【“问天”发射!510所再现磅礴力量】

7 月 24 日,空间站问天实验舱在中国文昌航天发射场发射升空,这是我国空间站建造阶段三个舱段中的第二个舱段,也是中国空间站的首个实验舱。中国空间站"问天实验舱"是当今世界现役最大单体载人航天舱段,其发射质量 23 吨,轴向总长 17.9 米,舱体最大直径 4.2 米,较之"天和"重量和长度都创造了单体载人航天器的"历史记录"。问天舱分为工作舱、气闸舱、资源舱三部分,不仅配置了与"天和"一样的航天员在轨生活的居住区和生活区,充分满足航天员的"吃穿住行",作为空间站内的实验舱,它的主要作用还是作为"太空实验室",工作舱中配置了大量的科学研究机柜,可以实现单学科或多学科交叉的空间科学实验,整体达到国际先进水平。而一直备受大家期待的"太空授课"也将以全新的面貌在"问天实验舱"开展。

此次"问天"任务,510 所再次聚力出发,研制的载荷适配器、舱外投光照明子系统、音频单元、照明设备等一系列火爆"单品",将乘坐"问天"到达宇宙深处,发挥探索浩瀚星空的重要作用,进一步彰显 510 所齐心协力、拼搏创新的科研力量。

◆太空实验室的舱外"多孔端口"——载荷适配器

"问天实验舱"作为现在我国最先进的太空实验舱,除了可以进行空间生命科学的研究外,同时还具备材料舱外暴露装置,为未来部分科学实验提供零压力和真空环境。我国空间站建成后将开展大量舱外暴露科学试验,是我国空间站达到国际先进水平的重要标志。而"载荷适配器"作为空间站中小型舱外载荷的通用接口设备,为中小型标准舱外载荷提供通用化的"多孔端口",包括机械、供电、信息和热接口等,是"太空实验室"运营后舱外暴露科学实验的基础,其舱外实验载荷的在轨无人安装、长期在轨支持、多轮次更换,都离不开 510 所研制的"载荷适配器"的帮助。

"载荷适配器"的本质是一种轻小型对接机构,由主动端和被动端组成,安装在空间站实验舱 I 外暴露平台的 22 台阵列化布置的"端口插座"由载荷适配器的被动端实现,后续随"天舟"货船分批次多轮上行的各式标准舱外载荷携带"端口插头"由载荷适配器的主动端担当,并利用机械臂操作实现安装和更替。另外根据是否具备为舱外载荷提供导热通道,载荷适配器又分为 I 型 ( 无导热能力 ) 和 II 型 ( 有导热能力 ) 两种,II 型在具备 I 型轻小型对接机构功能的基础上还配置了控温液路及冷板,实现对载荷的主动热控。

此次"问天"实验舱相较于"天和"配备了一个精巧的小型机械臂,可以单独发挥作用,也可与"天和"的大型机械臂配合完成航天员的出舱、舱外设施照料、巡检等任务。针对支持机械臂在轨操作的需求,510 所通过技术创新设计的载荷适配器被动端"分步被动引导组件"可实现对主动端的引导,实现校正机械臂操作偏差的功能,引导过程也可通过主动端同步捕获、主动校正、自润滑楔紧锁和浮动连接器来实现锁紧和资源连通被动端的功能,从而实现载荷适配器的"轻小型对接机构"功能。510 所"载荷适配器"的研制过程共攻克同步捕获、主动位姿校正、刚性锁紧等 14 项关键技术,在四次大系统机械臂载荷操作试验中接口匹配良好:控制模式适用、容差配合合理、信息交互、操作力适配等方面都有优异表现,能够可靠校正机械臂位姿偏差,锁紧连通后的供电、通讯、传热性能优良,整体性能已经达到了国际先进水平,是"太空实验室"里不可或缺的重要部分。

◆太空实验室的舱外"照明灯"——舱外投光照明子系统

当前,神舟十四号乘组的3名航天员正在中国空间站执行任务,"问天"的到来也意味着中国空间站首次在有航天员的状态下迎接航天器的来访,这又将是一个"见证历史"的重要时刻。

