在空間站上種青菜，到火星上種土豆，這是中國科學家的獨特浪漫

導讀

2021年4月29日，中國空間站核心艙“天和”發(fā)射成功，我和我的朋友中科院國家空間科學中心研究員周炳紅、孫志斌做了一場直播。這期視頻是錄播的第二集，共有三集。第一集見《空間站是怎么發(fā)展起來的？最初還帶了機關炮上去？ | 科技袁人》。中國空間站天和號發(fā)射直播視頻之二

精彩呈現(xiàn)：空間站上種青菜，到火星上種土豆，這是中國科學家的獨特浪漫

袁嵐峰

歡迎大家來到《科技袁人》的直播，我們請的兩位嘉賓是中國科學院國家空間科學中心的兩位研究員：周炳紅老師和孫志斌老師。孫老師還是剛剛從海南的發(fā)射現(xiàn)場回來，所以帶來了很多前線的信息。

袁嵐峰：我們來討論第一個問題，就是去年我們是有很多的成功的發(fā)射項目，比方說北斗組網(wǎng)、嫦娥5號從月球取樣又返回了、天問一號今年除夕的時候也到了火星，再過不久它就要往下落了，就要看它那個探測器是不是能夠真正落到火星上。而我們這個空間站建設剛剛開始，它會持續(xù)兩年，跟前面這些任務相比，空間站的建設到底難在什么地方呢？

孫志斌：我們是神舟1號2號3號4號,這4個飛船都是作為前面的技術驗證,就是要把人送上天之前先發(fā)了4艘。這4艘，第一艘是兩艙，第二艘是三艙，第三艘就是加上了人的這些安全的措施，還有這些就叫三艙了，三艙的一個系統(tǒng)，第四就實際上是它的一個應急逃生。

應急逃生的話這是一個復雜的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)的話要詳細來說。首先是上升段的逃生。上升段逃生的話，首先要對應的在地面上準備兩個逃生的降落基地。一個是在中國陸地上有三個場所，將近1800公里的這樣一個場所，你怎么尋找這樣的場所，那就在內(nèi)蒙古。另外一個是要在海洋上降落，在海上也要有將近2000公里的這樣一個區(qū)域，這是應急逃生。

在天上了以后我們要運行逃生的話，運行期間如果發(fā)生這個問題怎么辦？也有兩個，第一個的話是國內(nèi)應急逃生場所，還有一個是叫國外。什么叫做國外呢？國外的話就是有好幾個國家，6個國家組成的，6個地方組成的這樣一個國外的逃生場所，包括北美南美北非澳大利亞，這些都是我們國家要建的。從這個上面來說，要協(xié)調(diào)這么多國家完成這樣一個任務，實際上是一個非常艱巨，它是一個全球系統(tǒng)。要把中國人安全地送回來，在上升段和運行段，還有在降落段都要安全回來，這是第一階段。

到第二階段的話，把中國人的神五神六神七，就把一批宇航員，像楊利偉神五給送上去，做了一個一人的；然后神六是兩人的；神七三人的。你看都是一步一步來走，你想想多一個人的重量，到天上的吃喝這些都是要有它的很高的成本，都要一個一個做實驗，還不能一下子上三個，這樣的話成本太高，失敗率也很高，風險也就很高。所以在這個過程中，為了把人送上去，這個飛船的大腦和火箭的大腦，都變成了什么，雙腦。雙腦是什么？控制器都是雙的，有一個不行，萬一這個壞了，還有另外一個還能確保它的工作。這就是我想這是和之前的衛(wèi)星，和其他的飛船之間的一個最大的差異，因為它都是要確保人員安全。所以這是第一階段完成了以后，我們進入了第二階段就是天宮一號，然后和神八神九神十的對接，要正向對接和反向對接。

當年蘇聯(lián)的時候，禮炮1號到禮炮6號的時候都有好多次的對接失敗。這些對接失敗，中國是不是會發(fā)生呢？那就一個一個技術來實驗，有幸是我們中國的這些技術都成功了。到了天宮二號和神十一對接，把宇航員再送上去，這些基本上就是我們把前面的技術都走了。

