宇宙空间站

宇宙空间站

大家在科幻电影中见过由电脑特技制作出的太空城。实际上，今天在我们头顶的太空中就有一座小小的“太空城”——俄国的“和平号”空间轨道站。

空间站又叫轨道站。它具有多种用途，既可作为探索太空的实验室，又可作为太空生产工厂，还可作为建在太空的军事基地或“作战平台”。

空间站与载人飞船略有不同。它主要由工作舱、服务舱、过渡舱和对接舱四大部分组成。工作舱是空间站的中心。里面有各种仪器设备、控制中心、电传打字机及宇航员的体育锻炼设施、医学监控设备、卫生设备、废器贮存容器、大型天文望远镜、遥控照相机等。服务舱通常连接在工作舱后面。舱内装有机动变轨发动机系统和燃料推进剂，还有氧气瓶、供电线路设备、无线电天线系统、太阳能电池板和蓄电池组等。过渡舱连接工作舱与对接舱，是舱外活动的必经之地。上面装有天文观测、定向设备、贮存与调节空气设备、生物医学设备、测试检验装置、数据处理系统、地面指令接受系统和通信设备等。对接舱主要用作与其他航天器进行连接的通道。舱内装有姿态控制发动机、交会信标、电视摄像机、对接装置闪烁信号灯等，同时它还可做实验设备和胶卷暗盒等物品的贮藏室。

载人飞船进入太空，无疑是人类在载人航天方面取得的一项辉煌成就。但是，由于载人飞船内部空间相当有限，只能乘坐1～3名航天员，狭窄的舱里没有多大的活动余地，很难从事更多的观察科研和生产等活动。因此，科学家们设想在太空建造一个内部空间较大的能在轨道上长时间飞行的工作站，这样，航天员就可以像地面的实验室那样从事科学研究，像地面的车间那样从事加工生产，可居高临下，充分地发挥人的因素，从事军事活动。基于上述原因，20世纪70年代初，前苏联载人航天的重点转向了空间站。

一、礼炮号空间站鸣锣开道

礼炮号空间站

1971年4月，前苏联发射了世界上第一个空间站，取名“礼炮1号”。它重约18吨，长约14米，最大直径4．2米，飞行轨道近地点219公里，远地点275公里，倾角51．6°。“礼炮号”由轨道舱、对接舱和服务舱三大部分组成。轨道舱类似于由直径分别为3米和4米的两个圆筒拼在一起，它是航天员工作、用餐、休息和睡眠的场所。舱内保持着与地面相同的小气候环境，舱内的地板、天花板以及周围的墙壁漆成了不同的颜色，这是为了有利于航天员区别方向时作参考。“礼炮号”在太空长期运行时，航天员的更换和所需消耗物资的补充分别由“联盟号”和“进步号”天地往返运输器承担，因此，“礼炮号”的对接舱是供“礼炮号”与“联盟号”和“进步号”在太空对接时用的，也是航天员进出空间站的出入口。如“礼炮6号”的对接舱设有两个对接口，既可同时与两艘“联盟号”飞船对接，也可用一个对接口同“联盟号”对接；另一个供停靠“进步号”飞船用。“进步号”无人运货飞船是专为空间站运转货物而研制的，实为“联盟号”飞船的改型，长8米，直径2．2米，由运货舱、燃料舱和工作舱三部分组成，一次能运货2．3吨，包括燃料、食品、水和氧气等必需品。当“进步号”升空与空间站对接后，自动将货物卸下，并装上空间站不再需用的物品然后自动脱离空间站，其中运货舱与燃料舱在进入大气层后烧毁，只保留工作站继续留在空间。“礼炮号”空间站分科学研究型和军用型两种。前者的主要任务是完成天体物理学、航天医学、生物学等方面的广泛研究，考察地球自然资源和进行长期失重条件下的科学实验。后者主要进行高空照相侦察以及高能武器的可行性实验研究等。自1971年4月至1982年4月，前苏联共发射了7艘“礼炮号”空间站，其中1973年4月3日发射的“礼炮2号”

