天形变 天形变身小动物图片

中国空间站太阳翼出现变形？还能用吗？太空环境到底有多恶劣？

2021年8月31日，中国载人航天工程办公室官方发布神舟十二号航天员在轨拍摄的高清大图，不仅有绝美的太空景色，也有航天员个人温暖的小窝，当然还有夜色下的犹如太空港的北京城，航天员这个职业真是太让人羡慕了！

不过细心的朋友一定发现了一个非常明显的异常现象，从2021年4月29日发射的天和号核心舱的太阳能电池，已经被“暴晒变形”，开始卷曲起来，这太空环境到底有多恶劣？太阳能电池寿命究竟多久，还能使用吗？

从展示的照片来看，长长的太阳能电池中间已经弓了起来，出现了明显的热变形，熟悉不干胶贴的朋友应该都知道，这就是高温或者太阳暴晒下不干胶贴两面收缩比不一致造成的卷曲变形，在胶贴中属于不合格产品，当然超过设计最高温度，比如设计是50W的灯罩贴纸，结果用了100W的灯泡，那么起翘也属于正常现象，毕竟设计100W的灯泡使用环境已经超出了设计指标！

太空不是很冷么，为什么会热变形？

太空给大家印象寒冷、真空和高辐射，《复仇者联盟》中的乌木喉掉入太空，被冻成冰块的经典景象大家一定不会忘记，所以太空寒冷给人的影响尤为深刻。

但是太空真的不冷，而从理论上来看，太空甚至还有点热！中学里我们就学过，温度的本质是粒子的运动，而理想的太空没有粒子，没有温度所需的“载体”，所以它不存在“温度”，不过却没有理想的真空，太空中存在大量高速运动的粒子。

所以太空中具有“很高的温度”，不过却不会“烫伤”人，因为几个粒子对人体造成的伤害还是可以接受的，但人体在太空中却会真的冻伤，因为真空环境下会让机体的水分蒸发带走大量的热，最终结冰，或者因为辐射温度降低也会结冰。

另外更重要的一点是，太空环境下无大气与尘埃遮挡，太阳光暴晒时会达到非常高的温度，超过100℃那是常态，但一旦进入阴影区，由于没有大气保温，温度又能低至-100℃，这个高温差环境让在太空中工作的设备要求极高，要不然在如此高的温差中早就挂了。

太阳能电池是硬板，怎么可能会变形？

我们熟悉的太阳能电池都是硬板结构，难道还经不住100℃的高温，是不是质量太差了？其实完全不是这样，在天宫空间站上用的是柔性太阳能电池。2021年4月29日《中国青年报》报道中中国航天科技集团八院811所专家详解了天宫空间站的太阳能电池：

天宫空间站使用的是柔性砷化镓太阳能电池，和硅材料太阳能电池相比，砷化镓太阳能电池具有更高的光电转换效率，并且它还具有良好的抗辐射新，耐高温性（200℃时硅太阳能电池几乎已经失效，但砷化镓太阳能电池仍能10%的效率继续工作）。

我国使用的三结砷化镓太阳能电池还是第三代柔性电池，这种结构的柔性太阳能电池展开非常方便，功率重量比很高，效率可达30%以上。天宫空间站建成后，其安装的太阳能电池可供电100KW。

核心舱太阳电池翼的另一个特殊功能，是其在轨期间可以整翼拆卸、转移，未来其他模块发射安装后一旦发生遮挡，那么可以将其转移到么看有遮挡的区域。

因此这种薄膜的太阳能电池在展开后会存在一定的变形，即使没有太阳暴晒也存在这种情形，这是薄膜展开后的挠度正常变形，是材料弹性变形的一种正常现象，这个变形后的抗折弯特性还被用在工程应用中增加刚性，比如最简单的应用就是卷尺。

这种特性在反向受力时能在一定长度上让卷尺保持直线，方便我们测量时，这个特性应该是卷尺类工具中最赞的一个设计。

从这个角度可以看到印刷柔性电缆，似乎还能看到绕太阳能电池的卷轴

当然在太空中的太阳能电池不需要这样的刚性设计，它只是长条形薄膜展开后的正常变形，至于向哪边卷曲，在薄膜制造时或者卷曲向上是可以控制的，但一般来说这种变形会朝着卷绕的中心方向，大胆地猜测一下，这个太阳能电池从拍摄者看到的卷绕方向应该是“趴着展开”的。

