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欢迎来到“太空教师”的“天宫课堂”

2021-12-12 05:08| 发布者: admin| 查看: 83| 评论: 0|原作者: 大唐名人网|来自: 网络整理

一堂奇妙又精彩的太空科普课

——记中国空间站首次太空授课活动

光明日报记者 章文

时隔8年之后,中国航天员再次进行太空授课。

12月9日,中国空间站首次太空授课活动以天地互动的方式,在中国空间站和设在中国科技馆的地面主课堂,以及设在广西南宁、四川汶川、香港、澳门的地面分课堂同步进行。

在距地球表面400公里以外的中国空间站天和核心舱内,神舟十三号飞行乘组3名“太空教师”翟志刚、王亚平、叶光富为全国青少年带来了一堂奇妙又精彩的太空科普课。当天下午,记者来到设在中国科技馆的地面主课堂,与在场的中小学生一起,现场聆听“太空教师”讲课。

香港小学生在认真听课。新华社记者 王申摄

“太空教师”惊喜亮相

“欢迎来到‘天宫课堂’!”15时54分许,随着不断旋转的陀螺,航天员王亚平出现在大屏幕中,揭开了“天宫课堂”的序幕。

“嗨!同学们好!我是指令长翟志刚。”“感觉良好”乘组的指令长翟志刚兼职“摄像师”,精神饱满地与同学们打招呼。

“同学们好!我是航天员叶光富。”身着“企鹅服”的叶光富显得有些“与众不同”。“这是我们的一件‘秘密武器’。”翟志刚为大家进行了揭秘——分布在“企鹅服”胸部、腰部、腿部的多条弹力拉带,可将航天员的身体束缚紧,使肌肉长时间保持张力,可以有效预防失重导致的肌肉萎缩。

在屏幕里,3位“太空教师”看上去有些“胖胖的”,王亚平解释,这是由于微重力导致血液上涌所致。她依次展示了3名航天员的睡眠区,在她的睡眠区里,粘贴着她和家人的照片还有喜欢的小物品,显得格外温馨。

太空跑台、太空厨房物品、太空自行车……跟随王亚平的镜头,孩子们“参观”了太空家园,时不时发出惊叹的声音。

神奇实验别开生面

在约60分钟的互动交流授课过程中,3名“太空教师”演示了失重环境下细胞学实验、物体运动、液体表面张力等现象,天地间不断响起掌声和笑声。

在失重环境下,细胞会有何种神奇的变化?

叶光富将细胞样本放到显微镜的镜头下面,然后利用笔记本电脑的软件对细胞进行观测。从屏幕上可以看到,心肌细胞在荧光显微镜的观察下,出现了一个类似于心脏的跳动,随着细胞跳动,荧光一闪一闪的。此外细胞跳动的画面也非常神奇,它们以成片的形式在收缩,就像心肌那样一动一动,很有节律地在运动。

“天宫课堂”实验。新华社记者 王申摄

北京航空航天大学教授刘红告诉记者,这是心肌细胞的一个生物电的反应。心肌细胞在太空生长后,形成了一个网,这些细胞都是活的,它们都有生命,会产生生物电,生物电可以激发荧光,呈现出大家所看到的一闪一闪的效果。“这对于我们研究在太空中人的心血管系统变化等,提供了很好的实验平台。”刘红说。

当地面课堂学生问到在空间站里能否像地面一样走路时,王亚平不是简单回答,而是请叶光富进行现场教学来解答:随即叶光富开始展示太空走路和太空转身,这些原本在地面上难度系数为零的普通动作,在太空中却变得十分困难。只见叶光富飘浮在空中,没有借助把手的他上半身向左旋转的时候,下半身就会朝右旋转,上半身朝右旋转,下半身就会朝左转,上下总是拧着。当他举起右手,在空中画圈,随着圈越画越快,他开始缓慢地旋转了!而当他将手臂展开时,旋转开始变慢,手臂收回时旋转变得快了起来。“帮助叶老师完成转身的这个动作和角动量相关。”王亚平解释道。

什么是角动量?中国科技馆科普讲师团副团长陈征介绍,角动量是描述物体转动的物理量。这个试验所展现的是在微重力的环境中,航天员在不接触空间站的情况下,类似于理想状态下验证“没有外力矩,物体会处于角动量守恒”。航天员上半身向左转动时,按照角动量守恒的原则,下半身就会向右转,“另一个动作是航天员伸展身体的时候,因为质量分布得离旋转轴比较远,转动惯性比较大,所以角速度就减慢,通俗地说就是转得慢了。而当把四肢收回时,转动惯性小,角速度就会增加,直观感受就是转动速度变快了。”陈征说。

“因为有浮力,船才能在大海上航行。”王亚平一边说,一边把一颗乒乓球放入塑料瓶并压入水中,乒乓球没有浮起,反而没入水中,引得现场同学啧啧称奇。陈征介绍,“浮力消失”这项实验所展现的是浮力和重力伴生的现象。浮力来源于重力引起的液体在不同深度的压强差。当重力消失时,液体内部压强相同,浮力也就消失了。不过地球表面难以让浮力消失,这个试验很难直观地展示出来。在空间站的微重力条件下,浮力和重力之间的伴生关系就可以非常清楚地显现。

