【航天驭星】从仰望星空到星际航行:国际空间站的前世今生

  2021-08-19 阅读:288
4月29日,长征五号B遥二运载火箭搭载空间站“天和”核心舱,在海南文昌航天发射场发射升空,这是中国建成“天宫”空间站最重要的一步。空间站既是理想的科学实验室,又是各国军事航天发展的重中之重,是深空探索的中间站,也是未来发展星际殖民地的大本营。本文带您一同简单回顾空间站的发展历程,了解大国航天战略、空间站与人类发展的未来图景。资料显示,人类最早有关空间站的设想,源于1869年Everett Hale的“用砖搭建的月球”文章的发表,《the brick moon》介绍了几个对科学拥有持续热情的学生,从萌生想法到付诸实践,用几十年的时间完成梦想与现实的转换。这个绕地运行的空心砖月球就是我们今天空间站最早公开的想法。从仰望星空到星际航行,人类在这些科幻作家的带领下,将幻想一个接一个地变成了现实。

一,单模块空间站系列:

空间站从总体结构上分为单模块和多模块组合式两大类。简单理解,单模块相当于单室,可以由航天运载器一次发射入轨;多模块相当于多个房间组成,由航天器分批将各模块送入轨道,在太空组装而成。所有的空间站都不具有返回地球的能力,一般情况下空间站使用寿命结束后在太空焚毁坠落大气层。苏联的礼炮系列和美国的天空实验室都是单模块空间站,也可以理解成处于早期建设阶段的空间站。

(一)苏联的礼炮系列:回首上世纪,苏联与美国的世界争霸赛此起彼伏,不分胜负。1969年美国阿波罗11号成功登月,苏联自觉颜面扫地,为了找回点面子,另辟蹊径,目标转向空间站,准备重塑苏联在太空领域中霸主地位,于是礼炮计划应运而生。从礼炮计划的产生,我们就可以看出,礼炮系列是军事争霸的结果,和民用科研并没有什么关系。

礼炮系列采用舱段式结构,由几个不同形状和尺寸的舱段组成,所有的仪器设备只能装在舱段内和舱段外表面。这种设计思想使礼炮号空间站外形简单,容易实现,硬件少造价较低,可以用质子号运载火箭一次发射入轨。它除了有投入工作迅速的优点外,不需要在轨道上对接组合或装配大型系统的复杂过程,因而风险和难度都比较小,安全性较高。
但是,礼炮系列的缺点也十分明显,规模小,不易扩展,大大限制了有效载荷的规模。由于所有仪器设备只能布置在舱段内,因此很难合理地布置站上的分系统和有效载荷,不同性质的载荷不能做到相互独立,必然会造成无法预计的影响。而且由于各种载荷的安装十分紧凑,也使得出现重大故障时系统很难修理或更换。其中1~5号为第一代,只有一个对接口,与联盟号宇宙飞船对接,组成“礼炮—联盟”航天复合体。
礼炮1号于1971年4月19日成功发射升空,随后3名宇航员乘坐太空船联盟11号进入空间站,共停留23天18小时。但不幸的是3名航天员乘飞船返回过程中,由于返回舱上平衡阀异常打开造成返回舱失压,导致3名航天员全部遇难。礼炮1号空间站此后再无人进入,1971年10月11日坠入太平洋上空烧毁。
礼炮4号空间站于1974年12月26日发射,两组宇航员在礼炮4号上工作生活共计90多天,进行了大量研究和实验活动,取得了很大成功。1976年2月16日坠入大气层。
礼炮6号和7号为苏联第二代空间站。礼炮6号是苏联的第一个实用型空间站,1977年9月29日发射,它有两个对接口,可同时与两艘飞船对接,组成轨道联合体。如果把前五艘“礼炮号”太空站算作苏联轨道站的低级形式的话,那么“礼炮 6 号”太空站就可以看作这一代太空站的改进型。在太空飞行近5年,共接待18艘联盟号和联盟T号载人飞船。有16批33名宇航到站上工作,累计载人飞行176天。
 
 

礼炮7号空间站于1982年4月19日进入轨道飞行,接待了联盟T号飞船的11批28名宇航,其中包括第一位进行太空行走的女宇航员萨维茨卡娅。礼炮7号空间站载人飞行累计达800多天,直到1986年8月才停止载人飞行。
(二)金刚石计划(俄语字面意思为钻石):是苏联的军事侦查太空站计划,这个计划从1971年至1974年发射了一系列太空站。但为了掩盖其军事目的,这些太空站利用礼炮计划来掩饰。礼炮2号、礼炮3号和礼炮5号都是金刚石计划中发射的空间站。礼炮2号是苏联发射升空的第一艘金刚石军事空间站,在发射升空两周内,空间站先后发生爆炸、减压、姿态控制系统失灵而被遗弃。飞行期间没有宇航员造访。礼炮3号和礼炮5号则成功地进行了载人实验。
(三)美国天空实验室:在美国,建造空间实验室是屡遭反对的,主要原因是耗资巨大,而且短期内没有回报,因此相对苏联而言,美国在经费上是比较克制的。60年代开始,美国集中力量从发展载人飞船到积极进行载人登月活动,耗资240亿美元(相当于2016年时的1070亿美元),发射“阿波罗-11”号终于登月成功。随后把登月计划中剩余的物资,拼凑了一个名为“天空实验室”(SkyLaboratory)的航天站,于1973年5月14日发射上天,进入近地轨道运行。卫星内设备齐全,生活和工作环境几乎与地面上的实验室一样舒适。该实验室先后接待了三批(共9名)宇航员进入这个实验室工作,最长的第三批停留了84天。指挥官卡尔在2000年10月接受美国国家航空航天局采访时说:“我认为,我们完全肯定地证明了,人类可以在失重环境下生活很长一段时间。”实验室6年后坠毁。

