中国空间站将支持开展大规模多学科的空间科学研究、技术验证和空间应用,具有航天员参与实验操作、实验设备可维护升级、实验样品可返回、天地信息传输等独特优势。空间站将在轨运营10年以上,实验资源充足,为开展多学科、系列化和长期的空间研究提供了历史性机遇。
研究环境和应用资源条件
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空间站的独特研究环境
- 微重力环境:提供长时间微重力环境(残余微振动加速度为10^-3~10^-4g),用于研究流体力学、燃烧机制、材料加工等。
- 轨道位置:近圆低地球轨道(340~450千米),倾角41~42度,覆盖地球人口居住90%的区域,适合天文观测和空间物理研究。
- 辐射环境:处于地球电离层F2层,受地球磁场保护,但高能粒子仍能穿透舱壁,适合辐射生物学和高能天文观测研究。
- 舱外极端环境:包括极热和极冷循环、高真空、原子氧侵蚀、太阳紫外辐射和宇宙高能射线辐射等,适合研究材料、生物体等在极端环境下的性能变化。
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中国空间站的应用资源条件
- 科学实验舱段:核心舱、实验舱I和实验舱II,配备科学实验柜和暴露实验平台。
- 机械臂:核心舱和实验舱I各配置1套机械臂,支持在轨有效载荷安装。
- 上下行运输支持:主要通过货运飞船上行,少量实验样品可由神舟载人飞船下行。
- 飞行乘组支持:航天员可执行空间实验操作、状态监视、样品更换、回收处置等任务,并具备舱内外载荷维修与更换能力。
空间站空间应用研究方向
- 航天医学:研究长期失重和辐射对航天员健康的影响及防护技术。
- 空间生命科学与生物技术:研究空间重力生物学、空间辐射生物学、空间生物技术等。
- 微重力流体物理与燃烧科学:研究微重力流体动力学、两相流、相变传热、燃烧科学等。
- 空间材料科学:研究微重力环境下材料物理和化学过程规律,制备高性能材料。
- 微重力基础物理:检验现有物理理论,发现新的物理现象和规律。
- 空间天文与天体物理学:开展高精度测光和光谱巡天,研究黑洞、暗物质、暗能量等。
- 空间物理与空间环境:研究空间环境保障、太阳质子事件、太阳-磁层-电离层链接关系等。
- 空间地球科学及应用:研究地球系统科学、人类活动对全球变化的影响、自然灾害等。
- 航天元器件与部件:提升国产元器件与部件研发能力,进行舱外暴露试验。
- 航天新技术:验证航天器平台新技术及瓶颈技术。
- 空间应用新技术:提升航天新技术研究水平和自主研发能力。
空间站科学与应用研究设施概述
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密封舱内科学实验柜
- 学科方向实验柜:包括航天医学、空间生命科学与生物技术、微重力流体物理与燃烧科学、空间材料科学、微重力基础物理、航天新技术等方向的实验柜。
- 共用支持实验柜:包括科学手套箱、低温存储柜、高微重力实验支持设备、变重力实验支持设备、在轨维修装调支持平台等。
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舱外暴露实验装置
- 空间生物学暴露实验装置:用于模式动物、植物、微生物、生物组织等在舱外宇宙辐射环境下的研究。
- 材料舱外暴露实验装置:用于空间应用材料的空间损伤和使役性能实验。
- 元器件与组件舱外通用装置:支持开展元器件与组件在轨试验,获取空间环境下元器件与部件的可靠性试验数据。
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舱外独立载荷
- 标准实验载荷:通过机械臂安装于舱外暴露平台或载荷挂点,提供机械、电源、信息、热控接口。
- 大型非标载荷:通过货运飞船上行,由航天员操作机械臂从货运飞船直接转移到载荷挂点,支持大型挂接载荷和扩展实验平台。
密封舱内实验资源
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学科方向实验柜资源
- 航天医学方向:人系统研究机柜、医学样本分析与高微重力科学实验柜。
- 空间生命科学与生物技术方向:生命生态实验柜、生物技术实验柜。
- 微重力流体物理与燃烧科学方向:流体物理实验柜、两相系统实验柜、燃烧科学实验柜。
- 空间材料科学方向:高温材料科学实验柜、无容器材料实验柜。
- 微重力基础物理方向:超冷原子物理实验柜、高精度时频实验柜。
- 航天新技术方向:航天基础试验机柜。
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共用支持实验柜资源
- 科学手套箱与低温存储柜:提供样品装载、精细操作、样品低温存储等功能。
- 医学样本分析与高微重力科学实验柜(高微重力实验部分):提供高微重力环境,支持相对论物理与引力物理研究等。
- 变重力科学实验柜:提供0.01g到2g的重力范围,模拟不同可控重力环境。
- 在轨维修装调支持平台:支持载荷的准备、装调、清洁、焊接、组装、测试,维护、故障诊断和维修等舱内精细操作。
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舱内独立载荷资源
- 空置实验机柜:提供机械安装支持、供电、测控、信息等接口资源,支持独立载荷开展实验。
密封舱外实验资源
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舱外实验条件概述:通过暴露实验平台、大型载荷挂点和扩展实验平台挂点,支持开展空间天文、空间物理与空间环境、地球科学及应用、航天新技术、空间应用新技术等方向的研究。
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核心舱舱外实验资源:核心舱外有一个大型载荷挂点,可用于挂载较大非标载荷开展科学实验。
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实验舱I舱外实验资源:气闸舱外设置舱外暴露平台,资源舱和工作舱外设置载荷适配器,支持开展空间天文与天体物理、空间物理与空间环境等方向的相关研究。
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实验舱II舱外实验资源:载荷舱和资源舱外设置载荷适配器,支持开展空间天文与天体物理学、地球科学及应用、空间物理与空间环境等多方向的实验研究。
空间站应用在轨信息支持
- 主要功能:接受地面有效载荷运控中心的管理和控制,对舱内外有效载荷数据管理,数据大容量存储和数据计算处理。
- 载荷接口及指标:科学实验机柜内载荷信息接口、空置载荷装载空间、舱内独立载荷及舱外载荷信息接口。
有效载荷上下行支持
- 科学实验样品/装置上下行:载人飞船上行支持最大300kg,货运飞船上行能力最大5.5t,下行载荷物资能力50kg。
- 载荷数据上下行:三舱组合后上行数据总速率支持3Mbps~9Mbps,三舱组合后下行数据总速率支持1.1Gbps。
载荷研制要求
- 满足载人航天工程标准、空间站规范和空间应用系统规范,具备维修性设计,通过工效学评价,满足各飞船的相关要求,不影响其他系统的正常工作。
- 主要要求包括机、热、电及信息设计要求,数据通信设计要求,安全性、可靠性和维修性要求,环境适应性要求,工效学要求,医学要求,微生物控制要求,电磁兼容性和接地设计要求,软件研制要求,废弃物处理要求,测试试验要求。