中国空间站用啥电池？

2021年3月11日，国际空间站丢弃了一块重达2.9吨的蓄电池组，这些电池属于镍氢可充电电池，总有48个电池组成，根据国际空间站的轨道以及电池组的形状，NASA预测其4年后将会进入大气层彻底烧毁，不会掉到地面。

所以我们至少知道了国际空间站之前用的是镍氢电池组，那么中国的空间站用的是什么电池呢？当然高容量的锂电池了，使用了一种陶瓷隔膜，能最大条件下防止内部短路效果，并且在电池组内使用了阻燃材料，防止电池高温时爆燃。

据811所专家表示，国际空间站核心舱内有6组锂电池，每组有66颗单体电池，电池组内还有一套智能化的锂电管理系统，实现高精度、高可靠、高安全的锂电充电控制。电池充电时启用三级保护机制，并实施温度监测，当充电温度高于设定安全温度值时，立即停止对该蓄电池充电。

另外还设计了冗余通道，也就是说有两组电池互相冗余，当一组下线更换时另一组会继续保持供电，并且使用了分段开关，在单独更换其中单元电池组时保证电压在36V安全电压以内。

中国空间站到底用什么标准的电压？

笔者从《中国空间站科学实验资源手册》查到的资料，对设备供电最多的电源是100V，从使用率以及损耗比例来看，应该是DC的可能性比较大，因为太阳能电池为直流电，锂电池也是直流电，所以用直流的可能性几乎100%。

100V的单路供电接口最大功率为1500W（手册中原文：大型载荷/扩展实验平台挂点预留了100V、1500W供电接口），除了100V以外，还有28V、24V、12V、5V等多种电压可供选择。

很难确定中国空间站使用的是什么电池类型，不过根据分析，磷酸铁锂电池的可能性比较大，因为电池颗数比较少，只有66颗单体电池，应该是大容量低电压的磷酸铁锂，假如是18650封装的三元锂电的话至少也得几千颗了吧。

两种电池的差别是磷酸铁锂电池就是用磷酸铁锂做正极，三元锂电池也叫三元聚合物锂电池，主要是由镍钴铝或者是镍钴锰做正极。三元锂电指的是镍盐、钴盐、锰盐，但这些金属盐和电解液在一定温度下会分解，会释放出氧分子，从而变成助燃的元凶，因此三元锂电一旦燃烧的话火势将会十分猛烈。

磷酸铁锂电池也存在安全隐患，但相对比三元锂电好那么一点，因此从安全角度也可以判断出，中国空间站用磷酸铁锂电池可能性是比较大的，但这种电池的缺点是容量密度稍低，但从安全角度出发，这个缺点还是可以克服的，毕竟当年还用过能量密度更低的镍氢电池。

复杂的太空“变形”！梦天实验舱转位过程分5个阶段

北京时间2022年11月3日9时32分，空间站梦天实验舱顺利完成转位。梦天实验舱整个转位过程分成5个阶段，包括转位准备、两舱分离、舱体转位、侧向捕获以及转位后的状态恢复。此次实施的转位任务，是从天和核心舱的前向对接口转位至侧向停泊口，空间站在太空里要完成一套复杂的“变形”。

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在转位任务开始前，梦天实验舱位于核心舱的前项对接口，此时整个空间站是一个偏“T”字构型。要进行转位的话，首先要调整整个空间站的姿态，让它立起来，近乎垂直于地球的方向。

航天科技集团五院空间站系统总体设计师 罗超：整个舱体是由水平倒飞的姿态，变成竖起来的重力梯度姿态。具体的就是核心舱头冲上，顶着梦天舱朝上，货运飞船在底下。整个飞行方向是朝着前边，推着问天实验舱在飞。

在完成这几个动作之后，梦天实验舱的转位就要正式开始了。在此之前，控制人员还要关闭所有的姿态控制系统，让空间站完于一个自然稳定的状态。

接下来，梦天实验舱上的转位机构将开始工作，将梦天实验舱缓缓转向核心舱的侧向对接口，完成转位，形成“T”字构型。随后，整个空间站还要继续调整姿态，恢复水平飞行状态。

