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我們的空間站會用到那些高科技? 最炫酷的有空間機械臂

神舟十二號成功飛天,舉國歡慶,

空間站

建設和我國的天眼等諸多大型工程一道,構成了我國的大國重器陣容,具有非常重要的意義。

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太空“豪宅”

中國航天科技集團五院空間站系統副總設計師朱光辰曾經說過一個非常形象的比喻:如果神舟飛船是一輛轎車,天宮一號和天宮二號就相當於一室一廳的房子,而空間站就是三室兩廳還帶儲藏間,算是“豪宅”了。

其實當初在2011年發射的“天宮一號”和國際空間站相比,算是很小的了,給

宇航員

的活動空間也僅僅只有15立方米,就這也比當年的神舟7號那7立方米的空間大不少,但是依然還是顯得比較侷促。幸好宇航員的在那裡面也就待上幾天就回來了,所以影響不大。

但是這次造空間站就不一樣了,考慮到宇航員要在太空長時間的生活,所以這個“舒適度”怎麼說也得提升一下,我國的航天局一下子把生活空間擴充套件到了110立方米,算是讓我們的

航天員

結束了“筒子樓”的時代,一下子就邁進到了“大平層”。

並且這次的設計更加的人性化,不僅劃分出了很多的功能區,還在“私密性”以及“便利性”上下足了功夫,我們的空間站這次可以說是把“人性化”的設計理念發揮到了極致,大的分割槽有兩個,生活區還有工作區,僅僅是生活區就設立了獨立的睡眠區,衛生區,鍛鍊區,甚至連廚房以及餐廳都給配上了,這樣的設計方式無疑給我們的航天員大大的提高了太空生活的質量。

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空間站使命:太空中的國家實驗室

“空間站的神聖使命是,成為太空中的中國國家實驗室,支援科學家從事前沿科學探索、空間技術研究和空間資源的開發和利用。最終目的是為全人類造福。”周建平說。

空間站資源十分寶貴,經過科學慎重遴選,空間站上將搭載安裝包括生物學、材料科學、基礎物理、微重力、流體、燃燒等十餘大類的科學研究實驗設施。

“材料科學的實驗設施裝置,能夠利用太空微重力環境製備新材料,研究材料的空間使用效能。未來很多研究,孕育在新材料的研發中,具有廣闊工業價值。”周建平說,一流的太空實驗平臺,將為科學家們取得世界級的重大突破提供條件保障。

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宇宙之眼:比哈勃視場角大300百多倍的巡天望遠鏡

未來會單獨發射一個十幾噸的光學艙,與空間站保持共軌飛行狀態。計劃在光學艙裡架設一套口徑兩米的巡天望遠鏡,解析度與哈勃相當,視場角是哈勃的300多倍。如果在軌十年,可以對百分之四十以上的天區,約一萬七千五百平方度天區進行觀測。”

這套望遠鏡,天區和波段覆蓋廣,像質好,將是中國人的“宇宙之眼”。它可以源源不斷地為科學家們研究宇宙學和天文學提供海量的科學資料,為中國科學家站在世界科學前列、做出重大原創性成果提供有力支撐。

宇宙的構成和演化,暗能量、暗物質、黑洞的研究……我們期待對宇宙學、天文學的基本問題取得重大突破。

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後發優勢:世界領先的資訊系統、太陽翼、機械臂

中國不是最早進入宇宙空間的,換一個角度理解,反而有後發優勢。近年來,資訊科技、新能源、自動化和人工智慧技術的進步,將綜合體現在中國空間站上。

中國的空間站基於當代最新技術成果設計建造,資訊化程度更高、能力更強。“尤其在通訊、網路、資料管理和應用等方面,我國的空間站都相當先進。這也得益於當代技術發展和國家科技進步

中國空間站有兩對‘翅膀’——單翼翼展約30米的柔性太陽翼。它們與雙軸對日定向機構、高效能鋰離子電池等一起,構成了空間站先進、強大的電源系統。這個系統能夠為空間站提供可靠、充足的不間斷供電。

目前,地面上太陽能光伏發電,太陽能到電能的轉化率一般在百分之十幾左右。空間站使用最新研發的太陽能光伏發電系統,轉化效率可達30%以上。

一名航天員在艙內操作機械臂,一名航天員在艙外太空行走。無論是艙段轉位、大裝置的移動,還是航天員自身的移動,都可以透過機械臂完成。”這不是科幻片,而是不久將來的現實。“中國空間站有兩類機械臂,長度累計15米。人機配合,讓空間站建造維修成為可能。

