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天宫二号 遨游太空730天

2018-12-10 15:58 来源:中国青年报 参与互动 
标签:天剑 立博博彩 孟达乡

  前沿·聚焦
  天宫二号 遨游太空730天

  航天员陈冬和几位载人航天工程系统总设计师最近一次公开露面,是在今年9月的一场发布会上。颇为罕见的是,这些航天人聚首,没有大谈火箭、飞船的工程进展或是月球、火星的探测计划,而是聊起了看似风马牛不相及的生菜、拟南芥、高等植物的栽培,以及拗口的量子密钥、伽玛暴、冷原子钟、空间液桥等科学问题。

  在我国第一个真正意义上的太空实验室——天宫二号刚过完两岁生日、在轨设计寿命即将到来之际,人们将视线焦点,回归到这一国家工程的科学和应用问题上来。

  两年前的中秋之夜,天宫二号发射升空。在此前后,一艘艘神舟飞船奔向太空,紧跟着还有天宫、天舟,以及不时传出的空间交会对接、推进剂在轨补加等技术突破。不断有人发问:这些耗费了巨大人力物力的工程究竟为了什么?

  就是科学和应用。航天人很清楚其中的脉络,甚至从一开始就定下了目标。正如中国载人航天工程办公室副主任林西强所说,该工程自1992年立项实施起,即提出“造船为建站,建站为应用”,建造神舟飞船,是为建设空间站提供天地往返运输工具,而建造空间站,是为开展大规模空间应用提供平台。

  作为未来空间站的雏形,天宫二号截至目前已在太空遨游超过730天,其中不间断进行的空间科学实验、空间应用与技术试验多达14项,是我国历次载人航天任务中应用项目最多的一次。也因此,被称作我国“最忙碌”的太空实验室。

  探索脚步不曾停歇

  陈冬回到地面后,他以“太空实验员”的身份交了一份科学作业。其中,他和景海鹏在天宫二号亲手播种、浇水、施肥、间苗的植物栽培验证试验有了一个好消息:长成了9棵绿油油的生菜。

  “我们可以骄傲地说,通过我们的双手实现了地面科技人员的太空梦想。”陈冬说。

  这只是天宫二号两年太空之旅的一个缩影。去年9月,我国第一艘货运飞船天舟一号完成最后一次“太空加油”后,便和天宫二号分离,留下后者在高度约400公里的轨道独自遨游。

  尽管天宫二号暂时淡出公众视线,航天员也回到了地面,但与之有关的探索脚步并未停歇,等待它的是一项接一项试验和任务,继续地球观测和空间科学实验、应用技术试验的“忙碌”模式。

  说起过去两年的天宫二号,载人航天工程空间应用系统副总设计师吕从民一口气连说了5大成果,其中不乏多个“国内首个”“国际领先”。

  比如天宫二号搭载的空间冷原子钟,是国际上首台在轨运行的冷原子钟,其精度达到3000万年误差小于1秒,将目前人类在太空的时间计量精度提高了1~2个数量级。

  就在天宫二号两岁生日前的两个月,国际学术期刊《自然·通讯》刊登了这一来自中国的论文。中国科学院上海光学精密机械研究所研究员、空间冷原子钟分系统主任设计师刘亮告诉记者,近年来,空间冷原子钟的研制成为各国竞争的焦点,而中国科研人员突破热原子钟的局限,提出空间冷原子钟总体技术路线,最终将冷原子钟送上太空。

  天宫二号还帮科学家收获了一些 “意外”发现。

  以天宫二号上的三维成像微波高度计为例,这是迄今对地球进行成像观测的电磁波频率最高的雷达。中国科学院国家空间科学中心微波遥感技术重点实验室副主任张云华说,自2018-12-10首次开机以来,该高度计以前所未有的1到8度视角从太空对地球海洋和陆地进行观测,以这一独特视角所获取的观测数据呈现了很多独特现象。

  “甚至有一些结果完全出乎了我们的意料。” 张云华说,从该设备的角度来观测,海洋和陆表水体呈现出非常强的反射,而陆地很暗,能够将一些较小的海岛分辨出来,在强杂波的背景下,甚至能观测到大量不同大小船只的尾迹。

  林西强还晒出一份属于载人工程的“科学成绩单”:该工程实施以来,空间应用领域成果获得国家科技进步特等奖2次,取得省部级科技进步奖90余项,取得专利400余项,发表核心期刊论文1000多篇。

  寻找更多可能性

  一个追问是:为何非要到太空去,有些科学实验在地面上是否也可行?

