关于向心力的一道高一物理题
“囷平”号空间站是由1个核心舱和5个功能各异的科学实验舱组成的,总质量137t,总容量470m^3,飞行在离地高度350~400km的太空轨道上,约90min绕地球的最中心一周,15年中共計飞行8万圈,成为20世界飞行时间最长的在人航天器.若“和平”号空间站在离地高度为h=400km的轨道上绕地球的最中心做匀速圆周运动（已知地球的朂中心半径为6.37*10^6m)
3）空间站所受的向心力

2021 年 4 月 29 日 11 时 22 分 30 秒长征五号 B 遥二运載火箭搭载中国空间站「天和核心舱」，在海南文昌航天发射场发射升空

近年来，我们也许习惯了中国航天的高频次发射但这次的发射对于中国载人航天事业，具有并不亚于中国人首次进入太空、航天员首次出舱活动的重要意义

什么是空间站核心舱？它是做什么用的此次发射的天和号又有哪些技术特点？怎样理解它的价值看到这则新闻，你想必会产生这些疑问

让我们一步一步，从最简单的开始說起

如果不追溯到各民族早期的神话传说概念或者早期的科幻小说，比如 1869 年美国作家爱德华的「砖砌月球空间站」那么，空间站这个概念的最初提出是由俄国在 20 世纪初完成的。

早期的空间站外形风格非常活泼发散但在各种现实条件的逼迫下，变得越来越趋同 |《空间站系统和应用》

1903 年俄国航天之父康斯坦丁提出设想，在接近地球的最中心的太空环境中建造一个带有自主能源供应系统、生命保障系統的空间站，可以供人居住1971 年，苏联率先发射了人类历史上第一个空间站礼炮 1 号。

如果严格按今天的标准评判一些早期太空站是不能算真正空间站的。比如美国 1973 年发射的天空实验室（Skylab）饮水都是自带的、不能再供应；而且没有推进系统，所以无法长期维持在轨道上

来源：《载人航天出版工程——空间站系统和应用》

在今天，一个真正意义上的空间站必须同时具备 4 个特征——这是把它与卫星、飞船、航天飞机等其他空间系统有效区分开来的关键。它们分别是：

a. 空间站必须是一个轨道系统这意味着它必须位于环绕星体的太空轨道上虽然在今天这还仅仅局限于地球的最中心，但在未来建造环绕月球、甚至火星的空间站，在技术上都是可以实现的

b. 空间站必须足够夶特别是功能较为完备的空间站，经常需要2枚甚至更多的火箭发射它的组件然后在太空轨道上进行组装。

航天员在太空中维修空间站的┅个电源控制器 | NASA

c. 空间站必须能长期、反复使用且能支持多种用途这意味着空间站的设备、组件，必须能够在使用过程中、在太空轨道环境下进行修理、替换而且需要地面持续不断的对它进行物资补给。

d. 空间站必须是一个具备载人功能的系统这意味着它必须具备很多额外嘚设计比如舱体结构中要有保护航天员免遭太空辐射和微小流星体伤害的保护层，要有各种维持生存环境（比如足够气压）的生命保障系统紧急情况下能让航天员迅速返回地球的最中心的交通工具等。

越是功能完善的空间站它就需要越大的空间，安装更多更复杂的各種设备支持更多航天员的生存、生活、工作。但遗憾的是人类的火箭并不能无限制地把尺寸和吨位做大，它首先会失去经济上的可承受性继而又会很快失去技术上的可能性。

空间站尺寸的主要限制因素是发射火箭体积和形状。考虑这一点大型空间站的最优总体设計，就是采用多个圆筒结构的舱体进行「太空拼积木」

火箭整流罩内的天和号核心舱，已经是国内能发射的最大的航天器 | Vivo

采用圆筒结构嘚优势有很多包括更容易做的又轻巧又结实，并能最有效率的利用运载火箭的内部空间这些不同的舱体在地面先后发射到太空以后，會在轨道上进行组装并最终形成完整的太空站系统。

既然采用了分体设计那么不同组件在发射秩序上，就必然有先有后而且，不同艙体承担的功能也各有侧重——因为把所有舱体都做成一样的必然带来极大的浪费，并把总体性能拉低到一个非常凄惨的水平

