為建設(shè)空間站積累經(jīng)驗(yàn)——?dú)W洲“空間實(shí)驗(yàn)室”項(xiàng)目的來龍去脈

□ 寄 聲

我國將于2011年下半年發(fā)射重約8噸、設(shè)計(jì)壽命2年的天宮一號，它既是用于與神舟八號、九號、十號對接的目標(biāo)飛行器，又是1個(gè)簡易空間實(shí)驗(yàn)室，為之后建造的天宮二號、三號空間實(shí)驗(yàn)室作準(zhǔn)備。那么，國外研制過空間實(shí)驗(yàn)室嗎？

在國外載人航天的發(fā)展中，一般人只知道蘇聯(lián)和美國發(fā)射過質(zhì)量在20噸以上的空間站，其實(shí)，也研制過質(zhì)量較小的空間實(shí)驗(yàn)室，但它比較特殊，必須搭乘航天飛機(jī)上天并隨航天飛機(jī)返回，所以這種由歐洲研制的空間實(shí)驗(yàn)室不僅體積和質(zhì)量小，而且飛行時(shí)間短，可重復(fù)使用。它的名字就叫“空間實(shí)驗(yàn)室”，先后22次上天。

該計(jì)劃是歐洲參加美國航天飛機(jī)計(jì)劃的主要項(xiàng)目，也是歐洲重要的載人航天計(jì)劃。為此，歐洲許多國家的科學(xué)家設(shè)計(jì)了大量的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，而且完成得也相當(dāng)出色，成果十分引人注目。通過“空間實(shí)驗(yàn)室”的研制和運(yùn)行，歐空局各成員國獲得了許多有益的經(jīng)驗(yàn)。

由 來

1972年，美國開始研制航天飛機(jī)后，由于大量經(jīng)費(fèi)都集中到研制航天飛機(jī)上面去了，結(jié)果使許多有價(jià)值的空間科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃難以實(shí)施。不過，美國航宇局從以往航天技術(shù)發(fā)展得到的經(jīng)驗(yàn)感覺到，開展空間科學(xué)研究和微重力實(shí)驗(yàn)是未來發(fā)展的一個(gè)方向，因此應(yīng)當(dāng)研制能開展微重力實(shí)驗(yàn)和加工的軌道設(shè)施，而美國航宇局又深感自己沒有這個(gè)精力，于是決定求助于歐洲盟友。

1972年～1973年，美國航宇局同歐洲空間研究組織（現(xiàn)叫歐空局）進(jìn)行了多次接觸，希望歐洲能研制一種軌道實(shí)驗(yàn)室，它可以作為航天飛機(jī)的1個(gè)載荷帶到軌道。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室能執(zhí)行各種空間科學(xué)和加工研究，所獲得的成果歐洲和美國共享。當(dāng)時(shí)歐洲空間研究組織也在考慮制定未來的航天發(fā)展計(jì)劃，但感到缺乏進(jìn)行空間科學(xué)技術(shù)研究的手段，因此也很愿意同美國進(jìn)行這方面的合作。1973年7月，歐洲空間研究組織正式批準(zhǔn)了這項(xiàng)合作計(jì)劃，這就是“空間實(shí)驗(yàn)室”。

“空間實(shí)驗(yàn)室”1號

把“空間實(shí)驗(yàn)室”裝入航天飛機(jī)貨艙內(nèi)

航天員在機(jī)載“空間實(shí)驗(yàn)室”工作

按照計(jì)劃，歐洲的“空間實(shí)驗(yàn)室”是可重復(fù)使用的軌道實(shí)驗(yàn)室，設(shè)計(jì)壽命為50次飛行任務(wù)或5年。其正常飛行任務(wù)是7天，但在設(shè)計(jì)上通過交換有效載荷的辦法增加消耗品和擴(kuò)大動力組件，可以使執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間延長到30天。在最初的飛行中，“空間實(shí)驗(yàn)室”一直固定在航天飛機(jī)貨艙內(nèi)，但以后它應(yīng)該可以釋放到軌道上成為一個(gè)自由飛行體，并由下一次航天飛機(jī)回收。然而，后者在實(shí)際飛行中沒有實(shí)施。