后续航天员还将首次从问天实验舱气闸舱出舱,舱外活动的开展离不开"照明灯",而 510 所研制的舱外投光照明子系统将会发挥重要作用。舱外投光照明子系统属于复杂的舱外机、电、光一体化设备,由投光灯单元、云台机构、无源展开机构及控制器组成,依靠多自由度云台的方位角度、俯仰角度动态特性提供空间站舱外的动态照明、伴随照明,用于支持航天员出舱活动和监视摄像。该设备在"问天"发射时为机构折叠压紧状态 , 在轨之后将转换为机构展开到位并锁定状态。该设备云台的转动范围大,能实现"太空实验室"舱外不同照度需求下的亮度调整,并具备在轨维修功能。

为适应舱外环境,如紫外辐照、总剂量辐照、原子氧辐照等,510 所"舱外投光照明子系统"的研制团队分别从材料、工艺、结构设计等几个方面开展攻关,在经历了一次次的失败,一次次的重来之后,成功攻克了四大关键技术,设计出了能够抵御空间辐照的灯体结构以及光学照明系统,顺利通过了特殊空间环境地面试验,保证了在轨长时间高效率工作。其可在轨维修更换功能也是经历了多轮迭代优化设计,才得以实现的。510 所的"舱外投光照明子系统"在"太空实验室"建成后将不仅为航天员长期在轨驻留及开展舱外维修、科研活动提供良好的照明,也为出舱活动任务提供了美轮美奂的光影效果,我们看到的每一张"太空大片"都是通过它的默默打光得以呈现的。

◆航天员的舱内"太空家居"语音设备——音频单元

中国空间站既是我们国家的"太空实验室"也是航天员在浩瀚宇宙中温暖的"家"。因此"问天"配置了一系列的"太空家居"设备,为航天员的工作和生活提供智能、便捷的服务。音频单元作为终端音频仪表设备,是 510 所为空间站新研的音频设备。音频单元可以支持多类型、多通道音频终端的输入输出,可以接收整个空间站的报警信息实现对航天员的语音报警提示,还能实现航天员与地面的天地电话,实现多舱状态下各舱段航天员之间及地面测控中心的会议通话功能,为航天员在轨通话提供了多种模式。

音频单元作为空间站中唯一的外放式音频设备,在研制过程中面临着较多的声学设计难题。为适应空间站任务的变化,空间站音频单元软件还可以进行在轨升级。510 所"音频单元"软件研制团队在充分调研的基础上,提出了软件三级加载方案,该方案可以应对复杂的空间硬件环境和通讯环境,确保在最恶劣的情况下,软件不会"死机"。在空间站天地通讯网数据注入实验过程中,研制团队经过 48 小时不间断测试,掌握了复杂天地数据传输过程中,数据上传带宽和时延容限等技术细节,制定了窄带宽、长时延、高误码率情况下的软件在轨注入策略。空间站音频单元还具有免提通话功能,为了保证语音播报质量及通话效果,研制组自主开发了回声抑制算法、自激抑制功能,并优化了声腔结构,克服了设备空间有限、扬声器与麦克风物理距离过近、可选材质限制等难题,解决了声学设备容易出现的回声抑制、自激啸叫等问题。在语音可懂度实验过程中,通过对整舱噪声环境分析,增加麦克风的信噪比,从而提高语音的可懂度。之后航天员在"问天"这个新教室中开展"天地通话"和全新"太空授课",音频单元也会给航天员带去全新的授课"音频"体验。

◆航天员的舱内"太空家居"照明体验——照明设备

空间站是长期在轨驻留的载人飞行器,航天员在舱内工作、生活及出舱活动都离不开照明设备。510 所承担了"问天实验舱"大部分照明产品研制工作,配套照明类产品共计 7 种,36 余台 / 套。其中全新设计的照明产品主要包括情景照明产品、便携照明产品和舱外泛光照明产品。

