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神舟十二号载人飞船顺利发射升空！一文扫光基础科普知识

2021-6-17 10:35 来源：怀远论坛作者：乔辉

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　　据央视新闻消息，2021年6月17日9时22分，我国长征二号F运载火箭搭载神舟十二号载人飞船顺利升空，发射地点位于酒泉卫星发射中心。这是继2016年10月神舟十一号飞行任务以来，时隔近五年，我国再次发射载人飞船。
　　本次搭乘神舟飞船的航天员分别是：聂海胜、刘伯明和汤洪波。三名航天员中，特级航天员聂海胜参加过神舟六号、神舟十号载人飞行任务，特级航天员刘伯明参加过神舟七号载人飞行任务，二级航天员汤洪波是首次飞行。

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　　这是神舟系列飞船的第十二次飞行任务，同时也是第七次载人发射任务。

　　图注：神舟十二号载人飞船飞行乘组。从左向右依次是：汤洪波、聂海胜和刘伯明。
　　神舟十二号的飞行目标是对接我国空间站“天和”核心舱，三名航天员将成为“天和”核心舱的首批“入住人员”。
　　按计划，他们要在空间站驻留三个月，这将创造我国航天员在太空驻留天数的新纪录。在太空期间，他们将开展舱外维修维护、设备更换、科学应用载荷等一系列操作。
　　一、载人神箭：长征二号F

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　　图注：神舟十二转场照片。
　　长征二号F火箭安全性极高，主要用于载人航天。火箭高58.34米，由四个助推器、芯一级火箭、芯二级火箭、整流罩和逃逸塔组成。其中，芯级直径3.35米，助推器直径2.25米，逃逸塔位于火箭顶部，因此长征二号F火箭的辨识度非常高。在发射初始阶段，一旦航天员有危险，逃逸塔上的火箭会迅速点燃，可快速把航天员带到安全的高度并最终安全落地。
　　二、太空摆渡车：神舟飞船
　　神舟飞船是我国自行研制，用于天地往返运送航天员。飞船主体由轨道舱、返回舱和推进舱构成。

　　图注：神舟载人飞船结构(艺术图)。
　　轨道舱是一个圆柱体，总长度为2.8米，最大直径2.27米，一端与返回舱相通，另一端与空间对接机构连接。轨道舱集工作、吃饭、睡觉和清洁等诸多功能于一体。轨道舱的两侧安装有太阳能电池板，在独自飞行时也有电能供应。
　　返回舱呈钟形，有舱门与轨道舱相通。返回舱是飞船的指挥控制中心，长2米，直径2.4米，内设可供三名航天员斜躺的座椅，供航天员起飞、上升和返回阶段乘坐。
　　推进舱呈圆柱形，长3米，直径2.5米，底部直径2.8米，内部装载推进系统的发动机和推进剂，为飞船提供调整姿态和轨道以及制动减速所需要的动力，还有电源、环境控制和通信等系统的部分设备。
　　三、太空快递小哥：天舟飞船

　　图注：天舟货运飞船(艺术图)。
　　2021年5月29日，天舟二号货运飞船发射成功，并与“天和”核心舱进行了交会对接、推进剂补加和组合体飞行。天舟二号飞船密封舱携带的货物重量约 4.69 吨，推进剂约 1.95 吨，物资总重近 6.64 吨。其中包括，能供三人三个月使用的消耗品、二套舱外航天服以及平台物资等。为本次神舟十二航天员进驻空间站做好了生活物资准备。
　　四、神舟飞船任务极简史
　　神舟一号于1999年11月20日发射，1999年11月21日成功返回，全程历时21小时11分。这是第一艘无人试验飞船。
　　神舟二号于2001年1月10日发射，2001年1月16日成功返回，全程历时7天10小时22分。这是中国载人航天工程的第二次飞行试验，标志着中国载人航天事业取得了新的进展。
　　神舟三号于2002年3月25日发射，2002年4月1日成功返回，全程历时6天18小时51分。这是中国载人航天工程发射的第三艘飞船，为一艘正样无人飞船。
　　神舟四号于2002年12月30日发射，2003年1月5日成功返回，全程历时6天18小时36分。神舟四号在半年运行中，初步探明飞船运行轨道的空间环境状况，为神舟飞船正式载人积累了宝贵经验。
　　神舟五号搭载杨利伟于2003年10月15日发射，2003年10月16日成功返回，全程历时21小时23分。神舟五号的成功发射实现了中华民族千年飞天的愿望。

