信息感知能力,主机械臂在肩部、肘部、腕部三处位置各配置一台视觉相机。

肩部与腕部视觉相机是双目手眼相机,它可以在10米范围内呈现出人眼立体成像效果,助力机械臂精准操控。

由于主机械臂要在空间站设计寿命周期(15年)服役,因此对部件可靠性要求更高,例如电机系统就进行了上亿转验证测试。

即将发射的中国空间站第二个舱段——问天号实验舱上也有一部展开长度5米的小机械臂。

实验舱机械臂主要用于照料暴露平台的实验载荷,例如载荷的安装、回收、更换等操作,也可支持航天员舱外活动,以及舱外设备巡检、大型载荷搬运等工作。

它还可以与主机械臂直接对接,形成长度达15米的超长机械臂。

在舱外,航天员处于失重状态,再加上舱外航天服的加压,活动起来不便—— 在太空轨道中 ,重力与离心力抵消,但是质量依然存在。 航天员套在130公斤的舱外航天服内,移动还是很吃力的。

在地面的水槽模拟失重训练中,航天员训练7个小时下来,手拿筷子都累的发抖。

机械臂可以移动运送航天员,免去攀爬环节,最大限度节省体力。

这时需要一个脚限制器,把它装在机械臂上,人脚蹬在里面,通过机械臂的移动送到指定位置。

除了帮助航天员移动外,空间机械臂还可以捕获、移动靠近的航天器、搬运舱外货物、组装和维修舱外设备,监视舱表状态等等。

耳聪目明:舱外活动实时可见

距地面400公里处,神舟十二号飞船、空间站天和核心舱和天舟二号货运飞船在茫茫太空中飞行,摄像机成为地面工作人员唯一的“眼睛”。

300度左右的温差、真空失重、强辐射环境使太空生存充满?;?,24小时不间断监视将在必要时刻为航天员赢得一线生机。

在航天员出舱活动中,除了舱外航天服自带的摄像机之外,空间站天和核心舱也配备了多种相机,确保航天员无论何时、身处何处都能被“看”到。

特别值得一提的是拥有“四只眼”的全景摄像机。它的水平方向有4个镜头,可以水平360度、垂直100度全景成像,并且能实时拼接输出视频画面。

核心舱共配有4台全景摄像机。而此次出舱,航天员的一项重要工作内容就是将其中一个全景摄像机进行抬高,使其具备更佳的视角。

因为在发射时,受整流?;ふ值目占湎拗?,摄像机初始位置低,因此需要调整。

多部摄像头拍摄的监控内容,需要下传到地面。一座地面测控站仅能实现近地轨道3%的覆盖率。

天基测控则不同,一颗运行于地球同步轨道的中继卫星可以实现对近地轨道航天器测控超过50%的覆盖率。

从飞控中心大屏幕上,可以看到天链一号03星、天链二号01星、天链一号04星总计三颗数据中继卫星列阵太空,它们都运行于距离地球约3.6万公里的地球同步轨道,分别定点于非洲中部、印度洋、中太平洋赤道上空。

迄今为止中国总共发射部署了5颗天链系列数据中继卫星:

天链一号01星(中星) 发射时间:2008.04.25

天链一号02星(东星) 发射时间:2011.07.11

天链一号03星(西星) 发射时间:2012.07.25

天链一号04星(东星) 发射时间:2016.11.22

天链二号01星(中星) 发射时间:2019.03.31

神舟七号出舱期间没有天链中继卫星通信系统服务全程,依然存在很大测控盲区。

执行此次天地通话数据传输任务的是天链二号01星,这是新一代中继通信卫星的首发星,基于东方红四号卫星平台研制。

对比基于东方红三号卫星平台研制的第一代产品,卫星规模更大,设计寿命由6年跃升至12年,传输速率足足提高了8倍,多目标测控能力也跃上了新台阶,这才有了天宫空间站天地通话的全新体验。

现在,天宫空间站中继下行传输速率是1.2 Gbps,相当于5G通信技术,而建设于90年代末、21世纪初的国际空间站是50Mbps,最大也只有150Mbps,天宫是国际空间站的8至24倍。

当然,由于数据中继卫星定点位置关系,在美洲上空还是有近10%盲区。在直播中,空间站进入天链中继通信卫星测控盲区时,大部分屏幕画面静止。

这需要在美洲解决地面数据接收站或者实现卫星间数据互传功能,进一步完善全球通信保障能力。

勇者无畏:中国人自己的技术和能力

7月4日上午到下午2点,天合核心舱每一圈轨道都会有一部分过境中国上空。同时是白天工作时间,是执行出舱行走的好时机。

但由于飞船轨道每90分钟环绕地球一圈,因此在轨道上每45分钟就要切换“白天”与“黑夜”,阳面和阴面温差巨大,除了舱外航天服,舱外照明设施也都经过了细心设计。

这次出舱,由01号航天员聂海胜在舱内操控机械臂,02号航天员刘伯明与03号航天员汤洪波完成出舱任务的具体操作,包括开展舱外工具箱的组装、全景摄像机抬升和扩展泵组的安装等工作。

