中青报：揭秘天宫二号的“太空黑科技”
第五航天科学技术研究院天宫二号仿真地图
9月15日22: 04，中秋节晚上，中国第一个全尺寸空间实验室“天宫二号”成功飞入太空。下个月，它将等待神舟11号进入太空。两人将完成会合和对接，并为宇航员形成一个“太空屋”。
届时，宇航员将在这里工作和生活30天，这也将是迄今为止中国最长的载人飞行。2013年，三名中国宇航员曾在天宫一号停留了15天，验证了他们在轨道上的“短期”存在。这一次，宇航员将在天宫停留两倍于以前的时间，以验证“中期”在轨停留。
这并非易事。如何确保宇航员在30天失重状态下有良好的生活和工作条件？《中国青年报》、《中青在线》记者采访了天宫二号总体研究单位航天科技集团第五研究所(以下简称第五研究所)的专家。
精美装饰:配有旋转自行车和私人通讯设备
第五研究院天宫二号的总设计师朱宗鹏告诉记者，与天宫一号的“简单装饰”不同，天宫二号和神舟十一号组成的“太空屋”是“精致装饰”。“科学设计”可以用来描述室内装饰材料、生活支持设施、照明设备、空气环境等的“精致”程度甚至细节。
如果把天宫二号和神舟十一号的对接组件比作“太空屋”，那么天宫二号就是太空屋的“大房间”。朱宗鹏说，在天宫与神舟的结合中，工作、生活、实验、睡眠、娱乐、垃圾储存等领域被分割开来。
在天宫二号，宇航员工作和生活的空间大约是15立方米。占据大面积的是宇航员锻炼的“跑步平台”和工作的“多功能平台”。朱宗鹏说，这两个折叠是为了最大限度地节省空间。
在距离地球393公里的寒冷、孤独的太空中执行为期30天的任务，不仅是对中国航天保障能力的严峻挑战，也是对航天员生理和精神的双重考验。这就要求天宫二号不能有任何健康和娱乐设施被“遗忘”。
例如，天宫二号准备的跑步机和“旋转自行车”。第五研究院天宫二号空间实验室的航天器工程师张亚斌说，宇航员长期生活在地面重力环境中。一旦他们进入失重环境，他们的身体将经历各种变化，导致许多不一致。这些变化被称为失重生理效应。为了保护宇航员的生理健康，健身器材是非常必要的。
此外，“健身神器”——骨质流失计数器，也被称为“抗骨质疏松仪器”，是为宇航员量身定做的。张亚斌说，这是保证宇航员在太空飞行中健康的重要仪器。它刺激骨骼，改善血液循环和保护骨骼健康，通过点击人体小腿相应的穴位。
面对在轨道上30天的挑战，为了让宇航员过上轻松的生活，设计师们也在通信、视频和电子邮件领域做出了聪明的努力。
张亚斌说，在天地链接和地面数据转换的帮助下，宇航员可以在轨道上实现与地面的视频互动，还可以在轨道上阅读电子书或期刊。天宫二号还支持电视新闻和比赛等实时音频和视频信号的地面广播，并配备了音频设备。
值得一提的是，在天宫二号的睡眠区，设计师们还特意为宇航员增加了一个“云插座”，让他们可以和家人私下交谈。
“一切为了载人，一切为了成功”是我们的工作理念，也是我们的实践准则，第五研究院院长张洪太说。在天宫二号和神舟十一号的设计和开发过程中，第五研究院致力于为宇航员建造一座“五星太空屋”，让宇航员在遥远的深空中感受到“家”的舒适和温暖，更安全、高效、愉快地参与各种飞行试验任务。
高智能:“人工制品”武装“太空屋”
事实上，天宫二号原本是天宫一号的备份产品。天宫一号发射时，天宫二号已经被设计和开发。然而，随着天宫一号任务的成功完成，天宫二号被赋予了新的任务，如进行宇航员中期停留和在轨维护技术测试。
朱宗鹏说，科研人员对天宫二号进行了彻底的改造和升级，不仅解决了天宫一号在轨运行过程中暴露出来的产品设计缺陷，还用各种各样的“神器”武装了“天宫一号”，大大提高了它的性能和智能。
以“太空屋”的“大脑”为例，它是一个高度智能的产品。控制计算机系统和自主开发的空间光二号操作系统能够自主进行航天器飞行轨道的智能诊断、姿态调整、运行状态以及遥测下行和地面遥控命令的执行。
值得一提的是，该系统可以实现“多任务处理”，可以同时管理和运行几十个任务，并具有“三机容错”功能，可以从三台相互备份的计算机中发现错误并发出正确的指令。朱宗鹏说，这真正实现了多台计算机在故障情况下的无缝切换，为宇航员在太空工作和生活提供了强大的生命保障。
噪音是影响宇航员能否在太空环境中轻松工作的主要因素。然而，工作舱内的一些设备需要日夜工作，并且会发出各种噪音，这可以被称为宇航员的“折磨”。