　　图注：2003年，杨利伟乘坐神舟五号飞船安全返回。
　　神舟六号搭载费俊龙和聂海胜于2005年10月12日发射，2005年10月17日成功返回，全程历时4天19小时33分钟，实现我国航天员首次多人多天飞行。
　　神舟七号搭载翟志刚、刘伯明和景海鹏于2008年9月25日发射，2008年9月28日成功返回，全程历时2天20小时27分钟。在此期间，实现我国航天员首次空间出舱活动。
　　神舟八号于2011年11月1日发射，2011年11月17日成功返回，全程历时16天13小时34分钟。这是一次无人发射，主要目的是验证神舟飞船与天宫一号的对接。
　　神舟九号搭载景海鹏、刘旺和刘洋于2012年6月16日发射，2012年6月29日成功返回，全程历时12天15小时24分钟。飞船同天宫一号实施了自动交会对接，在此次任务中，中国首位女宇航员刘洋进入太空。
　　神舟十号搭载聂海胜、张晓光和王亚平于2013年6月11日发射，2013年6月26日成功返回，全程历时14天14小时29分钟。在此期间，神舟十号与天宫一号组成组合体飞行12天，航天员还首次进行了太空授课。
　　神舟十一号搭载景海鹏和陈冬于2016年10月17日发射，2016年11月18日成功返回。全程历时32天6小时29分钟。在此期间，神舟十一号与天宫二号实现自动交会对接工作，为中国空间站建造运营和航天员长期驻留奠定了坚实的基础。
　　神舟十二号搭载聂海胜、刘伯明和汤洪波于2021年6月17日发射，对接我国空间站“天和”核心舱，他们将在那里停留90天，将创造我国载人航天的新纪录。
　　五、空间站“天和”核心舱
　　“天和”核心舱是我国空间站的核心组成部分，全长16.6米，最大直径4.2米，质量22.5吨，由目前我国运载能力最强的长征五号系列运载火箭发射入轨。核心舱在设计上有很大突破，供航天员工作生活的空间达到了50立方米，可支持三名航天员长期在轨驻留。
　　六、完全建成后的空间站什么样子?

