2022年10月份,梦天实验舱将在海南文昌南航天发射场被发射升空,届时我国天宫空间站“一期工程”将完毕,一个T字形的空间站将展示在近地轨道上。
然而就在2022年2月1日,NASA宣布在2031年1月的某个时间点,国际空间站将退出现役,受控坠入南太平洋尼莫点!从1998年开建到2011正式建成,再到2031年退役,总共历时23年,那么我国的天宫空间站寿命又有多久呢?
中国的天宫空间站是近地轨道上第二个空间站,目前还在正式建设中,到2022年底全部建成后将会有核心舱、连个实验舱以及两艘货运飞船和一艘载人飞船、呈T字形的空间站,总质量大约在80~100吨之间,规模约为国际空间站的1/4。
天和核心舱全长16.6米,重约22.5吨,能为三名航天员提供生命支持和生活,并为空间站提供引导、导航和定向控制,另外还有轨道维持与变轨发动机,在舱内还有厨房和卫生间、消防设备、大气处理和控制设备、计算机、科学仪器的实验柜等。
问天实验舱舱体总长17.9米,直径4.2米,发射重量约23吨,是我国目前最重、尺寸最大的单体飞行器,除了大量实验柜以外,它还是核心舱的备份,包括动力以及冗余的控制系统,另外在问天实验舱内还有能供3人生活与睡眠区。
梦天实验舱总长17.9米,直径4.2米,总质量20吨左右,该舱段主要面向微重力科学研究,配置了流体物理、材料科学等多学科方向的实验柜,支持开展重力掩盖下的材料凝固机理等物质本质规律研究以及超冷原子物理等前沿实验研究。
除了这些舱段外,还有来运送货物的1-2艘天舟货运飞船,至少1艘最多可能有2艘神舟飞船(2022年12月将会同时停靠两艘载人飞船)。
目前在轨工作的航天员总共有三人,分别是指令长陈冬、航天员蔡旭哲和刘洋,他们是6月5日搭乘神舟十四号飞船发射升空的,预计将在天宫空间站上停留半年左右,与12月份抵达空间站的神舟十五号航天员在轨轮班,双方将在空间站内一起工作7~10天。
天宫的轨道参数几何,如何观测天宫?
天宫空间站的近地点高度: 378 km,远地点高度: 386 km,轨道倾角为41.4724°,估计大部分网站给出的就是这个数据,但事实上光有这个数据是不够的,因为当你抬头寻找天空中的天宫空间站时还需要更多的数据,这就是两行式轨道根数:
148274U21035A22244.14029550.0000744700000-086698-409999 24827441.4724116.27340005795233.9014263.607215.6197606876649
这是一种轨道编码方式,用于确定给定历元时刻下,绕地运行空间目标的轨道根数。使用合适的预测模型,可以以一定精度估计出目标在轨道上任意一点的位置和速度。怎么解读就不解释了,这个有点复杂,只要知道这个数据可以推测出任意时间的轨道数据即可。
不过可以根据这个来查两个简单的数据,一个是空间飞行器目录编号 48274,另一个是国际卫星标识符 2021-035-A,其实两个知道一个即可,用这个数据就可以在多个卫星数据库里查询天宫的过境事件:
上表是以上海市中心为观测点的可见过境事件,我们随便选择一个观测时间,比如9月17日的这次,最高星等亮度达到了-2.3等,可见时间长达4分27秒,最高观测角度为84°,几乎就过天顶了,在星图上的位置是:
从西南的双鱼到白羊座,再到英仙和御夫座,最后从东北的小狮座离开,其观测时间与各个参数如下:
有空的朋友可以留意下,有了卫星编号,各位也可以试着查询下自己所在的位置什么时候能看到天宫过境。
天宫空间站的建设回顾
一一叙述太啰嗦,就用一张表来代替吧:
到2022年底,一个基本完工的天宫空间站就将展现在大家的眼前。
就像国际空间站一样,天宫也有一个轨寿命,它受到多个因素影响,其中最重要的一个就是轨道衰减,这个问题需要不断维护。
轨道衰减:如何维持轨道?
