空间站到底能给我们带来什么?

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2021年6月17日，中国酒泉卫星发射中心，搭载着聂海胜、刘伯明和汤洪波三名航天员的神舟十二号飞船，由“神箭”长征2F火箭顺利发射升空。在6小时后，采用了自主快速交会对接模式的飞船与已经在轨的天宫空间站“天和”核心舱顺利对接，标志着中国载人航天全面进入第三阶段，“天上宫阙”（天宫空间站）开始有“天神”（航天员）长期驻留。



长征二号F遥十二运载火箭托举神舟十二号载人飞船拖曳着红色尾焰升空丨图源：澎湃影像

载人航天是人类航天技术“皇冠上的明珠”，也是人类迈出地球摇篮的必备技术。由于要运输相对无人飞行器而言极度脆弱的人类身体进入环境恶劣的太空，所以相比普通航天工程，载人航天不仅需要增加载人运载火箭、载人飞船、货运飞船、航天员训练和着陆回收等高难度分系统，整个系统还会变成可以用“木桶桶底”理论适用的环节：只要有任何一个环节出问题，桶里的水都会彻底漏光，变成彻底的失败。因此，载人航天的技术门槛极高。
人类进入航天时代60余年来，仅有苏联/俄罗斯、美国和中国掌握了独立自主的载人航天技术，各国最里程碑的事件，就是运营独立的空间站，例如礼炮号系列、天空实验室、和平号和天宫空间站等。



空间站“礼炮”1号的艺术家概念图丨图源：IC photo

拥有一座空间站，意味着在外太空会有一个长期稳定的生活和工作空间，航天员可以通过载人火箭和飞船，实现频繁的天地往返和长期驻留太空，并通过货运飞船定期补给。
通过搭载的一系列顶级科研设备，空间站也成为一个重要的“太空实验室”，相关科研成果不仅直接促进航天技术进一步发展，甚至能带动很多产业链上下游的相关制造业的发展，对于提升一个国家的整体科学技术水平有着重要意义，是航天大国技术发展的必经之路。



航天员王亚平太空授课：水滴试验丨图源：签约摄影师/IC photo

太空中最得天独厚的环境就是长期的失重，这是长期生活在地球表面的我们无法实现的。
在失重环境下，精密机械加工、高级材料成型、液体气体力学等技术领域将呈现出截然不同的现象。例如，一滴液体在太空中可以轻易形成近乎完美的球形，在地球表面重力的影响下，这几乎是不可能做到的。植物也会由于没有重力影响而自由生长，甚至种子也会受到太空辐射的影响发生一定的变异，成为“太空种子”。
在空间站里，载荷专家还能实现很多特殊的实验，验证科学家们的理论推导，甚至做出超出预期的科研结果。



NASA空间站中培育出一朵百日菊，成为第一株在外太空开放的花朵丨图源：sipausa/IC photo

空间站往往飞行在距离地球表面400千米的高度，每隔90分钟左右就可以绕地球一圈，这对于地球遥感、国土勘察、资源搜寻、环境保护和国防安全等领域有着无可取代的益处。
由于空间尺寸巨大、天地往返交互频繁、有人驻留等有利条件，空间站的相关仪器平台技术水平和维护更新频率都远超无人航天器，取得相关成果的效率极高。



从地球表面观测电磁波的频谱窗口透明度，真正的有效观测的窗口极小，在太空中这些问题迎刃而解丨图源：公共版权

空间站几乎摆脱了大气层最致密区域的影响，也极少受到人类活动的干扰，例如电磁污染和夜光污染等，可以很便利进行需要“安静”环境的天文观测。
在地球上，浓密的大气、电离层、人类活动等使得天文学家基本只能进行部分可见光、无线电波段的天文观测，对于X射线、伽马射线、红外线、超长波等则望尘莫及。而在太空环境中，不少难题迎刃而解，无数太空望远镜的发射彻底改变了人类天文学的发展。而空间站也能成为搭载空间天文学仪器的完美平台，在航天员的精心维护下，会收获大量的科研成果，让人类“看得更远”。


SpaceX“龙”号货运飞船抵达国际空间站丨图源：zuma/IC photo
人类身体，是载人航天的最重要组成部分，保护这个脆弱的血肉之躯成为所有技术的核心。而人类进入太空后，也会变成“科研载荷”，在失重环境下人的感知会大大不同于地球，例如上下左右不分、体液重新布置、骨质流失、肌肉萎缩等空间适应综合症，未经专业训练的普通人很难适应。
在相对封闭的空间内，航天员还要长期自我检测身体健康状况，出舱行走等特殊情形下还要求8小时左右密封在舱外服中，心理健康也成为一个重要挑战。为此，需要一个庞大的航天员辅助和航天医学研究团队作为支撑，相关的科研也有不少已经反馈到了普通大众的生活中，例如尿不湿、耳温计、各种集成便携的医疗器械等。



这种上下不分的场景在地球上是很难出现的，但在空间站是常态丨图源：newscom/IC photo

除了空间站的直接产出，它的间接产出更是难以衡量的。作为人类工业文明的巅峰，航天需要大量的高新科技，涉及到结构材料、电子电路、通信技术等无数行业支持。例如，在硅谷的半导体、电子计算机和通信等行业的起步和快速发展阶段，恰逢太空竞赛的巅峰时刻，阿波罗登月、天空实验室、航天飞机计划等载人航天项目预算惊人，对于减重、可靠性、计算性能等方面的要求至上、价格却并不敏感，为这些行业带来了天量的订单，数个巨头快速发展，一跃成为世界的领跑者，在冷战末期就奠定了今天几乎全球垄断的地位。 载人航天是个科技密集型行业的属性本身，也决定了它一定是个智力密集型行业，需要广大科技工作者共同努力。这也意味着它的快速发展，能极大促进相关领域科研院所和高等教育机构的成长，孕育出庞大的理工科人才队伍规模。这些人不仅能推动相关领域的发展，人才溢出和价值迭代效应，也会影响社会其他领域的发展，提高整体的生产力水平。



图源：签约摄影师/IC photo

“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远生活在地球上”。这是航天先驱齐奥尔科夫斯基所说的名言。
随着人类社会的快速发展，自然资源变得越发紧张，人口爆炸、环境污染、物种灭绝等人与自然冲突变得更多，地球越来越难以承载人类社会的进一步发展。而宇宙中的资源却是近乎无限的：人类离开地球的脚步仅迈出了38万千米，而已知宇宙的半径已经达到了465亿光年，每一光年，就是9.5万亿千米！人类必然会迈出地球。



从国际空间站看极光和大气辉光丨图源：公关宣传素材

在人类目前技术水平下的的航天发展规划中，利用空间太阳能的太空发电站、利用小行星带的太空采矿、利用其他星球的载人登月/登火，都将逐渐成为现实。在更远的将来，毫无疑问空间站是未来人类迈出地球的基本单元，成为我们在宇宙中的“诺亚方舟”，让地球人的脚步踏上更远的宇宙角落，成为跨行星际空间生存的物种。有生之年，我们还需拭目以待。

作者介绍

太空精酿，航天工程博士，中国航天科普大使。

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