　　图注：建成后我国空间站的基本结构，可见货运飞船、载人飞船与核心舱对接的状态(艺术图)。
　　按计划，2022年前后，建成后的空间站将由一个核心舱和两个实验舱组成，整体呈现一个T字形结构。除了这次的 “天和”核心舱外，另外两个实验舱分别名为“问天”和“梦天”。
　　其中，核心舱又可细分为：节点舱、生活控制舱和资源舱。节点舱用于对接“神舟”载人飞船、用于空间实验舱的停泊和航天员的出舱;生活控制舱用于航天员工作、实验和睡眠休息等;资源舱为核心舱提供能源保障和对接“天舟”货运飞船等。
　　“问天”和“梦天”两个实验舱分别用于生物、材料、微重力流体和基础物理等方面的科学实验。
　　具体来讲，“问天”实验舱主要用于开展舱内和舱外空间科学实验和技术试验，也是航天员的工作生活场所和应急避难场所，配备有航天员出舱活动专用气闸舱，支持航天员出舱活动，还有小型机械臂，可进行舱外载荷自动安装操作。
　　除此之外，它还有核心舱部分关键平台功能，这意味着在需要的时候，还可以接管对空间站的管理和控制。“梦天”实验舱除具备和“问天“实验舱类似的功能外，还配置有货物专用气闸舱，在航天员和机械臂的辅助下，支持货物、载荷自动进出舱。
　　在空间站常态化运行后，将有三名航天员作为一个乘组长期驻留，定期轮换。轮换期间，最多可有6名航天员同时在空间站工作，完成交接后，前一个乘组乘坐载人飞船返回地球。
　　七、为什么非要去太空?
　　从上文中可以看出来，现在建设空间站的主要目的是做科研工作，做地面上不能很好实现或根本无法实现的实验。空间站绕着地球以接近第一宇宙速度运动，空间站里一直处于失重状态，或者说微重力状态，这就为那些需要长时间在失重条件下才能完成的实验提供了独一无二的条件。
　　如果只是为了实现短暂的失重状态，通常有其他方式：一是建造非常高的落塔，在实验舱下落的过程中实现维持仅数秒的微重力。坐落在北京中关村核心区东南，隶属于国家微重力实验室的落塔就是这样一种装置，该落塔建成于2003年，高度为116米，实验物品实际从83米处自由下落，可获得3.6秒的微重力状态。

　　图注：国家微重力实验室的落塔(乔辉2018年拍摄于北京希格玛大厦北侧)。
　　二是让飞机做抛物线飞行，当飞机飞到高空后，调整飞机成上仰状态，关闭发动机，飞机在重力的作用下做斜抛运动，能够实现几十秒的微重力状态。目前，美国和俄罗斯都有这样的公司在运作，可以让游客体验失重状态。
　　还有一种独特的方式是发射亚轨道火箭，所谓的亚轨道就是指高度超过100公里，但尚未入轨，不能围绕地球运动的发射。有意思的是，预计2021年7月20日，前世界首富贝索斯将搭乘自家公司(蓝色起源)研发的“新谢泼德”火箭进入太空，能体验约5分钟的失重状态，欣赏一下地球与太空的接壤的优美弧线，然后返回地球。

　　图注：贝索斯和蓝色起源公司的亚轨道火箭。
　　目前，要想维持长时间的失重状态，当然必须要去太空了。在太空长时间的失重环境中，可以研究的项目非常广泛，包括生物、物理、化学、冶金、工艺和材料等各个领域的内容。其中以微重力条件下的流体的行为研究、微重力条件下的材料的制备以及微重力条件下的细胞生长和动植物行为的研究最为常见。
　　航天员不但是实验的执行者，其本身也是医学实验的对象。未来，人类要想进行载人深空探索，例如登陆火星，单程旅行需要八个月左右的时间，这就要求航天员必须有长期在太空生活的经验，这种经验必须在空间站上才能获得。
　　八、目前在轨运行的有哪些空间站?
　　目前，正在地球轨道上运行空间站的只有美国、俄罗斯、日本、欧洲以及加拿大等国联合建造的国际空间站，其他空间站都退役了。

　　图注：国际空间站。
　　国际空间站始建于1998年，第一个舱室由俄罗斯质子号运载火箭发射入轨，后续主要由美国的航天飞机和俄罗斯的飞船进行建造和维护。最近几年，SpaceX的货运和载人飞船也参与了进来。经过10多年的建设，2010年才正式转入全面使用阶段。国际空间站长73米，宽109米，重400多吨，是人类历史上第九个空间站，也是最大的空间站。
　　不过，国际空间站已经开始出现老化迹象，每年维护成本高昂，可靠性在下降，存在安全隐患。2010年10月，航天员在空间站上找到两条漏气的裂缝，2021年3月成功封堵。2021年4月，航天员又在空间站发现三个潜在的漏气点，据说用密封胶修补了这些地方。
　　按计划，国际空间站最初的服役期限到2015年，之后逐渐推迟至2024年。不过，很大可能还要继续推迟，毕竟是花费了1500亿美元建造的。
　　2021年4月21日，俄罗斯航天局放出消息称，如果得到国家批准，俄罗斯将退出国际空间站，建造自己的空间站。
　　九、历史上有哪些著名的空间站?
　　1971年，前苏联就秘密把礼炮一号(Salyut)空间站送入太空，进行军事活动。从1971年到1982年，前苏联总共发射了9个空间站，其中7个获得成功。
　　在前苏联太空竞争的压力下，美国于1973年用土星五号火箭发射了他们的空间站：天空实验室(Skylab)。天空实验室重达80吨，前后接待了三批航天员。1979年完成历史使命，坠入地球大气层焚毁。

