一堂奇妙又精彩的太空科普課

——記中國空間站首次太空授課活動

光明日報記者 章文

時隔8年之後，中國航天員再次進行太空授課。

12月9日，中國空間站首次太空授課活動以天地互動的方式，在中國空間站和設在中國科技館的地面主課堂，以及設在廣西南甯、四川汶川、香港、澳門的地面分課堂同步進行。

在距地球表面400公裡以外的中國空間站天和核心艙内，神舟十三号飛行乘組3名“太空教師”翟志剛、王亞平、葉光富為全國青少年帶來了一堂奇妙又精彩的太空科普課。當天下午，記者來到設在中國科技館的地面主課堂，與在場的中小學生一起，現場聆聽“太空教師”講課。

香港小學生在認真聽課。新華社記者王申攝

“太空教師”驚喜亮相

“歡迎來到‘天宮課堂’！”15時54分許，随着不斷旋轉的陀螺，航天員王亞平出現在大屏幕中，揭開了“天宮課堂”的序幕。

“嗨！同學們好！我是指令長翟志剛。”“感覺良好”乘組的指令長翟志剛兼職“攝像師”，精神飽滿地與同學們打招呼。

“同學們好！我是航天員葉光富。”身着“企鵝服”的葉光富顯得有些“與衆不同”。“這是我們的一件‘秘密武器’。”翟志剛為大家進行了揭秘——分布在“企鵝服”胸部、腰部、腿部的多條彈力拉帶，可将航天員的身體束縛緊，使肌肉長時間保持張力，可以有效預防失重導緻的肌肉萎縮。

在屏幕裡，3位“太空教師”看上去有些“胖胖的”，王亞平解釋，這是由于微重力導緻血液上湧所緻。她依次展示了3名航天員的睡眠區，在她的睡眠區裡，粘貼着她和家人的照片還有喜歡的小物品，顯得格外溫馨。

太空跑台、太空廚房物品、太空自行車……跟随王亞平的鏡頭，孩子們“參觀”了太空家園，時不時發出驚歎的聲音。

神奇實驗别開生面

在約60分鐘的互動交流授課過程中，3名“太空教師”演示了失重環境下細胞學實驗、物體運動、液體表面張力等現象，天地間不斷響起掌聲和笑聲。

在失重環境下，細胞會有何種神奇的變化？

葉光富将細胞樣本放到顯微鏡的鏡頭下面，然後利用筆記本電腦的軟件對細胞進行觀測。從屏幕上可以看到，心肌細胞在熒光顯微鏡的觀察下，出現了一個類似于心髒的跳動，随着細胞跳動，熒光一閃一閃的。此外細胞跳動的畫面也非常神奇，它們以成片的形式在收縮，就像心肌那樣一動一動，很有節律地在運動。

“天宮課堂”實驗。新華社記者王申攝

北京航空航天大學教授劉紅告訴記者，這是心肌細胞的一個生物電的反應。心肌細胞在太空生長後，形成了一個網，這些細胞都是活的，它們都有生命，會産生生物電，生物電可以激發熒光，呈現出大家所看到的一閃一閃的效果。“這對于我們研究在太空中人的心血管系統變化等，提供了很好的實驗平台。”劉紅說。

當地面課堂學生問到在空間站裡能否像地面一樣走路時，王亞平不是簡單回答，而是請葉光富進行現場教學來解答：随即葉光富開始展示太空走路和太空轉身，這些原本在地面上難度系數為零的普通動作，在太空中卻變得十分困難。隻見葉光富飄浮在空中，沒有借助把手的他上半身向左旋轉的時候，下半身就會朝右旋轉，上半身朝右旋轉，下半身就會朝左轉，上下總是擰着。當他舉起右手，在空中畫圈，随着圈越畫越快，他開始緩慢地旋轉了！而當他将手臂展開時，旋轉開始變慢，手臂收回時旋轉變得快了起來。“幫助葉老師完成轉身的這個動作和角動量相關。”王亞平解釋道。