和平号涳间站代表了现代大型空间的主流成熟设计，「圆筒插圆筒」是最显著的外观特征之一 | NASA

所以在空间站这个「太空积木」中，必须有第一塊到位的积木作为整个系统完整组装的基点。它就是核心舱

这样的地位决定了核心舱也必然是整个空间站的核心舱室。后续的功能舱室都要围绕它建设它必须能够支持这些舱室的运转；作为第一个上天的舱室，它需要具备宇航员的维生能力

如今，我们对它的了解已經越来越多

2016 年 4 月，中国载人航天工程办公室发布了《空间站工程研制进展》详细介绍了中国空间站的发展动态。2018 年中国空间站核心艙在第 12 届珠海航展上首次对外公开展出。

借由这些信息我们得以窥探天和核心舱和未来空间站的技术特点。

中国未来的空间站被命名为「天宫」整个空间站采用水平对称T形构型，将由核心舱和 2 个实验舱组成设计寿命 10 年，额定乘员 3 人新旧乘员组轮换时可支持 6 人。

中国涳间站的基本构型 |《我国空间站工程总体构想》

作为核心舱的天和号是空间站的主控舱段是管理和控制中心，也是航天员生活的主要场所它要负责整个空间站的电源电路、环境控制、生命保障功能，包括气体压力、成分、温度、湿度的调节水的回收管理，微生物控制囷废弃物管理等等可以满足航天员长期太空飞行的生活需求。

来源：《中国载人空间站方案的变迁》

天和号核心舱带有一个大型机械臂它前方较为细长的部分是节点舱。天和号核心舱尾部可以连接货运飞船而节点舱的前部有一个转位基座，可以连接载人飞船、两个实驗舱还有一个对天方向的出舱口，用于航天员出舱活动

在空间站的建造过程中，天和号核心舱的节点舱端口的对接口会首先完成与實验舱的对接；然后通过转位基座或者机械臂的操作，把实验舱转移到节点舱左/右侧的两个停泊口实现长期停靠。

载人航天工程办公室發布的《空间站工程研制进展》清楚呈现了未来空间站的组建过程

按照现有资料中国空间站核心舱和实验舱均为 20 吨级，合体质量（不含飛船）约 66 吨乍看起来，与重达 400 多吨的国际空间站有较大差距

不过，以天和号核心舱为代表国产空间站采用了模块化的总体设计思路，预留了额外的机电热接口它可以再对接一个新的带节点舱的核心舱，这意味着能够扩展出一个总规模翻倍的空间站。

最大构型下國产空间站可以扩展到 2 核心舱、4 实验舱、4 舱外实验平台、并同时连接 3 艘飞船。此时整个空间站系统规模达到 180 吨可以支持 6 名长期乘员。

基夲构型与最大构型对比 |《我国空间站工程总体构想》

在得到天和号核心舱的支持后中国空间站的实验舱就能充分发挥作用了，它们主要鼡于空间科学实验、空间应用和空间技术实验

其中，实验舱 I 最为重要它除了存放用于进行科学实验的设备材料、航天员的消耗品和补給货物外，还承担了天和号核心舱一部分功能的备份任务一旦核心舱的相关设备出现故障，它就会挺身而出、保障空间站的正常运转

1992 姩，中国载人航天发展正式确立了「三步走」的战略

第一步是先把人送入太空并安全返回。这已在 年期间由神舟系列飞船搭载杨利伟、费俊龙、聂海胜等航天员实现。

第二步是突破空间站建造的一些关键技术包括航天员出舱活动，飞船与空间实验室的交会对接并解決一定规模较小、需要航天员短期照料的空间应用问题。这已在 年期间由天宫一号、二号空间实验室实现。

中国载人航天的第三步是建造真正意义上的空间站，解决较大规模、需要航天员长期照料的空间应用问题刚刚发射的空间站核心舱「天和」号，正是第三步的关鍵所在

按照目前的计划，今明两年中国将接续实施 3 次空间站舱段发射，4 次货运飞船及 4 次载人飞船发射于 2022 年，即载人航天工程正式启動整整三十年之际完成空间站在轨建造。

天和号的发射预示着国产空间站的建造即将在较短的时间内建成。中国在世界航天领域中的哋位和影响力将会踏入一个全新的阶段。

[1] 中国载人航天工程办公室. (2016).空间站工程研制进展.

[3] 张雪松. (2016).中国载人空间站方案的变迁.

[4] 毛新愿. (2019).中国空間站为什么要这样设计?

[5]厄思斯特?梅瑟施米德, 莱茵霍尔德?伯特兰, 梅瑟施米德, 伯特兰, & 周建平. (2013).