在這個過程中，還要有不光是我們，要有天宮一號和二號，還有這些神舟的還有貨運天舟一號飛船，這些都是完成對接了，還要有什么？還要有楊利偉上去，我們要有境外的有6顆衛(wèi)星作為中繼星實現(xiàn)24小時通訊。一個衛(wèi)星在中國的天空上大概有10分鐘的時間和地面上通訊，但是人上去了以后，就必須要確保24小時能實現(xiàn)不間斷地通訊和溝通，所以最后我們又發(fā)射了大量的天鏈一號天鏈二號作為中繼星，這樣的話構成了一個由空間站神舟和天舟，還有天鏈組成了天上的好多顆飛行器，組成了一個龐大系統(tǒng)。在地面上也組成了一個有酒泉，還有我們現(xiàn)在的海南文昌，組成了一南一北的這樣一個。南邊的是送貨的，和送空間站的核心艙了，北邊這個是送人的，所以走出了南北這樣一個體系。所以這樣一個系統(tǒng)它是由八大系統(tǒng)構成，這八個系統(tǒng)有區(qū)域之間的一個協(xié)調(diào)是一個非常難的問題。也就是在過去這20年里我們中國建立了這套系統(tǒng)，為我們今天的空間站的核心艙天問號的飛行，做出了巨大的這樣一個基礎的驗證。

周炳紅：我是想回應一下袁老師一直很關心的錢學森的系統(tǒng)科學思想。來稍微給它總結一下，就是說咱們空間站建設，剛才孫老師講了很多具體的例子，也做了一些定性和少量的定量的描述。我就說錢學森的系統(tǒng)工程思想，它就是說最后從定性要上升到定量。我就用定量的語言把我們國家的空間站建設的發(fā)展歷程簡單地說一下。

首先要解決我們一個人上天的問題，也就是說一人一天；那么第二階段我們可能要多人一天在天上生存，在天宮特別是天宮二號就解決了，應該說是兩人33天生存問題。那么我們空間站將來的難點就是要解決三個人能不能，當然不是他們?nèi)齻€人連續(xù)生存，但是我不間斷地輪換，三人能不能生存10年以上的時間。用這么一個指標來描述它的難處，將來也是我們要實現(xiàn)的目標。具體的技術，我們后面的其他問題可以再展開。

袁嵐峰：我們來討論下一個問題天宮上能夠開展什么樣的科學實驗？這個對于將來的深空探索有什么影響？

周炳紅：我來先說一下，圍繞著空間站核心目標，就是我們要很多人要能夠長期地在太空生存，那么就要第一個就是要檢驗我們核心艙相關的設備是不是正常，要開展實驗，就是我們這個核心艙主要是要實驗達標。它對于宇航員，水的循環(huán)系統(tǒng)能不能正常的工作，還有空氣，氧氣制氧系統(tǒng)能不能工作，如果這些能工作了以后，我們宇航員上去以后就很舒適了。如果是這些實驗驗證了我們核心艙這個功能是完善的，那對未來就會有一個影響。因為我們這個核心艙其實是還有一個備份件，意味著我們未來這個空間站，可能就可以進行擴展，把備份件那個備份的核心艙，就加到空間站上去，這樣我們的空間站相當于就拓展了。那就有可能從三人在這個空間站上，我們可以達到六人同時在空間站上長期的生存，這是一個可能的實驗，需要考核的一個方向。

第二個就是我們的空間站能不能做到很舒適，宇航員在上面，不管是空氣水食物都很舒適。還有我們的鍛煉設備、體育訓練設備，讓宇航員感覺很舒服。這樣的話單個宇航員能夠在空間站上生存很長時間，他沒有壓力。這樣的話就有一個什么樣的目標呢？就是說我們空間站建設的目標，本來就是為了實現(xiàn)人類在太空的長期的生存，這個長期是沒有上限的。所以也就是說對未來的影響，我們能不能夠打破這個世界紀錄，我們有沒有可能一個宇航員在上面生活兩年三年，這是將來值得觀察的一個需要實驗來檢驗的方向，也是值得期待的一件事情。這個會很難，但我覺得做空間站的實驗，做這個研究，就是奔著這些難題而去的。

