國際空間站的過去、今天和未來

尹懷勤

北京時(shí)間2月12日，經(jīng)航天員太空行走，歐洲空間局研制的哥倫布太空試驗(yàn)艙被成功地對(duì)接在國際空間站上。該艙是被2月8日發(fā)射升空的美國阿特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)送上太空的。2月10日先是航天飛機(jī)對(duì)接在國際空間站上，才為12日的成功奠定了基礎(chǔ)。此舉標(biāo)志著國際空間站的建設(shè)又獲得了一次重大進(jìn)展。

為何要建國際空間站

由于載人飛船和航天飛機(jī)工作空間和飛行時(shí)間有限，科學(xué)家們就追求一種能在近地軌道上長時(shí)間運(yùn)行、可供多名航天員在其中生活并承擔(dān)多種復(fù)雜任務(wù)的航天器，結(jié)果促成了空間站的誕生和發(fā)展?？臻g站亦稱人造天宮，其特點(diǎn)是體積較大，在軌運(yùn)行時(shí)間很長，功能齊全，可利用太空特殊環(huán)境開展一系列的科學(xué)研究，能完成對(duì)地監(jiān)測、資源勘察、天氣預(yù)報(bào)、天文觀測以及釋放人造天體等任務(wù)。因?yàn)榭臻g站不返回地面，站上航天員的接送和物資補(bǔ)給由宇宙飛船或航天飛機(jī)承擔(dān)。

鑒于建設(shè)大型空間站的重要性和技術(shù)復(fù)雜性，考慮到經(jīng)費(fèi)巨大等因素，1988年9月22日，美國、俄羅斯、歐洲空間局11個(gè)成員國、日本、加拿大和巴西16國達(dá)成共建國際空間站的協(xié)議，并從20世紀(jì)90年代中期開始這一項(xiàng)目的合作。從此國際空間站就成為引人注目的航天工程。

國際空間站將由基礎(chǔ)構(gòu)架、12個(gè)艙段、多個(gè)太陽能電池板等組件構(gòu)成，總質(zhì)量約453，6噸，長108米，寬88米，運(yùn)行軌道高度為397千米，可容納7名航天員長期居住和工作，最多時(shí)可接待15人同時(shí)進(jìn)行科學(xué)考察，設(shè)計(jì)壽命為15年。載人艙內(nèi)的氣壓與地球表面相同，其容積約1217立方米。它將分設(shè)六大試驗(yàn)室，能夠提供以往任何航天器都無法比擬的研究空間，是在太空進(jìn)行微重力試驗(yàn)和科學(xué)研究的大型平臺(tái)。它乃是國際載人航天技術(shù)發(fā)展史上一個(gè)新的里程碑。

整個(gè)國際空間站的建設(shè)，最早計(jì)劃于2004年建成，后來多次更改計(jì)劃，致使完成時(shí)間一再后移。首次更改定為2005年，第二次更改定為2008年，第三次更改定為2010年。在此過程中，其建設(shè)經(jīng)費(fèi)也在原定的830億美元的基礎(chǔ)上不斷追加，最終確定為1140億美元。按照原來安排，為把各組件送入軌道進(jìn)行對(duì)接，僅美國航天飛機(jī)和俄羅斯載人飛船就要分別升空34次和9次，航天員們要通過114次共計(jì)1800小時(shí)的太空行走才能將其組裝起來。

九年多來的建設(shè)情況

根據(jù)建設(shè)國際空間站的協(xié)定，從1995年～1998年，美國航天飛機(jī)和俄羅斯和平號(hào)空間站進(jìn)行了9次太空對(duì)接和聯(lián)袂飛行，兩國航天員開展了一系列科學(xué)試驗(yàn)和多次太空行走，為組裝國際空間站積累了經(jīng)驗(yàn)。