　　图注：早期美国的空间站：天空实验室。
　　除了国际空间站，最有名的要数前苏联的和平号空间了。和平号空间站首次采用模块化设计，由多个舱室组合而成，重量达到130吨。除了前苏联自己的飞船，和平号空间站还接待了数次美国航天飞机的造访。

　　图注：俄罗斯的和平号空间站与美国亚特兰蒂斯号航天飞机对接。
　　和平号上的航天员共完成了78次出舱活动，积累了大量的经验。其中，有三位宇航员连续驻留时间超过一年，为研究人体在长期太空条件下的变化情况积累了大量的医学数据。2001年完成历史使命，坠入地球大气层焚毁。
　　十、我国天宫一号和天宫二号空间实验室
　　天宫一号于2011年9月29日发射升空，是中国载人航天工程发射的第一个目标飞行器，也是中国第一个空间实验室。
　　2011年11月3日，天宫一号与神舟八号飞船完成中国首次空间飞行器自动交会对接任务，并进行了二次自动交会对接，形成组合体。
　　2012年6月18日，天宫一号与神舟九号完成自动交会对接工作，形成组合体。
　　2013年6月13日，神舟十号与天宫一号实现自动交会对接，形成组合体，航天员入驻天宫一号。

　　图注：2013年，神舟十号航天员王亚平在天宫一号里进行太空授课，演示小陀螺在失重状态下的行为。
　　对于普通大众来讲，2013年，神舟十号航天员王亚平在天宫一号里进行的首次太空授课令人印象深刻!那次太空授课主要面向中小学生，使他们了解微重力条件下物体运动的特点、液体表面张力的作用，加深对质量、重量以及牛顿定律等基本物理概念的理解。
　　2016年3月16日，天宫一号正式终止数据服务，全面完成了历史使命。
　　2018年4月2日，天宫一号再入大气层，再入落区位于南太平洋中部区域，绝大部分器件在再入大气层过程中烧蚀销毁。
　　再来看一下天宫二号的情况。天宫二号于2016年9月15日在酒泉卫星发射中心发射升空，先后与神舟十一号、天舟一号进行对接，承担着验证空间站相关技术的重要使命，是中国第一个真正意义上的太空实验室，科研硕果累累。例如，天宫二号上搭载的设备首次进行了量子密钥分配实验;搭载的伽玛射线暴偏振探测仪器共探测到55个伽马暴，还观测到了蟹状星云脉冲星的信号，并在国内首次利用脉冲星信号实验定轨。
　　2019年7月19日，天宫二号完成使命，受控离轨并再入大气层，少量残骸落入南太平洋预定安全海域。
　　十一、到2022年年底，建设空间站还有八次发射计划
　　喜欢航天的朋友有福了，在2021和2022两年时间里，建设空间站的火箭进行11次发射，目前已经执行了3次发射，还有8次发射。执行这些任务的分别是发射空间站各舱室的长征五号B火箭、发射货运飞船的长征七号火箭和发射载人飞船的长征二号F火箭。
　　其中，长征五号B和长征七号在文昌发射中心发射，神舟载人飞船在酒泉卫星发射中心发射，届时，有条件的朋友记得到现场观看。

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