空间站坠毁18周年祭,从神舟十号展望空间站未来

>“礼炮1号”空间站苏/俄 “礼炮1号”(又名Salute1)空间站是用于对地观测和微重力研究的“民用”空间站。其大多数主要组件最初都是为OKB-52的“钻石(Almaz)”军用空间站计划而制造的,而其他部分则是从“联盟号”宇宙飞船上借用的。 它最大的组成部分是非加压的服务舱,其中载有燃料、氧气和水箱。它的核心部分是主工作和生活区。空间站的前部是对接设备和空气闸/运输管道,以及望远镜和一些通信设备。使用情况

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2001年3月23日,俄罗斯的“和平号”空间站在历经15年的运行 之后,荣归故里,坠落南太平洋海域。“和平号”空间站是20世纪质量最大、载人最多、寿命最长和技术最为先进的航天器,为人类的航天事业作出了重大贡献,是航天史上的 重要里程碑。

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?

“礼炮1号”空间站于1971年4月19日在哈萨克斯坦发射,第二批乘员于6月7日乘坐“联盟11号”到达空间站。这次飞船和空间站成功对接,飞船上的乘员开始了为期三周的科学与生物医学研究。

“进步”号货运字宙飞船是基于“联盟”号宇宙色船设计的。第一艘“进步”号飞船于1978年1月20日发射到“礼炮”号空间站。从那以后,又有两艘更先进的型号投入飞行。今天,“进步”号已经是国际空间站补给任务最常用的运输工具。

从载人航天说起

“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。

图片 1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。

6月16日,“礼炮1号”上的乘员报告,在空间站上出现了强烈的烧焦气味和浓烟,但在紧急撤回“联盟11号”飞船后,空间站的空气又变得洁净了。这批宇航员于6月29日返回地球,但人们发现他们在降落的时候已经死亡。“礼炮1号”从此停止使用,在围绕轨道飞行2800圈后于10月11日脱离轨道。

结构特点

太空是地球大气层之外,距地球表面100 km以上的区域。如果 把陆地、海洋和大气层分别称为人类的第一、第二和第三环境,那么太空就是人类尚待开发的第四环境。太空浩瀚无垠,蕴含着独特而丰富的自然资源,如高远位置资源,高真空和超洁净环境资源,微重力环境资源,太阳能资源,月球矿物资 源,等等。自1957年第一颗人造地球卫星上天以来,已有4000颗以上的无 人航天器遨游太空,为人类认识和了解自然提供了大量的信息。但是,人类要进一步开发利用太空资源,必须有人的直接参加。

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。

图片 2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。

图片 3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

“进步”号装有两架太阳能电池帆板和一个Kurs自动点会合和对接系统。对接工作也可以由国际空间站Zvezda服务舱的备用TORU(遥控操作远程控制设备)来进行。前方的球形货舱是加压的。国际空间站的乘员在舱内压力同步后将飞船内的货物卸出,并在进行大气层重入前将垃圾装入飞船。

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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。

图片 5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

“进步M1”型飞船的中间部分装有4个燃料罐和4个氧化剂罐;而“进步M”型则装有两个燃料罐和两个氧化剂罐,以及一个水箱。通过对接环中的流体连接器能够将燃料和氧化剂泵入国际空间站中俄罗斯部分的存储罐中。飞船尾部的服务舱中装有航空电子设备和推进系统,装有250千克(550磅)用于提高国际空间站轨道的附加燃料。

1.载人飞船为我“添翼”

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。

图片 6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。

 

人类本身进人太空,始于1961年的加加林。这种能进入太空的 “特殊人”称为航天员。航天员进入太空,可以有两种运载工具:载人飞船和航天飞机。载人飞船是借助于运载火箭发射进入太空的航天器,它绕地球轨道运行或进行机动飞行。飞船内有适合人工作和生活的人造环境。任务完成后,飞船的一部分返回大气层,用降落伞和缓冲装置实现软着陆。载人飞船按其飞行任务的不同,分为卫星式载人飞船、登月载人飞 船和行星际载人飞船。

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卫星式载人飞船通常简称为载人飞船,它在离地面几百千米的近地轨道上飞行,飞行速度超过第一宇宙速度(7. 9 km/s)。登月载人飞 船和行星际载人飞船的飞行速度均达到第二宇宙速度(11. 2 km/s)。 卫星式载人飞船和登月载人飞船早已研制、发射成功并投人实际应用。 行星际载人飞船正处于研制阶段,如SPACEX火星载人飞船预期于2021至2022年发射。

载人飞船与人造地球卫星虽然是两种不同的航天器,但由于载人飞船是在人造地球卫星的基础上发展起来的,所以它们之间有许多相同之处。载人飞船与人造地球卫星都是绕地球轨道运行的一次性使用的航天器。载人飞船上的许多系统,如结构系统、姿态控制系统、电源系统、温度控制系统等,基本上与人造地球卫星相同或者是人造地球卫星技术的延伸。载人飞船的结构比卫星复杂得多,特别是载人飞船上 有环境控制与生命保障系统、逃逸救生系统、船内照明系统及交会对接 系统。这些系统都是载人飞船所特有的。

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苏联从1961年以来,共发射了3种型号的载人飞船。首发的型号 称“东方号”飞船,乘载1人,共发射6艘。第二种型号叫“上升号”飞船,共发射2艘,乘载2?3人。第三种型号叫“联盟号”飞船,在发展中 有两次改型,称“联盟-T号”和“联盟-TM号”。“联盟号”飞船共发射了 40多艘,其中“联盟-T号”飞船共发射16艘,“联盟-TM号”飞船已发 射30多艘,目前仍在使用中。