空间站系统和应用, 中国宇航出版社.

原标题：天和核心舱入轨后还將有问天、梦天两个实验舱择机发射升空，与天和实现对接——四十余位院士问天问月问星河

4月29日搭载空间站天和核心舱的长征五号B遥②运载火箭，在我国文昌航天发射场点火升空发射任务的圆满成功标志着中国空间站在轨组装建造全面展开，为后续关键技术验证和空間站组装建造顺利实施奠定了坚实基础

时值第六个中国航天日活动之际，40余位两院院士会聚一堂共襄一场航空航天领域的学术盛宴，22場主旨报告更是创历届航天日活动院士出席和报告场次之最从“天基监视雷达”到小天体探测任务，从中国对地观测技术的发展到中国涳间技术的成就与展望从“自力更生、艰苦奋斗”老一辈航天人精神到“特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能奉献”的载人航天精神……院士们齐聚“问天”，畅想我国航空航天事业的未来

“地球的最中心是人类的摇篮，但人类不可能永远生活在摇篮中”

从基础研究到重大工程未来几年，我国将同步推进小行星探测、深空探测、重型火箭研发等多个重要项目中国航天由“跟跑”到“领跑”，前沿科技取得巨大突破

空天飞行研究正是其一。“空天飞行将推动实现革命性的空天航班、全球快速运输等工程应用”中国工程院院士、中国航天科工副总经理魏毅寅介绍，这些技术难题在近期也许会取得新的突破接下来要做的是进行技术验证、飞行验证、临近涳间宽域飞行试验等。加快推动空天飞行器技术发展人类实现自由进入太空、建设太空信息港和地外天体基地的梦想将不再遥远。

“空忝飞行的优势明显具有低成本航天发射、高可靠空天往返、快速响应便捷使用、航班化空天飞行等特点。”魏毅寅表示面临的挑战也昰空前的，例如什么样的发动机可以完成这样一个过程什么样的结构、材料可以耐受高温热等不同环境的考验，以什么气动外形适应0到25馬赫全速域飞行……这些都是发展空天飞行器需要解决的关键问题

天和核心舱入轨后，还将有问天、梦天两个实验舱择机发射升空与忝和实现对接。

中国科学院院士、中国科学院国家空间科学中心主任王赤研究领域主要是空间物理和空间天气他是中科院空间科学先导專项（二期）负责人。王赤介绍从广义上来说，利用航天器开展的科学研究就叫空间科学。当前天空天文、太阳系空间、行星科学鉯及对地观测，是我国空间科学研究中最重要的四个方面

2011年，国务院批准中国科学院发起、主导空间科学的先导专项一期工程共发射叻4颗卫星——悟空号、墨子号、慧眼以及实践十号。如今这4颗科学卫星正在取得重大科学发现和技术突破。

王赤表示虽然我国的深空探索与国外还有差距，但“天问一号”一步实现“绕落巡”是空间探测的高起点起步他介绍，在空间科学先导专项（二期）阶段将围繞两方面来做研究——宇宙和太阳系的形成，以及太阳对地球的最中心的影响为此，将立项研制发射4~6颗新的科学卫星争取在时域天文學、太阳磁场与爆发的关系、太阳风-磁层相互作用规律等空间科学相关领域取得重大原创成果。

“地球的最中心是人类的摇篮但人类不鈳能永远生活在摇篮中。”王赤告诉记者“天问一号”是我国空间探测的高起点起步，未来将有更多机器被送达太空探索宇宙和生命嘚奥秘。

“我国小天体探测任务已经进入工程研制阶段”

中国科学院院士、嫦娥一号卫星系统总指挥兼总设计师、南京航空航天大学航天學院院长叶培建透露我国小天体探测任务已经进入工程研制阶段。为什么要探测小行星叶培建表示，实施小行星探测对全人类具有深遠的意义小天体保存着太阳系形成演化的原始信息，能帮助我们了解宇宙演化和生命的起源；具有丰富的资源蕴含很大的经济价值。

2019姩4月国家航天局发布的《小行星探测任务有效载荷和搭载项目机遇公告》确定，中国小行星探测任务要通过一次发射实现一颗近地小荇星取样返回和一颗主带彗星绕飞探测，达到探测领域和核心技术的全面性突破使我国小天体探测达到国际同期先进水平。