航天科技集团五院空间站系统总体设计师 罗超：这时候两个实验舱在飞行方向上，核心舱在下边，在这个姿态下开始姿态起控，直接把它起控到后向飞行。

本次转位任务采用的平面转位方式，是通过转位机构将问天实验舱从核心舱的前向对接口，转90度到核心舱的侧向对接口。实现了在转位前后，梦天实验舱对天对地的方向保持不变，这样就能够使舱上安装的设备可以发挥最大作用。

航天科技集团五院空间站系统总体设计师 罗超：单舱飞行的时候，对天的一些天线，对地的一些敏感器，在转位完成后还是对天对地，这样整个组合体备份就相当多了。每个舱上去，对天对地的天线、敏感器都可以复用，这是最大的一个好处。

在此之前，问天实验舱也同样采用了平面转位的方式，经过这两次任务，对平面转位技术进行了全面的验证和考核。

曾经和平号空间站在进行舱体转位任务时，采用的是一种类似滚转的方式。利用舱体的翻转来实现位置改变。经过研究，科研人员发现平面转位方式更加适合中国空间站。

航天科技集团五院空间站系统总体设计师 罗超：滚转式的转位，形象来说就是被转舱体的转动完成后，舱体整个对天对地面变了。我们当时就提出了平面转位的方案，其实是不绕自身旋转，相当于是一个转动加一个平动过来的，整个舱相当于在平面内转了一个90度。

古代说的天上方一日地上已千年，就是现代科学的时间膨胀效应吗？

那么当真是古人早就洞悉天机了吗？

这是一个很有意思的问题，弄清这个问题，有利于弄清楚什么是神话什么是科学，省得很多人一直沉浸在庄周梦蝶的意境里，不知今夕是何年。

庄周梦蝶典出《庄子·齐物论》，是战国时期道家代表人物庄子提出的一个哲学命题。他以一个短小浪漫的故事，通过一个人梦中化蝶，醒来复人的事例，探讨人生的真实与虚幻：到底醒来是真实的还是梦中才是真实的呢？人本来就是蝴蝶化出还是蝴蝶为人化出呢？

这千古一问弄得许多文人骚客大发感慨，如李商隐《锦瑟》中的千古佳句“庄生晓梦迷蝴蝶，望帝春心托杜鹃”；陆游《连夕熟睡戏书》中“蝶入三更枕，龟搘八尺床”；李白《古风五十九首》中“庄周梦蝴蝶，蝴蝶为庄周，一体更变易，万事良悠悠”等等。

这种哲学思想影响深远，至今还能够引起许多人的共鸣。就是到了如今，也还有不少人有这种认识，最典型的就是虚拟世界论，认为我们都有可能存在于一个虚拟世界，或许我们都是“缸中大脑”，是一群被高级文明豢养的实验品。

但这一切并没有任何依据和证据，完全是被科幻带到沟里的臆想。

如果我们把这类哲学思想或者传说当作实实在在的生活来对待，或者当作科学道理来说，就会把人引入歧途，浑浑噩噩不知所以。比如你天天认为自己是蝴蝶变的，何必为生存和责任忙忙碌碌呢？反正到了晚上又会变成蝴蝶。由此这种人就可能变成一个好吃懒做颓废的人。

在古代一些传说和文学作品中，天上人间的差距和时间变化也是一种畅想和向往，没有任何理论依据和证据。

关于天上人间存在时间差的说法很多，如有的说天上一日地上一年，还有天上一日地上百年、天上一日地上千年、山中（洞中）方一日，世上已千年等等。

但这些说法在神话故事里矛盾百出，比如《西游记》中，那个唐僧老被妖魔抓住，大闹天空时几乎无敌的孙悟空后来就老打不赢妖怪，要上天或者到仙境去搬救兵，来去筋斗云，一个筋斗十万八千里，虽然达不到光速，也算是高速参照系，会有时间膨胀效应吧？

