中國(guó)為什么要建設(shè)空間站？

出品：科普中國(guó)

制作：李會(huì)超（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳））

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

根據(jù)中國(guó)載人航天工程辦公室發(fā)布的消息，我國(guó)空間站的核心艙“天和”號(hào)與與長(zhǎng)征五號(hào)B遙二運(yùn)載火箭組合體已轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射區(qū)，正在進(jìn)行發(fā)射前的準(zhǔn)備工作。

△中國(guó)空間站天和核心艙器箭組合體轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射區(qū)（圖片來(lái)源見(jiàn)水?。?/p>

回顧人類的航天史，當(dāng)把人類送入太空還處于概念和想象中時(shí)，齊奧爾科夫斯基、馮·布勞恩等航天界的先驅(qū)們就已經(jīng)提出了空間站的設(shè)想。從國(guó)外載人航天技術(shù)的發(fā)展過(guò)程看，發(fā)射和運(yùn)行大型空間站，讓航天員在太空與地面間穿梭成為日常，是載人航天技術(shù)走向成熟的標(biāo)志。

從2003年神舟五號(hào)首次將中國(guó)航天員送入太空至今，在18年的歲月中，我國(guó)的載人航天工程已經(jīng)成功進(jìn)行了載人飛船和短期空間實(shí)驗(yàn)室的發(fā)射和運(yùn)行，完成了1992年中央批準(zhǔn)立項(xiàng)時(shí)提出的“三步走”規(guī)劃中的前兩步，即將邁向自己的“成人禮”——建設(shè)長(zhǎng)期有人駐留的大型空間站。

為什么各國(guó)紛紛要建空間站？別急，看完這篇，你就知道了。

具有軍事化色彩的空間站

在上世紀(jì)六十年代初美蘇剛剛掌握載人航天技術(shù)時(shí)，就提出了各自的空間站計(jì)劃。除了在宣傳上占據(jù)先機(jī)、顯示自己國(guó)家技術(shù)實(shí)力的強(qiáng)大外，當(dāng)時(shí)兩國(guó)設(shè)計(jì)的空間站還帶有強(qiáng)烈的軍事色彩。

蘇聯(lián)早期的軍用空間站使用了“禮炮”的名稱，甚至還將一門機(jī)炮安裝到了禮炮3號(hào)空間站上，在沒(méi)有航天員駐留時(shí)，在太空中真的鳴響了“禮炮”，進(jìn)行了一次實(shí)彈射擊試驗(yàn)。

美國(guó)也曾經(jīng)提出過(guò)MOL項(xiàng)目，通過(guò)航天員的在軌操作來(lái)監(jiān)視蘇聯(lián)的軍事動(dòng)態(tài)。由于當(dāng)時(shí)美國(guó)尚未掌握交會(huì)對(duì)接技術(shù)，因此MOL設(shè)想對(duì)雙子星飛船進(jìn)行改進(jìn)，將航天員直接放入空間站內(nèi)發(fā)射到太空中，完成一個(gè)月的偵查任務(wù)后返回。

△禮炮3號(hào)同款機(jī)炮 （來(lái)源： russianspaceweb.com）

不過(guò)在之后，無(wú)人偵查衛(wèi)星的發(fā)展使得空間站的軍事功能變得越來(lái)越?jīng)]有必要。

在空間站工程技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，空間站存在的目的和執(zhí)行的主要任務(wù)也逐步回歸了航天先驅(qū)們的“初心”：人類飛往深空的前哨站，人類在太空中的大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

身兼數(shù)職的空間站

如果航天員要乘坐飛船去往火星，要在太空中度過(guò)數(shù)以年計(jì)的時(shí)間。在飛行過(guò)程中，航天員們將長(zhǎng)期處于失重狀態(tài)，生理和心理還受到各種各樣不利因素的沖擊。一切在地球上習(xí)以為常的生活方式都要發(fā)生改變，甚至包括上廁所——在美劇《生活大爆炸》中，工程師霍華德就為此進(jìn)行了不太成功的工作。而當(dāng)霍華德真的進(jìn)入太空后，各種壓力與焦慮使他近乎崩潰。