  科学家通常给出的一个解释是:只有在那里,才能获得持续的微重力环境。也因此,很多实验都被冠以“某某微重力科学实验”。

  微重力,即某种意义上的“失重”。在一个空间中,当微重力水平达到了10^-3g或10^-4g,就处于“失重”状态。尽管地球上高度百米的落塔也能“制造”失重,但只能够给科学家提供短短3.5秒的微重力时间。要获得更长的微重力时间,还是要到太空去。

  至于失重飞机、高空气球-落舱、探空火箭,这些短时微重力平台的局限是,不足以满足科学实验需要的微重力时间。中国科学院力学研究所研究员康琦告诉记者,相比于重力环境,失重是一种极端物理条件——极端,给人类探索未知带来了更多可能。

  在天宫二号中,康琦及其团队就带来一项名为“液桥”热毛细对流的多样性实验,他说,为生产出高质量的半导体材料,就要科学控制单晶硅在晶体生长过程中浮力对流和热毛细对流的影响,而太空特有的微重力环境,可以让科学家深入剖析热毛细对流的真实过程。

  除了微重力之外,广袤太空还蕴藏着强辐射、高温、深冷等资源,这些都是地球无法具备的条件。载人航天工程空间实验室系统总设计师朱枞鹏告诉记者,这些太空资源为人类探索生命起源、开展基础科学和前沿技术领域的研发提供了最新的试验场。

  还有一个原因:人类自身的探索需要。

  迄今为止,我国只进行过6次载人飞行,把11名航天员送上太空,相比全球逾1000人次的总数量,次数并不多,时间也不算长。

  载人航天工程航天员系统副总设计师黄伟芬说,完成历次飞行任务的同时,航天员系统都要利用载人飞行的机会,绞尽脑汁、见缝插针围绕“人”的问题——比如,在健康、行为能力上下功夫、做研究。

  这关乎中国人究竟能在浩瀚的宇宙深空中看到多深、行至多远。陈冬作为亲历者,认为这些实验“非常重要和必要”。

  他举了一个例子,随着飞行时间的延长,航天员的视力会受到影响。在实验舱内工作生活始终是在噪音下,听力发生变化,有些变化是不可逆的,而且对睡眠、心情会有影响,进而对工作产生影响。

  “这些实验都是为了研究人在失重环境下身体各功能发生的某些变化,从而提出有效的预防和保护措施”。陈冬说,人是载人航天的主体,要持续关注人的健康保障问题,把相关实验继续做下去。

  风景总在最险处

  每一次载人飞行任务中,航天员毫无疑问都会成为焦点。这一次,33天的太空驻留是我国历次载人任务中时间最长的一次。

  陈冬把自己的姿态放得很低。他说,地面科学家设计了非常好的各种实验,他和景海鹏在太空就是科学家的“眼睛和手臂”。

  天宫二号实验过程中部分拟南芥样品,最后由景海鹏和陈冬直接参与回收。这也是我国航天员首次参与生物样品的回收,为植物学家的后续分析提供了第一手材料。

  陈冬甚至还生出一个做“科研型”航天员的念头,“希望自己可以独立设计实验,将来在太空中再去亲手完成它,那种感觉一定非常奇妙”。

  不过当景海鹏和陈冬回到地面后,人们不禁好奇:地面的科学家如何跨越空间障碍,“进入”距地400公里的天宫二号操作实验?