问天舱照明设备

舱内情景照明产品包括通道照明、生活照明、阅读照明、维修用头灯、照明控制器等 5 类 20 余台产品。这是我国首次在空间飞行器上应用情景模式可调照明技术,也是全球首次在大型载人航天器内部全范围应用情景照明技术。由于航天员长期在轨生活,以前载人飞船单一的照明模式会造成航天员工作效率降低,生物钟紊乱以及睡眠障碍等问题,情景照明产品通过对色温、亮度、照明区域的可控调节,可解决上述问题。照明模式可精确到工作模式、就餐模式、娱乐模式、睡眠模式等;照明区域也可细分为工作区、生活区、阅读区、维修区等;操作方式包括手持移动设备 WiFi 无线控制、照明开关板有线控制等,这些设计都极大的提升了航天员在轨工作、生活的便利性和舒适性。

空间站便携照明设备主要用于舱外精准维修照明和舱内母线掉电时航天员转舱或逃逸的应急照明,目前在国外空间领域并无同类产品。便携照明设备满足了在舱内、舱外工作情况下连续工作 6 小时的苛刻需求,也是国内首次将锂电池应用于舱外便携式产品设计中。针对锂电池短路可能导致的起火、爆炸问题,510 所研制的"便携照明设备"采取了多项技术,确保了锂电池空间应用的可靠性。

舱外泛光照明提供航天员出舱时行走路径上的辅助泛光照明以及舱外摄像照明。是我国首次在轨应用的舱外空间环境长寿命照明产品。它的研制攻克解决了空间电离总剂量辐照环境、紫外辐照环境、原子氧腐蚀环境长时间耐受的技术难题,让航天员在地球的阴影区也能正常进行舱外活动。除此之外,问天舱照明产品还有报警灯、专用照明灯、专用照明控制板等特殊场景灯具,它们共同构建了一个明亮、舒适的中国空间站光环境。

在空间站"问天"发射任务中,510 所继续发挥自身技术优势,集全所科研力量再次出击,用科技创新精神引领科研工作,以脚踏实地团结协作的品格,为我国航天事业的空间站建设贡献了属于 510 所的磅礴力量。

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【#我国发布全球首幅1:250万全月地质图#!】不久前,中国科学院地球化学研究所联合国内多所高校的研究人员,以嫦娥工程数据为基础,结合国际上其他探月工程获得的数据和成果,发布了全球首幅1:250万全月地质图。这是多年来探月成果的总结,代表了目前我们对月表物质成分以及构造演化等性质的全面认识,也为未来月球探测和研究提供了重要参考。回顾几百年来人类对月面的探索历程,更能让人感受到科学进步的不易。我们邀请南京大学地质学博士贾斌在这里聊聊相关的话题。

从玉兔捣药到环形山
月球是地球的天然卫星,从人类的记忆伊始,月亮就悬在夜空中,引发人们的无限遐想。满月之时,最吸引人的就是上面明暗交生的图案了。在中国古代神话中,称月球为广寒宫,住着美丽的嫦娥,她有一只捣药的玉兔,还有一位砍桂树的邻居吴刚。玉兔和桂树就是古人根据看到的月亮表面明暗交生的图案,想象出的美丽意象。
而在西方,根据古希腊哲学家和早期基督教的观点,天国是完美的,位于天国的月球(以及其他星球)是一个完美的球体,表面光滑,其明暗纹路是人观察的角度造成的。
在1609年的秋季,意大利天文学家伽利略用改进的一架望远镜指向了月球,并进行了多日的观测。伽利略并非第一个用望远镜观察月球的人,但却是第一个仔细记录和思考观察结果的人。他发现,月球表面布满了各种大大小小的凹坑和山脉,还有峡谷,和地球上很相似,这迥异于人们一直以来的想象。这些山往往是环形的,中间凹陷四周高耸似碗状,伽利略称之为环形山。
伽利略发现月球上的环形山,其意义要远大于发现本身。当时的西方笃信地心说,即认为日月星辰都是围绕地球旋转的,地球是宇宙的中心。在伽利略之前,哥白尼等人已经通过天文观测与计算,向地心说发起了挑战,提出太阳才是中心,地球围绕太阳转。伽利略的观测,破除了月球是完美的球体这一传统的认识,证明月球和地球是非常像的,地球并不特殊。那么,在地心说体系中,月球是运动的,并不特殊的地球是不是应该也是运动的?基于此,伽利略推断,的确如此,地球不是中心!当然这一推理并不严谨,但这是日心说最早的“可视化”证据,仍具有非常重要的意义。在那个时期,破除一些迷信(如相信完美的月球)是弥足珍贵的。