1974年6月25日发射的“礼炮3号”和1976年6月22日发射的“礼炮5号”为军用型空间站，其余为科学研究型空间站或军民结合型。军用型空间站是由前苏联切洛米伊设计局负责研制的，它属于绝密的“钻石计划”。在空间站的工作舱里装有口径达1米的专用侦察照相机，所拍照片装在特制的密封盒里由运输飞船带回地面。工作站内还装有当时最先进的计算机等操纵设备，研究新式武器的一些秘密装置和探测太空环境的望远镜等。此外，还装备了当时最完备的防御武器系统。在空间站内工作的也全是清一色的军事专家，每个空间站的有效使用期为1～2年。科学研究型空间站则是由科罗廖夫设计局负责研制的，在发展初期并不顺利。1971年4月19日，由卡拉廖夫设计局负责研制的“礼炮1号”虽然成功地进入轨道，3名航天员在太空逗留24天，创造了新的世界纪录。不幸的是，他们于6月30日在返回途中，当他们发动下降的制动火箭时，因返回舱的一个阀门密封件失灵，舱内空气在极短的时间内大部分漏走，导致航天员全部窒息而亡。但1977年9月发射的“礼炮6号”和1982年4月发射的“礼炮7号”，在技术上有较大改进，安全性和可靠性也有了更大的保障。从“礼炮1号”至“礼炮5号”，每个都只有一个接口，而“礼炮6号”、“礼炮7号”各有两个接口，即它们的前后轴向各有一个对接口。这两个空间站都多次与“联盟号”、“联盟T号”及“进步号”飞船顺利对接。“礼炮6号”接待了16批乘员，“礼炮7号”接待了21批乘员，他们各自肩负使命，在太空多次进行载人对地观测、天文观测和与天气预报有关的高层大气和红外辐射观测，开展了微重力条件下的空间新型合金等材料生产、金属熔化过程的研究和空间焊接，还进行了小球藻的培育、乘员心血管系统的观测等研究。1984年7月17日，前苏联女航天员萨维茨卡娅乘坐“联盟T－7号”飞船进入“炮礼7号”工作了8天。她同另外几位男航天员共同开展科学实验活动。7月25日，她随指令长扎尼别科夫步出舱外，顺利完成了切割、焊接、喷涂等复杂操作任务，共在舱外进行了3小时35分钟的作业。她不仅创造了妇女在太空行走的纪录，而且她在这次飞行后不久完婚，1986年10月喜生贵子，这表明太空生活对妇女生育并无根本性的影响。“礼炮号”的一系列活动，还雄辩地表明人类在太空中具有有效生活和工作的能力，人在环绕地球的轨道上，能从事探测、研究、生产和维修等各种有意义的活动。