出舱活动前两天,三名航天员都接受了运动心肺功能检查,确保航天员有体力穿着130公斤重的舱外航天服完成复杂的舱外工作。

4日早上吃过早饭后,刘伯明、汤洪波在直径2.8米的空间站节点舱内,3分钟内进入厚重的舱外航天服,然后关闭与天和核心舱相连的双向承压舱门。

(气闸舱只能算是节点舱的兼职工作,待明年问天实验舱对接之后,天宫空间站将再添置一个人员专用气闸舱,届时节点舱的气闸舱功能将成为备份功能)

接下来,释放节点舱大气压力,转动手柄打开舱门,出舱!

刘伯明为机械臂安装了脚限位器,将双脚固定住,在机械臂的辅助下前往作业点。而留在舱内的聂海胜,工作任务是要操作控制移动载有刘伯明的机械臂。

年轻近10岁的汤洪波则要通过舱外自主爬行,前往作业点??占湔就獍沧傲硕嘀植胀夥鍪?,帮助航天员在舱外更顺利地爬行。

两人移动路径是交错开的,最终将汇合于核心舱下部,然后在12时09分,完成抬升核心舱全景相机A的工作。

这次任务中,刘伯明进行自己的第二次出舱作业。13年前,他处于辅助位置,?;ば灾靖?,不能完全出舱。

这一次他终于全部进入太空,看清楚了太空的全貌,以至于发出了“哇,这外面太漂亮了”的感慨。

其实,13年前,刘伯明还有一句更真情流露的豪迈语句。

2008年9月27日16时33分,翟志刚、刘伯明两位航天员花了很大力气,打开了通往浩瀚宇宙的舱门。

突然,舱内响起语音警告:“轨道舱火灾!轨道舱火灾!”

瞬间,所有人心头一紧?;鹪??这是所有航天器最不能承受的灾害。

地面指挥大厅听到了这样的对话:

刘伯明:坚持,反正任务我们继续。

翟志刚:明白。

刘伯明:着火我们也来不及了,不管了。

翟志刚:成。

原来,那是因为太阳直射导致传感器温度升高,误报“轨道舱火灾”的假警报。

但翟志刚、刘伯明以即便牺牲也要让五星红旗在太空中飘扬的无畏信念,出色地完成了任务。

尤其是刘伯明的那句“着火我们也来不及了,不管了”的生死决绝,无愧于“英雄航天员”的镇定自若。

他们后来回忆,“如果真回不来了,就把这舞动国旗的画面,当作我们的永别吧?!?/strong>

相隔13年,在航天员背后,已经是成熟的天宫空间站、新一代舱外服、天链中继卫星通信系统、机械臂等一系列顶级技术的支持,航天员也就更加不慌了。

至下午16点,经过7小时的出舱活动,神舟十二号航天员乘组密切协同,圆满完成出舱活动期间全部既定任务,航天员刘伯明汤洪波安全返回天和核心舱,标志着中国空间站阶段航天员首次出舱活动取得圆满成功。

从“我已出舱,感觉良好”到“哇,这外面太漂亮了”,见证的是中国航天的巨大发展。

天宫空间站工程分为“关键技术验证”、“在轨建造”、“常态运营”三大阶段。

今年是关键技术验证阶段任务,而明年则是在轨建造阶段的决胜年,届时问天实验舱、梦天实验舱将与天和核心舱组成T字构型空间组合体,进而完成空间站一期建造任务。

在推进90吨级、三舱天宫空间站工程的同时,中国航天还在同步实施嫦娥探月四期工程、天问一号火星探测、载人月球工程、火星采样返回工程、小行星采样返回工程。

在极为有限的航天投入中,中国尽可能地为人类照亮空间探索盲区,实践性价比更高的空间探索方式,创造更优的外空生活条件。

航天发展的背后,是综合国力日益增强的发展红利。而努力为人类做出较大贡献,也是中国发展的主题之一。

“因为中国是一个有960万平方公里的土地和6万万人口的国家,中国应当对于人类有较大的贡献。而这种贡献在过去一个长时期内,则是太少了。这使我们感到惭愧?!?/p>

“只有改变落后状况,才能对人类做出比较多的贡献,那时候大家才会真正相信中国是可以的?!?/strong>

从“中国应当对于人类有较大的贡献”到“共同构建人类命运共同体”,中国航天65年来志存高远,步稳蹄疾。