在水膜张力实验中,王亚平先用金属环从饮水袋中取出一个水膜,缓慢注水制作成厚水膜,看起来就像是一个放大镜。接着,她拿出一朵和女儿在地球上一起完成的折纸花贴在水膜上,花朵慢慢舒展开来,在“太空之家”盛开。“看到这朵花,我就想到了我的女儿。”王亚平动情地说,“同学们,你们都是祖国的花朵,含苞待放;未来是你们的,希望你们的梦想,都能在这广袤的宇宙中绽放。”

甘肃省陇南市康县城关第二小学学生在观看“天宫课堂”。新华社记者 陈斌摄

王亚平接着往水膜上注水,不一会儿,水膜就变成了一个亮晶晶的大水球。用注射器向水球内注入空气,在水球内产生了一个标准的球形气泡,还能看到一正一反两个成像,“这是气泡将水球分割成了两部分,分别成像的结果”。精彩的画面,让现场的同学们都舍不得眨眼。

几个实验下来,“太空教师”们风趣幽默,天地互动问答自如,课堂进行得非常流畅。

最后一个实验,是本次太空授课中的一项趣味性实验——做一个“太空欢乐球”。

只见王亚平将准备好的颜料加入水球中,一个漂亮的蓝色水球诞生了!随着橙色泡腾片加入水球中,泡腾片在水球中不断产生橙色的小气泡。神奇的是,在失重环境下,这些气泡只是不断产生,并没有离开水球。陈征介绍,在地面环境中,将泡腾片扔进水球里,就能看到气泡上浮,可在中国空间站的失重环境中,因为浮力的消失,泡腾片扔进水中产生的气泡不再上浮,而是相互挤压,所以这个水球也会被气泡撑得更大,就能看到水球一点点膨胀的效果。

“这个蓝色小球是不是很像我们的地球,地球是我们人类在宇宙中的摇篮,但人类不可能永远生活在摇篮里。”王亚平说,“如今我们拥有了自己的空间站,相信未来中国人的脚步一定会踏入月球、火星和更远深空!”

奇思妙想点燃科学梦想

授课期间,航天员通过视频通话形式与地面课堂师生进行了实时互动交流,一个个创意满满的太空问答也满足了孩子们的好奇心。

“我们可以给你们发邮件吗?”面对澳门同学的提问,叶光富笑着回答,虽然目前无法直接传输邮件到天上,但很欢迎孩子们在网站上给他们留言。

汶川的同学提问:“在太空能看到闪烁的星星吗?有没有UFO?天也是那么蓝吗?”王亚平回答说:“透过舷窗,我们可以看到地球,也可以看到日月星辰,但是没有看到过UFO。由于没有大气对光的散射作用,我们看到的太空不是蓝色的,而是深邃的黑色。”

“太空教师”王亚平在空间站授课。李源龙摄/光明图片

“乘坐飞船,是不是和坐过山车一样刺激?”北京的同学提问。“坐飞船可比坐过山车要更刺激,飞船的速度远远大于过山车。”翟志刚笑着说。

“在空间站中,氧气和二氧化碳如何进行循环?”“在太空中睡觉会飘来飘去吗?会做梦吗?做的梦和在地球上有什么不用?”面对孩子们的提问,王亚平的解答充满了幽默:“在太空中睡觉,无论什么姿势都有种站着睡觉的感觉。每次睁开眼睛,看见自己悬浮在睡袋里,反而有种做梦的感觉。”

欢乐的时光总是过得很快,不知不觉,课堂接近尾声。在依依不舍中,3位“太空教师”分别为同学们送上一句太空寄语——

翟志刚说:“太空科技,奥秘无穷!未来属于你们!”

“星空浩瀚无比,探索永无止境!希望同学们张开梦想的风帆,向无尽的宇宙远航!”叶光富说。

“飞天梦永不失重,科学梦张力无限!同学们,期待再次见面!”王亚平的寄语与8年前相同,又有所不同,这其中,更多了一份期待。

“此次授课最显著的特点是天地互动,师生在交流互动中展示有趣的科学现象,来激发孩子们的好奇心和求知欲,在孩子们心中埋下科学思维的种子。”陈征表示,在看完这些实验的内容后,孩子们可以再去进行探索,在地面上尝试更多可能的方案,甚至以后可以把他们的奇思妙想带到太空去。来自北京市朝阳师范学校附属小学四年二班的陈浩初兴奋地说:“‘天宫课堂’太精彩了!我一定要好好学习科学文化知识,将来努力探索宇宙的奥秘。”

超长待机的天地通话如何实现

光明日报记者 崔兴毅 光明日报通讯员 王雪姣

12月9日15时40分,“天宫课堂”第一课在空间站正式开课。神舟十三号飞行乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富在轨展示了中国空间站工作生活场景,演示微重力环境下细胞学实验、物体运动、液体表面张力等现象,并与地面课堂进行实时交流。