  这就不得不提一个被称作“太空实验大管家”的角色——中国科学院空间应用工程与技术中心有效载荷运控中心。

  该中心主任郭丽丽说,不管太空实验多么复杂,运控中心就像“在太空运营一盘巨大的电子游戏”,通过应用需求分析、时间窗口计算、资源调配等,让各种不同类型的有效载荷有序、高效在轨开展工作。

  迄今为止,作为连接起科学家与天宫二号的桥梁和纽带,有效载荷运控中心值守天宫二号科学实验和技术试验700多天,安排任务2万余次,控制指令10万余条,获取的数据有几百TB。

  这并不容易。就在10月初,由于陀螺仪再次出现故障,著名的哈勃太空望远镜已暂停运转。而今年8月,国际空间站出现漏气,专家和宇航员紧急“打补丁”。2014年1月,国际空间站货运飞船对接计划推迟,背后是太阳耀斑作祟。

  “这些案例都涉及不太大众化的名词‘空间环境’‘空间天气’ ,以及背后大家难以想象的危险。”中科院国家空间科学中心研究员张贤国说,像太阳耀斑、轨道大气、陨石碎片这些空间环境因素,都会影响航天器的运行安全。

  正应了一句老话,风景总在最险处。天宫二号也是如此。

  那是在南大西洋的上空,存在着一个磁场异常区域,不少低轨道卫星路过时会发生故障,堪称低轨卫星的“噩梦区域”。其三维分布为下小上大的倒漏斗形,下边界在200公里,但从未有实测结果。

  张贤国透露,前段时间,天宫二号主动降轨到300公里的高度,让中国科学家拿到了最接近“噩梦区域”下边界的探测结果,“对南大西洋异常区建模具有不可替代的作用”。

  张贤国说,300公里的高度被称为临界轨道,在此高度以下,航天器的在轨寿命非常短,天宫二号能够主动降轨,让中国人“在最险处看到风景”——这就是探索未知的风险与回报。

  飞入寻常百姓家

  在太空,景海鹏、陈冬接受了一项特殊的挑战:他们将水由下往上注入一个特制的玻璃茶杯,冲泡出一杯普洱茶。失重状态下,景海鹏以头朝下的倒立姿势将这杯茶一饮而尽。

  “味道美极啦!”这是景海鹏喝完茶之后发出的感叹。这杯在太空冲泡的普洱茶来自云南省,是我国包括太空育种、以核桃乳为主的航天级食品标准在内的太空生物科技产业的一个缩影。

  事实上,载人航天不仅仅属于星辰和远方,其中一些尖端科学技术已经或正在飞入寻常百姓家,比如“尿不湿”、 方便面里的“脱水蔬菜包”,以及也被开发成喷发定型摩丝等,都是来自国际航天领域的成果。

  朱枞鹏告诉记者,我国在过去20多年,也利用十艘神舟飞船和天宫一号、天宫二号,搭载了上千种作物种子、试管苗、生物菌种和材料,拥有了经过航天搭载的农作物共计9大类393个品系,已育成并通过国家或省级鉴定的新品种达到近百个,已大规模在农业生产中推广应用。

  景海鹏、陈冬返航后,就带回了从天宫二号上取回来的水稻、小麦、辣椒、甜瓜、豆角、南瓜、西葫芦、黄瓜、葫芦、冰菜、山桐子、苦荞等种子。如今,这些在太空逛了一圈的种子已经在地球的太空育种基地安了“家”。

  未来,太空育种技术还会被用于解决空间站里航天员的食品自给问题,中国空间站有望成为浩瀚苍穹里一座“会飞的农场”。

  林西强透露,9月20日,天宫二号空间实验室运营管理委员会会议研究决定,天宫二号在轨飞行至2019年7月,之后受控离轨。

  接下来,就轮到空间站出场了。

  按照林西强的说法,空间站建造完成后,将在轨运营10年以上,应用载荷可在轨更换,“仅从首次入轨携带规模看,相比天宫二号空间实验室提升10倍以上”。

  吕从民说,那将是我国航天史上规模最大的国家级太空实验室,是多少科学家的梦想平台。到那时,除了航天员,科学家也有机会飞向太空,可以亲手操作自己精心设计的实验。而且,待的时间更长。

  ——三个月,半年,甚至更久。

  中国青年报·中青在线记者 邱晨辉

【编辑:丁宝秀】
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