在完成上述準(zhǔn)備工作之后，就開始了在軌道上對(duì)國際空間站進(jìn)行組裝。1998年11月20日，俄制曙光號(hào)多功能貨艙由質(zhì)子K運(yùn)載火箭從哈薩克斯坦拜科努爾發(fā)射場發(fā)射升空，標(biāo)志著國際空間站正式動(dòng)工興建。該艙呈圓柱形，直徑4米，長度13米，質(zhì)量24噸，裝有導(dǎo)航、通信、姿控、氣候環(huán)境調(diào)節(jié)等設(shè)備。它在國際空間站建造初期可以提供足夠的電源和動(dòng)力，成為全站的主體艙。曙光號(hào)能在軌道上改變方向，以實(shí)現(xiàn)與其他艙段的對(duì)接，其艙內(nèi)還能存放一些研制裝置。

同年12月6日，奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)將國際空間站第2個(gè)組件團(tuán)結(jié)號(hào)節(jié)點(diǎn)艙攜帶升空，開始第一次裝配作業(yè)。美制團(tuán)結(jié)號(hào)近似圓柱體，直徑4.6米，長度10米，質(zhì)量13噸，設(shè)有6個(gè)對(duì)接艙門。奮進(jìn)號(hào)追上曙光號(hào)多功能艙后，機(jī)上航天員利用機(jī)械臂抓住后者，繼而通過3次太空行走將團(tuán)結(jié)號(hào)節(jié)點(diǎn)艙與曙光號(hào)對(duì)接在一起，并完成空氣輸送管道和通信系統(tǒng)的連接工作。美俄兩國的6名航天員成為最早在國際空間站上活動(dòng)的人們。完成任務(wù)后，他們即乘航天飛機(jī)返回地面。

2000年7月12日，俄制星辰號(hào)服務(wù)艙發(fā)射升空，并于7月26日在軌道上與曙光號(hào)和團(tuán)結(jié)號(hào)聯(lián)合體對(duì)接成功-這個(gè)服務(wù)艙包括四個(gè)密封艙室和一個(gè)非密封艙室，長度13米，寬為30米，質(zhì)量20噸。它是國際空間站航天員的主要工作區(qū)和生活區(qū)，既裝有生命保障系統(tǒng)，又裝有軌道姿態(tài)控制系統(tǒng)及能量保證系統(tǒng)等。這樣一來。對(duì)接的3個(gè)艙段和輔助設(shè)備就組成了質(zhì)量為73噸、運(yùn)行在397千米、傾角為51.6度的軌道上的太空聯(lián)合體，每90分鐘環(huán)繞地球一周，使國際空間站具備了接待航天員居住和工作的基本條件。

2000年10月31日，俄聯(lián)盟TM31號(hào)載人飛船發(fā)射升空。于兩天后的11月2日在太空與國際空間站對(duì)接成功，一名美國航天員威廉·謝菲爾德和兩名俄羅斯航天員吉津科、克里卡廖夫進(jìn)站工作，成為該站接待的第1個(gè)國際長期考察組成員。自那時(shí)以來，至2003年5月初已有6個(gè)國際考察組的18名航天員到站上工作過。前5個(gè)考察組都是分別乘坐聯(lián)盟TM號(hào)飛船和航天飛機(jī)往返的，第6個(gè)考察組則是搭載聯(lián)盟TMAI號(hào)飛船往返的。聯(lián)盟TM號(hào)或TMA號(hào)飛船除運(yùn)送人員外，還是國際空間站上的救生航天器，平時(shí)總有一艘對(duì)接在站上，約每5～6個(gè)月輪換一次。

2003年4月28日，載有第7個(gè)國際考察組的兩名航天員馬連琴科和盧杰的聯(lián)盟TMA2號(hào)飛船，在太空與國際空間站對(duì)接成功。這兩人上站之后，與第6個(gè)考察組的3名成員順利地進(jìn)行了工作交接。馬連琴科和盧杰原本是定于2003年3月1日乘坐阿特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)前往站上的，由于哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)于同年2月1日墜毀使所有航天飛機(jī)停飛，才不得已改乘聯(lián)盟TMA2號(hào)飛船上站的。