△《生活大爆炸》中國(guó)際空間站31遠(yuǎn)征隊(duì)成員霍華德（圖片來(lái)源：《生活大爆炸》，劇情為虛構(gòu)）

進(jìn)入太空也許是每個(gè)人夢(mèng)寐以求的事情，但長(zhǎng)期呆在太空中可能并不是一件十分輕松的事情。未來(lái)，要讓航天員愉快舒適的完成火星之旅，我們必須先搞清楚長(zhǎng)時(shí)間的太空飛行究竟會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生怎樣的影響。

2019年，一篇發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》（Scientific Reports）上的論文發(fā)現(xiàn)，當(dāng)航天員在太空中生活久了之后，航天員身體上的微生物群落情況也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化。更有趣的是，一旦結(jié)伴去了太空，航天員小伙伴們腸道中的細(xì)菌的種類和組分會(huì)變得越來(lái)越一致。

去年，美國(guó)科學(xué)家對(duì)完成長(zhǎng)時(shí)間航天飛行的航天員大腦進(jìn)行了核磁共振掃描分析，發(fā)現(xiàn)航天員們的大腦的體積有所膨脹，某些結(jié)構(gòu)的形狀還發(fā)生了改變。

△國(guó)際空間站 （來(lái)源：NASA）

這兩項(xiàng)研究是長(zhǎng)期太空飛行效應(yīng)研究的一個(gè)縮影，而研究對(duì)象都是曾經(jīng)在國(guó)際空間站上工作的航天員。目前，國(guó)際空間站是唯一一個(gè)可供航天員長(zhǎng)期駐留太空的航天器，航天員在空間站上的平均工作時(shí)間大約為6個(gè)月。

除了考察太空飛行對(duì)人的影響外，空間站還可以測(cè)試未來(lái)可能用于太空飛行的各種技術(shù)設(shè)備。

目前，正在空間站上使用的ECLSS系統(tǒng)可以將各種使用過(guò)的水，甚至是航天員的尿液進(jìn)行匯集處理，并再次產(chǎn)生潔凈的、可供飲用的水。技術(shù)人員們希望這個(gè)系統(tǒng)在國(guó)際空間站上測(cè)試改進(jìn)后，未來(lái)能夠用到火星上。

當(dāng)然，長(zhǎng)期“喝尿”會(huì)不會(huì)讓航天員心理崩潰，可能也是需要研究的課題之一。

空間站也有望成為航天器飛向深空或降落行星前的中轉(zhuǎn)站。美國(guó)正在計(jì)劃建設(shè)的“深空門戶”月球軌道空間站，就將在未來(lái)承擔(dān)起這一職能。

總之，人類如果想親身飛往更遙遠(yuǎn)的太空，空間站必然是第一站。

雖然空間站運(yùn)行在低地球軌道上，與地面的距離不過(guò)幾百公里，相比于月球火星等天體與地球的距離，顯得“近在咫尺”。但是這里已經(jīng)進(jìn)入了太空，可以獲得微重力環(huán)境，也就是我們俗稱的“失重”環(huán)境。這種在地面上難以長(zhǎng)時(shí)間獲得的特別環(huán)境，讓空間站成為了理想的科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

比如說(shuō)，在太空中，原子團(tuán)由于重力的消失會(huì)獲得不同的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，科學(xué)家們可以利用這一變化，在空間實(shí)驗(yàn)室中對(duì)更加準(zhǔn)確的冷原子鐘進(jìn)行試驗(yàn)。原子鐘是北斗等衛(wèi)星定位系統(tǒng)的核心元件，高精度的原子鐘未來(lái)有望讓衛(wèi)星定位變得更加準(zhǔn)確。

同時(shí)，由于重力的“消失”，再也不會(huì)有“水往低處流”的現(xiàn)象，可以對(duì)流體力學(xué)問(wèn)題展開(kāi)新的研究。

而脫離了大氣層的阻擋和干擾，觀測(cè)儀器還可以接收到伽馬波段的天體輻射信號(hào)。伽馬射線雖然對(duì)人體有害，但卻攜帶了宇宙中最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象的信息，通過(guò)伽馬波段的觀測(cè)，科學(xué)家們可以了解黑洞和中子星等天體變化的規(guī)律，以及太陽(yáng)耀斑發(fā)生的規(guī)律。在太空中培育農(nóng)作物，不但可以為未來(lái)在月球或者火星種菜做一些探索，還能對(duì)重力影響植物生長(zhǎng)的情況作出研究。