各位有所不知的是天宫空间站轨道是需要维持的,因为存在稀薄大气分子的阻力,也因为太阳活动时可能会让磁气圈膨胀(当年的天空实验室就是因此轨道衰减大幅提前),这些都会造成阻力增加而轨道衰减,因此像国际空间站这样每年需要大约消耗7.5吨燃料来维持轨道,是不是一个很可怕的数字?
国际空间站装备的是肼类燃料,好用但这是化学燃料,消耗量有点大,天宫空间站装备了肼类燃料和离子发动机两种,前者和国际空间站没什么两样,而后者用的则是LHT-100型霍尔氙离子电推,总共用了4台,推力80mN/台,消耗的推进剂是氙,另外还有近地轨道上“取之不尽”的太阳能电力,这个发动机比较“省油”,可以长期维持在轨。
不过要是失去维护的话,天宫也将在1~2年内坠入大气层,这个可是很现实的,而这些燃料都需要用火箭送上去,每千克单价大概是上万美元,所以没钱千万别玩空间站,忒局!
太空垃圾:如何躲避
除了轨道维持外,还有太空垃圾近接事件,比如各位去查询过境时间时还可以查询一个近接事件,也就是某个太空垃圾或者其它卫星意外接近空间站的事件,万一有太空垃圾或者失控卫星靠近空间站,那么必须启动发动机变轨避开,当然这会离子电推不够了,需要化学火箭发动机:
比如9月2日就有一个编号为48274的卫星SKYSAT C19接近空间站,最小距离2.459千米,高度差1.083千米,相对速度6.372千米:
变轨同样需要燃料,也需要人工监测维护,假如没有维护,指不定哪天就被一个不长眼的太空垃圾给击中了,所以轨道维持和太空垃圾监测可是一项持续工程。
设备逐渐老化:国际空间站前车之鉴
从1998年第一个舱段曙光号部署,到2011年基本罗成,国际空间站已经过了13个年头,所以此时的国际空间站上第一个舱段寿命都已经过半了,而俄罗斯则认为2024年就是最早发射的几个舱段的寿命期,俄罗斯航天局准备在2024年后放弃国际空间站另起炉灶建设ROSS俄罗斯空间站了。
而从开建以来,国际空间站也发生了多次“险情”,尽管不是特别严重,甚至还夹杂着美国宇航员的故意破坏行为,但这也表示,国际空间站的红利正在快速消退,而未来的各种故障事件将会大幅增加。
从2017年以来,国际空间站发生多起漏气以及出现裂纹等事件,还有饮水设备损坏,出现异味也不在少数,至于设备损坏,马桶堵塞同样也出现多次,另外需要引起重视的是国际空间站在2021年5月12日一次检查中发现了拿大的机械臂Canadarm2臂杆上有一个小孔,不确定是太空垃圾撞击还是微流星撞击,如果撞击点位于外壳或者某个关键位置,那么将可能发生更严重的后果。
国际空空间站消耗多少资金
国际空间站的费用原计划预算为500亿美元,其中包括美国的研制费用276亿美元,欧洲航天局36亿美元,日本35亿美元,俄罗斯30亿美元,加拿大10亿,另外还有轨道组装费用110亿美元!
但从1998年建设到2018年为止,加上运营总共已经消耗了1600亿美元!未来每年运营的费用约为30亿美元/年,看来空间站运营真的是个无底洞。
从国际空间站(ISS)的案例我们也可以看出ISS遭遇的问题我们也会碰到!中国空间站设计在轨飞行10年,具备延寿到15年的能力!我们正在建设中,未来还有很长的红利期,而且由于我们的精心维护,相信天宫空间站一定会比国际空间站寿命更长。
比如国际空间站从2011年建成开始到2031年,即使按国际空间站的寿命计算,那么未来也将使用到2042年,当然也有可能更久!
空天飞机:未来的不再是管状空间站
相信大家一定会有个疑问,天宫寿命到了我们会建设新的空间站吗?答案可能会提早建设,理由也很简单,在未来10年内,我国将有一款空天飞机投入使用,它的运载成本将远低于目前的运载火箭。
甚至有专家表示,空天飞机投入使用后可以将近地轨道的运输成本降低到500~1000美元,到那时,开建的不再是目前像管子那样连接起来的空间站,而是一个巨型环形空间站!
有话要说...