在航天飛機(jī)停飛階段，國際空間站上的人員接送全部改由聯(lián)盟TMA號(hào)飛船負(fù)責(zé)。俄羅斯出于經(jīng)濟(jì)上的困難，為了減輕站上飲水和食品供應(yīng)的壓力，將原來一組三名航天員改為兩名，間歇性地搭載一名太空游客，以賺取每次2000萬美元的收費(fèi)。這就是第7個(gè)考察組比以前6個(gè)考察組都少一人的原因，也是后來的考察組都是由兩人組成的緣由。2005年7月26日航天飛機(jī)恢復(fù)飛行之后，由于再未承擔(dān)接送考察組人員的任務(wù)，故而此后的進(jìn)站考察組均由兩人組成。

2007年10月10日，俄羅斯發(fā)射了聯(lián)盟TMAll號(hào)飛船，將第16個(gè)考察組兩名成員送上太空。兩天后飛船與國際空間站成功對(duì)接，俄航天員馬連琴科和美國女航天員惠特森得以進(jìn)站工作。47歲的生物化學(xué)家惠特森成為國際空間站首位女指令長。統(tǒng)計(jì)起來，不計(jì)臨時(shí)上站工作的航天員和太空游客，國際空間站就接待了16個(gè)考察組38人次的航天員進(jìn)站工作。

艱難前行的收尾工程

鑒于現(xiàn)有的發(fā)現(xiàn)號(hào)、阿特蘭蒂斯號(hào)和奮進(jìn)號(hào)3架航天飛機(jī)都已使用多年，顯得老化，加之其外貯箱外包層的絕緣泡沫材料脫落問題尚未徹底解決，目前的

飛行仍然帶有隱患，故而美國宇航局決定2010年讓它們?nèi)客艘?。在廢棄之前，航天飛機(jī)的主要任務(wù)就是向太空運(yùn)送組件在軌道上完成國際空間站的組裝。俄航天局局長佩爾米諾夫透露，根據(jù)相關(guān)國際協(xié)議規(guī)定，從2009年起，國際空間站機(jī)組人員須由6人組成。在這種情況下，俄載人飛船將不再有可供太空游客乘坐的位置，太空旅游恐怕不得不中斷。換句話說，聯(lián)盟TMA號(hào)飛船從明年開始每次將運(yùn)載3名航天員上站工作，平時(shí)會(huì)有兩艘載人飛船對(duì)接在國際空間站上，以適應(yīng)歐空局和日本科研艙段組裝后的形勢需要。

在這最后的3年建站期間，約需航天飛機(jī)飛行11次。上述安排是在航天飛機(jī)能夠按照預(yù)定計(jì)劃正常起飛和返回的情況下做出的，不然的話，很難保證完成建站的最終時(shí)限。由于美國空間技術(shù)重點(diǎn)已轉(zhuǎn)移到載人重返月球和建立月球基地上面，所以不愿意再將建設(shè)國際空間站的最后時(shí)間予以推遲。

原定于2007年12月初發(fā)射升空的阿特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)推進(jìn)劑貯箱傳感器出現(xiàn)故障，一時(shí)難以解決，故而推遲到今年2月發(fā)射。它把歐空局期盼已久的哥倫布太空試驗(yàn)艙送上了國際空間站。該艙是繼星辰號(hào)服務(wù)艙之后站上的第二個(gè)科學(xué)試驗(yàn)艙。歐空局空間站項(xiàng)目經(jīng)理艾倫瑟克特爾說，該局迄今在建站項(xiàng)目上投入了70多億美元，其中花在哥倫布太空試驗(yàn)艙上的費(fèi)用就達(dá)20多億美元。到2015年年底，投資總數(shù)將達(dá)130億美元。哥倫布試驗(yàn)艙的研制和升空之所以一拖再拖，主要是美國宇航局的錯(cuò)誤?？臻g設(shè)計(jì)改了又改，接下來哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)失事，使所有的相關(guān)工作都停了下來。他還說，進(jìn)入國際空間站的第一年，哥倫布太空試驗(yàn)艙的大部分試驗(yàn)將主要由地面遙控操作，這是因?yàn)檎旧系暮教靻T幾乎時(shí)刻都忙于空間站的建設(shè)和維護(hù)工作。到2009年國際空間站常駐航天員增加到6名后，哥倫布試驗(yàn)艙就能夠全力進(jìn)行科學(xué)研究和試驗(yàn)。