月球上也有人吗?
伽利略用望远镜观察了月球表面的形态,并认为月球和地球是相似的。这不禁让人联想,月球上是否也有人的存在?对于当时的西方人来说,这种联想其实是非常自然的,因为传统上他们就认为,在天国的星球上面,包括月球、火星、金星甚至太阳上都是有人生存的。
伽利略使用望远镜在月球上看到了和地球上相似的山,那也应该可以看到流动的河流、汹涌的海洋、浮动的云彩甚至喷发的火山、城市的灯光等等。他们最先找到的月球上的“海洋”,就是月球上的暗色部分,肉眼可见,而且在望远镜的视野中表面也比较平整,这部分应该就是海洋了。因此,早期的天文学家就把月球上环形山内部平整的暗色区域命名为月海。这一错误的称呼影响非常深远,沿用至今,比如最大的撞击坑称为风暴洋,还有静海、雨海等。
很多科幻小说家在他们的小说中设想了各种月球人的存在。比如发现行星运行三定律的伟大天文学家开普勒就在他1611年撰写的科幻小说《梦》(正式出版于1634年)中,讲述了主人公来往于月球的故事,也描绘了月球人的生活。
18世纪末,德国的天文学家施罗特非常详尽地研究了月表的形态,绘制了很多精美的图片,但却错误地解释了他的观测结果。比如他认为在月球的极地地区泛亮光的地方是暮光,甚至宣称找到了月球人的城市,商业中心甚至农场。当时的很多科学家也热衷于寻找月球上的大气,比如18世纪伟大的数学家欧拉曾计算了月球上的大气密度相当于地球上的二百分之一。
其实在伽利略观察到环形山后不久,也有一批科学家注意到了月球其实和地球不完全一样。比如在伽利略出版了他的观察结果五十多年后,法国天文学家奥祖就提出,在月球上其实观察不到四季的变化,看不到漂浮的云彩,看不到海洋、河流,也看不到地球上常见的火山喷发、山火等。可惜的是,他的观点并没有广泛传播,相信月球上有人仍旧是主流。
直到1834—1837年间,德国天文学家比尔和马德勒出版了更为详尽的月表图像。根据观察结果,他们认为月球上没有大气,没有水,与地球不同,即使有生命,应该也与地球上的生命形式大不相同。马德勒提出,月球并不是地球的“复制版”。伽利略证明了天国的月球并不神圣,而马德勒则让人意识到月球(以及其他行星)并不一定和地球完全一样,月球上不一定有人生存。

