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首次太空養(yǎng)魚,！神舟十八號(hào)發(fā)射在即,，這些“太空出差”新亮點(diǎn)值得關(guān)注,！
2024/04/26 10:55 來(lái)源：科普中國(guó) 閱讀：1.3萬(wàn)
據(jù)中國(guó)載人航天工程辦公室消息,，神舟十八號(hào)瞄準(zhǔn)4月25日20時(shí)59分發(fā)射，執(zhí)行神舟十八號(hào)載人飛行任務(wù)的航天員乘組由葉光富,、李聰,、李廣蘇3名航天員組成，葉光富擔(dān)任指令長(zhǎng),。乘組包括1名第二批航天員和2名第三批航天員,，3人均為“80后”。
這是神舟十八號(hào)航天員葉光富（中）,、李聰（右）,、李廣蘇。新華社發(fā)
作為最新一批神舟載人飛船的第一艘,，神舟十八號(hào)有多項(xiàng)技術(shù)升級(jí),，特別是全面升級(jí)了飛船的電源系統(tǒng)，提升了飛船的性能與安全性,。那么,，隨著我國(guó)載人航天工程的發(fā)展，神舟飛船的電源系統(tǒng)經(jīng)歷了哪些升級(jí)改進(jìn),？此外,，在神舟十八號(hào)載人任務(wù)新聞發(fā)布會(huì)上，還提到航天員將首次在太空中養(yǎng)魚，除了養(yǎng)魚,，航天員還會(huì)進(jìn)行哪些科學(xué)實(shí)驗(yàn)和研究呢,？
這次我們邀請(qǐng)到了中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心周炳紅老師和中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心張偉老師，來(lái)跟我們講講神舟十八號(hào)的那些事兒,。
在神舟五號(hào),、六號(hào)、七號(hào),，三次載人飛行任務(wù)中,，由于電力供應(yīng)不足，航天員不得不吃冷飯,。對(duì)于載人航天來(lái)說(shuō),，電源系統(tǒng)就像人體的心臟和血液一樣重要，需要為其源源不斷提供電能,。
那么,，我國(guó)神舟飛船的電源系統(tǒng)包括哪些部分？分別是做什么用的,？載人航天的電源系統(tǒng)經(jīng)歷了哪些重要改進(jìn),，為什么要不斷改進(jìn)？以下是中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心周炳紅老師采訪實(shí)錄,。
1.神舟飛船的電源系統(tǒng)構(gòu)成
首先，神舟飛船的電源系統(tǒng)由主電源,、應(yīng)急電源,、返回著陸電源和火工品電源四個(gè)部分組成。
應(yīng)急電源,、返回著陸電源這幾個(gè)電源顧名思義,，比較容易理解。比如應(yīng)急電源有重要的“救命”作用,，萬(wàn)一發(fā)生意外情況,，應(yīng)急電池就會(huì)啟用。應(yīng)急電池使用的是高性能比銀鋅電池,，其作用就像UPS不間斷電源,。出現(xiàn)緊急情況時(shí)，飛船返回地面需要4個(gè)小時(shí),，而應(yīng)急電池可以確保飛船的用電量,。
主電源又分為太陽(yáng)電池翼、調(diào)節(jié)控制器,、蓄電池三個(gè)部分,。飛船繞地球飛行一圈大約90分鐘，會(huì)經(jīng)歷光照區(qū)和地影區(qū)。在光照區(qū),，太陽(yáng)電池翼將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能,，同時(shí)為蓄電池充電儲(chǔ)存能量。在太陽(yáng)無(wú)法照射的地影區(qū),，蓄電池負(fù)責(zé)為整個(gè)飛船供電,。
2.電源系統(tǒng)的升級(jí)改進(jìn)
隨著我國(guó)載人航天工程的發(fā)展，電源系統(tǒng)經(jīng)歷了哪些升級(jí)改進(jìn)呢,？
航天員每天的生活用電要依靠電源系統(tǒng),，飛船的用電功率大約2千瓦，相當(dāng)于一個(gè)普通家用空調(diào)或者是一個(gè)功率高點(diǎn)的微波爐的耗電量,，這樣神舟飛船一天耗電40多度,。
在載人航天工程一期時(shí)，由于供電能力有限,，航天員吃的都是冷飯,。載人航天工程二期使用的電源系統(tǒng)中，太陽(yáng)能電池帆板的材料采用了砷化鎵,，代替了一期使用的多晶硅,，發(fā)電能力提高了一倍，可以確保航天員頓頓吃上熱飯,。
神舟十八號(hào)之前的飛船使用的一直是鎘鎳蓄電池,，工作電壓28伏。載人航天發(fā)展過(guò)程中,，還研制了另外兩種蓄電池,，分別是用于天宮實(shí)驗(yàn)室的100伏高壓氫鎳蓄電池，和用于天舟貨運(yùn)飛船的鋰離子蓄電池,，這次神舟十八號(hào)也升級(jí)到了鋰離子蓄電池,。