第五研究院天宫二号空间实验室航天器工程师尚表示，为了最大限度地降低噪声对航天员的影响，该院制定了严格的生活区和仪器区噪声控制指标，并采用设备分区安装、附加吸能装置和优化消声装置等方法，将航天员工作区和生活区的噪声控制在50分贝左右。
尚还提到，为了防止天宫二号夜间进出地区的声音通知影响宇航员的睡眠，研究人员特意增加了一个“禁止功能”——宇航员可以根据自己的需要决定是否屏蔽地区的声音通知。
在太空中，宇航员是失重的，他们行动时经常需要依靠踩在内部结构上的反作用力。然而，在天宫一号时代，当宇航员踏上月球时，总是会有“一次踩一个坑”的不便，因为他们的脚上有柔软的内部装饰。
轻质硬件材料解决了这个问题。尚还告诉记者，科学研究人员在天宫二号的几个区域增加了许多坚硬的扶手，并引入了常驻安全带、头戴式无线蓝牙耳机和其他设计来解放宇航员的双手。
体贴:最舒适的温度和颜色
最舒适的体表温度为23℃，相对湿度为50%左右。朱宗鹏告诉记者，天宫二号搭载的热控系统可以将密封舱的空气温度控制在22 ~ 24℃，相对湿度控制在45% ~ 55%，这是人体最舒适的环境。
事实上，如何长期提供适合人类生活的环境，如何长期提供舒适的温度和色彩等“周到”的环境设计，将在天宫二号任务中得到验证，为航天员长期留在轨道上提供有力保障。
载人航天器热控和卫星热控的最大区别在于，载人航天器热控子系统不仅能保证仪器和结构的温度，还能为宇航员提供舒适的温湿度环境。
就像我们熟悉的家用空调一样，天宫二号的热控系统也可以在炎热潮湿的夏天给房间送去冷空气，去除空气中的湿气，在寒冷干燥的冬天给房间送去热空气，并对干燥的空气进行加湿，使室内的温度和湿度保持在人体最舒适的范围内。
然而，这种“天宫牌”空调并不完全等同于家用空调。家用空调一般需要制冷20平方米的房间，空调功率约为1200瓦..然而，在外层空间，电力资源非常宝贵。据第五研究院综合部的专家称，在外太空使用1200瓦的能量太奢侈了。
因此，天宫牌空调不再需要使用压缩机，而是直接利用外层空间的寒冷背景和单相流体回路的集热和传热功能，将密封舱内仪器设备产生的热量、化学发热和宇航员产生的热量通过散热器散发到外层空间，总热量达几千瓦。这使得整个空调系统的功率只有大约220瓦..
另一种可以称为“体贴”的设计是颜色。
研究人员用不同的颜色描绘了天宫2号。它周围的墙壁是亮白色的，底部是深灰色的，工作台和其他面板是天蓝色的。尚说，这种多层次的色彩划分有望给航天员一种耳目一新的感觉。
值得一提的是，这种涂料是不寻常的，是一种特殊的“太空涂料”。其主要技术指标是“环保”，不含任何有毒有害成分。毕竟，在太空环境中，没有重力和气压的限制，物质的挥发速度是地球的几倍。朱宗鹏说，密封舱内使用的油漆一旦含有有毒物质，就会直接危及宇航员的健康。
他还透露，为了保证宇航员在太空中的空气质量，第五研究院的科研人员专门研制了一种环境控制检测装置，可以同时监测20多种气体和二氧化碳、乙醛等有害微生物的浓度。在“太空屋”里。一旦有害物质的含量超过警戒值，就会立即报警，并指示宇航员按照预定的方法进行处理，以确保宇航员的生命安全。
中国青年报、中国青年在线记者邱来源:《中国青年报》(2016年9月20日，第11版)
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天宫二号的三大刺客
天宫二号航天科技集团第五绘图院
9月15日22点左右，在长征火箭的助推下，天宫二号来到了广阔荒凉的太空，取代了它的“姐姐”——天宫一号，开始观看中国大地。
这次天宫二号不仅是宇航员的“太空家园”，也是我国第一个完整意义上的太空实验室。它肩负着许多新的空间技术和产品的验证任务。那么什么是值得注意的呢？《中国青年报-中青在线》记者采访了天宫二号的主要研究单位——航天科技集团第五研究所(以下简称“第五研究所”)的专家进行调查。
维护就像插拔u盘一样方便。
维护方便是天宫二号的一大杀手。在科幻电影中，当一套大型设备出现故障时，研究人员可以像插拔u盘一样，迅速拔掉损坏的部件，插入新的部件，然后设备恢复正常运行。
现在，这样的场景将会在天宫二号上上演。
据五院天宫二号总设计师朱宗鹏介绍，五院科研人员通过合并类似项目的理念，实现了天宫二号供配电、热控、数据管理等系统的高度集成模块设计，并创造了可快速更换的模块单元。