什麼是角動量？中國科技館科普講師團副團長陳征介紹，角動量是描述物體轉動的物理量。這個試驗所展現的是在微重力的環境中，航天員在不接觸空間站的情況下，類似于理想狀态下驗證“沒有外力矩，物體會處于角動量守恒”。航天員上半身向左轉動時，按照角動量守恒的原則，下半身就會向右轉，“另一個動作是航天員伸展身體的時候，因為質量分布得離旋轉軸比較遠，轉動慣性比較大，所以角速度就減慢，通俗地說就是轉得慢了。而當把四肢收回時，轉動慣性小，角速度就會增加，直觀感受就是轉動速度變快了。”陳征說。

“因為有浮力，船才能在大海上航行。”王亞平一邊說，一邊把一顆乒乓球放入塑料瓶并壓入水中，乒乓球沒有浮起，反而沒入水中，引得現場同學啧啧稱奇。陳征介紹，“浮力消失”這項實驗所展現的是浮力和重力伴生的現象。浮力來源于重力引起的液體在不同深度的壓強差。當重力消失時，液體内部壓強相同，浮力也就消失了。不過地球表面難以讓浮力消失，這個試驗很難直觀地展示出來。在空間站的微重力條件下，浮力和重力之間的伴生關系就可以非常清楚地顯現。

在水膜張力實驗中，王亞平先用金屬環從飲水袋中取出一個水膜，緩慢注水制作成厚水膜，看起來就像是一個放大鏡。接着，她拿出一朵和女兒在地球上一起完成的折紙花貼在水膜上，花朵慢慢舒展開來，在“太空之家”盛開。“看到這朵花，我就想到了我的女兒。”王亞平動情地說，“同學們，你們都是祖國的花朵，含苞待放；未來是你們的，希望你們的夢想，都能在這廣袤的宇宙中綻放。”

甘肅省隴南市康縣城關第二小學學生在觀看“天宮課堂”。新華社記者陳斌攝

王亞平接着往水膜上注水，不一會兒，水膜就變成了一個亮晶晶的大水球。用注射器向水球内注入空氣，在水球内産生了一個标準的球形氣泡，還能看到一正一反兩個成像，“這是氣泡将水球分割成了兩部分，分别成像的結果”。精彩的畫面，讓現場的同學們都舍不得眨眼。

幾個實驗下來，“太空教師”們風趣幽默，天地互動問答自如，課堂進行得非常流暢。

最後一個實驗，是本次太空授課中的一項趣味性實驗——做一個“太空歡樂球”。

隻見王亞平将準備好的顔料加入水球中，一個漂亮的藍色水球誕生了！随着橙色泡騰片加入水球中，泡騰片在水球中不斷産生橙色的小氣泡。神奇的是，在失重環境下，這些氣泡隻是不斷産生，并沒有離開水球。陳征介紹，在地面環境中，将泡騰片扔進水球裡，就能看到氣泡上浮，可在中國空間站的失重環境中，因為浮力的消失，泡騰片扔進水中産生的氣泡不再上浮，而是相互擠壓，所以這個水球也會被氣泡撐得更大，就能看到水球一點點膨脹的效果。

“這個藍色小球是不是很像我們的地球，地球是我們人類在宇宙中的搖籃，但人類不可能永遠生活在搖籃裡。”王亞平說，“如今我們擁有了自己的空間站，相信未來中國人的腳步一定會踏入月球、火星和更遠深空！”

奇思妙想點燃科學夢想

授課期間，航天員通過視頻通話形式與地面課堂師生進行了實時互動交流，一個個創意滿滿的太空問答也滿足了孩子們的好奇心。

“我們可以給你們發郵件嗎？”面對澳門同學的提問，葉光富笑着回答，雖然目前無法直接傳輸郵件到天上，但很歡迎孩子們在網站上給他們留言。

汶川的同學提問：“在太空能看到閃爍的星星嗎？有沒有UFO？天也是那麼藍嗎？”王亞平回答說：“透過舷窗，我們可以看到地球，也可以看到日月星辰，但是沒有看到過UFO。由于沒有大氣對光的散射作用，我們看到的太空不是藍色的，而是深邃的黑色。”

