想讓更多人駐留太空，有哪些難題需要解決？

2023年5月30日，長征二號F火箭托舉神舟十六號載人飛船升空。隨著神舟十六號航天員乘組進(jìn)入太空，近地軌道上，中國空間站和國際空間站等航天器中的航天員人數(shù)之和達(dá)到17人，創(chuàng)下了有史以來同時身處外太空人數(shù)最高紀(jì)錄。與此同時，太空旅游發(fā)展如火如荼，國外商業(yè)空間站建設(shè)蓄勢待發(fā)?？梢哉f，未來在軌工作生活的人必將越來越多。

神十五、神十六乘組共6名航天員“太空會師”

為支持更多人在軌，科研人員需要攻克多少技術(shù)難關(guān)？

更多人成就太空事業(yè)

“飛天夢永不失重，科學(xué)夢張力無限?！边@不僅是太空授課老師對青少年播撒的探索宇宙奧秘的“種子”，更是專業(yè)航天員在軌工作生活的生動寫照。除了開展航天科普教育活動外，密切關(guān)注交會對接，謹(jǐn)慎出艙太空行走，廣泛開展空間物理實驗、航天醫(yī)學(xué)實驗等，大量工作都少不了航天員的參與。在軌人數(shù)之所以越來越多，很大一部分原因是太空工作任務(wù)越來越繁雜，對人員的需求大增。

按設(shè)計，國際空間站可支持7人長期駐留，曾創(chuàng)下短期容納13人的紀(jì)錄。自2010年完全建成并投入運(yùn)營以來，國際空間站累計接納了數(shù)百名來訪者，其中很多人是空間科學(xué)載荷專家或航天工程師。

國際空間站曾創(chuàng)下短期內(nèi)容納13人的紀(jì)錄

他們有的積極開展生物醫(yī)學(xué)實驗，研究空間飛行狀態(tài)下動植物、微生物、細(xì)胞的生命活動，關(guān)注生物組織破壞及再生特性。有的研究太空飛行對人類染色體端粒、認(rèn)知能力、基因表達(dá)等方面的影響，獲取生命科學(xué)領(lǐng)域的前沿成果。有的在太空中培育糧食作物，力爭為緩解糧食短缺問題作貢獻(xiàn)，甚至把若干瓶酒帶上天，對外宣稱是“研究失重對釀造工藝的影響”。

此外，航天員還在軌開展了很多工程技術(shù)應(yīng)用研究，比如出艙更換冷卻及通信系統(tǒng)部件，維護(hù)、裝配空間望遠(yuǎn)鏡等。雖然空間站配備了成熟的自動化系統(tǒng)，但航天員應(yīng)對意外事態(tài)的能力更勝一籌。以前和平號空間站曾發(fā)生火災(zāi)，全靠航天員及時滅火，恢復(fù)了正?？諝獬煞植⑿藓貌糠衷O(shè)備。

和平號空間站曾遭遇火災(zāi)險情

總之，紛繁復(fù)雜的事務(wù)需要航天員參與，未來還會有更多航天員投身新領(lǐng)域工作。而隨著太空旅游越來越火，不僅在軌人數(shù)屢創(chuàng)新高，為保障游客的安全和享受，專業(yè)航天員需要負(fù)責(zé)更多細(xì)致瑣碎的事務(wù)。

技術(shù)保障滿足高要求

想要在軌維持更多人員駐留，首要條件當(dāng)然是載人天地往返，“安全”指標(biāo)壓倒一切。尤其需要注意的是，一旦航天員在太空中遇到意外，現(xiàn)有的在軌醫(yī)療救助條件畢竟有限。因此“最安全”原則對空間站提出了隨時能讓航天員返回地面的要求。

隨著在軌航天員越來越多，地面需要準(zhǔn)備的應(yīng)急救援飛船也越來越多，保證其在待命期間安全可靠是關(guān)鍵。目前，載人飛船普遍采用滾動執(zhí)行救援待命、正常飛行任務(wù)的運(yùn)作模式，確保每艘飛船在地面等待時間不長且基本相同，避免了飛船長期放置可能帶來的一系列隱患。

除此之外，生活物資與個人物品主要依靠貨運(yùn)飛船送到空間站。要知道，航天發(fā)射領(lǐng)域有“一克重量一克金”的俗語，可見太空運(yùn)力彌足珍貴。

貨運(yùn)飛船的載荷種類很多，包括生活物資、航天飲水、補(bǔ)給氣體、實驗載荷與空間站補(bǔ)加推進(jìn)劑等。隨著在軌航天員增多，對地面貨運(yùn)補(bǔ)給的依賴更大，因此提高貨運(yùn)飛船運(yùn)輸效率成為技術(shù)難點和重要改進(jìn)方向。

