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“神舟”风云录

来源:网络资源 2009-09-02 13:29:58

[标签:生物 细胞 环境]

  “神舟”风云录

  一、“神舟”号宇宙飞船的基本情况

  1999年11月20日6时30分,中国第一艘载人试验飞船“神舟”一号顺利升空,11月21日3时41分,“神舟”1号准确地在内蒙古自治区中部地区成功着陆。本次发射使中国成为继美国、俄罗斯之后第三个有载人空间项目的国家。

  2001年1月10日1时零分,中国“神舟”二号无人飞船在酒泉卫星发射中心发射,10分钟后成功进入预定轨道,1月16日19时22分,“神舟”二号无人飞船在太空飞行近七昼夜环绕地球108圈后,准确返回。“神舟”二号是我国第一艘正样无人飞船,由轨道舱、返回舱和推进舱组成,飞船技术状态与载人飞船基本一致,并首次进行了微重力环境下的空间生命科学、空间材料、空间天文和物理等领域的实验。

  2002年3月25日22时15分,在酒泉卫星发射中心成功发射了“神舟”三号飞船。这是第二艘正样无人飞船,除宇航员没有上之外,飞船技术状态与载人状态完全一致。4月1日16时51分,“神舟”三号无人飞船在内蒙古中部地区成功着陆,飞船按照预定轨道在太空飞行7天,环绕地球108圈。“神舟”三号飞船搭载了人体代谢模拟装置、拟人生理信号设备以及形体假人,飞船上安装了逃逸系统,若火箭发射和升空阶段出现意外故障,可确保航天员的生命安全。“神舟”三号轨道舱在太空留轨运行了180多天,环绕地球飞行2821圈,成功进行了一系列空间科学实验,在低轨飞行器的轨道衰变规律、陨落分析、燃料最优分配、故障诊断和应急处理等方面的研究取得了重要突破。

  2002年12月30日0时40分,“神舟”四号无人飞船在酒泉卫星发射中心发射升空并成功进入预定轨道。按预定计划在太空飞行了6天零18小时,环绕地球108圈。“神舟”四号是我国载人航天工程第三艘正样无人飞船,预备航天员在发射前也进入飞船进行了实际体验。

  “神舟”四号飞船的“身体”状态与前两艘飞船基本一样,由推进舱、返回舱和轨道舱及轨道舱前端的附加段组成,并由长征-2F运载火箭发射。飞船进入远地点343公里、近地点200公里的椭圆轨道后,飞行5圈(每圈约90分钟)后进行变轨,然后开始在343公里圆轨道上自主飞行。

  “神舟”四号上的“船长”和“神舟”三号上的“船长”是同一个“人”,一个由仿真技术做成的模拟人,包括头、躯干、四肢等14个部分,“他”体重70公斤,身体每一部分的形状与真人宇航员基本一致,能够满足航天服的穿脱,当安装在飞船座椅上时,其姿态能够与载人姿态保持一致。“他”可以模拟宇航员在太空生活时的脉搏、心跳、呼吸、饮食和排泄等多种重要生理参数,并随时受到地面指挥中心的监控。“神舟”四号已顺利返回地面,但空间环境探测实验设备还将继续留在太空中进行为期半年的科学实验,这是我国首次对飞船轨道环境进行大规模、全方位的探测。

  二、“神舟”四号飞船在太空完成的多项科学实验

  “神舟”四号飞船在太空飞行期间将要完成微重力流体物理实验、空间细胞电融合仪和空间电泳仪等多项空间科学实验项目。在这次飞行中,载人航天应用系统、航天员系统、飞船环境控制与生命保障分系统全面参加了试验,先后在太空进行了对地观测、材料科学、生命科学试验及空间天文和空间环境探测等研究项目;

  空间环境独特的微重力、高能辐射环境,为生命科学研究提供了新机会。越来越多的研究表明,地面重力环境对生长蛋白质晶体不利。在空间微重力环境中生长晶体,可以消除或减弱沉降和对流现象,对晶体生长有利的无容器技术也较地面更容易实现。因此,太空微重力环境是培养高质量晶体的理想之地。

  空间纯净的制药环境和微重力等特殊物理状况为细胞培养提供了独特的良机。细胞可以高密度、均匀悬浮,介质可以充分利用。

  流体物理学研究是微重力科学的重点基础领域,微重力环境下的液滴(Marangoni)迁移动力学问题,既有理论方面的重要性,也有很强的应用背景,如在微重力环境下的材料加工、晶体掺杂、空间焊接及电泳过程中都会遇到液滴或气泡的迁移问题。在“神舟”四号飞船上安排的实验项目,采用我国自行研制的通用流体实验装置,在不同条件下实验,期望在相关理论研究中取得新的突破。

  细胞融合技术是生物加工、培育新品种和生物制药的新技术。空间微重力条件下,细胞在融合液中的重力沉降现象消失,可以提高电融合杂种细胞得率和细胞活力,为人类利用微重力资源进行空间制药探索新方法。“神舟”四号飞船上的电融合仪由我国自行设计,在一套实验装置中同时分别进行动物细胞和植物细胞的两项电融合实验,以求获得新药物和新植物品种的方法和技术。

  生物医学和生物技术的发展,使一些高纯度的生物材料如氨基酸、蛋白质的分离纯化方法成为重要的基础应用技术。连续自由流电泳分离具有效率高、设备操作简单、分辨率好、过程和条件可控、对产物损伤小等优点,是制备型的主要分离手段。在“神舟”四号上安排的电泳分离实验主要目的是为研究其规律,通过实验积累经验,为我国的蛋白质和其他生物大分子分离纯化技术的研究发展奠定基础。