“太空教師”王亞平在空間站授課。李源龍攝/光明圖片

“乘坐飛船，是不是和坐過山車一樣刺激？”北京的同學提問。“坐飛船可比坐過山車要更刺激，飛船的速度遠遠大于過山車。”翟志剛笑着說。

“在空間站中，氧氣和二氧化碳如何進行循環？”“在太空中睡覺會飄來飄去嗎？會做夢嗎？做的夢和在地球上有什麼不用？”面對孩子們的提問，王亞平的解答充滿了幽默：“在太空中睡覺，無論什麼姿勢都有種站着睡覺的感覺。每次睜開眼睛，看見自己懸浮在睡袋裡，反而有種做夢的感覺。”

歡樂的時光總是過得很快，不知不覺，課堂接近尾聲。在依依不舍中，3位“太空教師”分别為同學們送上一句太空寄語——

翟志剛說：“太空科技，奧秘無窮！未來屬于你們！”

“星空浩瀚無比，探索永無止境！希望同學們張開夢想的風帆，向無盡的宇宙遠航！”葉光富說。

“飛天夢永不失重，科學夢張力無限！同學們，期待再次見面！”王亞平的寄語與8年前相同，又有所不同，這其中，更多了一份期待。

“此次授課最顯著的特點是天地互動，師生在交流互動中展示有趣的科學現象，來激發孩子們的好奇心和求知欲，在孩子們心中埋下科學思維的種子。”陳征表示，在看完這些實驗的内容後，孩子們可以再去進行探索，在地面上嘗試更多可能的方案，甚至以後可以把他們的奇思妙想帶到太空去。來自北京市朝陽師範學校附屬小學四年二班的陳浩初興奮地說：“‘天宮課堂’太精彩了！我一定要好好學習科學文化知識，将來努力探索宇宙的奧秘。”

超長待機的天地通話如何實現

光明日報記者 崔興毅光明日報通訊員 王雪姣

12月9日15時40分，“天宮課堂”第一課在空間站正式開課。神舟十三号飛行乘組航天員翟志剛、王亞平、葉光富在軌展示了中國空間站工作生活場景，演示微重力環境下細胞學實驗、物體運動、液體表面張力等現象，并與地面課堂進行實時交流。

學生們在中國科技館設立的地面主課堂聽課。新華社記者金立旺攝

為實現天地互聯互通、即時通話，中國電科研制的通信測控系統在天地之間打造了一條高效、穩定的通信傳輸“天路”，滿足超長待機需求。

這場天地通信傳輸高速“天路”是如何建立的？“在陸上測控站、中繼衛星系統中，中國電科從不同維度編織了一條實現100%覆蓋的測控通信網。”中國電科測控專家陳建民告訴記者，遍布各個測控站點的統一測控系統，與架設在太空36000公裡的中繼衛星組網運行，在天與地之間打造了一條通信傳輸“天路”，提供天地之間的圖像傳輸。

中國電科研制的天鍊一号地面終端站是數據中繼衛星系統的重要組成部分，是保證天地信息傳輸的關鍵。陳建民介紹，為适應空間站任務需求，中國電科對天鍊一号地面終端站進行了升級改造，實現了鍊路資源的自動化分配及故障自動處置，提高了任務運行的可靠性，縮短了任務準備和故障處置時間。

“天地鍊路的互為備份，可保證無論飛船飛行軌道和位置如何變化，都能讓地面穩定地接收信号，支撐完成太空授課。”陳建民說。

即時通信的實時交互又是如何實現呢？衛星通信裝備作為天地間的“順風耳”和“千裡眼”，是天地話音圖像的管理和指揮中心，負責将各測控站點的話音、圖像、測控等關鍵數據發送至中心，為指揮決策提供支持。