美國天鵝座貨運(yùn)飛船帶故障送貨

目前，各國貨運(yùn)飛船廣泛采用增加復(fù)合材料、優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)和自重控制、提高推進(jìn)劑能量轉(zhuǎn)換效率、提升入軌精度等手段，使貨運(yùn)飛船在上行載貨比、快速運(yùn)輸、推進(jìn)劑補(bǔ)加等方面更出色地完成任務(wù)。

支撐航天員長時間在軌工作生活，最重要的技術(shù)保障當(dāng)屬空間站環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)。在惡劣的太空環(huán)境中，空間站具備保溫、隔熱、防撞擊、防輻射、溫度調(diào)節(jié)、壓力調(diào)節(jié)等多種保護(hù)功能，可抵御太空碎片、宇宙射線、異常輻射的影響，構(gòu)建起航天員太空生活的堅實屏障。

隨著越來越多航天員在軌駐留，對生命保障系統(tǒng)提出了更高的要求，必須制造數(shù)倍于之前的氧氣、水，去除更多二氧化碳、微量有害氣體、微生物、微塵，并更精確快捷地調(diào)節(jié)溫濕度、氣壓等。

當(dāng)前空間站中，電解制氧技術(shù)可以為航天員提供氧氣，二氧化碳還原技術(shù)可以將航天員呼出的二氧化碳巧妙轉(zhuǎn)化成水，經(jīng)過再處理后，變成可供飲用的生活用水。

中國空間站內(nèi)航天員安裝二氧化碳還原裝置

可以說，高效可靠的環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)“生生不息”地運(yùn)轉(zhuǎn)，有效減輕了對貨運(yùn)飛船補(bǔ)給的依賴，為服務(wù)更多在軌人員，其擴(kuò)容升級勢在必行。

多領(lǐng)域創(chuàng)新前景光明

傳統(tǒng)上，航天器、火箭基本是一次性使用的，綜合成本較高。俄羅斯聯(lián)盟系列載人飛船每次任務(wù)成本接近億美元，高昂價格成為制約人類探索太空的重要因素。

隨著科技進(jìn)步，火箭或航天器回收復(fù)用技術(shù)成為航天科研熱門并逐漸成熟。經(jīng)過簡單維修后，越來越多的航天設(shè)備可以多次使用，顯著降低了發(fā)射成本。一旦低成本可重復(fù)用技術(shù)在航天領(lǐng)域取得更廣泛的實用性進(jìn)展，必將助力更多航天員前往太空。

火箭、飛船等可回收復(fù)用將顯著降低載人航天任務(wù)成本

空間站在運(yùn)行中受到稀薄大氣阻力及太陽風(fēng)等影響，運(yùn)行軌道不斷降低，需要消耗大量燃料，提升空間站軌道，維持正常工作。此外，空間站運(yùn)行期間還要配合交會對接、太空行走等任務(wù)，及時進(jìn)行變軌及姿態(tài)調(diào)整。顯然，這些軌道機(jī)動都消耗了寶貴的空間站推進(jìn)劑，有必要探索驅(qū)動航天器的新技術(shù)。

近年來，網(wǎng)格離子推進(jìn)器和霍爾推進(jìn)器逐漸實用化。最新的研究成果顯示，采用氬氣推進(jìn)劑的無電極等離子體推進(jìn)器的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到30%左右。

等離子推進(jìn)器和霍爾推進(jìn)器已廣泛用于航天器

相信在不久的將來，會有更先進(jìn)的推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于航天探索中，效率更高，耗能更少，使相同量級的推進(jìn)劑可以支持更大航天器，容納更多航天員長期在軌。

目前，航天員在太空中主要依賴貨運(yùn)飛船運(yùn)送補(bǔ)給。雖然地面科研人員盡力讓航天員吃好，種類繁多的食品已加入航天員食譜中，但在太空中生活一年半載仍然不可避免地經(jīng)常吃類似罐頭與果凍的食物。

但他們不必著急——太空種植實驗不斷取得成果，航天員在太空中親手栽培蔬菜水果，時常品嘗新鮮食材，必將保持更佳的太空工作生活狀態(tài)。

中國空間站上的水稻成長過程

當(dāng)然，太空種植和更多航天員在軌駐留對于環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)的要求更嚴(yán)格，無論是控制精度、監(jiān)測指標(biāo)，還是能耗水平、工作壽命，都是未來改善的方向。

而且，隨著在軌人員增加，對于溫濕度、照明甚至重力等需求也會逐漸多樣化、個性化，環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)的技術(shù)水平必然升級，很可能允許航天員在軌進(jìn)行維修、調(diào)試工作。

越來越多的專業(yè)航天員和太空游客在軌駐留，為航天科研者提供了大量原始數(shù)據(jù)，有望為未來地外天體及深空探測積累寶貴經(jīng)驗。未來隨著飛天“門檻”降低，更多人有望親身體驗太空之美，更充實的太空工作生活也將助力人類航天探索飛得更遠(yuǎn)。

本文原標(biāo)題為《在軌駐留人漸多，技術(shù)難點知多少》，載于《太空探索》雜志2023年第01期