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循环用水、太空空调 太空“出差”用上哪些高科

更新时间: 2021-09-13

  循环用水 太空空调 WiFi覆盖

  太空“出差”用上哪些高科技

  被称为“太空出差三人组”的聂海胜、刘伯明、汤洪波在距离地表上空400千米处打造的“太空家园”,进行了近三个月的工作生活。如今,“太空出差三人组”已进入返航倒计时。在轨驻留近三个月时间里,他们的一举一动一直备受世界关注。与以往相比,航天员的太空生活有了很大变化:

  够大——舱内活动空间从天宫一号的15立方米提升到了整站的110立方米,从“筒子楼”搬进了“豪宅”,“三室一卫”,外加“太空实验室”“太空厨房”“太空健身房”“太空医院”,等等。

  够便捷——从“站睡”到“躺睡”,并且可以在包裹式淋浴间手持喷枪把自己擦拭干净,更加便利地进行“天地对话”,实现了“睡觉自由”“沐浴自由”“通话自由”。

  够智能——有了移动WiFi,配备手持终端,航天员可通过APP调节舱内照明环境。

  ……

  一系列变化背后,也是一项项关键技术的突破。记者带您一起了解哪些“黑科技”为神舟十二号乘组在空间站的精彩生活保驾护航——

  1 水汽、尿液等循环再利用产生的水约占航天员用水的八成

  在太空怎么喝水,是航天员们经常被问及的问题。这件在我们日常生活中轻而易举的事情,在太空上却变得复杂和困难。

  在“开学第一课”以及前不久举办的“时代精神耀香江”之仰望星空话天宫活动中,正在“出差”的航天员们实时展示了如何喝到游离的太空水。

  众所周知,水是生命之源。那么,在无水的太空环境中,航天员们的用水从何而来?

  记者了解到,太空用水并非源自同一个渠道。

  根据载人航天器的型号和任务不同,其来源也不同:对于短期的在轨驻留任务,主要是直接携带;而中长期在轨驻留任务,则涉及利用环境控制与生命保障系统对水资源进行循环利用。

  此次,神舟十二号乘组三个月的在轨驻留时长就属于中长期任务。除了在神舟十二号飞行任务开始前,“快递小哥”天舟二号货运飞船先行为航天员运送的补给中包括的10余个软体水囊外,还需要通过自行生产和循环再利用方式获取水。

  自行生产方式主要是使用燃料电池生成水。氢和氧在催化剂作用下,分别在两个电极上氧化成水。这种水先经过冷却器冷却,使温度下降到18至24℃,然后进入银离子消毒器经净化处理送入贮水箱。

  而循环再利用方式,则是通过空间站的环境控制与生命保障系统。依靠这一系统,可以在空间站通过冷凝干燥组件收集航天员呼出的水汽,再通过净化装置转为可供饮用的再生水;尿液也能收集处理为蒸馏水,经杂质过滤、去除离子污染物、去除有机物等过程后,转化为可饮用的再生水。

  据中国航天员中心航天员系统副总设计师王春慧介绍:“再生式生命保障系统,关系到中国空间站将来能不能可持续运行,是真正在轨运行下去的一个非常关键的技术。”

  而全面验证包括再生生保系统在内的航天员长期驻留保障技术,也是神舟十二号飞行任务之一。

  从再生生保系统运行的头一个月情况来看,三名航天员每天大概需要的水是11到12升,其中通过再生生保系统生成的水约有9升,水资源闭合度达到了80%,再加上二氧化碳还原所产生的水,闭合度可达90%以上。

  除了水的循环利用,再生生保系统还包括电解制氧、二氧化碳的去除、微量有害气体的去除等子系统。

  此前,环控生保团队算了这样一笔账:如果不采用再生生保系统,三名航天员在轨一年大约需要氧气瓶83个、重量2.2吨,需要应急二氧化碳净化器130个、重量也是2.2吨,还有微量有害气体的净化设备、水箱等,涉及物资合计约7.5吨。而使用再生生保系统后,仅需有关物资1.1吨。“可见再生生保系统对于整个空间站的长期运行来说,是非常重要的,而我们这个技术目前通过在轨验证还是非常好的。”王春慧说。

  2 太空医院适时监测健康状况,太空空调过滤异味制造氧气

  采血、眼底检查、超声检查、骨密度测试……在公开的视频中,三名航天员进行健康状况监测的场景,引起广泛关注。

  在太空中,航天员的身体健康状况尤为重要,设计人员打造了专门的“太空医院”为他们保驾护航。

  对于航天员身体健康状况的监测,从他们出征那一刻便开始了。监测设备便是在出征仪式上佩戴在航天员大腿外侧的两个银灰色盒子,它们分别是生理信号测试盒、心电记录装置。

  生理信号测试盒,可实时检测航天员飞行过程中的心电、呼吸、体温等生理指标,下传至地面指挥中心,由地面医护人员进行诊断。心电记录装置,用于心电信号的采样与存储,待航天员返回后分析其心电数据。

  6月17日,电视里反复播放着三名航天员出征时的镜头,中国航天科工集团航天三江红峰公司副主任设计师唐辉既兴奋又紧张。他告诉记者,他参与设计的这两样“太空医院”产品,成为最先了解三位航天员身心健康状况的“人”。

  而在核心舱,除了对舱内温度、湿度、空气压力、微重力环境等进行实时监测的设备之外,还安装了很多监测航天员身体状况的医学监测设备。比如,常规医监设备可以为航天员在长期飞行中的生理健康状态和功能提供全面有效的医学监督和保障;睡眠监护仪能够采集航天员睡眠时产生的多路生理信号,为航天员睡眠质量做定期评价提供数据;无创血液动力学监护仪能够实现对航天员一导心电和二导脉搏的无创监测,协助完成航天员的脉搏量、心排量、外周血管阻力等各项血液动力学参数的健康监督。

