為何只飛400公里高?太空WiFi怎么用?揭開中國空間站背后的“奧秘”
6月17日,中國空間站天和核心艙迎來首批“太空訪客”。當日9時22分,搭載神舟十二號載人飛船的長征二號F遙十二運載火箭,在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心準時點火發(fā)射,進入約400公里的預定軌道。約6.5小時后,飛船與天和核心艙進行自主快速交會對接形成組合體。隨后,聶海勝、劉伯明、湯洪波3名航天員進駐天和核心艙。
接下來,三位航天員將完成為期3個月的在軌駐留,開展機械臂操作、出艙活動等工作,驗證航天員長期在軌駐留、再生生保等一系列關(guān)鍵技術(shù)。

2021年6月17日9時22分,搭載神舟十二號載人飛船的長征二號F遙十二運載火箭準時點火發(fā)射。人民網(wǎng)記者 翁奇羽攝
“太空家園”建設(shè)分為幾步?
載人航天工程辦公室主任助理季啟明介紹,空間站建造任務分為關(guān)鍵技術(shù)驗證和建造兩個階段實施,共規(guī)劃12次飛行任務,計劃2022年前后完成。
其中,關(guān)鍵技術(shù)驗證階段規(guī)劃了6次任務,包括天和核心艙發(fā)射、2次天舟貨運飛船和2次神舟載人飛船的發(fā)射。這一階段任務主要目的是:驗證航天員長期在軌駐留、柔性太陽電池翼、大型柔性組合體控制等關(guān)鍵技術(shù),開展空間科學實驗和技術(shù)試驗,為空間站建造和運營奠定基礎(chǔ)。
建造階段也規(guī)劃了6次任務,包括問天實驗艙、夢天實驗艙和2次貨運飛船、2次載人飛船發(fā)射。這一階段任務主要目的是:全面完成以三艙為基本構(gòu)型的空間站在軌組裝建造,建成國家太空實驗室。
“在這一系列任務中,每次載人飛船發(fā)射前先發(fā)射一艘貨運飛船,運送航天員在軌生活物資等。每次載人飛行任務航天員乘組都是3人,在軌駐留時間為3-6個月。”季啟明表示,在此期間,航天員將開展貨運飛船物資轉(zhuǎn)移、再生生保系統(tǒng)驗證,空間站艙段管理,機械臂操作、在軌維修、出艙活動和艙外操作,以及多領(lǐng)域空間科學實驗與技術(shù)試驗。
空間站完成建造后,將進入為期10年以上的應用與發(fā)展階段。

神舟十二號飛船與天和核心艙交會對接模擬示意圖。航天科技集團五院供圖
空間站為什么只“飛”400公里高?
空間站又稱太空站、航天站,是一種在近地軌道長時間運行、可供多名航天員巡訪、長期工作和生活的載人航天器。一般來說,空間站大都在約400公里高度的軌道上運行,比如,我國的天宮一號、天宮二號空間實驗室,目前仍在軌運行的國際空間站,以及我們開始建造的中國空間站。
眾所周知,航天發(fā)射是非常昂貴的?臻g站飛往更高的軌道需要消耗更多的能量,對運載火箭的運載能力是一個很大的考驗。如果要把成噸的設(shè)備攜帶到較高的高度,一來沒有太大必要,二來成本也過于高昂。
實際上,大氣是隨著海拔增加而逐漸變薄的,太空和地球大氣層之間并沒有明確、清晰的邊界。國際航空聯(lián)合會將100公里的高度定義為大氣層和太空的界線,即“卡門線”,卡門線之外的部分稱為太空。一般太空實驗所需要的接近真空的環(huán)境、無云層遮擋的望遠鏡觀測優(yōu)勢、近乎無重力的實驗條件等,400公里高度都可以滿足。
此外,這個高度設(shè)置,還考慮了航天員和空間站本身的安全問題。
據(jù)了解,在地球周圍有一個名為“范艾倫輻射帶”的空間區(qū)域,它大致分成1500-5000公里和13000-20000公里的高度范圍,在空間天氣擾動的時候還會向上、向下擴張。這一區(qū)域有能量非常高、密度也非常大的帶電粒子,對在其中飛行的飛行器傷害很大。值得注意的是,因為地磁場本身不是對稱的,在南大西洋上方的地磁場形態(tài)導致這里的輻射帶高度比較低,在有擾動的時候可能只有1000公里高度左右,空間站飛高了就很容易進入輻射帶,受到帶電粒子的傷害。
綜合考量發(fā)射成本、觀測需求,以及航天員的健康和飛行器、儀器設(shè)備的安全等因素,科學家把空間站飛行的高度,設(shè)定在400公里附近。