3.升級(jí)為鋰離子蓄電池
為什么要升級(jí)為鋰離子電池呢？
這是由于空間站時(shí)代飛船的使用環(huán)境和使用時(shí)間長(zhǎng)度變化決定的,?？臻g站時(shí)代后，在軌駐留時(shí)間通常是6個(gè)月,。
這樣一來(lái)就面臨兩個(gè)很嚴(yán)峻的問(wèn)題：一是空間站艙體的遮擋問(wèn)題,，艙體連接長(zhǎng)度數(shù)十米，還有巨大的柔性太陽(yáng)翼,，對(duì)神舟載人飛船的太陽(yáng)翼形成了比較嚴(yán)重的光照遮擋,，導(dǎo)致自主發(fā)電能力不足。還有一個(gè)是神舟飛船?？科陂g需要接受空間站的電力供應(yīng),，由此產(chǎn)生充放電狀態(tài)不斷切換的不穩(wěn)定情況，造成充放電不規(guī)律問(wèn)題。
從神舟一號(hào)到神舟十七號(hào),，飛船配置的都是“鎘鎳蓄電池”,，這種電池具有高安全、高可靠,、耐過(guò)充,、耐過(guò)放等優(yōu)勢(shì)性能，可以滿足神舟飛船高安全運(yùn)行的任務(wù)要求,。但是它也有缺點(diǎn),，就是“記憶效應(yīng)”?！坝洃浶?yīng)”就是蓄電池在長(zhǎng)期小負(fù)載情況下不斷充放電時(shí)產(chǎn)生的,，一旦耗電量又增加、回到滿負(fù)荷狀態(tài),，就可能會(huì)出現(xiàn)蓄電池供電能力不足的問(wèn)題,。
鑒于長(zhǎng)壽命大容量鋰離子電池的安全性，在天舟貨運(yùn)飛船中得到廣泛驗(yàn)證,。為了讓神舟飛船具備更加強(qiáng)大的能力,，從神舟十八號(hào)開始，就換成了鋰離子電池,。
鋰離子電池相較于鎘鎳蓄電池的一個(gè)突出優(yōu)勢(shì)就是沒(méi)有記憶效應(yīng),，使用壽命長(zhǎng)。這就使得神舟飛船克服了不規(guī)律充放電問(wèn)題,，獲得了更長(zhǎng)的?？靠臻g站組合體的時(shí)間，同時(shí)也更加安全可靠,。
航天員在太空中將會(huì)進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)
自1999年神舟一號(hào)飛船發(fā)射至今，我國(guó)載人航天工程進(jìn)行了各項(xiàng)技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn),，開展了大量空間科學(xué)實(shí)驗(yàn),，涵蓋空間環(huán)境、空間生命科學(xué),、空間材料,、空間天文和物理等多個(gè)領(lǐng)域。
本次神舟十八號(hào)將會(huì)在太空中進(jìn)行哪些實(shí)驗(yàn)?zāi)?？張偉介紹到主要有4個(gè)實(shí)驗(yàn)：水生生態(tài)實(shí)驗(yàn),、有機(jī)分子起源實(shí)驗(yàn)、植物干細(xì)胞實(shí)驗(yàn),、潤(rùn)滑材料實(shí)驗(yàn),，以下是張偉關(guān)于神舟十八號(hào)將要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)介紹。
1.水生生態(tài)實(shí)驗(yàn)
首先是斑馬魚和金魚藻的水生生態(tài)實(shí)驗(yàn)，這次將是我們首次把斑馬魚帶到太空當(dāng)中,。在太空中養(yǎng)魚和在地面最明顯的不同之處在于,，地面上水和氣是分離的，魚缸不用裝滿水,，而在太空中水和氣難以分離,，所以魚缸應(yīng)該是滿的。這次實(shí)驗(yàn)主要研究在太空環(huán)境下,，斑馬魚和金魚藻的一個(gè)共生共存關(guān)系,。
金魚藻會(huì)通過(guò)光合作用產(chǎn)生氧氣，供斑馬魚呼吸,，而斑馬魚呼吸所產(chǎn)生的二氧化碳又會(huì)提供給金魚藻來(lái)進(jìn)行光合作用,。通過(guò)這么一個(gè)小型的水生生態(tài)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)在太空中對(duì)水生生態(tài)模型的一個(gè)驗(yàn)證,。
這一次開展小型水生生態(tài)系統(tǒng)研究后,，未來(lái)還要開展陸地生態(tài)系統(tǒng)的研究，將小鼠帶上太空,。在解決小鼠的臭氣排放問(wèn)題之后,，用它來(lái)做實(shí)驗(yàn)，探索人類在太空長(zhǎng)期生存和適應(yīng)的問(wèn)題,。
2.有機(jī)分子起源的實(shí)驗(yàn)
第二個(gè)實(shí)驗(yàn)就是生命起源的分子機(jī)制,。中國(guó)科學(xué)家趙一峰院士提出了蛋白和核酸共起源的一個(gè)機(jī)制，通過(guò)核苷酸氨基酸和磷進(jìn)行反應(yīng)來(lái)驗(yàn)證無(wú)機(jī)分子如何生長(zhǎng)為有機(jī)分子,，這樣一個(gè)分子機(jī)制的驗(yàn)證,。