学生们在中国科技馆设立的地面主课堂听课。新华社记者 金立旺摄

为实现天地互联互通、即时通话,中国电科研制的通信测控系统在天地之间打造了一条高效、稳定的通信传输“天路”,满足超长待机需求。

这场天地通信传输高速“天路”是如何建立的?“在陆上测控站、中继卫星系统中,中国电科从不同维度编织了一条实现100%覆盖的测控通信网。”中国电科测控专家陈建民告诉记者,遍布各个测控站点的统一测控系统,与架设在太空36000公里的中继卫星组网运行,在天与地之间打造了一条通信传输“天路”,提供天地之间的图像传输。

中国电科研制的天链一号地面终端站是数据中继卫星系统的重要组成部分,是保证天地信息传输的关键。陈建民介绍,为适应空间站任务需求,中国电科对天链一号地面终端站进行了升级改造,实现了链路资源的自动化分配及故障自动处置,提高了任务运行的可靠性,缩短了任务准备和故障处置时间。

“天地链路的互为备份,可保证无论飞船飞行轨道和位置如何变化,都能让地面稳定地接收信号,支撑完成太空授课。”陈建民说。

即时通信的实时交互又是如何实现呢?卫星通信装备作为天地间的“顺风耳”和“千里眼”,是天地话音图像的管理和指挥中心,负责将各测控站点的话音、图像、测控等关键数据发送至中心,为指挥决策提供支持。

“为适应空间站和神舟飞船任务对通信系统的要求,中国电科新建了多套固定站、车载站和便携站,并对卫星通信设备硬件及软件进行了升级改造。”陈建民说,“在新建和升级后的系统中,采用自主研制生产的大功率功放等设备,系统传输容量提升5~10倍,卫星通信传输能力大大提升,可满足空间站长期在轨运行数据传输的要求。”

科技人员在核对数据,确保“天链”中继卫星与空间站间的链路传输稳定。王贝摄/光明图片

“要想在电视上看到清楚画面,需要天地图像编解码终端对音视频进行编码压缩。”陈建民介绍,中国电科新研制的多种天地图像编解码终端,可适应载人空间站多舱、多场景天地图像传输要求,完成低速图像、高清图像及全景图片等各类图像信息的传输,为天地之间联通构建可视化平台。

(光明日报北京12月9日电)

天地互动的太空授课怎样做到

光明日报记者 张蕾 光明日报通讯员 庞丹

12月9日下午,神舟十三号飞行乘组航天员于中国空间站进行了天地互动太空授课。当稳定的画面和清晰的声音从太空传来后,不少中小学生通过参加直播授课地面课堂,或者在线观看,体验了这堂奇妙而生动的“太空一课”。

如何确保跨越天地的“天宫课堂”成功实现?为助力太空授课顺利进行,空间站有哪些分系统会发挥作用?让我们听听航天专家怎么说……

据航天科技集团五院空间站系统测控与通信分系统主任设计师易予生介绍,此次“天宫课堂”基于天链中继系统,采用高速双向音视频传输,以天地对话等互动形式开展。舱内采用多台高清摄像机,通过中继高速链路将高清视频实时传送至地面,地面的情况则由地面上行两路高清图像送至舱内显示器,从而实现天地间双向视频传输。“为确保‘天宫课堂’能够顺利进行,研制团队此前对授课过程与天地协同程序进行了多次全流程协同演练。授课过程中,地面工作人员会实时监视空间站上各设备和天地链路的状态,确保参与授课的所有设备正常工作。”易予生说。

在空间站系统中,仪表与照明分系统是最具有航天员参与特点的分系统之一。它具备人机交互功能,既可以为航天员在空间站的操作提供交互平台,也可以为航天员在轨期间的工作、生活、出舱活动、交会对接等任务提供环境照明。

“天宫课堂”开始后,地面上的学生们认真听讲的画面实时同步出现在空间站核心舱内的太空教室里。通过一个大的液晶显示屏,“太空教师”们能够清楚地看到孩子们的一举一动。别小看这块液晶显示屏,它可是仪表与照明分系统的重要设备之一,属于新一代分布式数字化远程终端设备。“它可以为航天员显示空间站的‘健康状态’,从而为空间站的平稳运行和航天员的安全保驾护航。”航天科技集团五院空间站系统仪表与照明分系统主任设计师李皖玲说。

航天员在空间站的工作、生活均离不开照明设备,照明子系统可以为空间站组合体提供舱内、舱外照明支持,相应的照明产品主要有情景照明、便携照明和舱外泛光照明等。“空间站照明子系统是我国首次在空间飞行器上应用情景模式可调照明技术,也是世界上首次在大型载人航天器内全范围应用情景照明技术。”李皖玲表示。

航天员长期在轨工作和生活,单一的照明模式容易造成航天员工作效率降低、生物钟紊乱以及睡眠障碍等,而情景照明可以通过对色温、亮度、照明区域的可控调节,解决上述诸多问题。

(光明日报北京12月9日电)

《光明日报》( 2021年12月10日 08版)

[ 责编:孙宗鹤 ]

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