為了集中管理，歐洲空間研究組織指定西德主要負(fù)責(zé)“空間實(shí)驗(yàn)室”的研制，并于1974年6月選定位于不萊梅的VFW-?？?ERNO公司為“空間實(shí)驗(yàn)室”的主承包商。這個(gè)計(jì)劃由設(shè)在荷蘭的歐洲航天研究和技術(shù)中心統(tǒng)一管理。

“空間實(shí)驗(yàn)室”頭幾次飛行的任務(wù)設(shè)計(jì)早在1976年就已完成，但由于美國航天飛機(jī)計(jì)劃一再拖延，“空間實(shí)驗(yàn)室”的飛行也只能推遲。

歐空局在研制“空間實(shí)驗(yàn)室”的同時(shí)，和美國航宇局向全球的科學(xué)家發(fā)出了提供研究項(xiàng)目參加“空間實(shí)驗(yàn)室”實(shí)驗(yàn)的邀請。結(jié)果到20世紀(jì)70年代末，共有2000多名科學(xué)家表示愿意參加“空間實(shí)驗(yàn)室”的研究活動，并提出了自己的方案。美國航宇局和歐空局經(jīng)過認(rèn)真篩選，挑出了來自15個(gè)國家的222名研究人員的試驗(yàn)方案。這些科學(xué)家設(shè)計(jì)的項(xiàng)目由隨同“空間實(shí)驗(yàn)室”飛行的有效載荷專家在軌進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果隨后通報(bào)給方案的設(shè)計(jì)者。與此同時(shí)，美國航宇局也開始從來自歐洲、美國和其他國家的上萬名應(yīng)征者中挑選和培訓(xùn)有效載荷專家。訓(xùn)練內(nèi)容包括零重力練習(xí)、操作與應(yīng)急模擬、飛行計(jì)劃掌握以及空間飛行內(nèi)務(wù)管理等。

執(zhí)行STS-47任務(wù)的航天飛機(jī)貨艙內(nèi)的“空間實(shí)驗(yàn)室”

“空間實(shí)驗(yàn)室”2號打造完畢

設(shè) 計(jì)

“空間實(shí)驗(yàn)室”飛行時(shí)搭載在航天飛機(jī)貨艙內(nèi)，航天員可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，在飛行中，航天飛機(jī)軌道器為其提供生命保障。

為了節(jié)省資金，又能完成性質(zhì)全然不同的任務(wù)，“空間實(shí)驗(yàn)室”采用了模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)任務(wù)要求更換有效載荷。它主要由1個(gè)75立方米的增壓艙、1個(gè)或多個(gè)U形臺架（使材料和設(shè)備暴露在太空）以及1個(gè)質(zhì)量880千克的連接“空間實(shí)驗(yàn)室”壓力艙和航天飛機(jī)軌道器的隧道組成。

“空間實(shí)驗(yàn)室”的增壓艙又由核心艙和實(shí)驗(yàn)艙2段構(gòu)成。核心艙直徑4.06米、長2.7米，內(nèi)部裝有生命保障系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理設(shè)備、支援系統(tǒng)和工作臺，外部設(shè)有光窗和觀察口。實(shí)驗(yàn)艙的長度也是2.7米、直徑4.06米，內(nèi)部裝有各種科學(xué)儀器，其頂部設(shè)有氣閘通道，航天員可以通過這個(gè)通道進(jìn)入開放的宇宙空間。核心艙可以單獨(dú)執(zhí)行飛行任務(wù)，而實(shí)驗(yàn)艙則只能組合后執(zhí)行任務(wù)。通常為了方便起見，2段組合在一起的增壓艙叫長增壓艙，只有核心艙的增壓艙叫短增壓艙。

U形臺架每個(gè)長2.9米、寬4.06米，上面有18塊可安裝各種儀器的金屬板，按規(guī)定每個(gè)臺架上安裝儀器的總重量不得超過3噸。為了保證儀器的正常工作，臺架上還有一套供電系統(tǒng)，它與密封增壓艙之間有電纜相連，主要用于傳遞航天員發(fā)出的指令和臺架上各種儀器獲得的情報(bào)數(shù)據(jù)。臺架上安裝的往往都是可以暴露在空間的儀器，儀器的操作和控制由航天員在增壓艙或乘員艙內(nèi)遙控進(jìn)行。