而且一来一去在天上仙境总花了不少时辰吧，有时还要在天宫向上级汇报陈述许久，可回到人间，唐僧的时间并没有过去很久，当天还是当天，与孙悟空的时间几乎同步。

这位观音大士来来往往的在天上人间走动频繁，年复一年，人间似乎并没有什么时间剧变。

所以，过去说的天上一日，地上一年或千年，只是在故事剧情需要时才”穿越“一下，没有任何严谨的数据依据，不需要时就天上人间同享一个时间线。

那么这些传说的根据是怎么来的呢？时空通讯认为，这里面既有人们对天宫神仙的向往和想象，又有古代不同人群之间的一些感受抒发。

大家知道，中国古代很多神仙传说几乎都是在奇山怪洞或海洋孤岛中修行，实际上是一些道人、佛陀、隐士的夸张和变形。

这些道人、佛陀、隐士与世隔绝，信息闭塞交通不便，过着孤独而简朴的生活，他们或坐禅或闭关，苦思冥想着人世间的各种事物现象的“真谛”，日复一日日子过得很快，周边环境却几十年如一日，几乎没有什么变化。但某一天突然下山到了人间，发现人间完全变了，自己离开人间就像昨天的事情。

这样就萌发了山中方一日，世上已千年的感觉。他们把这些感受写入自己的著述中，流传下来传来传去，就成了人间与神仙的时间差。

这或许就是过去天上一日，世上千年的来历吧。时空通讯对这些并没有详细考证，不足为据，欢迎讨论。但至少可以说，古代关于天上人间时间不同的传说，没有任何理论和证据的支撑，而且矛盾百出。

时间的尺缩钟慢效应体现在速度和重力场不同的坐标系，速度越快，时间流速越慢，重力场越大，时间流速越慢。

时间在低速参照系中的变化及其微小，一般可以忽略不计，随着速度的提升，这种变化就越来越明显，在现代航天活动中，这种变化必须考虑进去，否则就会失之毫厘差之万万里。

最典型的例子就是GPS导航系统对于时间膨胀效应的调校。

GPS卫星在20000公里高空受到的重力只有地球重力的四分之一，根据广义相对论引力场理论，时间就会走的慢一些，经过计算，那个高度的时间比地表会快一千亿分之五十三，这样卫星上的时间每年就会快千分之十七秒；

GPS卫星以每秒约4公里的速度运行，根据狭义相对论，速度越快，时间就会越慢，虽然这个速度时间膨胀不明显，但影响是存在的，这个影响就是卫星时间比地表时间慢了一千亿分之八，一年就会慢千分之三秒。

这样，科学家们就要制作一个修正程序，使卫星时钟与地球时间能够同步，消除时间膨胀对导航定位的影响。这个程序会根据重力不同导致的时间变快和速度导致的时间变慢之差，将卫星时钟跳动频率调整成比地球慢千亿分之四十五，这样就消除了导航定位出现的误差。

别小看这一点极微小的时间误差调校，如果任由卫星按地球时钟频率一样流逝时间，每天地球定位长度就会误差11.4千米，过了几天，这个导航就把你导到爪哇国里去了。

GPS卫星的时间膨胀调校，就是爱因斯坦狭义相对论和广义相对论关于时间膨胀理论的实践运用，科学家们已经多次在空间站等航天器上用原子钟对这个理论进行了精准的验证，证明了这个理论的正确和精准。

经计算，当速度达到光速一半时，时间膨胀效应可以达到1.1545倍，也就是说在一个移动速度为15万千米/秒的飞船里，乘员过去了1天，地球观测者就过去了1.1545天；飞船里的人过了一年（365.25天），地球人就过了421.7天。

越接近光速，这种效应就越明显，达到光速的99.99%时，这种效应可以达到70倍；达到光速的99.999999999999%时，这种效应就达到707万倍，也就是说飞船里的人感觉才一天，地球上的人已经过了707万天，也就是19356.6年，这可比天上方一日，地上已千年还要厉害多了。

但这也是不可能的，因为还没到黑洞里面，一切物质都将被巨大的引力潮汐撕扯成基本粒子。就像速度的时间效应一样，这个理论只能说明越接近极端的引力场，时间膨胀效应就越明显，理论上可以实现巨大重力场中待一天，低重力场观测系的人类已过千年甚至万年的效应。

这种效应已经在行星探测器运行导航中得到广泛的运用，如先驱者10号、11号，旅行者1号、2号，卡西尼号等，在它们经过大质量天体附近时，必须对引力场导致的相对论时间延迟效应进行精准的测算和调整，否则就会失之毫厘差之万里了。

总而言之，古代的天上一日地上千年只是一种神话传说，没有任何根据；而今天的时间膨胀效应是一种有理论有实践验证的科学存在，或许未来真的能够实现“天上方一日，世上已千年”的神话故事呢。

个人观点，欢迎讨论。

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