“礼炮4号”同“联盟号”飞船对接示意图

前苏联不仅是最早发射空间站的国家，开创了航天史上载人空间站的新时代，还曾相继创下航天员在太空持续生活75天，96天，140天等一系列世界纪录。

二、天空实验室硕果累累

美国于20世纪70年代初在完成“阿波罗”载人登月计划之后，为了给80年代建造航天飞机和更长远的航天活动积累技术成果，着手利用登月计划剩下的“土星5号”运载火箭发射了一座试验性的空间站，取名“天空实验室”。它是用“土星5号”的第三级改装而成，长36米，最大直径6．7米，总重82吨。该“实验室”分为两层，体积同一套有两间卧室的中等单元房差不多大小。有两个起居室，一个工作室和一个厨房。它的一端连接着一个供航天员由空间站到站外太空活动的过渡密封舱。两组太阳能电池翼板则像直升飞机的两个旋翼一样，竖立在“天空实验室”中央的顶部，用来产生足够4个中等家庭用量的电力，但“天有不测风云”，1973年5月14日，当“土星5号”火箭从佛罗里达州东海岸的肯尼迪航天中心39A号发射台，在一阵阵雷鸣般的轰响声和观众的欢呼声中飞向淡蓝色的天空之后，只有63秒钟，强大的空气流就将一张罩在“实验室”头部的薄铝屏掀掉，撞毁了太阳能电池翼板。更严重的是，这层薄铝屏除了作防护板外，还起着隔热作用，否则“实验室”内的温度就会上升，导致价值2亿美元的“实验室”付诸东流。在这种情况下，决定派3名航天员驾驶“阿波罗”飞船上天去追赶受损伤的“实验室”，利用在地面特制的薄得像箔一样的遮阳罩对“实验室”在太空进行修理。

土星5号

天空实验室

1973年5月25日，载有3名航天员和遮阳罩的“阿波罗”飞船顺利升空。当他们发现被追赶的“实验室”就在前方时，航天员康拉德立即操纵着飞船，小心翼翼地和“实验室”头对头地靠拢，然后松开“阿波罗”飞船上的一根棒状对接杆，把它插入“实验室”的一个孔中，当对接插到位后，飞船上的12个强有力的销门就自动地紧紧抓住“实验室”的一个圆环，两个飞行器就被对接锁在一起了。休息一阵后，3名航天员通过一个通道进入“实验室”，开始了他们在空间从未干过的修理工作。经过一阵紧张的工作，架设和张开遮阳罩的工作终于取得成功，耗资26亿美元的“天空实验室”也因此而得到挽救。

1973年7月28日，“天空实验室”第二次接待了“阿波罗”飞船运送来的另一批航天员，他们是曾在月球上行走过的海军上校比恩，科学家加里奥特和漂亮的海军陆战队青年飞行员鲁斯玛，开始了他们为期59天的飞行和考察任务。在飞行中，他们排除了燃料泄漏、电路短路和遮阳罩需要重新安装等故障，克服了因患航天病带来的困难，创造了在舱外活动达6小时31分钟的“天空实验室”新纪录，进行了由物理学家加里奥特带来的小鲦鱼、老鼠、臭虫和两只叫做阿拉贝拉和安尼塔的蜘蛛太空结网等生物实验。最有意思的是他们驾驶着以小喷气发动机为动力的各种单人飞行器或手持机动飞行枪，或脚踏喷气鞋所进行的各种机动飞行。有朝一日，一旦这些带有自己动力氧气储备和通信设备的机动飞行装置能投入使用，航天员去舱外活动时，就可以像在月面行走一样，独立地在离“母船”较远的地区四处活动了。因此，比恩等3名航天员的第二次“天空实验室”之行，不但创造了绕地球859圈，共计59天11小时9分钟的新的飞行历史纪录，而且他们在“实验室”里完成的科学研究和考察工作，也是硕果累累，特别是他们完成的勘察地球资源和观测太阳的任务更富有成效。