增壓艙和U形臺架的外型和尺寸都是按航天飛機(jī)載荷艙的大小嚴(yán)格選取的。根據(jù)飛行任務(wù)的不同，“空間實(shí)驗(yàn)室”各艙段可有多種組合。比較典型的有長增壓艙、長增壓艙加2個(gè)U形臺架、短增壓艙加3個(gè)U形臺架、3個(gè)U形臺架和5個(gè)U形臺架等。由于航天飛機(jī)貨艙的限制以及返回時(shí)攜帶載荷的限制，“空間實(shí)驗(yàn)室”的各種組合要求重量不得超過14.5噸，長度不得超過15米。如果在一次飛行任務(wù)中，“空間實(shí)驗(yàn)室”單單由U形臺架組成，那么一些必須的而且不能暴露于空間的支援設(shè)備，如動力、實(shí)驗(yàn)控制、數(shù)據(jù)處理及通信等設(shè)備必須裝在一個(gè)圓柱形的增壓艙室里，它的內(nèi)部具有環(huán)境控制設(shè)備。

“空間實(shí)驗(yàn)室”之所以設(shè)計(jì)了2種艙段，原因是每次太空科學(xué)研究任務(wù)和方式大不相同。在增壓艙里一般只能進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)，或那些不需要開放環(huán)境以及不怕有人干擾的項(xiàng)目。而U形臺架則是為大型儀器、需要暴露在空間的研究項(xiàng)目、要求不受妨礙或要求視野寬闊的設(shè)備設(shè)計(jì)的。這些設(shè)備包括望遠(yuǎn)鏡、天線、輻射儀和雷達(dá)等?！翱臻g實(shí)驗(yàn)室”最多可由5個(gè)U形臺架組成，上面安裝的儀器設(shè)備可以多達(dá)5.4噸。

首 飛

機(jī)載“空間實(shí)驗(yàn)室”2號

美國航宇局同歐空局對“空間實(shí)驗(yàn)室”的首次飛行給予了高度重視。除了安排大量實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目外，機(jī)組也配備了較強(qiáng)的陣容。

第1次乘航天飛機(jī)飛行的約翰·楊擔(dān)任了這次飛行的指令長，機(jī)組乘員達(dá)到6人，而有效載荷專家多達(dá)4人，其中包括歐空局選派的歐洲第1位航天飛機(jī)有效載荷專家——西德科學(xué)家烏爾夫·默伯爾德。在“空間實(shí)驗(yàn)室”1號里，設(shè)計(jì)了來自14個(gè)國家提出的73項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。在飛行過程中，來自歐洲、美國、加拿大和日本的一些研究人員匯集在約翰遜航天中心，通過電視和直接通話來監(jiān)視和指導(dǎo)機(jī)上有效載荷專家的工作。

1983年11月28日上午11時(shí)，在航天飛機(jī)STS-9飛行中，“哥倫比亞”號將“空間實(shí)驗(yàn)室”1號發(fā)射升空。這次飛行的軌道特點(diǎn)加之“空間實(shí)驗(yàn)室”的獨(dú)特能力，使實(shí)驗(yàn)室上觀測儀器能覆蓋63%以上的地球表面，占據(jù)全世界人口的90%。而美國“天空實(shí)驗(yàn)室”創(chuàng)造的最高紀(jì)錄是覆蓋58%的地球表面。

“空間實(shí)驗(yàn)室”完成的第1項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是李希滕伯格進(jìn)行的失重對淋巴細(xì)胞的影響。11月29日，紅色小組進(jìn)行了22項(xiàng)試驗(yàn)，其中大多數(shù)是歐洲試驗(yàn)，包括耳前庭實(shí)驗(yàn)、失重下的重量判定、投影心電圖、X光譜學(xué)、帶電粒子引起的現(xiàn)象研究、宇宙線和大氣研究等。航天員作了旋轉(zhuǎn)、跳躍、翻滾、電震等平衡機(jī)制試驗(yàn)，以了解失重狀態(tài)的航天運(yùn)動病和平衡功能失調(diào)的原因。在做耳內(nèi)腔試驗(yàn)時(shí)，李希滕伯格在一只耳朵里注入熱空氣，在另一只注入冷空氣以分析耳內(nèi)腔的特性，試驗(yàn)證實(shí)了流體在耳內(nèi)半循環(huán)通道中的循環(huán)理論。