以上這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，都已經(jīng)在“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展過(guò)。作為我國(guó)大型空間站的“初代型號(hào)”，在軌運(yùn)行期間，天宮二號(hào)已經(jīng)顯示出了作為太空穩(wěn)定大型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)。

其實(shí)，在航天飛機(jī)尚未退役的年代，類似的實(shí)驗(yàn)還可以通過(guò)航天飛機(jī)貨艙中安置的SpaceLab實(shí)驗(yàn)艙來(lái)完成，我國(guó)的實(shí)踐十號(hào)返回式衛(wèi)星，也是一個(gè)理想的空間微重力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

然而，航天飛機(jī)和返回式衛(wèi)星在太空逗留的時(shí)間無(wú)法和空間站相提并論，無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)期持續(xù)的實(shí)驗(yàn)。而衛(wèi)星中的實(shí)驗(yàn)裝置不但體積規(guī)模受限，還無(wú)法由航天員操作完成一些復(fù)雜的操作。

從國(guó)際空間站二十年來(lái)運(yùn)行的情況看，其搭載的科學(xué)實(shí)驗(yàn)不但產(chǎn)生了不少重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，還“反哺”了地球，將不少成果應(yīng)用到了國(guó)計(jì)民生中。

△建成后的中國(guó)空間站 （來(lái)源：參考內(nèi)容1）

未來(lái)，在我國(guó)的大型空間站完成建設(shè)后，將有兩個(gè)專門的實(shí)驗(yàn)艙承載科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施，開(kāi)展規(guī)模更大、更加豐富的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心等多家科研單位在其中將扮演重要角色。

在計(jì)劃的十余年運(yùn)行期間，獲得的實(shí)驗(yàn)樣品可以由航天員在返回地球時(shí)捎帶回地面，新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備也可以由貨運(yùn)飛船上送到空間站中，不斷為我國(guó)的科學(xué)研究產(chǎn)出新的成果。

此外，對(duì)于國(guó)際上愿意和我們合作的國(guó)家，我們不但可以將國(guó)外的實(shí)驗(yàn)裝置載入我國(guó)的空間站進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，還能夠在空間站規(guī)模擴(kuò)大時(shí)直接融入國(guó)外研制的符合我國(guó)空間站標(biāo)準(zhǔn)的艙段。

下一代航天人的啟明星

2013年6月天宮一號(hào)任務(wù)期間，航天員王亞平在太空進(jìn)行了我國(guó)首次太空授課。當(dāng)時(shí)聽(tīng)講的中小學(xué)生，可能有不少都已經(jīng)進(jìn)入了大學(xué)，有些可能正在航天和空間科學(xué)相關(guān)的專業(yè)學(xué)習(xí)，將要成為未來(lái)航天發(fā)展的主力軍。

王亞平正在進(jìn)行太空授課 （來(lái)源：中國(guó)載人航天工程網(wǎng)）

當(dāng)我國(guó)的空間站建成后，太空授課的頻率可能大幅增加，說(shuō)不定孩子們每個(gè)學(xué)期都能體驗(yàn)，觀察空間站劃過(guò)夜空時(shí)的場(chǎng)景也可能會(huì)成為不少學(xué)校課外活動(dòng)的選項(xiàng)。

抬頭看，空間站在那里，我們的航天員在那里。能夠凝聚下一代仰望太空的目光，使他們由衷地為我們這個(gè)強(qiáng)大而進(jìn)取的國(guó)家感到自豪，并啟迪他們?nèi)〉酶缕娴目茖W(xué)發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造更先進(jìn)的工程技術(shù)，除了實(shí)實(shí)在在的好處，這可能是建設(shè)空間站最大的意義。

參考：

[1]周建平.我國(guó)空間站工程總體構(gòu)想[J].載人航天,2013,19(02):1-10.

[2] Voorhies, A.A., Mark Ott, C., Mehta, S. et al. Study of the impact of long-duration space missions at the International Space Station on the astronaut microbiome. Sci Rep 9, 9911 (2019)

[3] MRI reveals long-term effects of space travel on the brain, https://physicsworld.com/a/mri-reveals-long-term-effects-of-space-travel-on-the-brain/