天和核心艙成功發(fā)射——載人航天常態(tài)化晨曦初現(xiàn)！

出品：科普中國
制作：冰結向日葵
監(jiān)制：中國科學院計算機網絡信息中心

剛剛，“長征五號B遙二”運載火箭經歷了 8分多鐘的飛行，成功托舉“天和”核心艙進入預定軌道，我國空間站建設的大幕正徐徐拉開。

光陰飛逝，時光荏苒，如今的“長征五號”系列運載火箭已經連續(xù)成功飛行5次，大有成為下一個“金牌火箭”的趨勢。

圖片來源：新華社

看著飛行過程，筆者甚至打起了哈欠——這跟一年多前“長征五號遙三”復飛時的屏息凝視相比，心態(tài)已然完全不同。

當我們認為“長征五號”運載火箭的成功已經不是一件新鮮的事情的時候，說明我們的境界又上了一層。

五星紅旗點亮星空 中國空間站正式開工

回到任務本身。

此次任務的載荷“天和”核心艙重達22.5噸，刷新了去年由新型載人飛船創(chuàng)下的21.6噸的最大質量載荷的新紀錄。它的容積更是達到了50立方米，也是我國目前發(fā)射的尺寸最大的載荷，還是我國迄今為止功能最多的航天器。

“天和”號核心艙的成功發(fā)射，拉開了我國“天宮”空間站建設的序幕。

從整體上來看，“天和”核心艙可以分為三部分——節(jié)點艙、小柱段與大柱段。

“天和”核心艙構成圖（圖片授權自星智科創(chuàng)團隊，各部件名稱由作者標注）

其中，節(jié)點艙與小柱段的直徑均為2.8米，大柱段的直徑為4.2米。這樣的設計具有充分的科學依據(jù)——由于長征五號的直徑為5米，因此其整流罩底端的直徑也是5米，同時再留出一部分安全空間，因此，內部載荷的最大直徑就是4.2米。不僅核心艙的最大直徑是這個數(shù)字，2020年5月發(fā)射的新型載人飛船試驗船直徑也是4.2米。

更進一步的，我們可以對空間站進行功能分區(qū)，包括用于擴大規(guī)模，同時可用于實現(xiàn)太空行走的節(jié)點艙；艙內成員生活、休息的區(qū)域（位于小柱段），艙內成員工作、科研與控制艙段的控制艙（位于大柱段前端以及小柱段后端），裝載有燃料等重要資源的資源艙（位于大柱段后端）。

長得像“和平號”就是“抄襲”？你對“天和”有誤解

此時，細心的你可能已經注意到了，這個核心艙無論從外形還是功能來看，都很像“和平號”空間站的核心艙。

不過，這既不能說明我們落后俄羅斯航天幾十年，也不是對俄羅斯人方案的“抄襲”，而是設計使然。

設想一下，如果核心艙完全設計成為一根直徑4.2米的柱子，那么太陽能電池板、機械臂、通信天線之類的外部設施將沒有地方可以安裝，且由于長征五號的整流罩頂部是收斂成近似錐形的，那么顯然頂端還會有一部分空間浪費。

因此，設置一個2.8米直徑的小柱段和節(jié)點艙，將有助于外部設施的安裝以及整流罩空間的利用，擴大整體容積。

優(yōu)秀的設計大抵是相似的，其背后遵循著相似的科學與技術原理。

而且，雖然外形相似，但“天和”核心艙除了比“和平號”的核心艙大了一圈之外，在細節(jié)上還有很多不同點。

“天和”核心艙自帶一個出艙活動專用的氣閘，“和平號”的核心艙則沒有這樣的設計，全部都是對接口，這就意味著“和平號”在建站初期的出艙活動只能通過對接口實現(xiàn)，十分不便。對于入駐“天和”的航天員而言，不僅出艙的過程更便利，位于大柱段的機械臂還可以更進一步地擴展航天員在艙外的活動范圍，無論是艙外實驗還是在軌維護也將變得十分方便。盡管隨著空間站的建設，主氣閘將在后續(xù)階段由“問天”實驗艙擔當，但節(jié)點艙的出艙口仍然可以作為備份出艙口使用。

“天和”的主要能量來自兩片太陽翼——與“和平號”的硬質太陽能帆板不同，這個太陽翼是柔性材質的。在不改變輸出功率的前提下，柔性太陽翼實現(xiàn)了大幅減重，收攏時的包絡尺寸也更小，這也幫助“天和”能夠攜帶更多的有效載荷。

“天和”自帶的動力系統(tǒng)能夠自行維護軌道，并可以由“天舟”系列貨運飛船在軌補加推進劑?！疤熘垡惶枴背晒υ囼灥脑谲壖幼⑼七M劑技術，在數(shù)年后的今天，終于將得到應用。同時，安裝與小柱段、與大柱段之間的一系列動量輪模塊，將能夠使空間站在運行過程中緩慢改變姿態(tài)，減少燃料消耗。而且“天和”核心艙還自帶離子發(fā)動機，這種極高比沖的發(fā)動機將能夠進一步節(jié)約寶貴的燃料，這些措施都可以讓核心艙能夠在軌運行得更久。