“由于小行煋引力小尚未有国家实现小行星降落采样。我国进行的第一次小行星探测就会选择降落采样掌握了降落技术，就意味着将来如果有小荇星撞击地球的最中心我国可以直接接近并干预。”叶培建说按照设想，小行星探测将在10年分3个阶段实施即小行星探测、取样返回、探测彗星。

叶培建表示小行星探测需要解决航天器长远飞行的动力问题、通信问题以及长达10年以上的地面管理问题。小行星近距离的探测和采样难度很大“因为小天体不过几十米又几乎没有引力，我们首先要围绕着小天体在不同相位进行悬停探测了解小天体的各种特性，通过绕飞探测选择可能着陆的地点‘走一步看一看’最后才到小天体上进行采样”。

近年来中国航天逆势而上，在嫦娥五号、“天问一号”亚太6D新平台首飞等方面取得举世瞩目的成果。从1975年首次发射返回式遥感卫星起中国已经形成了陆地、海洋、气象、高分等遥感卫星系列，国际宇航科学院院士、高分专项工程总设计师童旭东重点介绍了中国对地观测技术的发展概况、建设目标、应用等情况

中国工程院院士、南京航空航天大学校长单忠德指出，航空航天领域生产装备与制造车间数字化、智能化系统集成发展不同制造装备の间、上下料机构、物流系统等企业内外设备实现互联互通和智能制造，可实现自运行、自调控构建数字化生产线、离散型智能车间与笁厂，实现批量柔性化智能化定制生产

“天基”雷达是无线电领域中的前沿重点。“天基”雷达就是装在卫星上的雷达，它被应用于航天器的轨道交会、卫星回收、定位、监视及探测等中国工程院院士、南京航空航天大学电子信息工程学院院长贲德指出：“没有任何┅种现代战争能离开雷达。研究天基雷达难度很大各国都在努力，但现在还没有一个国家把它做出来我们应该积极地开展‘天基’雷達研发。”

“新一代航天人的使命任务比老一代光荣艰巨”

国内航天研究领域的各位专家在讲述航天事业技术发展时围绕新时代如何传承弘扬航天精神进行了阐述，探讨如何将航天精神转化为加快建设航天强国的强大力量

中国工程院院士、空间神舟飞船总设计师戚发轫昰新中国航天史的谱写者与见证者，曾参加中国第一发导弹、第一枚运载火箭、第一颗卫星、第一艘试验飞船和第一艘载人飞船的研制工莋从以“自力更生、艰苦奋斗”为特点的老一辈航天人精神，到将“热爱祖国”作为核心的两弹一星精神再到“特别能吃苦、特别能戰斗、特别能攻关、特别能奉献”的载人航天精神，戚发轫结合亲身经历解读“中国航天与航天精神”

戚发轫表示，航天事业发展到现茬新问题新挑战会不断涌现，新一代航天人的使命任务比老一代光荣艰巨“老一代航天人当年是解决‘有无问题’，别人有的我们要囿；新一代航天人要解决‘别人有的我们要做得比他们好他们没有的我们也要有’的问题。”戚发轫说

去年11月，探月工程嫦娥五号探測器成功发射由南京航空航天大学赵淳生院士团队研发的超声电机等技术团队助力“嫦娥”飞天。与传统电机相比超声电机具有响应赽、精度高、噪声小、无电磁干扰等优点。超声电机被应用到嫦娥三号和四号探测器

赵淳生是我国第一个研究电动式激振器的科学家，吔是我国超声电机领域的奠基者和开拓者82岁高龄的赵淳生，在20年前被查出患有癌症经过2次开刀6次化疗，依然奋战在科研一线“搞科學研究需要几十年如一日，反复实验反复钻研。这个过程是漫长且枯燥的这就需要大家肯吃苦，能坚持愿意为国奉献，不计较个人嘚失”

在单忠德看来，强化国家战略科技力量必须重视科研人员的主体作用，激发科技人才创新活力只有不断地推动有组织的科研敎育、创新和人才培养，才能够实现共同发展

“强化国家战略科技力量，必须重视科研人员的主体作用激发科技人才创新活力。”单忠德告诉记者此次发射的天和核心舱，以郭万林院士为代表的南航科研人员为长征五号火箭成功发射尤其是2017年第二次发射以来的归零囷验证工作贡献了“南航智慧”。“我们既要传承航天精神和弘扬科学家精神还要营造创新文化，真正让每一个人都能够去主动加速创噺共同推动我国由制造大国向制造强国转变。”

（本报记者 崔兴毅 本报通讯员 王 伟）（崔兴毅 本报通讯员 王 伟）