航天員在“空間實(shí)驗(yàn)室”4號中

11月30日，有效載荷專家在進(jìn)行法國的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)時(shí)獲得重大成果，首次測得了80千米～100千米高的大氣層中氘的濃度，這是認(rèn)識地球大氣的重要數(shù)據(jù)。這一天，航天員還利用日本試驗(yàn)型電子槍在離航天飛機(jī)100米處進(jìn)行了人造北極光試驗(yàn)。12月2日，航天員用西德研制的米制照相機(jī)開始了對地拍照，獲得了1500張地球照片。在天文觀測方面，航天員利用X射線望遠(yuǎn)鏡搜集了關(guān)于遙遠(yuǎn)恒星的演化和死亡情況的資料。

吊裝“空間實(shí)驗(yàn)室”3號

材料加工實(shí)驗(yàn)是“空間實(shí)驗(yàn)室”1號的重要項(xiàng)目。11月30日，默伯爾德首先開始了冶金試驗(yàn)，在整個(gè)飛行期間試驗(yàn)共計(jì)38項(xiàng)。航天員們利用專用設(shè)備生產(chǎn)出了全新的高強(qiáng)度輕合金——鋅鋁合金。這種合金可用作航空器和航天器的優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)材料；他們還得到了在地球上難以制造的晶體非金屬合金。航天員還利用流體物理艙進(jìn)行了零重力條件下的流體特性實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是對晶體生長、流體物理和冶金學(xué)進(jìn)行初步試驗(yàn)，對新型設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證，為今后的工作積累數(shù)據(jù)。

“空間實(shí)驗(yàn)室”1號在10天的飛行期間，全部科學(xué)研究與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行得比較圓滿。此外，航天員們還進(jìn)行了其他一些有政治意義的活動。12月5日，美國總統(tǒng)里根在華盛頓和當(dāng)時(shí)正在希臘雅典參加首腦會議的西德總理科爾分別同“空間實(shí)驗(yàn)室”1號的航天員開了個(gè)電話會議。

隨“哥倫比亞”號航天飛機(jī)執(zhí)行STS-73任務(wù)的“微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”

“空間實(shí)驗(yàn)室D1”內(nèi)的航天員

成 果

不知什么原因，“空間實(shí)驗(yàn)室”3號先于“空間實(shí)驗(yàn)室”2號于1985年4月29日乘“挑戰(zhàn)者”號進(jìn)入軌道。這次飛行有7名航天員，其中2名是有效載荷專家（包括美籍華裔科學(xué)家王贛駿）?！翱臻g實(shí)驗(yàn)室”3號上除裝有各種儀器外，還安裝了價(jià)值1000萬美元的零重力動物籠子，里面裝有研究用的2只鼠猴和24只老鼠。7名航天員在“空間實(shí)驗(yàn)室”3號上進(jìn)行4大類15項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容涉及材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)、流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)、生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)和大氣及天文觀測。

“空間實(shí)驗(yàn)室”3號完成的主要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有：①在流體中生成晶體。②從蒸汽生成晶體。③碘化汞晶體生成。④液滴動力學(xué)實(shí)驗(yàn)（這是王贛駿設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)）。實(shí)驗(yàn)儀器是噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制的價(jià)值350萬美元的液滴動力學(xué)箱。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是研究在零重力下用聲波操縱液滴的能力。利用這個(gè)研究結(jié)果，可以探索發(fā)展無容器處理技術(shù)、改善冶金和化學(xué)過程處理法。液滴研究對于大氣物理、氣象學(xué)、材料科學(xué)和天體物理學(xué)都具有很大價(jià)值，有上百家公司表示對這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)送回的數(shù)據(jù)感興趣。⑤地球物理流體流動實(shí)驗(yàn)。⑥大氣化學(xué)。⑦極光觀測。⑧動物訓(xùn)養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。⑨生命科學(xué)試驗(yàn)。

