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从神舟十号展望空间站未来

2013年6月11日17时38分,“神舟十号”载人飞船将载着聂海胜、张晓光和王亚平3位“天之骄子”腾空而去,随后与在轨运行近两年的目标飞行器“天宫一号”对接,实现中国载人航天史上首次应用性飞行。“天宫一号”是中国第一个空间站,也是目前地球轨道上除国际空间站以外仅有的空间站。概括地说,空间站是一个长期运行在轨道上的实验和居住平台,是人类步入太空的踏脚石。那么,空间站到底经历了怎样曲折漫长的道路,一步步发展到今天的呢?

“喝完就扔的易拉罐”:空间站的童年

空间站的概念很早就有了。宇航学界的3位先驱——俄国的齐奥尔科夫斯基,德国的奥伯特与著名火箭专家冯·布劳恩都曾设想过空间站。1969年,在载人航天领域占尽先机的苏联在登月竞赛中落败,但并未因此泄气,而是走上了一条不同的道路。两年后,苏联发射了人类历史上第一个空间站——“礼炮”1号。从1971年到1977年,苏联共发射了7个空间站,其中5个被正式命名为“礼炮”1号至5号。为了掩人耳目,苏联将装备有速射炮的小型军用“钻石”空间站混编在“礼炮”系列中,分别是“礼炮”2号、3号和5号。同时期的美国也利用“阿波罗”登月的剩余火箭和飞船运营了一个大型空间站“天空实验室”。

这些空间站的共同特点是,只有1个舱体和1个对接口(“天空实验室”有1个备用对接口,但从未使用过),是“单舱口单模块”的空间站。空间站在同一时间只能接待一批宇航员,物资补给能力也很有限,基本上是“坐吃山空”,待到站上预留的燃料和物资耗尽,空间站也就被遗弃了,就像一个易拉罐,喝完以后就该扔掉了。

美国的第一代空间站——天空实验室。图片来源:nasa.gov

早期的空间站飞行任务可谓危险至极。与苏联前5个“礼炮”空间站对接的10次飞船任务中,就有3次对接失败和1次发射失败,另有两个空间站发射后未能入轨,没有得到正式命名。1971年6月6日发射的“联盟”11号飞船,实现了历史上首次与空间站的成功对接,但在返回时气阀过早打开,3名宇航员因失压罹难在太空中。“天空实验室”刚入轨就出现严重故障,美国紧急派遣3名宇航员前去维修才挽救了它。尽管如此,除“礼炮”2号外,“礼炮”们都接待过至少一批宇航员,其中4号和5号接待过两批,而“天空实验室”更是接待过3批宇航员,并创下单次太空居留84天的纪录。

从多舱口到多模块:空间站的成长

第一代空间站的缺点如此突出,针对性的改进也由此开始。“礼炮”6号和7号分别在1977年和1982年入轨,它们都具有一前一后两个对接口。尾部多出的一个对接口可用于对接另一艘载人飞船,这样两批宇航员就可以在站内交接;也可以用来对接专门的货运飞船,在任务期内补充燃料和物资,并带走多余的废物,使得宇航员驻留空间站的时间以及空间站本身的留轨时间都大大延长。这两个空间站总共接待了26批来访的宇航员,并将单次载人飞行的纪录刷新为236天。

尽管“礼炮”6号和7号向前迈进了一步,但它们依旧只有一个舱体。第一次舱体间的对接实验发生在1985年9月底,一艘改进型的TKS飞船与“礼炮”7号实现了永久性的自动对接,这艘飞船的内部空间与“礼炮”7号相当。次年2月,真正的多模块空间站——“和平”号空间站的核心舱升空。“联盟”T-15号飞船承担起了在“礼炮”7号与“和平”号之间转运设备的任务,它也是迄今为止唯一一艘在两个空间站之间往来飞行的飞船。

苏联“礼炮”6号空间站的示意图。图片来源:spacefacts.de

随后,“和平”号的其它舱段——“量子”1号舱、“量子”2号舱、“晶体”舱、“光谱”舱和“自然”舱陆续对接在核心舱四周,形成一个复杂的多功能组合体。在轨期间,组合体的主人——苏联解体了。新主人俄罗斯在一段时间内财政极度困窘,不过得到了与美国合作的机会,于是在与航天飞机对接期间,这个组合体长得更大了。

航天飞机带来的不仅有大批的设备和物资,还有自“天空实验室”以后就再没建过空间站的美国人。那段日子里,美国所有的太空飞行记录都是在“和平”号上留下的,其中包括第一位在太空长住的美国女性香农·露西德。

