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在太空建房子有多難?中國空間站曝光,難度堪稱地獄級

作者:小周說實話

在2021年,中國将邁出"三步走"載人航天計劃的第三步,着手建設大陸自己的空間站。這座空間站由"天和一号"核心艙、以及"問天"号和"夢天"号實驗艙組成,總重達66噸,可供3名宇航員長期在軌居住。若再加上"神舟"号載人飛船和"天舟"号貨運飛船,這個空間站将由五個核心部分組成。首個部件,"天和一号"核心艙,計劃于明年初由海南文昌航天發射中心,搭乘長征5B運載火箭升空。到2022年,計劃完成在軌建設,并正式投入運作。這将使中國成為世界上第三個擁有自己空間站的國家。

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大陸的首個空間站将采用第三代積木式結構,類似于蘇聯的"和平"号空間站。這一結構需要在軌道上發射多個艙段,并在軌道上将它們組合成一個龐大的整體。這種方法的優勢在于相對較低的建設成本,這符合大陸的經濟狀況和目前的需求。然而,它的劣勢在于每個艙段需要攜帶獨立的供電和動力單元,相當于小型宇宙飛船。當這些艙段組合在一起時,可能會浪費資源,遮擋太陽能闆,進而影響發電效率,并增加對接時的碰撞風險。值得一提的是,1997年,"進步"号貨運飛船與"和平"号空間站對接時發生碰撞,導緻了和平号的艙壁受損,幸運的是,和平号上的宇航員及時堵住了漏洞。與之不同,國際空間站采用了桁架-積木混合結構,具備高度的靈活性和可擴充性。主要艙段懸挂在長長的桁架上,桁架承擔着艙段的作用力,同時電纜和管線等都安裝在桁架上。此外,在桁架上安裝太陽能闆可以避免艙室的遮擋,提高發電效率。不過,桁架式結構造價昂貴,需要依賴航天飛機協助搭建。大陸要建設桁架式空間站仍然面臨巨大挑戰,但這也許是未來的發展方向。

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要建造空間站,首先需要強大的運載火箭。蘇聯在發射"和平"号空間站時,采用近地運載能力為20噸的"質子-K"運載火箭。而美國的航天飛機則具備近地運載能力達30噸,其大貨艙為國際空間站的建設立下汗馬功勞。與之對應的,"天和一号"核心艙的重量約為20噸,與國際空間站的最大部分相媲美。它将由具有近地運載能力為22噸的長征5B運載火箭送入太空。長征5B是一級半構型的運載火箭,芯級直徑為5米,配備2台推力達50噸級的YF-77液氫液氧發動機,并搭載4個直徑3.35米的助推器,每個助推器使用2台推力為120噸的YF-100液氧煤油發動機。一級半構型意味着當助推器分離後,芯級繼續工作。這種構型的優點在于級數較少,不存在級間分離,系統簡單而高度可靠。

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完成空間站的建設之後,面臨的挑戰還将在于空間站的日常營運。首要問題之一是宇航員的生活條件。在國際空間站上,每名宇航員每天需要0.84千克的氧氣、3.55千克的飲用水、6.8千克的生活用水、0.64千克的食物、以及1.64千克的衣物。是以,三名宇航員一年将需要至少16噸的補給。完全依靠地面補給明顯不切實際,是以需要采用污水循環和二氧化碳再生技術,以将這個需求降至每人每年5噸。此外,由于空間站失去了地球大氣層和部分地球磁場的保護,宇航員更容易受到輻射傷害。與以往的載人任務不同,這些宇航員需要在空間站停留數月。在空間站的設計中,必須加強對輻射的保護。太陽活躍周期約為11年,當太陽活動高峰期,輻射會增強數倍,這時必須停止太空行走和部分航天發射活動。此外,由于地球内部存在磁場,但其中心偏離地球450千米,軸線也與地球自轉軸有11.3度的偏差。這一偏差導緻了空間站經過南大西洋地區上空時會受到極強的輻射。

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總之,空間站的建設和後期營運都充滿挑戰。中國的航天人員正在付出不懈的努力,我們相信中國的空間站項目将取得圓滿成功。

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