  据介绍,“神舟”四号飞船空间应用系统的有效载荷分别安装在飞船的返回舱、轨道舱和附加舱段,其任务以微波遥感对地探测、空间环境综合监测和科学实验为主,自主飞行期间主要进行微重力流体物理科学和生物技术研究实验。飞船轨道舱留轨运行半年期间,将进行微波遥感对地探测和空间环境监测等新技术试验。

  “神舟”四号上有一批特殊“乘客”搭乘飞船体验太空游。在这些“乘客”中,也有“正选”和“候补”之分。所谓“正选”,是指飞船上的有效载荷部分,共有52件科研设备随船进行科学试验;“候补”则是指为了补足飞船返回舱内额定重量而附加的部分搭载试验品。“正选”的52件科研设备,将跟随“神舟”四号飞船开展微波遥感对地探测、空间环境综合监测和生物技术研究实验等科学研究。“候补”乘客主要来自空间技术育种研究中心,小麦、水稻、杨树、葡萄苗、牡丹、青椒、西红柿等这些植物的种子一同搭载“神舟”四号遨游太空7天。1~2年之后老百姓将会吃上“太空大米”,家中的花瓶中插上“天外牡丹”。

  三、关于“神舟”飞船的几个问题?

  (1)为什么不直接研制航天飞机或空间站,而要从宇宙飞船起步呢?

  航天飞机和空间站的研制投入很大,风险也大,技术难度高;而宇宙飞船在技术上容易突破,研制费用较少,研制周期也较短。因此,研制载人飞船的方案更符合中国国情,我国的载人航天事业应该从飞船起步。1992年,飞船载人航天工程正式立项,这项工程后来被定名为“神舟”号飞船载人航天工程。

  (2)“神舟”飞船发射时间为什么都选在比较寒冷季节?

  航天发射是一项庞大的系统工程。飞船上天后,由地面测控站和远洋航天测量船组成的航天测控网将对飞船实施测控管理和回收。执行海上测控任务的4艘“远望”号远洋航天测量船分布在太平洋、印度洋和大西洋的指定海域,其中3艘测量船分布的海域在南半球,那里的冬季海况极为恶劣,夏季则适于观测。而南半球的夏季,正是我国所处北半球的冬季,因此“神舟”飞船的发射要尽量安排在比较寒冷的季节。

  (3)飞船着陆场为何选在内蒙古中部?

  根据飞船运行轨道特点,着陆场必须具备4个条件:一是飞船将从这个地区上空多圈次通过;二是场地要开阔;三是地势要平缓,地表要足够坚硬;四是天气状况要好。内蒙古中部地区属沙质草地,地势平坦开阔,区内没有大河,为中温带大陆气候,全年干燥,少雨多风,能见度高。当地人烟稀少,平均每平方公里不超过10人。因此,“神舟”飞船的主着陆场选在了内蒙古草原上。

  (4)“神舟”飞船为什么不进行搭载动物试验?

  前苏联和美国在将宇航员送入太空之前,都进行过多次动物飞行实验,探索太空环境是否适合人类生存。因此,我国的载人航天试验就不需要重复进行验证。另外,由于动物在生理指标方面同人差别大,对新环境的适应性差,动物试验难以完全证明飞船舱内的环境控制和生命保障系统能否满足载人需要。所以,“神舟”飞船选择了携带“模拟人”,进行拟人装置试验。

  (5)飞船发射“窗口”是怎样确定的?

  选择一个最佳发射“窗口”,必须考虑以下四个方面的因素:

  要保证飞船的太阳电池帆板有足够电源。飞船发射上天后,要保证各种仪器设备正常工作,需由太阳电池帆板供应充足的电源。太阳电池帆板在太空展开后,有一个起始位置,如果阳光垂直照射在帆板上,就会产生足够的电能;非直射状态下,太阳电池帆板效能就会降低。这就要求飞船在自主运行的七天内,太阳矢量与轨道面夹角在二十度范围以内。

  要考虑飞船控制系统(GNC)对发射“窗口”的要求。“神舟”四号飞船自主飞行阶段GNC分系统使用三个红外地球敏感器,由于地球温度比较高,安装在飞船上的地球敏感器的红外光线很容易发现并对准地球进行测量,但是如果有太阳光照射到红外镜头或视场,就会产生干扰,导致仪器出现故障。为保证红外地球敏感器的正常测量,需要避开太阳光的辐射影响并选择一个合适的角度。

  要保证飞船温控适度。飞船在太空运行会受太阳辐射影响,太阳照射面积的大小、角度不同,将使飞船吸收不同程度的热量,要保证飞船内环境温度适宜、保证一定的散热条件,也需要选择一个合适的角度。

  飞船有一定的姿态要求。飞船入轨后,有效载荷需要对地进行观测,这也需要选择一个合适的角度保证对地观测姿态。

  飞船发射时机要同时满足上述四项要求,保证太阳、地球、飞船三者处于正确合适的位置,难度非常大:因为每一个季节、每一天的气象条件都不一样,可供选择的发射“窗口”极为有限。

  据悉,“神舟”四号飞船发射前,中国载人航天发射场召开指挥部会议,经过认真讨论研究,确定此次最佳发射“窗口”为北京时间2002年12月30日0时40分。

 

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