以智能配电装置为例，五院科研人员满足了产品使用寿命长、可靠性高、操作方便的要求。在中国，首次在航天器上采用“插入式”结构设计。在地面模拟试验中，科研人员只需几分钟就能完成维护和更换。
这是研究所529工厂开发的配送“管家”。众所周知，航天器供电系统的可靠性和安全性一直是航天器系统关注的重点之一。然而，航天器供电系统的传统“开关”往往采用机械触点继电器开关。一旦机械触点的“开关”失效，将对航天器的性能和可靠性产生重大影响。
在普通人的房子的墙上，会有一个不显眼的电源控制箱。当房子里的电器短路时，里面的开关会自动跳闸来保护它。电源控制箱的主要功能之一是电源开关。天宫二号的配电“管家”不仅能像普通电源开关一样供电，还能在故障发生时切断电源，故障修复后自动恢复供电。
当然，在实验室里，研究人员可以在几分钟内完成修理和更换，但在那天，一切看起来可能都不一样。为了确保宇航员能够在太空环境中熟练操作，这些研究人员还通过多次模拟试验，编制了一份量化和图解化的操作手册，为宇航员进行在轨维护试验提供“可见”的便利。
“固体汤”:缓慢漏气的篮球
天宫二号是一个具有外部真空和内部大气的结构。为了评估它的安全性，一个重要的指标是在未来两年的在轨飞行中，“空气泄漏量应该非常小。”就像最好的篮球迟早会泄漏一样，但是好的产品和设计会使泄漏非常缓慢。
据第五研究院综合部专家介绍，天宫二号整体结构为金属结构，但由于其内部包括观察孔、开关门等易漏风部件，“密封”成为必须解决的问题。
其中最重要的是密封圈。一般的密封圈都有老化的问题，更不用说空间的温度变化更剧烈了。第五研究院综合部的研究人员开始了他们对公式的研究，然后是密封环的结构形式和密封结构的设计。最终，他们赢得了战斗，这也使天宫一号在安全运行两年后成为结构设计的一张闪亮的“名片”。
然而，结构设计者并没有就此止步——“空间实验室”本身不够安全，空间碎片和空间碎片随时都可能成为威胁。当空间碎片撞击大空间时，是否有可能及时发现、感知和定位空间碎片的位置？
灵感最终来自人类自身——人类自身是非常好的感知系统，能够通过神经系统及时发现外部刺激。这些研究人员开始考虑是否可以在传统结构中增加一个神经系统来实现对撞击的感知。
据第五医院综合科的专家称，这种“神经系统”有望在不久的将来应用于扩展其结构功能，实现更安全的空间。
只有半箱“油”被带到空中，飞行时添加“油”。
据朱宗鹏说，天宫二号负责验证中国空间站的未来技术。因此，在轨道设计中，天宫二号选择了离地球393公里的轨道，这也是中国未来空间站的轨道高度。
与以前的载人航天任务相比，这个轨道足足高出50公里。然而，未来由天宫二号和神舟十一号组成的“太空屋”仍然是一个低轨道航天器。它在距离地球不到400公里的太空中运行，在这个位置仍然会有一个稀薄的大气层。
据专家介绍，由于大气阻力的影响，航天器的运行速度将继续下降，导致轨道高度不断下降。为了保持相对稳定的轨道高度，航天器需要持续消耗其携带的推进剂。
因此，“燃料箱”在天宫一号发射前将会装满。它携带超过一吨的推进剂。然而，今天的天宫二号只加了半箱“油”。这要归功于研究人员开发的在轨加油系统，该系统可以在太空飞行的同时为天宫二号“加油”，这将大大提高其在轨运行时间。
朱宗鹏说，天宫二号不担心"食物和衣物不足"，而且减轻的重量可以承载更多的负载产品和宇航员的生活材料。
事实上，用“不断发展、不断检验”来形容“太空屋”的诞生并不为过。在天宫二号和神舟十一号的研制过程中，第五研究院的研究人员考虑到“太空屋”的长期在轨和在轨填充等特点，特别引入了连续100小时模拟飞行试验和航天员中途停留地面的1: 1试验等各种试验。在全船累计的电测时间中，他们甚至突破了1500小时，创下了天宫一号的新纪录。
箭头指向苍穹，探索宇宙的旅程永远不会一帆风顺。它将永远充满荆棘和挫折，甚至遭遇失败。俄罗斯联邦和美国挑战者是惨痛的教训。
第五研究院党委书记赵小金也表示，虽然研究院在载人航天任务上保持了100%的成功率，但他们始终以“谨慎”的态度对待每一个新的任务，以“第一次飞行，第一次战斗”的标准和行动，高标准、严要求地完成各项任务，打造出让自己、航天员、祖国和人民放心的航天器。
中国青年报、中国青年在线记者邱来源:《中国青年报》(2016年9月20日，第11版)
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