  如果航天员出现肌肉疲劳,“太空医院”的“太空按摩仪”还可提供按摩服务,对航天员进行电脉冲刺激,协助航天员进行肌肉疲劳恢复和肌肉力量训练。至于航天员的心理状况,“太空医院”还会把相关指标发送到地面,由专家适时进行心理干预。

  不仅如此,设计人员还打造了“太空厨房”“太空健身房”“太空空调”等,为航天员的身心健康保驾护航。

  米饭、鱼香肉丝、宫保鸡丁、红糖糍粑、干果……记者了解到,为保证航天员吃得好,空间站配备了120多种航天食品,有荤有素、有主有副。虽然不能像在地面上一样现炒现吃,但“太空厨房”配备的热风装置、微波加热装置、冰箱等,足以保证让航天员吃上美味的家乡菜。

  据介绍,由于太空失重环境的影响,短期航天飞行后,人会损失10%至20%的肌肉,如不采取积极健身的对抗措施,在长期飞行中肌肉可能丢失50%。“太空健身房”配备的跑步机、健身车、拉力器等健身器械,就是防止他们肌肉萎缩和骨质流失、保障他们生命健康的重要手段。“太空空调”则为航天员们提供了更宜居的环境。

  太空生活更加舒适的背后,离不开技术的强大支撑。

  以太空冰箱为例。食品冷藏设备应用于航空航天领域,不仅要克服发射升空过程中的强烈震动冲击,同时还要克服太空微重力环境下传热机理及均匀温度场的难题。对此,科研人员实现了抗震性能、制冷效率等方面的技术突破,才能为航天员长期在轨驻留生活提供食品低温存储服务。

  “飞船中液路截止阀和气体流量调节阀是‘太空空调’的主要组成部件。”唐辉告诉记者,液路截止阀是开启或截止内回路部分分支流量,以调整内回路中的不同工作状态;气体流量调节阀功能是通过阀门开口量的调节,让舱内的气体流动起来,实现对舱内温度的控制,保证舱中航天员具有合适的温度环境,“通常控制在20多度”。除此之外,“太空空调”系统,还有过滤异味与颗粒物、制造氧气等功能。

  3 空间站WiFi覆盖,通信链路的下行速率与5G相当,时延仅为秒级

  如同PS调色的红色湖水、来自大西洋的最后一滴眼泪、时隔九年再见的“曲线”……9月9日,神舟十二号航天员第二批在轨拍摄的高清图片出炉,让我们再次领略了壮美地球。

  此前,航天员还多次与地面进行画面清晰、声音响亮的“天地对话”,拍摄并传回高清图片、vlog等。这些跨越时空的通信之所以能够实现,离不开空间站、天链中继卫星和地面站的共同参与。

  在我们的生活中,WiFi的重要性不言而喻。设计师们在之前的总体设计方案上不断升级,采用全新的信息技术,让空间站也实现了WiFi覆盖。这一设计大大提高了航天员太空生活的便利性和舒适度。

  6月18日上午,在空间站里的第一个早晨,三名航天员就干了一件让许多网友都非常熟悉的事——给空间站安装无线WiFi设备。

  据介绍,天上的网和地上的网是连成一体的,有了WiFi之后,航天员就可以和地面人员,甚至是他们的家人进行顺畅沟通和视频通话。

  有着航天员“女教头”之称的中国载人航天工程航天员系统总设计师黄伟芬此前在接受采访时就表示,除了日常的科研工作外,航天员在闲暇的时间里,可以听音乐、玩游戏、看视频,实时观看电视直播,也可以随时给地面打电话。“可以看新闻联播,而且是实况直播;还可以和家人、朋友、同事通电话,通过局域网络给地面发送文字短信、图片、视频等等。”黄伟芬称。

  记者了解到,在天和核心舱,10余台有线和无线网络摄像机、有线和蓝牙耳机、手机、笔记本电脑等都可作为网络终端。这些终端将采集到的图像和语音数据等通过有线网络或无线WiFi连接至舱内以太网交换机,通过高速通信处理器经中继链路传输到地面。就好比在地面上,我们打电话、发短信要通过手机天线一样,空间站与地面的联系,绝大部分靠核心舱上的中继天线完成。通信链路的下行速率是1.2G,与地面5G通信速率相当。中继卫星地面站实时接收太空数据,然后将数据传到北京航天飞行控制中心,再根据不同标识进行自动分发,时延仅为秒级。

  将新技术应用在空间站,是中国空间站相较于其他在轨空间站的一个独特优势。

  基于空间站的WiFi网络,一些“接地气”的技术在中国空间站上也得到了应用,航天员在舱内工作生活的舒适性方面有了大幅提高。如智能家居技术。每名航天员都配备有手持终端,他们可以根据个人需求,通过APP调节舱内照明环境,远程控制“太空厨房”的微波炉等。如设置私密语音通道,让航天员可以跟家人说上“悄悄话”。

  还有从有线大耳机到无线内嵌式骨传导耳机的变化。航天员们佩戴着小巧精致的骨传导耳机,连接手机蓝牙后,再通过WiFi连接舱内设备,方便他们在各个舱段相互通话、在任何位置与地面通话,不仅语音效果更好,而且久戴不痛,不会导致听力下降……

  这些技术在民用领域很普遍,但是在太空中在轨使用,仍需要经过一番改造。而这一切都是为了保障长期飞行的航天员有效地工作、舒适地生活,这是我国载人航天工程技术的进步,也是理念的进步。

  本报记者 王珍 【编辑:苑菁菁】