“為适應空間站和神舟飛船任務對通信系統的要求，中國電科新建了多套固定站、車載站和便攜站，并對衛星通信設備硬件及軟件進行了升級改造。”陳建民說，“在新建和升級後的系統中，采用自主研制生産的大功率功放等設備，系統傳輸容量提升5～10倍，衛星通信傳輸能力大大提升，可滿足空間站長期在軌運行數據傳輸的要求。”

科技人員在核對數據，确保“天鍊”中繼衛星與空間站間的鍊路傳輸穩定。王貝攝/光明圖片

“要想在電視上看到清楚畫面，需要天地圖像編解碼終端對音視頻進行編碼壓縮。”陳建民介紹，中國電科新研制的多種天地圖像編解碼終端，可适應載人空間站多艙、多場景天地圖像傳輸要求，完成低速圖像、高清圖像及全景圖片等各類圖像信息的傳輸，為天地之間聯通構建可視化平台。

（光明日報北京12月9日電）

天地互動的太空授課怎樣做到

光明日報記者 張蕾光明日報通訊員 龐丹

12月9日下午，神舟十三号飛行乘組航天員于中國空間站進行了天地互動太空授課。當穩定的畫面和清晰的聲音從太空傳來後，不少中小學生通過參加直播授課地面課堂，或者在線觀看，體驗了這堂奇妙而生動的“太空一課”。

如何确保跨越天地的“天宮課堂”成功實現？為助力太空授課順利進行，空間站有哪些分系統會發揮作用？讓我們聽聽航天專家怎麼說……

據航天科技集團五院空間站系統測控與通信分系統主任設計師易予生介紹，此次“天宮課堂”基于天鍊中繼系統，采用高速雙向音視頻傳輸，以天地對話等互動形式開展。艙内采用多台高清攝像機，通過中繼高速鍊路将高清視頻實時傳送至地面，地面的情況則由地面上行兩路高清圖像送至艙内顯示器，從而實現天地間雙向視頻傳輸。“為确保‘天宮課堂’能夠順利進行，研制團隊此前對授課過程與天地協同程序進行了多次全流程協同演練。授課過程中，地面工作人員會實時監視空間站上各設備和天地鍊路的狀态，确保參與授課的所有設備正常工作。”易予生說。

在空間站系統中，儀表與照明分系統是最具有航天員參與特點的分系統之一。它具備人機交互功能，既可以為航天員在空間站的操作提供交互平台，也可以為航天員在軌期間的工作、生活、出艙活動、交會對接等任務提供環境照明。

“天宮課堂”開始後，地面上的學生們認真聽講的畫面實時同步出現在空間站核心艙内的太空教室裡。通過一個大的液晶顯示屏，“太空教師”們能夠清楚地看到孩子們的一舉一動。别小看這塊液晶顯示屏，它可是儀表與照明分系統的重要設備之一，屬于新一代分布式數字化遠程終端設備。“它可以為航天員顯示空間站的‘健康狀态’，從而為空間站的平穩運行和航天員的安全保駕護航。”航天科技集團五院空間站系統儀表與照明分系統主任設計師李皖玲說。

航天員在空間站的工作、生活均離不開照明設備，照明子系統可以為空間站組合體提供艙内、艙外照明支持，相應的照明産品主要有情景照明、便攜照明和艙外泛光照明等。“空間站照明子系統是我國首次在空間飛行器上應用情景模式可調照明技術，也是世界上首次在大型載人航天器内全範圍應用情景照明技術。”李皖玲表示。

航天員長期在軌工作和生活，單一的照明模式容易造成航天員工作效率降低、生物鐘紊亂以及睡眠障礙等，而情景照明可以通過對色溫、亮度、照明區域的可控調節，解決上述諸多問題。

（光明日報北京12月9日電）

《光明日報》（ 2021年12月10日08版）

來源： 光明網-《光明日報》

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