“天和”模塊化、標準化的艙內科學實驗機柜與安裝在科學實驗機柜中的標準實驗單元將使太空實驗變得更加方便——只要遵循同一個技術標準，它們都將能夠被裝入科學實驗機柜中，既方便了航天員的操作，也提高了科學實驗機柜的使用與周轉效率。同時，在實驗機柜的運行過程中，海量的實驗數(shù)據(jù)將通過核心艙自帶的高增益天線不斷下行至地面，方便地面的科研工作者們實時掌握空間站內科研載荷的工作狀態(tài)。相信通過一系列科學實驗的開展，我們對于太空環(huán)境將會取得新的認識。

“天舟”“神舟”蓄勢待發(fā) 精彩仍將繼續(xù)

讓我們再把目光轉向今年的后續(xù)任務吧。

“長征七號”與“天舟二號”仍然在緊鑼密鼓地組裝中。下個月，“天舟二號”貨運飛船將滿載著補給物資與“天和”核心艙開展對接工作，在預定軌道上靜候航天員們的到來。

“神舟十二號”的乘員組也在為“天和”的在軌任務開展訓練，航天員乘組呼之欲出。距離上一次中國航天員進入太空，已經過去了4年有余。上一次，航天員景海鵬、陳冬在太空生活了33天，完成了一系列空間科學實驗和技術試驗，實現(xiàn)了航天員中期駐留的目標。

天宮二號與神舟十一號完成交會對接后，航天員打開天宮二號的艙門，順利進入“天宮二號”空間實驗室（圖片來源：見水印）

今年，中國人將重回太空，為人類和平利用太空作出新的更大貢獻。

不僅如此，我們還將進入載人航天常態(tài)化的新時代。

因為今年還有第二批航天員乘組出征。他們將接替第一批乘組，在太空中繼續(xù)執(zhí)行在軌飛行任務。一切順利的話，我們將獲得更多關于空間環(huán)境對航天員長期影響的第一手信息，而這些信息是十分珍貴的，即便是美國、俄羅斯等航天大國，在各種期刊上所披露的內容也只是冰山一角。

還是今年，“天舟三號”也將啟程前往“天和”核心艙，接替“天舟二號”，提供更多的物資，開展更多的空間站運行關鍵技術實驗，保障核心艙的在軌運行，滿足核心艙內的航天員的生存需求。

任務仍將繼續(xù)。

明年開始，“天宮”空間站將進一步擴展：兩個實驗艙“問天”、“夢天”將先后由“長征五號B”運載火箭發(fā)射，它們將分別與核心艙對接，在兩個實驗艙完成對接之后，“天宮”空間站的建設期就將結束。

天宮空間站示意圖（圖片來源：中國國家航天局）

到那時，極大擴容的科學實驗機柜將讓“天宮”空間站化身國家級“太空實驗室”。屆時，除了飛行員出身的航天員之外，科研人員也將進入太空，成為“載荷專家”，更高效地在軌開展研究工作。

經過這些建設，我們將看到一個完全可以預料得到的未來——進入太空的門檻勢必降低。閱讀到這篇文章的你，在未來也可能有機會遨游星海。

幾年后，“巡天”太空望遠鏡也將啟程前往太空，與空間站共軌飛行。太空望遠鏡將會把它的目光聚焦于深邃浩渺的宇宙，為我們帶來更多壯麗的宇宙奇景。這里我們想特別強調下“共軌飛行”這個概念，由于望遠鏡和空間站是共軌飛行，將大幅降低望遠鏡的維修難度和成本?？臻g站內的航天員可以隨時準備好為太空望遠鏡提供維護服務，讓它能夠工作得更久，更穩(wěn)定。

我們的腳步仍不會停止。

更長遠地來看，“天宮”空間站的規(guī)模甚至還有進一步擴大的可能——如果我們將第二個核心艙，第三、第四個實驗艙送入太空與“天宮”對接，那么我們將得到一個重達一百多噸的大型太空復合體！或許到那個時候，空間站內會迎來講著不同語言的訪客。在地面，人與人之間的藩籬以國境線的形式存在著，而在太空，我們將親如手足，共同為人類這一物種探索未知疆界、和平利用太空而不懈奮斗。

奔向星海的腳步永不停歇

就在您讀到這篇文章的時候，“天和”核心艙已經進入了預定的軌道。

從今天開始，中國的載人航天事業(yè)已經實現(xiàn)了轉型，中國航天員在太空中生活的時長將在停滯了4年之后繼續(xù)增長，也將不斷地增長。我們曾經錯過了大海，但這一次，我們將不會再錯過星海。