“和平”号在轨运行了15年,先后接待过12个国家的135名宇航员,进行了1.65万次科学实验,自身也因设备老化而百病缠身,还发生过舱内起火和与货运飞船相撞的严重事故。最终,2001年3月,“和平”号受控坠入南太平洋。它是两个时代的亲历者,为人类带来了最宝贵的财富——和平。

美国的亚特兰蒂斯号航天飞机与俄罗斯的“和平”号空间站对接。图片来源:NASA

积木与桁架:真正的太空城堡

“和平”号所代表的积木式多模块空间站仍有诸多缺陷:每个舱段都有各自的发动机和太阳能电池,组成整体后功能严重冗余,很难进行电力的合理调配;不仅如此,各个舱段的太阳能电池还互相遮挡,由此造成了40%的电力损失。美苏两国都有建设新一代空间站的意向,站名分别叫“自由”号与“和平”2号。苏联的解体让昔日冷战的两大对头走到了一起,两个空间站也合二为一。接下来,欧空局、日本和加拿大也带着各自的组件和资金加入进来,国际空间站因此热闹起来了。

国际空间站创下了许多“空间站之最”:规模最大(450吨),建造时间最长(1998年至今),成本最高(827亿美元),乘员人数最多(可支持6人长期居住),等等。从结构上说,国际空间站不再是“和平”号的纯积木结构,而使用了桁架结构来支持整个空间站的电力和散热系统,包括八组巨大的太阳能电池板。实际上,国际空间站是个“混血儿”,它的俄罗斯部分仍然具有鲜明的积木式特征,那里的每个舱段都用各自的太阳能电池。“美国部分”的舱段功能更为单一,需要航天飞机运送,依靠宇航员手动对接。

运行在天上的国际空间站也有着自己的“地缘政治”。俄罗斯舱段自成一套体系,“美国部分”包括了美国、欧空局和日本的实验舱,其中超过一半的实验机柜空间由美国人使用。由于预算不断超额,许多设计好的舱段和组件,例如居住舱和逃生舱被砍掉。2003年“哥伦比亚”号航天飞机的失事让空间站的建设进程拖延到今天,空间站本身也成为NASA财政支出的无底洞。尽管如此,在多国努力下,空间站还是勉强依照原貌建成。

目前,航天飞机的时代已经落幕,空间站的营运由俄罗斯“联盟”TMA型载人飞船和“进步”号货运飞船,以及欧洲的ATV和日本的HTV货运飞船勉力维持。美国民间公司也加入队伍,SpaceX公司已用“龙”式货运飞船两次与空间站成功对接,并正与波音和内华达山脉竞争载人飞船的研发预算。2020年后,国际空间站能否继续存在?且让我们拭目以待。

美国奋进号航天飞机与国际空间站对接时的合影,这也是航天飞机退役前与国际空间站的唯一一次合影机会。图片来源:NASA

专门化和商业化:空间站的未来

对于空间站的思考仍在继续。我们为什么要建造空间站?花了这么多的钱建一座太空城堡,究竟值不值?对于这些问题,未来空间站的发展方向,也许能带给我们一些崭新的启示。

中国未来的空间站计划吸引了全世界的高度关注。在“神舟”十号载人任务结束后,“天宫一号”的使命结束。2015年左右,空间实验室“天宫二号”将会升空,并与货运飞船对接进行燃料的在轨补加实验,它的外形和构造还是个迷。接下来,到2020年以后,中国将用长征五号火箭发射大型空间站的核心舱,如果一切顺利,两个带有大型太阳能电池桁架结构的实验舱将分别与核心舱的左右节点对接,构成90吨级的空间站基本形态。两个实验舱分别带有气闸舱和多波段巡天望远镜。在正式运营阶段,空间站还有可能进一步扩充,增设一个带有节点舱的核心舱,并可能增加新的实验舱。达到最大扩展构型的空间站全重180吨,将主要作为太空实验和空间观测平台发挥作用。

此外,俄罗斯计划在国际空间站停止运营后,将俄罗斯部分几个较新的舱段分离出来,组建一个较小的OPSEK空间站,用于支持未来的深空载人航天任务。民间公司在空间站领域的发展势头也不可小觑。毕格罗宇航公司已发射了两个试验用充气舱段“创世”1号和2号,并将在2014年发射第一个商业运营空间站“阿尔法”,在2016年发射第二个空间站“欢呼”,它们都由毕格罗公司制造的充气舱段BA-330组建而成。毕格罗公司还与NASA签下合同,将在2015年把一个充气舱段对接到国际空间站,用于实验与评估。

毕格罗宇航公司设计的充气式空间站。图片来源:cnbeta.com

空间站是人类步入太空的踏脚石,但我们不能永远站在踏脚石上。希望有一天,人类能飞得更高,走得更远。

 

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发布于2013-06-10, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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广林星云

无机化学研究生,天文爱好者

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