1973年11月16日，“天空实验室”接待了第三批也是最后一批乘员，他们是被挑选出来指挥这次飞行任务的海军陆战队军官卡尔和他的同伴吉布森和波格等3名航天员。这次任务原宣布11月10日开始执行，后因11月7日发现运载火箭的8个尾翼上有14条细小的裂纹，为了更换新的尾翼，才推迟到11月16日上午8点1分发射。3名航天员驾驶“阿波罗”飞船于当日下午3点30分在太平洋上空追上已在太空环地球运行了2689圈的“天空实验室”。当3名航天员把一切准备工作安顿下来时，麻烦事就来了，先是一个制冷系统出现了漏缝，花了4个小时才修好。紧接着，恰恰是在感恩节那天，他们又头朝下修理位于“实验室”底部用于测量地球冰雪覆盖情况的一根天线，足足花了6小时31分钟。这3位航天员在太空所过的圣诞节也是令人兴奋的，他们将1972年4月“阿波罗16号”飞船在月球表面所使用的摄影机的备用机，装在“实验室”前端支撑望远镜底座的支柱上，拍下了“科豪特克”这颗“世纪慧星”的照片，为了清除卡在摄影机镜头前的一张滤光片，卡尔足足在舱外活动了7个小时，创造了比前两次更长时间的舱外活动新纪录。此外，他们还进行了空间焊接、金属材料加工和空间生长晶体等一系列科学实验，均取得了意想不到的结果。这些工作表明，在空间建造工程和进行修理是可能的，空间生长的晶体掺杂物的分布比地面要均匀得多，不仅为在太空装配建筑物和修理飞船提供了依据，同时预示空间产业时代的即将到来。美国的“天空实验室”表面看完全是民用，实际上美国军方曾直接插手。“天空实验室”所装的6架瞄准地球的照相机，主要是肩负重要的军事侦察任务。1974年2月，当第三批航天员在太空创造了停留84天的新纪录，满载各项试验取得的新成果返回地面后，美国当局即宣布“天空实验”完成了它的历史使命。1979年，也就是它在太空运行了6年之久后，坠落于澳大利亚南面的大洋里。

三、“和平号”——人类的第一辆“太空列车”

如果说作为试验性空间站的“礼炮号”和“天空试验室”，为人类进一步征服太空，在太空建立长期工作基地提供了宝贵的经验，那么前苏联于20世纪70年代末着手研制，1986年2月20日发射入轨的“和平号”空间站主体，以及后来陆续对接的6个舱组成的轨道复合体，则是人类建造的第一辆能在太空长期运行的名副其实的“太空列车”。

远观“和平号”空间站

“和平号”的主体由工作舱、过渡舱和非密封舱三部分组成，长13．13米，最大直径4．2米，重20．4吨。与“礼炮号”相比，其最大的特点是除前后轴向各有一个对接口外，其过渡舱的四周还有4个对接口，用于对接4个专用的实验舱，这样，采取积木式的方式可以组成重达百吨以上的大型复合式空间站。此外，能源功率比“礼炮号”要大一倍多，操纵和对接控制系统要先进。由于实验设备都装在与其对接的专业舱内，站内航天员的工作、生活条件也比“礼炮号”大为改观，还增设了航天员睡觉和活动的单间。两块太阳能电池帆板总面积达76平方米，最大输出功率为9000。前苏联原计划于1990年将“和平号”复合体全部建成，建成后的总重为111吨，可乘2～6名航天员。但由于技术上和经济上等原因，一直延续到1996年才得以全部实现。

近观“和平号”空间站

与“和平号”对接的第一个专业舱是1987年3月31日发射的“量子1号”天文物理舱，它配有X射线和紫外线天体物理学伦琴观测台等设备，长5．8米，最大直径4．2米，有效容积40立方米，重约11吨。对接的第二个专业舱是1989年11月26日发射的“量子2号”服务舱。它长12．7米，最大直径4．4米，有效容积60立方米，重约20吨。“量子2号”不仅添置了紫外线望远镜、X射线望远镜、光谱计和星座跟踪仪等大量的科学仪器和新装置，使“和平号”成为更先进的观测实验基地，而且它本身带有两个太阳能电池帆板，能输出功率6．9千瓦。活动空间也有明显改善，并减少了消耗器材的数量。第三个专业舱是1990年6月10日与“和平号”对接成功的“晶体号”工艺舱，长12．5米，最大直径4．35米，有效容积60立方米，重约20吨。该舱本身有3个对接部件，除一个用于与“和平号”对接外，另外两个可用于与航天飞机等其他航天器对接。“晶体”工艺舱主要用途是在微重力条件下进行工业试生产半导体材料，培养各种蛋白晶体，进行细胞杂交以及天体物理、地球物理等实验。为此，该舱装有6台新材料加工熔炼炉、4台用于研制新药的电泳装置和2台相机，舱的外部还装有2块太阳能电池帆板，可供电5．5～8．4千瓦。