3.植物干細(xì)胞實(shí)驗(yàn)
第三個(gè)實(shí)驗(yàn)，植物干細(xì)胞,。我們要看在微重力條件下,，植物干細(xì)胞如何發(fā)揮作用，微重力如何影響植物干細(xì)胞的調(diào)控,，從而來(lái)影響它的生長(zhǎng)和發(fā)育,。
4.潤(rùn)滑材料實(shí)驗(yàn)
第四個(gè)實(shí)驗(yàn)是潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)，之前已經(jīng)做過(guò)一些潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn),，我們?cè)谂撏庥幸粋€(gè)暴露裝置,，專門做材料在空間條件下的一些暴露特性。
潤(rùn)滑材料應(yīng)該是非常簡(jiǎn)單的一個(gè)東西,，但實(shí)際上在太空中不一樣,。在太空中高溫在零上100多度，低溫是零下100多度,，在這300度的溫差下面,，同時(shí)還有輻射的作用,。
我們潤(rùn)滑材料壽命非常短，而且很多時(shí)候在高溫情況下它可能揮發(fā)了,。在低溫的時(shí)候它可能冷凍了,。所以說(shuō)我們?cè)谔找?yàn)證這些固液混合的材料，在太空條件下能不能壽命更長(zhǎng),，更好地發(fā)揮作用,。
當(dāng)然，以前的實(shí)驗(yàn)仍然在繼續(xù),。
我們神舟十八號(hào)乘組進(jìn)入太空以后,，不只做這次神舟十八號(hào)帶上去的實(shí)驗(yàn)，還要做大量之前帶上去的一些實(shí)驗(yàn),。比如說(shuō)在生命科學(xué)方面,，我們還要做人骨干細(xì)胞的定向分化，研究微重力條件下,，骨干細(xì)胞如何分化,，如何能夠?qū)λM(jìn)行調(diào)控，讓它更好地生長(zhǎng),。
在材料領(lǐng)域,，我們還要進(jìn)行大量材料的制備。比如說(shuō)鐵基超導(dǎo)的材料,，還有鋁基的材料,，甚至納米材料和一些特殊的材料，要把它在太空當(dāng)中,，用我們的無(wú)溶劑實(shí)驗(yàn)柜,，還有我們的高溫材料實(shí)驗(yàn)裝置把它們制備出來(lái)。同時(shí)還要在軌測(cè)試它的性能,，比如說(shuō)用無(wú)容器的來(lái)測(cè)它的熱物理性質(zhì),、表面張力、粘度和密度等等,。
非常有意思的是我們的燃燒實(shí)驗(yàn),。我們這次帶上的是氣體插件的燃燒實(shí)驗(yàn)，將要開展氣體小火苗點(diǎn)火火焰的傳播和熄火的特性（實(shí)驗(yàn)）,，還要揭示它一些本質(zhì)的規(guī)律。
因?yàn)樵诘孛嫔?，我們知道燃燒是一種浮力對(duì)流驅(qū)動(dòng)的燃燒,，它是一種淚滴狀的火焰，溫度也比較高,。但是在太空當(dāng)中,，由于浮力對(duì)流消失了,，燃燒是一種擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)，所以說(shuō)它是一種球形的火焰,，而且火焰的溫度低,。所以我們?cè)谔债?dāng)中通過(guò)研究這些特性，來(lái)揭示它的本質(zhì)規(guī)律,，從而來(lái)指導(dǎo)我們地面開發(fā)更清潔的燃料,，提高燃燒效率。
我們還有一些實(shí)驗(yàn)是流體實(shí)驗(yàn),，比如說(shuō)在太空微重力條件下,，由于浮力對(duì)流消失了，我們要做一些流體的研究,。比如蒸發(fā)與沸騰,，我們?cè)诘孛媸歉×?duì)流驅(qū)動(dòng)的，它有一些沸騰現(xiàn)象在太空當(dāng)中,，這沸騰現(xiàn)象就變了,。
比如說(shuō)我們開水小氣泡很多，然后慢慢有一個(gè)浮力對(duì)流,，整個(gè)水開了,，在太空當(dāng)中小氣泡會(huì)越來(lái)越大，直到破掉,。但是在頂面的水是很難開的,，所以說(shuō)我們?cè)谔昭芯空舭l(fā)與冷凝，沸騰與傳熱這些基礎(chǔ)的現(xiàn)象,。
同時(shí)我們可能還要研究比如推進(jìn)劑的管理,，在太空當(dāng)中推進(jìn)劑是非常特殊的一種形態(tài)，所以說(shuō)我們需要在太空結(jié)合著這些特殊的對(duì)流現(xiàn)象,，對(duì)整個(gè)流體的管理和流體的輸運(yùn)進(jìn)行深入的研究,。
相信未來(lái)我們一定能看到越來(lái)越多太空實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的成果！