探究环形山起源
月球上最显著的特征就是其表面密密麻麻、大大小小的圆形大坑和环形山。我们现在知道它们是陨石撞击形成的,但早期科学家的观点并非如此。因为当时的科学界并未认识到陨石这一“天外来客”的存在,他们无法想象天上可以掉石头,且能撞出一个大坑。
当时天文学家大多认为月球上的环形山是火山造成的,因为他们知道地球上火山口的形状也大多是圆形的,中间是个凹陷,比如我国著名的长白山天池。但是,月球环形山和地球火山口之间一个非常重要的差别却被他们忽略掉了,即地球上的火山口基本都出现在高山上,而月球上的环形山却出现在地势非常平坦的地方,这是火山成因说无法解释的。即便存在如此大的缺陷,在伽利略之后一直到阿波罗计划把人送上月球的前夕(即上世纪60年代),环形山的火山成因说一直占据科学界的主流。
环形山撞击成因理论的确立,经历了几个关键的阶段。第一个阶段是对陨石来源的认识。1794年德国物理学家克拉德尼在一个小册子中提出陨石来自于外太空的猜想;1803年4月26日在法国诺曼底附近,很多人目击了一次陨石坠落事件,科学家进行了详细的调查和研究,这才最终确定陨石就是来自于外太空。第二个阶段是对地球上陨石坑的认识。虽然科学家认识到了陨石源自太空,但对它们是否可以在地表撞出陨石坑其实一直持怀疑态度,关键在于一些被认作陨石坑的地方找不到陨石。在1906年,美国地质学家巴林杰在美国亚利桑那州的一个陨石坑附近发现了铁镍合金陨石,最终确定了这个大坑就是陨石撞击形成的。这是世界上第一个被确认的陨石坑。第三个阶段来自于对陨石撞击效果的认识。在早期的认识中,陨石的撞击是纯机械式的,即多大的陨石撞出多大的坑。后来,这种认识发生了变化。1916年,苏联天文学家奥皮克认为陨石的速度是非常快的,在撞击地面的一瞬间会产生剧烈的爆炸,形成的撞击坑远大于陨石自身。第二次世界大战给美国天文学家鲍德温的研究带来了特殊的机遇,他收到很多军方拍摄的炮弹坑的照片和参数,统计了这些弹坑的直径和深度,然后把地球上已经确认的陨石坑以及月球上的环形山的参数也放到了这张图里面,发现这些数据吻合得非常好。但是,如果把火山口的数据也放进来,则偏离数据的趋势。他在一本著作中写道:“环形山形成于陨石撞击的爆炸,这种可能性非常大”。

认识月球的巨大飞跃
在上世纪60年代后,美国、苏联发射了多个探测器进入月球轨道或降落月表,阿波罗计划甚至把人送上月球并采样返回。通过对这些探测计划获取的影像和样品的研究,我们对月球的认识水平发生了巨大的飞跃。
大撞击理论认为,月球起源于一次大撞击事件,一个火星大小的星体在45亿年以前撞上了原始地球,溅射出的物质在地球轨道上形成了月球。在月球形成之初,太阳系中仍旧有许多小星体经常撞击月球,形成很多大大小小的陨石坑。有些大的撞击深度可达几十公里,撞击后来自月球深部的岩浆就可能从这里逸出月表,形成填充整个陨石坑的广阔玄武岩低洼平原。而被撞击较轻的地方,则仍保留了原有的斜长岩月壳,称为高地。玄武岩对太阳光的吸收较强,看起来较暗,而斜长岩的高地能反射较多的太阳光,看起来比较亮,这样就形成了我们看到的月球上明暗交生的图案。
月球地质图系统表达了月壳表面地层、构造、岩性和年代学等方面的综合地质信息,反映了月球岩浆作用、撞击事件、火山活动等演化过程。原有的月球地质图主要由美国地质调查局基于阿波罗时代的探月成果编制而成。2012年前后,经过“嫦娥一号”和“嫦娥二号”的探测与研究积累,我国逐渐具备了开展月球全月地质图编研的条件和基础。中国科学院地球化学研究所联合国内多所高校的研究人员,以嫦娥工程数据为基础,结合国际上其他探月工程获得的数据和成果,发布了全球首幅1:250万全月地质图。
在新编制的月球地质图中,基于对月球动力学演化过程的认识更新了月球地质年表,采用“三宙六纪”的划分方案将月面历史分为三个宙——冥月宙、古月宙和新月宙。该地质图表达的要素主要包括:12341个撞击坑;81个撞击盆地;17种岩石类型;14类构造等,综合表达了月球地质和演化信息。
可以说,到了今天,人类对月球的认识已经非常全面了。(北京晚报 记者王鸿良)


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