1995年5月20日，俄罗斯发射“光谱号”遥感舱，于6月1日与主体对接，成为第四个专业舱。“光谱”舱原计划用于探测弹道导弹发射和监测外空军情，后因美国“战略防御倡议”计划的调整和俄罗斯军费拮据，遂改为民用空间遥感探测。它重19．6吨，长约13米，最大直径4．35米，有效容积62立方米，内装有大型地球成像遥感装置，以及包括生物医学大气探测等大量科学实验设备和四块太阳能电池帆板。1995年11月12日，美国“阿特兰蒂斯”航天飞机将一个拟用于航天飞机与“和平号”对接用的新舱带入飞行轨道，并与11月15日完成新舱与“和平号”的“晶体”工艺舱的对接，成为“和平号”的第五个专业舱。对接舱重约4吨，长约4．7米，舱两端有对接口，并安装有两块太阳能电池帆板。这个新舱将用以保证航天飞机与“和平号”对接时能保持适当的间距，不致发生各自太阳能电池帆板的相互碰撞等问题。

1996年4月23日，俄罗斯用“质子号”火箭将一个“自然”舱发射入轨，3天后与“和平号”实现对接。该舱重约19．3吨，长12米，最大直径4．35米，有效容积66立方米。它与前几个舱最大的不同是，没有太阳能电池帆板，而代之用锂镉蓄电池作为舱内设备的动力。舱内装有3台多波段辐射计、3台先进摄谱仪、2台多频段扫描仪、1部大型合成孔径雷达、1部由法俄研制的用于研究地球气层垂直构造的“阿利沙”激光雷达以及执行美俄联合飞行任务所需的心血管疾病研究设备、微重力实验设备等，成为“和平号”最复杂和最先进的一个专业舱。

至此，由“和平号”主体和6个专业舱组合的大型复合体空间站，经过10年的艰苦努力，终于全部组装完成，成为重达一百余吨，总长达六十余米的全球第一辆“太空列车”。它也是目前世界上唯一在轨运行，而且是运行时间最长的载人航天器。十几年来，科学家们利用它进行了广泛的空间科学和技术实验：在空间生命科学方面，除对航天员长期运行的适应性和生理变化进行研究外，还进行了诸如观察日本鹌鹑蛋在微重力条件下的发育与孵化，用土壤和水栽培法探索太空植物生长等广泛的动植物生命科学探索性研究。俄美合作首次在“和平号”空间站900平方厘米的“麦田”里，培育并收获了第一批墨西哥矮杆杂交太空小麦。在微重力条件下，还开展了大量的材料加工、医药生产和大量的流体物理实验。在天体物理学方面，对银河系内外的各种天体，X射线和紫外线辐射源及近地空间进行了大量探测，对基本粒子和宇宙射线进行了观察研究，并长期连续地观测了超新星辐射光谱数据；对地观测方面，用先进设备对地球的自然资源和生态环境做了大量的、持续的遥感监测；在空间维修服务方面，曾多次在太空进行了大型设备的交会对接，更换设备和修理、排除故障等活动，为往后大型空间设施的建造积累了丰富经验。此外，还正式执行“和平号”与美国航天飞机的对接联合飞行计划，为建造“阿尔法”国际空间站作准备。