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太空經濟:迴圈利用和高效利用

往太空運送物資的成本非常高,載人航天的發展必須把經濟性作為重大、優先問題。“進行物資迴圈利用並提高物資迴圈利用率,是世界載人航天關注的重大技術挑戰問題。

中國空間站設計了完整的可再生生命保障系統。航天員撥出的水蒸氣會透過冷凝水的方式回收,排洩的尿液也會回收淨化,重新作為飲用水和生活用水使用。電解制氧時產生的氫氣與航天員撥出的二氧化碳,將透過化學反應重新生成氧氣,這也降低了氧氣的補給需求。

提高單位物質的效率是提高經濟性的有效手段。中國空間站將採用電推進技術作為空間站軌道維持的動力裝置,這將顯著降低空間站執行期間的推進劑補給需求。

我國也在研究下一代載人天地往返運輸系統的發展思路,將瞄準可重複使用的目標,以期進一步降低空間運輸的成本,提高效益。

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太空智慧家居

我國在這10年間,發展最迅速的就要數無線通訊還有物聯網的技術了,所以空間站的設計師們,在之前的基礎上不斷地升級,不僅用上了全新的資訊科技,連“移動WIFI”都給你裝上了,所以讓宇航員的核心艙直接升級到了“智慧家居”時代。

在空間站生活的宇航員,每個人都配發了一個手持終端,這些手持終端上面的APP可以根據宇航員的要求,設定各種的模式,什麼照明模式,睡眠模式,工作模式,運動模式,那叫一個全,甚至艙內的燈光都有給宇航員們調節情緒的作用,這個智慧化隊長也想要一個。

其實在設計之初,整個艙內的燈光設定還有溫度環境,都是設計師們親自反覆體驗的結果,這個過程有多反覆隊長就不多說了,只能是為我們的設計師大大的點個贊,他們為了我國的航天員長期駐留太空有一個舒適的生活體驗,可謂是勞心勞力了。

當然這個“智慧家居”最貼心的還是能夠實現“天地通話”,這樣所有的宇航員都可以和自己的家人“私聊”一會,以解自己的相思之苦,其實這個專案一直都是各國的航天產業的“傳統專案”,但是我國的就比較人性化,給空間站的宇航員們開通了私密語音通道,這樣宇航員們可以和自己的家人說點“悄悄話”也不會覺得不好意思,畢竟太空生活,短期還能有點新鮮勁,但是長期的太空生活難免單調。

和家人分享一下自己的太空生活相比,也是一個不錯的體驗,當然宇航員之間的通訊就更是簡單了,有倉內WIFI一個骨傳導耳機就全解決了,這樣不管他們在空間站的任何位置都可以實現互相通話或者和地面的動畫。

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太陽電池翼,收攏後只有一本書的厚度

天和核心艙首次採用了大面積可展收柔性太陽翼,其雙翼展開面積可達134平方米。這是我國首次採用柔性太陽翼作為航天器的能量來源。

與傳統剛性、半剛性的太陽電池翼相比,柔性翼全部收攏後只有一本書的厚度,僅為剛性太陽翼的1/15,同時,展開面積大、功率重量比高,單翼即可為空間站提供9KW的電能,在滿足艙內所有裝置正常運轉的同時,也完全可以保證航天員在空間站中的日常生活。

核心艙作為我國壽命設計要求最長的一個飛行器,對所有產品的長壽命提出了最高要求。太陽翼作為艙外產品,要面對的空間環境極其惡劣,除了需要經歷88000次±100℃的高低溫迴圈外,還要經受低軌環境中原子氧、等離子體、紫外輻照、電離輻照等多種空間環境的考驗。航天科技集團八院805所柔性太陽電池翼研製團隊開展了3年多的方案論證和比較工作,經過大量的地面模擬長壽命測試。

比如,太陽翼上的張緊機構看似是一根簡單的鋼絲繩,但其實是一套恆力彈簧繩索系統,透過它的不斷伸縮才能保證太陽翼在高低溫環境下的足夠剛度以及姿態控制。團隊歷經多年攻關,地面完成了40萬次熱真空疲勞壽命試驗、100萬次常溫常壓壽命試驗,充分驗證了產品的高可靠、長壽命。