所以如果我們的空間站，將來宇航員的生存很舒適，就有可能宇航員能夠也愿意在上面持續(xù)地待上兩年到三年的時間，我覺得主要的是這兩個方面，看孫老師能不能需不需要補充些什么？

孫志斌：宇航員在天上要長期吃飯，這吃飯的話能不能在天上我們把成本降低，在天上解決能長期自給自足的這樣一種基本的一個問題，那就需要我們開展植物的培育，高蛋白動物的一些培育。這些實驗我們要在其中要開展，開展完了以后還要讓它變成一個系統(tǒng)。變成一個現(xiàn)在的話是一個叫有限的生命保障系統(tǒng)，但以后是完全自主的一個不受控的真正的保障系統(tǒng)，到最后我們能減少天地往返帶來的成本。

這樣的話我們就為我們后面10年20年30年，為我們后面的人再到天上的時候，上面早就建好了一個菜園子，等你上去吃飯去。嘗嘗太空生產(chǎn)的這些食物是什么樣的味道，就和人有關的一系列的安全科學方面的一些探索實驗，包括生命包括物理，包括燃燒流體等等。能想到的或者還想不到的我們都要去做。這就是國家要建成的一個國家實驗室的發(fā)展趨勢。

袁嵐峰：您剛才說的讓我想到一個笑話，說是中國人無論搞什么，最后都會變成種菜，是吧。你現(xiàn)在這么快就開始談到在空間站上種菜了，當然這個不只是空間站上，對于我們將來移民去火星，也是有非常大的意義。我看過一些關于談論移民火星的書，里面有談到將來在火星上吃什么。因為首先說火星上它是有土壤的，所以我們可以在那種比方說土豆，這樣的植物在那是可以生長的。你如果在火星上不滿足于吃植物你要吃肉，那吃什么呢？也可以培養(yǎng)一些高蛋白的，比方說什么面包蟲之類的東西。這些東西看樣子我們都不需要到火星，我們在空間站上就可以先把它種起來了。

國際空間站現(xiàn)在已經(jīng)到了它的壽命的末期了，因為它預定是2024年退役。所以它現(xiàn)在已經(jīng)是各種小事故都層出不窮了。我們這個空間站，我們要保障可靠性安全性，我們在技術上有什么創(chuàng)新和突破呢？

周炳紅：首先我們國家空間站，由于是我們一個國家獨立建設的。所以總體來說它，而且在前人的基礎上，所以它會在整個的使用效率上會比前人的會更高，因為我們是一個國家建設的。特別就體現(xiàn)在核心艙的功能上，也就是說我們國家的空間站的模式是叫積木式，國際空間站是桁架式，它是一個多個模塊的拼湊。我們的積木式是三個模塊，應該說是很高效率的結合在一起。

在最后就是我們的單位重量，里面的實驗設施會更多，密度更高。有人是比較了一下，我們大概可能建成打比方只有100噸左右，國際空間站是400噸，但我們的實驗柜大概有他們的70%-80%，我們的實驗柜就數(shù)量上跟他們是比較接近的，這是總體上的一個技術。這個也會體現(xiàn)在我們現(xiàn)在積木用的對接口，今天發(fā)射核心艙的前面那個對接口上，我們對接口其實主要的對接口，就是沿著軸向前方的那個對接口。

我今天是特意到中國科技館去看了一下實物，它是1：1的，里面的結構和功能也都是完全一樣的。你會發(fā)現(xiàn)它在前端對接口裝了大量的用于對接的設備，就是有一個十字形的對接的，相當于是一個應該叫示標，一個示蹤的標志，這是一個。還有它會有一些光學的光照的燈光，能夠是有光學相機，用光學相機來判斷我的目標飛行器跟對接飛行器之間是不是位置達到了精確的對準；還有雷達設備，那么在其他的兩個口，就是側向的兩個口，它就不叫對接口，它叫停泊口。

所以我們兩個實驗室，問天號和夢天號實驗艙都是先在前面那個對接口對接對接完了以后，用裝在核心艙的一個機械臂把它轉移到兩邊的兩個停泊口，所以這樣的話就，整個空間站的建設效率就更高了，這是一個。