測試中神舟十二號飛船。航天科技集團五院供圖
如何克服太空溫差、宇宙射線的影響?
和以往神舟載人飛船的任務相比,這次神舟飛船在空間站停留的時間更久,面對的空間環(huán)境也更加惡劣。屆時,神舟十二載人飛船迎向太陽側(cè)的艙體表面溫度將達到90℃,而背向太陽側(cè)的艙體表面溫度則達到-30℃。這種溫度差將對神舟飛船內(nèi)部的空氣溫度造成嚴重波動,航天員的生活環(huán)境與多種精密設(shè)備在艙內(nèi)也會受到影響。除了溫度的問題,長時間的太空停留,還會使飛船經(jīng)歷持久的空間高強度紫外照射,以及多種帶電粒子配合高速原子氧的不斷轟擊,材料損耗將非常嚴重。
因此,給飛船穿一件特制的“外衣”就顯得尤為必要了。
如今時隔五年,神舟十二號飛船再一次護送航天員往返天地,與前輩們清一色的灰色外衣相比,它那一身銀光閃閃、炫酷時尚的嶄新“外衣”不禁讓人眼前一亮。
原來,這件靚麗的“外衣”,是由航天科技集團五院529廠歷時兩年精心研制的一款新型低吸收-低發(fā)射熱控涂層,它是一種噴涂在航天器外表面的熱控制材料。
據(jù)了解,這件“外衣”采用了我國以往熱控涂層領(lǐng)域中從沒有過的類型。它可以通過自身對太陽輻照的低吸收強反射能力,大大減少飛船受太陽長時間輻照的內(nèi)部溫度升溫現(xiàn)象,再通過它自身的極低的紅外發(fā)射特性,在飛船處于背陽面時期減少輻射漏熱,大大減緩艙內(nèi)溫度下降速率,起到保溫效果。當然,這款“外衣”還要具備抵抗空間中時時刻刻的高能紫外輻照、原子氧轟擊以及多種高能粒子與電離輻射的攻擊,為神舟十二號載人飛船全方位做到外部保護屏障,可謂是全天時無間斷全效防護服。

航天員在組合體艙內(nèi)。央視畫面截圖
太空WiFi怎樣和地面通信?
據(jù)悉,空間站核心艙上已經(jīng)植入了WiFi,這可以大大提高航天員工作生活便利性和舒適度。
空間站系統(tǒng)副總設(shè)計師朱光辰介紹,核心艙采用的情景照明技術(shù)和WiFi通信技術(shù),可以讓航天員輕松便捷地使用“手機APP”來控制照明設(shè)備開關(guān)、查詢站上物資存儲情況。
通過天地通信鏈路和視頻通話設(shè)備,空間站還可以實現(xiàn)與地面的雙向視頻通話和收發(fā)電子郵件。
“一般依靠中繼衛(wèi)星來保證空間站和地面24小時不間斷的網(wǎng)絡(luò)連接。美國國家航空航天局、歐空局等都有自己的中繼衛(wèi)星。”中國航天科工二院研究員楊宇光介紹,在我國,空間站和地面通信主要依靠地面測控站、數(shù)傳接收站和天鏈中繼衛(wèi)星,其中天鏈中繼衛(wèi)星能保證不間斷通信。
中繼衛(wèi)星也被稱為“衛(wèi)星的衛(wèi)星”,它可以為衛(wèi)星、飛船等航天器提供數(shù)據(jù)中繼和測控服務,為中低軌道遙感、測繪、氣象等衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼和測控服務,為航天器發(fā)射提供測控支持。
2008年至2012年,我國先后發(fā)射天鏈一號01至03星,三顆衛(wèi)星組網(wǎng)運行,使我國成為世界上第二個擁有對中、低軌航天器全球覆蓋能力的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國家。
2016年,天鏈一號04星成功入軌并完成在軌測試,與01至03星實現(xiàn)全球組網(wǎng)運行,為我國神舟飛船、空間實驗室以及空間站提供數(shù)據(jù)中繼與測控服務,支持空間交會對接等任務。
2019年3月,天鏈二號01星成功發(fā)射,這是我國第二代地球同步軌道數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的首發(fā)星。它與天鏈一號衛(wèi)星系統(tǒng)相互兼容,使我國以數(shù)據(jù)中繼為特征的天基通信基礎(chǔ)設(shè)施在傳輸速率、服務數(shù)量、覆蓋范圍等方面進一步提升。
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