因此，尽管在多年的运行中暴露出供电不足，天地往返运载系统运输能力不够，姿态控制系统设计考虑不周，日常运行和维护费用过高和设备老化、故障频繁等问题，但“和平号”取得的成绩斐然，不仅取得了大量的科研成果，揭示了更多的宇宙奥秘，展示了载人航天商业应用的美好前景，而且为人类进一步征服太空提供了最宝贵的实践经验。在“和平号”空间站，还创下了两项迄今在太空生活时间最长的历史纪录，一项是俄罗斯航天员波利亚科夫1995年创造的在环绕地球运行的“和平号”空间站持续生活和工作438天的纪录；另一项是美国女航天员露西德，她是1996年3月搭乘“阿特兰蒂斯号”航天飞机进入“和平号”空间站的，原计划同年8月返回地面，因助推器出现故障和两次飓风的影响，接她的航天飞机推迟发射，露西德被迫在太空多呆了7个多星期，结果创下了在太空生活188天的女性航行飞行的时间纪录和美国航天员的航天纪录，露西德也因这次不平凡的经历荣获美国“国会太空荣誉奖章”。

根据美俄1993年9月2日正式签订的航天合作协议，俄罗斯本应于1997年11月国际空间站开始建造时关闭“和平号”空间站，让其在空间自由飞行一年后离开轨道再入大气层烧毁。之所以做出这个决定，主要是基于两点：

一是“和平号”虽然是目前世界上唯一的一个尚在太空运行的空间站，但它是1986年被送上太空的，当时的设计使用年限为5年，而至1997年，其实际运行时间已超过使用年限的一倍以上；二是随着时间的推移“和平号”的许多部件已日趋老化，经常失灵，特别自1997年以来，事故不断，险些酿成悲剧。如1997年2月一个氧气滤毒罐发生爆炸起火；3月空间站上的两个氧气发生器又因质量问题而同时失灵；4月，空间站上的温度控制系统开始泄漏有害的冷却剂，致使站内的一些舱室温度骤升，净化空气的主系统也因此相继失灵；6月25日，又发生“进步号”无人驾驶太空运输飞船因操作失误撞击“和平号”的“光谱”专用舱的严重事故，“光谱”舱被砸开一个邮票大小的裂口，使舱内空气从这个裂口迅速外漏，舱内压力锐减，氧气发生器无法工作；8月，“和平号”又出现计算机工作失灵的事故。以上接连不断的事故和问题，虽然在地面航天专家的积极配合下，一次又一次地化险为夷，说明“和平号”“年老体衰”“老态龙钟”已成事实。但俄罗斯的专家经过研究认为，“和平号”至少能工作到1999年。并认为发射的“光谱”舱和“自然”舱，设计寿命都在3年以上，如果把它们同其余4个专业舱一起报废，将是极大的浪费。这种各抒己见的争论，集中表现于美国众议院科学委员会主席森森布里诺和俄罗斯负责这项计划的科普提耶夫的一次对话。

森森布里诺说：“自从2月份以来，‘和平号’已经发生了10起重大事故了，如果我们要进行的科学研究需要用美国人的生命来冒险的话，那么我们不得不做出决定了。”为此，森森布里诺敦促美国航空航天局对空间站开始一项安全评估，并声称在此之前不准任何美国航天员在空间站做长期停留。针对美国的批评和人们的担忧，科普提耶夫则反问道：“当‘挑战者号’航天飞机爆炸时，美国国会不是也曾经威胁要废除他们的太空计划吗？我们是不会在他们之前废除我们的太空计划的。”俄罗斯宇航局局长甚至理直气壮地说：“和平号”之所以如此长寿，证明当初俄罗斯学者设计思想的正确。只有设计、制造出具有修理功能、并可在太空进行拼装的工作舱，整个轨道站才能运行这么长久的时间，并说，世界其他航天专家也同意这一思想。

国际空间站

为了平息这种无休止的争论，也为了使俄罗斯与美、日、欧等国的国际空间站合作能继续下去，美国当局最后不得不向俄罗斯承诺于1998年用“发现号”航天飞机向“和平号”提供两次货物运送，以支持“和平号”的延寿。俄罗斯航天局也只好表示，尽管经费紧张，俄仍决心在参加国际空间站的同时，继续维持“和平号”空间站。“和平号”到底还能在太空支撑多久，只能是拭目以待了。