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飞行中的天空实验室
 
天空实验室2号:天空实验室1号升空后,NASA顺利于同年5月25日发射2号,这是美国太空实验室计划的首次载人航天飞行,共有三名宇航员,并顺利返回。这是第一次成功的载人太空站任务,也是美国发射的第一颗为了绕轨太空站而建造的卫星。
天空实验室3号:是天空实验室计划的第二次载人航天飞行。1974年2月8日,天空实验室坠毁太平洋,NASA宣布暂时终止此项计划,最后一枚天空实验室1号于1979年7月11日坠落澳洲后,整个计划终止。

二,多模块空间站系列:

和平号:是苏联/俄罗斯的第3代空间站,亦为世界上第一个长久性空间站,设计成在轨多模块组装,站上长期有人工作。和平号空间站创下了多个世界第一:这是世界上第一个多舱空间站,它是在太空工作时间最长、超期服役时间最长、工作效率最高、接待各国宇航员最多的太空站,俄罗斯宇航员波利亚科夫创造了单人连续在太空飞行438天的最高纪录。更重要的是,它为国际空间站奠定了基础。
早在上世纪70年代中期,苏联就开始设计和开发这样一个空间站,但被苏联当时的“暴雪”号航天飞机计划所耽搁。直到1986年2月20日“和平号空间站”顺利发射到近地轨道。1996年和平号空间站最终配置达到7个模块,包括核心舱、量子1号、量子2号、晶体号、光谱号、对接舱、自然号。每个模块都有独立的操作能力,优点是一旦出现问题,不会影响其他模块;缺点是结构复杂、错误率高。
1987年3月31日,苏联用质子运载火箭发射了第一个实验舱——量子1号,开始了和平号积木空间站的正式组装工作,到1996年4月23日发射各舱与和平号对接后,组装工作全部完成。完整的和平号空间站全长达87米质量达124吨,有效容积470立方米。它作为世界上第一个长期载人空间站自诞生之日起,共在轨道上运行了15载,大大超过了5年的设计寿命它绕地球飞行8万多圈,行程35亿公里,进行了2.2万次科学实验,完成了23项国际科学考察计划。共有31艘联盟号载人飞船、62艘进步号货运飞船与其实现对接。科学家们在和平号空间站进行了广泛的空间科学和技术实验,包括空间生命科学、微重力实验、天体物理学研究、地球观测等,取得了举世瞩目的成绩。
1991年苏联解体后,“和平”号进入了“美俄共同支持”的模式。从1995年起,和平号空间站还执行了美俄航天飞机与和平号对接的多次联合飞行计划,为建造国际空间站做了前期准备。按照美俄1993年的协议,俄罗斯应该于1997年关闭和平号空间站。但是,和平号空间站的可使用期远远超过预期的1998年,如被废弃将是极大的浪费,俄罗斯没有资金能力维护该空间站,便提出以该空间站为基础建造国际空间站,或者把光谱舱和自然舱挪到未来的国际空间站,结果均遭到美国的拒绝。美国提出在不影响新的国际空间站组件的设计与组装工作的前提下,1998年前两次向和平号空间站运送物资。

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工作中的和平号空间站

1999年8月28日起,空间站进入无人自动飞行状态,2001年3月最终坠人大气层焚毁,完成其历史使命。和平号坠毁前一天,俄罗斯《总结》周刊的封面标题是:“和平号空间站坠毁象征苏联时代迈向宇宙的梦想破灭!”和平号空间站宇航员季托夫说:和平号为人类工作了15年,是俄罗斯也是全人类心中的骄傲和英雄。
“和平2号”空间站:苏联原计划花费10亿美元研制“和平2号”空间站,于1997年取代和平号,但在和平号空间站的运行资金都严重不足的情况下,和平2号只能胎死腹中。1993年,美俄签订航天合作协议,同意将原美国的自由号与和平2号合并,建造由美国主导的包括欧洲航天局、日本和加拿大的航天部件在内的阿尔法国际空间站。
国际空间站:国际空间站计划的前身是美国国家航空航天局的自由空间站计划,这个计划是1980年代美国战略防御计划的一个组成部分。1983年时任美国总统里根提出在国际合作的基础上建造最大的载人空间站。经过近十余年的探索和多次重新设计,直到苏联解体、俄罗斯加盟,国际空间站才于1993年完成设计,开始实施。1998年11月国际空间站的第一个组件——俄制曙光号多功能货舱进入预定轨道。国际空间站的耗资远远超过了NASA最初预算,其建造时间表也比预定的要晚。组装成功后的国际空间站作为科学研究和开发太空资源的手段,为人类提供一个长期在太空轨道上进行对地观测和天文观测的机会。2006年11月15日,国际空间站上的活动首次在地球上进行了高清晰度电视直播,并在纽约的时代广场大屏幕电视上播放。这是人类首次观看到来自太空的高清晰度电视直播画面。