歐空局希望哥倫布太空試驗(yàn)艙至少能夠使用10年時(shí)間，但能否實(shí)現(xiàn)還無法確定。因?yàn)槊绹接罹謱⒃?015年停止使用國際空間站，把精力轉(zhuǎn)向月球探索，所以屆時(shí)歐洲人不得不依靠自己的或其他國家的宇宙飛船。其實(shí)，俄羅斯早在此之前就已表示，國際空間站建成后應(yīng)該使用更長時(shí)間。近年來，媒體時(shí)有報(bào)道稱，歐空局將研制和發(fā)射宇宙飛船，俄羅斯將研制和發(fā)射名為快船的新型宇宙飛船，俄將研制可重復(fù)使用的載人航天器，俄羅斯將與歐空局合作研制宇宙飛船，看來部分原因就是都想多使用國際空間站一些時(shí)間。

除哥倫布太空試驗(yàn)艙外，建站的后續(xù)工程還包括將日本研制的艙段送上軌道完成與現(xiàn)有聯(lián)合體的對(duì)接等任務(wù)。其中一些必不可少的有一定體積和質(zhì)量的構(gòu)件必須由航天飛機(jī)運(yùn)送到站上再由航天員完成組裝。要在今后3年之內(nèi)全部完成建站任務(wù)，其工作量仍然是較大的，足夠美國3架航天飛機(jī)和俄羅斯的兩種飛船忙乎一陣子的。三者之中的俄進(jìn)步M號(hào)貨運(yùn)飛船除運(yùn)送物資和接回垃圾外，在與國際空間站對(duì)接期間，有時(shí)還要啟動(dòng)本身裝置的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作，以提升整站的運(yùn)行軌道高度。這在建站過程中是常有的事情，今后仍會(huì)繼續(xù)。由于無論是從運(yùn)送人員還是運(yùn)送物資來說，航天飛機(jī)的功能都比聯(lián)盟TMA號(hào)和進(jìn)步M號(hào)飛船強(qiáng)大得多，加之俄羅斯的兩種飛船飛行安全性一直良好，所以今后能否按期建成國際空間站，主要就看美國航天飛機(jī)的表現(xiàn)了。

作為一項(xiàng)載人航天系統(tǒng)工程，國際空間站在其建成之后可以具備的主要功能有：一是開發(fā)和利用太空資源。如用站上微重力條件進(jìn)行空間材料加工和生物制藥以及太空育種，用站上的高遠(yuǎn)位置對(duì)地面、海洋和大氣進(jìn)行觀測，用空間的特殊環(huán)境搞軍事應(yīng)用試驗(yàn)等；二是開展空間科學(xué)研究。如觀測和探索空間環(huán)境，發(fā)射人造衛(wèi)星和深空探測器，進(jìn)行空間物理學(xué)和天文學(xué)研究等；三是試驗(yàn)和發(fā)展空間新技術(shù)。如試驗(yàn)開發(fā)新能源、新材料、新結(jié)構(gòu)和新設(shè)備等；四是開展太空旅游與觀光。這一用途原來設(shè)計(jì)中是沒有的，俄羅斯出于資金緊缺的考慮，已開了頭，后期雖然中斷，但估計(jì)待全站建成后還會(huì)繼續(xù)下去。因?yàn)楹教祜w機(jī)退役后，站上人員接送工作在2015年之前全由聯(lián)盟TMA號(hào)飛船承擔(dān)，俄在這方面更有發(fā)言權(quán)，故有此論?？傊?，國際空間站將為航天員在太空進(jìn)行復(fù)雜新穎的試驗(yàn)、研究、觀測、生產(chǎn)和軍事活動(dòng)創(chuàng)造必要的環(huán)境和條件，開辟人類活動(dòng)的新天地。如此看來，全站建成后僅使用5年殊為可惜。到時(shí)候美國會(huì)不會(huì)改變主意暫且不論，可以預(yù)見的是，俄羅斯、歐空局和其他參與國家不會(huì)輕易放棄使用權(quán)，會(huì)想方設(shè)法地繼續(xù)發(fā)揮其效能。

責(zé)任編輯龐云