美国载人飞船的发展与苏联基本同步,也有3种型号。第一种型 号叫“水星号”飞船,乘载1人,共发射6艘。第二种型号叫“双子星座 号”飞船,乘载2人,共发射10艘。第三种型号叫“阿波罗号”飞船,乘载3人,在登月时有2人登月,登月的“阿波罗号”飞船共发射7艘(其中1艘因故障未能登月)。

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2.航天飞机上下自如

载人飞船虽然解决了人能上天的问题,但它需用运载火箭助推起飞,属一次性使用的航天器,因而成本很髙。于是可以重复使用的载人航天器——航天飞机便应运而生。

航天飞机是一种垂直起飞、水平降落的载人航天器,它以火箭发动机为动力发射到太空,能在轨道上运行,并且可以往返于地球表面和近地轨道之间。它由轨道器、固体燃料助推火箭和外储箱三大部分组成。 固体燃料助推火箭共两枚,发射时它们与轨道器的三台主发动机同时点火,当航天飞机上升到50 km^高空时,两枚助推火箭停止工作并与轨道器分离,在海上回收后经过修理可重复使用20次。

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外储箱是一个巨大壳体,内装供轨道器主发动机的推进剂,在航天飞机进入地球轨 道之前主发动机熄火,外储箱与轨道器分离,进人大气层烧毁,外储箱 是航天飞机组件中唯一不能回收的部分。航天飞机的轨道器是载人的部分,有宽大的机舱,并根据航天任务的需要分成若干个“房间”。有一个大的货舱,可容纳大型设备。轨道器中最多可乘载8名航天员。舱 内大气为氮氧混合气体。航天飞机在太空轨道完成飞行任务后,轨道 器下降返航,像一架滑翔机那样在预定跑道上水平着陆。轨道器可重 复使用100次左右。

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1981年4月12日,美国第一架航天飞机“哥伦比亚号”成功进人 太空,之后“挑战者号”、“发现号”、“阿特兰蒂斯号”和“奋进号”相继升 空,其中“挑战者号”在1986年1月28日升空后爆炸。航天飞机的出现,是航天技术的新突破,是人类向宇宙进军、实现太空工业化的一个 实际步骤。苏联也在1988年发射成功一架名为“暴风雪号”的无人航天飞机, 但由于后来的国内政局动荡和经费困难,航天飞机计划就此夭折。

3.空间站常驻太空

无论是载人飞船或是航天飞机,人在太空停留的时间都是短暂的, 最长不过十天半个月。而俗称“太空小房间”的空间站,它运行在近地轨道上,供多名航天员在其中长期生活工作和巡访,就能圆人类常留太 空的愿望。

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小型的空间站可一次发射完成,较大型的可分批发射组件,在太空 组装成整体。空间站中有人能够生活的设施,可以数年或数十年内不再返回地球。空间站的结构特点是体积比较大,轨道飞行时间较长, 有多种功能,能开展的科研项目多而广。空间站的基本组成是以人为 本的生活舱主体,再加上有不同用途的舱段,如工作实验舱、科学仪器 舱等。空间站外部必须装有太阳能电池板和对接舱口,以保证站内电 能供应和实现与其他航天器的对接。

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从1971年4月苏联发射了世界上第一个空间站“礼炮1号”至今, 世界上已经发射了 3种型号9个空间站,其中有苏联的7个“礼炮号”空间站和1个“和平号”空间站,美国的1个“空间实验室它们均已坠落地球大气层。目前在役是国际空间站。“礼炮号”空间站是苏联在载人飞船的技术基础上发展起来的。载人飞船的成功运行,为解决空间站#必需的基本技术(如轨道交会、对接、航天员长期航天和舱外活动等)奠定了基础。

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“礼炮号”空间站既可有人操作,也可无人操作,它由过渡舱、工作 舱和服务舱三部分组成。过渡舱主要用于进行科学观测和实验,以及 与“联盟号”飞船对接。航天员通过过渡舱进人和离开飞船。工作舱由 前、后段两个圆柱体组成:前段与过渡舱连接,内装系统仪表板、观测装 置、通信设备以及一些科学实验设备;后段为航天员卧室兼锻炼场地, 装有食物冰箱、抛弃废物的气闸以及锻炼身体的器材等。过渡舱和工作舱是全密封的,舱内大气组成与地面相近。服务舱与工作舱末端连 接,不密封,内装燃料箱、轨道和姿态控制发动机,用于轨道机动、与飞 船会合以及定期助推、调整空间站的位置等。

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“礼炮1号”、“礼炮5号”空间站仅有一个对接口,乘员1人,被称 作第一代空间站;“礼炮6号”和“礼炮7号”空间站对接口增至两个,乘 员可达3人,称作第二代空间站。在“礼炮号”空间站遨游太空的同时,美国也于1973年5月发射了 一个命名为“天空实验室”的空间站,它由土星火箭的末级改装而成。 “天空实验室”先后与从地面发射来的3艘“阿波罗号”飞船对接,9名 航天员进站工作,完成了包括生命科学、地球观测、太阳物理、天体物 理、材料科学及新工艺、新技术等在内的多方面研究,创造了当时航天 员在太空连续生活84天的最髙记录。

“和平号”空间站和正在建造中的国际空间站,由于对接口多、接纳 航天员多、功能齐全及工作寿命长达十余年以上,均属于第三代空间站

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