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空間機械臂,六維力感測器打破國外壟斷

空間站機械臂主要承擔著懸停飛行器捕獲、輔助航天員艙外活動、艙外貨物搬運、艙體狀態檢查、載荷照料等重要任務。由中國航天科技集團有限公司四院44所自主為機械臂研製了3款感測器。

其中,六維力感測器是三款感測器中結構最為複雜、研製難度最大的一款,能夠同時測量三個方向上的力分量和轉動時的力矩分量;一維力感測器主要負責機械臂末端執行器在實施目標抓取和拖動功能時,對拖動力進行監測;一維力矩感測器則用於感知機械臂關節轉動時所承載的力矩,實現整臂的柔順控制。

三款感測器產品作為機械臂進行伸縮、扭轉、抓握和拖動等動作時各關鍵部位的測力元件,就像機械臂的“觸覺神經”,能夠實時將力學參量反饋至機械臂的“大腦”,為機械臂實現精準控制提供重要依據,使機械臂具備強大的自由運動能力。

這三款感測器產品是航天四院44所歷時10年打造出的,具備體積小、質量輕、空間環境適應性強、精度及可靠性高、可在軌穩定執行15年以上等特點,特別是六維力感測器作為國內首款、目前唯一一款自主研製的能夠實現空間環境下同時測量6個力和力矩分量並且成功搭載空間站應用的感測器產品,成功打破了國外在該領域的技術壟斷,對於在該領域進一步實現國產化具有重要意義。

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太空廚房

可定量分配常溫水和熱水,濾除銀離子

在太空中,航天員的身體健康狀況尤為重要。在核心艙上,安裝了很多監測航天員身體狀況的醫學監測裝置。這些產品都是由航天科技集團九院771所負責研製生產。

例如,常規醫監裝置可以為航天員在長期飛行中的生理健康狀態和功能提供全面有效的醫學監督和保障;

無線生理訊號檢測裝置負責監測航天員心電、呼吸、體溫;睡眠監護儀能夠採集航天員睡眠時產生的多路生理訊號,為航天員睡眠質量做定期評價提供資料;

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採集航天員常規心電、運動心電、動態心電、搶救心電的12導同步心電訊號的動態心電監測儀;

無創血液動力學監護儀能夠實現對航天員一導心電和二導脈搏的無創監測,協助完成航天員的脈搏量、心排量、外周血管阻力等各項血液動力學引數的健康監督。

此外,為方便航天員長期飛行中的飲食需求,771所提供了多種太空廚房食品裝置。熱風加熱裝置可將航天食品在規定時間內加熱到適合在軌食用的溫度;

微波加熱裝置則用於加熱非金屬包裝類的食品和飲用水等;

飲水分配器除了加熱日常飲用水,還能定量分配常溫水和熱水,濾除水中的銀離子,保證航天員健康飲水。

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中國空間站與國際空間站有什麼不同?

國際空間站是目前在軌執行最大的空間平臺,是一個擁有現代化科研裝置,可開展大規模、多學科基礎和應用科學研究的空間實驗室。它的規模大約有423噸,由美國、俄羅斯、加拿大、日本等16國聯合,先後經歷12年建造完成。

航天五院專家表示,中國空間站由一個核心艙和兩個實驗艙組成,在總體規模上不及國際空間站,這主要是在建設思路上按照符合中國國情,有所為、有所不為來考慮,綜合當前需求和耗費等因素,不搞像國際空間站那麼大規模的空間站,而是採用規模適度、留有發展空間的思路,既可以滿足重大科學研究專案的需要,又同時具備擴充套件和支援來往飛行器對接的能力。

中國空間站由我國自主建造,實現了產品全部國產化,部元件全部國產化,原材料全部國產化,關鍵核心元器件100%自主可控。

細節方面,國際空間站的蓄電池初期採用氫鎳蓄電池,後來又經歷技術升級實現了鋰電換氫鎳的過程。而中國空間站從開始就將使用鋰電技術,從技術研發基礎上已並列國際水平。

太陽電池翼作為中國空間站最大的艙外產品,其在軌具備的重複展收技術、整體更換技術、柔性電纜傳輸技術都已接近並超越國際空間站的太陽電池翼的技術體系。

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