第二方面，它的調(diào)姿用到了一種霍爾電推進技術?；魻栃碾娡七M裝置，這是在空間站上第一次用，當然這是因為我們建的更晚。這樣的話會有一個什么好處呢？就是因為霍爾電推進它的效率更高，這樣的話我們國家以后推進劑補給就可以更少。為什么要補給？是因為這個空間站在400公里高，其實是有一定的空氣的，這樣它導致空間站每天會下降100米左右，所以要補加推進劑去維持它的軌道，過一段時間要用推進劑去提升一下，所以我們國家也是有推進劑的補加技術。通過霍爾推進裝置的使用，就減少了推進劑的補加量，這也是一個技術上的突破。

袁嵐峰：我來向觀眾解釋一下，霍爾推進劑它是用電推進就是說用一個很高的電場，把離子帶電的離子加速然后噴出去，這樣的話你達到的速度可以遠遠的超過化學反應的一個推進劑。化學推進劑噴出來的速度一般都是幾公里每秒，但是霍爾推進劑它是可以達到多少？有上百公里每秒嗎還是多少？

周炳紅：這個大概是，因為我看到的數(shù)據(jù)大概可能是15公里每秒左右。我們的液氫液氧發(fā)動機大概是4.5公里每秒，所以是它的3倍左右。

袁嵐峰：對于質(zhì)量的節(jié)省就會很多了。它實際上噴出來的就是氙氣Xenon，那么它是一個惰性氣體，所以我們要補加推進劑。

周炳紅：另外就是我們的核心艙把這些功能都集中在一塊，所以用了一個大尺寸大重量的核心艙。我們是22.5噸，有16米長，這是因為我們國家長征5號的運載能力剛好是比較大。美國的話，因為它用航天飛機，航天飛機運輸?shù)臅r候是人貨混裝，所以其實它的運載能力就是它的運載重量并不重的。所以它們國際空間站最重的艙段都不超過20噸。所以它的核心艙，就是核心艙的功能，我們的核心艙的功能是由俄羅斯三個艙段組合在一起才實現(xiàn)的。這是我們國家由于站在前面的基礎上，所以把他們的這些功能，就是系統(tǒng)性的集成在一起，也取得了一些突破。

袁嵐峰：孫老師有沒有要說的？

孫志斌：實際上國際空間站現(xiàn)在，它已經(jīng)上面有好多孔了，這些孔已經(jīng)開始漏氣了。于是好多人就是為了找到這樣一個泄漏孔，怎么去找泄漏孔，大家想出了好多辦法。有的人說哪個地方泄露，我通過什么手段給測一下，但是他們目前用了一種我散發(fā)一些小的碎片看它往哪兒飄，通過這種方法來測，大家就可想而知了。國際空間站經(jīng)過長期服役以后，這些漏洞就百出，安全系數(shù)就太低了。我們空間站也要在這上面，為了保證我們的安全，在這些防護方面我們會看到它里面有個內(nèi)層，外面還要再加一個外層，有個多層結構，減少這種碎片。更重要的話我們還要有我們地面上組成了一個龐大的碎片監(jiān)測系統(tǒng)，要對它進行預測預報，然后躲避。如果需要我發(fā)現(xiàn)在這個軌道上有一個重要的東西，我們就把軌道提升或者調(diào)姿，然后把它避開過，這就變成一個主動的飛行器。這個主動飛行器那就相當于它要求對姿態(tài)的控制和過去就不一樣了，所以這是在第二點。

第三點上，國際空間站是一個龐大的系統(tǒng)。這個龐大的系統(tǒng)，它每個系統(tǒng)相互之間有一個機械的耦合，它會帶來一個微重力水平的下降，而我們這個空間站，我們相對比它小，微重力水平相比較比它高，這也就是為什么我們中國空間站到了天上以后，后面還會再發(fā)射一個光學艙，光學的一個在這個軌道上對接，必要的時候把它對接，不必要的時候把它分開，這樣能實現(xiàn)一個很高微重力水平的這樣一個平臺。因為我們上去還要做實驗，它是一個國家實驗室，這個國家實驗室如果重力水平比國際空間站還差，我想我們這個空間科學實驗怎么去做，這就是科學家所關心的事。