1985年7月29日至8月6日，“挑戰(zhàn)者”號航天飛機(jī)將“空間實(shí)驗(yàn)室”2號送入太空。這次飛行的主要任務(wù)是研究太陽、探測地球高層大氣和尋找有關(guān)黑洞的證據(jù)?！翱臻g實(shí)驗(yàn)室”2號上裝備了大量來自德國、英國、法國和美國的科學(xué)儀器。

航天員利用這些儀器進(jìn)行的探測和研究活動有：觀測了太陽大氣中磁場的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)和演變；測量了太陽中氦的分布量、紫外線放射，以獲得日冕氣體的溫度、密度和成分的數(shù)據(jù)；研究了太陽色球?qū)?、日冕和它們之間的過渡區(qū)；測量了太陽放出的紫外線總通量的短期和長期變化；研究了自然等離子體和軌道器感應(yīng)的等離子體的變化過程以及射束等離子體物理學(xué)；進(jìn)行了飛行器電荷電位實(shí)驗(yàn)；利用軌道器推進(jìn)裝置多次點(diǎn)火排出的水蒸氣引起電離層穿孔，以獲得等離子體溫度變化及對無線電波的影響；用4架望遠(yuǎn)鏡詳細(xì)觀測了太陽表面劇烈的爆發(fā)效應(yīng)；用X射線望遠(yuǎn)鏡來成像和研究星系團(tuán)的X射線源，以確定引起高溫的原因和星系團(tuán)的重量；用紅外望遠(yuǎn)鏡測量和繪制紅外天體圖；觀測了銀河系中的大塵云；研究了零重力下超流體氦的特性，以了解常態(tài)液氦和超流態(tài)氦的區(qū)別。

值得一提的是西德，它除參加歐空局的“空間實(shí)驗(yàn)室”計(jì)劃外，還制定了自己的“空間實(shí)驗(yàn)室”計(jì)劃，這就是“空間實(shí)驗(yàn)室D”系列?！翱臻g實(shí)驗(yàn)室D”在軌運(yùn)行期間的實(shí)驗(yàn)活動由西德空間操作中心指揮。這些活動既能驗(yàn)證西德實(shí)時(shí)控制載人空間飛行的有效載荷能力，也可以考察西德與美國航宇局控制中心的通信能力。

1985年10月30日，航天飛機(jī)在進(jìn)行第22次飛行時(shí)將“空間實(shí)驗(yàn)室D1”送入軌道。“空間實(shí)驗(yàn)室D1”由改進(jìn)的長增壓艙加1個(gè)U形臺架組成，航天員進(jìn)行了76項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，完成75項(xiàng)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及冶金、玻璃和陶瓷制造、晶體生長、醫(yī)學(xué)生物學(xué)研究、人體生理、導(dǎo)航和通信等。在這次飛行中，航天員還從“空間實(shí)驗(yàn)室D1”里成功地釋放了1顆小型衛(wèi)星。

從1983年～1998年，“空間實(shí)驗(yàn)室”隨航天飛機(jī)共進(jìn)行了22次飛行（壓力艙累計(jì)太空飛行244天）。其主要有效載荷包括：天體物理實(shí)驗(yàn)室、大氣應(yīng)用和科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、國際微重力實(shí)驗(yàn)室、微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、美國微重力實(shí)驗(yàn)室和神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室。

通過“空間實(shí)驗(yàn)室”的研制和運(yùn)行，歐空局各成員國不僅獲得了許多有益的經(jīng)驗(yàn)，其取得的不少技術(shù)成果后來也用于國際空間站上的歐洲“哥倫布”號實(shí)驗(yàn)艙上?？梢韵嘈牛覈目臻g實(shí)驗(yàn)室的許多成果也將在其后建造的空間站中發(fā)揮作用。

于1998年隨“哥倫比亞”號航天飛機(jī)執(zhí)行STS-90任務(wù)的“神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”