该空间站以美国、俄罗斯为首,包括加拿大、日本、巴西和欧空局(11个国家)共16个国家参与研制。国际空间站筹划建设时美国反对邀请中国参与,美国认为太空空间站技术有军事用途,所以中国没有成为国际空间站的启动方。在美国技术封锁的情况下,中国没有停止发展,用自主研制的方式进行了有力反击。
 
俄罗斯国家航天集团指出,国际空间站功能舱模块已近其服役期限。“我们与国际空间站项目的合作伙伴商定了空间站的运转期限为2024年。在这一时限之后,这些空间站模块组件的使用寿命已大部分到期,我们将根据空间站模块组件的技术状况以及我们架设新一代国家轨道空间站的计划做出决定。”今年的 7月26日俄罗斯码头号(Pirs)舱段由一艘进步号货运飞船从国际空间站拖走,为其近20年作为对接口和气闸舱使用的生涯划上了句号,在随后的大气再入过程中被烧毁。

三,中国空间站:

天宫一号:世界上第一个多舱空间站是1986年的“和平号空间站”,中国第一个多舱空间站是“天宫一号”,它于2011年9月29日从酒泉卫星发射中心发射,设计在轨寿命两年,2016年3月16日正式终止数据服务,两年后坠人大气层焚毁,完成其历史使命。天宫一号的发射标志着中国已经拥有建设初步空间站,即短期无人照料的空间站的能力。

天宫一号
 天宫二号:2016年9月15日,天宫2号发射成功,天宫2号空间实验室是中国第一个空间实验室,其规模比空间站要小,但可做一些为建造空间站服务的关键技术研究项目。相比“天宫一号”,“天宫二号”显然更加宜居。比如首次搭建了液体回路验证系统;首次搭载了机械臂操作终端试验器,可以实现人机协同在轨维修;首次将系统设计为模块化,可快速更换和在轨维修。
 
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天宫1号和天宫2号进行对接
 “天和号”:今年4月29日发射核心舱,明年还将发射两个实验舱,分别是问天实验舱和梦天实验舱。天和核心舱+两个实验舱,组成一个“T”字形。这个“T”型的中国空间站名为“天宫空间站”,预计将于明年底建造完成。建成后,将成为国家级太空实验室和太空母港。按照天宫空间站建造任务规划,今明两年总体的发射任务将达到11次,其中包括3次空间站舱段发射、4次天舟货运飞船发射、4次神舟载人飞船发射。11次发射任务完成后,我国将独立完成近地载人空间站建造,之后独立运营。
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从数据上来看,“天和号”核心舱的体积十分巨大,长度约为16.6米,比5层楼还要高,直径4.2米,比火车和地铁车厢的宽度还要大一些。“天和号”的体积比国际空间站的任何一个舱位都要大,其内部至少有50立方米的空间,这意味着航天员们可活动的范围很大,它可供3名航天员长期在轨驻留,或是开展舱内外空间科学实验和技术试验。它的设计寿命约为10年,后面可以通过在轨维修手段,对整个空间站寿命进行延寿。

结   语

面对耗资巨大的航天事业,很多人表示不解,1970年赞比亚修女Mary Jucunda给NASA 的Ernst Stuhlinger博士写信问道:目前地球上还有这么多小孩子吃不上饭,他怎么能舍得为远在火星上的项目花费数十亿美元。博士很快给修女回了信,他说,“探索宇宙有助于促使问题向着良好的方向发展。并且能够促进科学技术的发展和提高一代人的科学素养。”“太空项目是科技进步的催化剂。”航天发展带动了新材料、新技术、新方法以及基础科学等各方面的发展。根据不完全统计,我国近些年里出现的1000多种新材料中,约有80%是在空间技术的牵引下研制出来的,并且已有2000多项空间技术成果移植到了国民经济各部门。从中国目前载人航天的发展规划来看,包括载人空间站在内的载人航天项目本身着眼于技术的积累与突破,总体投资不算太高,也没有苛求进度。中国空间站建设6年多的准备阶段预计只会发射3个空间实验室、2艘无人飞船和5艘载人飞船外加1艘货运飞船,尽量做到好省的原则,和美苏冷战期间的疯狂发展与重复建设不可同日而语。
 
在一般人看来,载人航天看上去很高大上,但它离我们并不远,它所用到的很多技术早就已经走进了寻常百姓家。“随着对宇宙研究的深入,我们对地球,对生命,对人类自身的感激之情将越深。太空探索让地球更美好。”我们期盼中国的空间站让中国更美好,让地球更美好!
 

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