禮炮1號：空間站技術的大膽嘗試

鹿鳴

1971年4月19日，蘇聯(lián)“禮炮”1號空間站升空。如今，到了2016年，正好是“禮炮”1號這個人類的第一個空間站升空45周年紀念的日子?，F(xiàn)在，國際空間站已經(jīng)運行多年，而中國也正準備將新的空間站送上太空。人類是如何決定開始發(fā)展空間站的？一個成功的空間站上面需要有哪些獨特的設計？早期的空間站又給后人留下了哪些寶貴的經(jīng)驗教訓呢？

浪漫又理性的計劃

1961年4月12日，莫斯科時間上午9時零7分，加加林乘坐“東方”1號宇宙飛船從拜科努爾航天發(fā)射場起飛，在遠地點為301千米的軌道上繞地球一周，歷時1小時48分鐘，于上午10時55分安全返回，降落在薩拉托夫州斯梅洛夫卡村地區(qū)，完成了世界上首次載人宇宙飛行，實現(xiàn)了人類進入太空的愿望。

1969年發(fā)射的阿波羅11號（Apollo11）則是美國國家航空航天局的“阿波羅”計劃（Project Apollo）中的第五次載人任務，是人類的第一次登月任務?！鞍⒉_”11號任務歷時8天13小時18分35秒，繞行月球30周，在月球表面停留了21小時36分20秒。三位執(zhí)行此任務的宇航員分別為指令長尼爾·阿姆斯特朗、指令艙駕駛員邁克爾·科林斯與登月艙駕駛員巴茲·奧爾德林。1969年7月20日，阿姆斯特朗與奧爾德林成為了第一批踏上月球的人類。

蘇聯(lián)第一個將人類送上了太空，美國第一個將人類送上了月球。在日益白熱化的太空技術的競賽中，兩個國家都為了能夠獲得更多的第一而殫精竭慮。但是，一個充滿了浪漫主義的設想開始逐漸成形，那就是讓人類盡可能長久地在太空中生活下去。

就像魚類離開了海洋就要開啟一個由新一代的物種主宰地球陸地表面的時代一樣，加加林在太空中飛行的108分鐘早已點燃了人類向太空進發(fā)的激情。但是，對于星際旅行而言，以分鐘或小時計的太空停留時間是遠遠不夠的。人類應該盡早掌握在太空中長期生存和依賴太空環(huán)境進行生產(chǎn)和生活的技術。這樣，人類才能夠飛往在仰望星空時凝視的那些遙遠星球。在這樣的背景下，禮炮空間站計劃開始付諸實施了。

禮炮計劃是由蘇聯(lián)設計的人類第一個空間站計劃。當時準備從1971年到1986年這15年間發(fā)射一系列共9個單模塊（single-module）空間站。這些空間站包括6個科研實驗空間站和3個軍事偵察空間站，后來又推出了高度機密的“阿爾馬茲”（Almaz）計劃?！岸Y炮”計劃打破了多個航天紀錄，其中包括幾個在太空執(zhí)行任務的時間紀錄和航天員第一次從一個飛船轉移到另一個飛船的紀錄。

與美國追求跨越式發(fā)展的方式不同，蘇聯(lián)的“禮炮”系列空間站從計劃伊始就準備走循序漸進的路數(shù)。畢竟有關在太空中長時間停留對人體的影響和相關的生命保障系統(tǒng)能否長時間可靠工作的研究還沒有先例可循?！岸Y炮”1號至5號空間站是該計劃中的第一代空間站。之后的“禮炮”6號和7號再根據(jù)第一代空間站的經(jīng)驗實施改進。然后就可以用搭積木的方式建設大規(guī)模的軌道空間站了。

大膽而細致的設計

1971年4月19日，滿載眾人期望的“禮炮”1號由“質子”火箭發(fā)射升空，開啟了人類探索太空的空間站時代?！岸Y炮”1號由軌道艙、服務艙和對接艙三個主要艙段組成，總長約12.5米，最大直徑4米，總質量18.5噸。為了實現(xiàn)太空對接和載人運輸，“禮炮”1號空間站設有一個飛船對接口。

該空間站的設計圍繞著對地觀測和太空實驗兩大核心任務進行。在預期的載人飛行任務中，有60%的任務時長用在了對地觀測上。任務載荷設計師給“禮炮”1號配備了光學探測設備和遙感裝置。在“禮炮”1號繞地球飛行的過程中，這些設備能夠拍攝大量的照片。人們期望這些照片能夠提供有關大氣、海洋和陸地植被的詳細信息。在第一批航天員進駐空間站之前，就已經(jīng)有火災預警、森林監(jiān)測、糧食估產(chǎn)等目標任務送到了“禮炮”1號的項目組那里。因此，可以說人們一開始對空間站的期望是很高的，根本沒有過多考慮任務本身的風險性，而是早早地就把空間站在多個領域的應用準備工作做好了。而太空實驗的任務則給空間站引入了有關微重力試驗、植物培養(yǎng)、太空醫(yī)學等領域的儀器設備。

所有這些用于觀測和試驗的設備將要與3名航天員共享85立方米的艙內空間，而且要在太空中停留盡量長的時間。這在當時的技術水平下，無疑是一個大膽的設計理念。而為了萬無一失地完成任務，“禮炮”1號的設計師們做了很多創(chuàng)新。他們認為從空間站站內布局本身的設計上來避免失誤要比培訓航天員進行失誤率較少的操作更為重要。于是，太空中最早的區(qū)塊化控制設備的設計理念得到了大量應用。在“禮炮”1號空間站內，主要的活動區(qū)域分為3段：對接艙、小直徑軌道艙和大直徑軌道艙。對接艙內主要設置一些對突然失壓和溫度波動不敏感的設備。對接艙的一側安裝有著名的“獵戶座”望遠鏡的控制設備。對接艙與軌道艙的連接處則放置著用于太空醫(yī)學研究的設備。經(jīng)過巧妙的設計，這些設備不會阻礙將來由聯(lián)盟飛船運送來的航天員的進出。

向里經(jīng)過一道密封艙門之后，便來到了“禮炮”1號的小直徑軌道艙。在這個直徑2.9米的艙段里布置有2塊用于空間站導航定位的控制面板，兩套系統(tǒng)互為備份，其中1個控制面板上還有用于操縱空間植物試驗的裝置。再向里，便是禮炮1號的控制核心，中央控制儀表板了。在這里，所有的控制設備的信息會匯總顯示。用于控制空間站軌道和姿態(tài)的手柄分別放置在2個駕駛座椅前面。緊湊的設計使得空間站的指令長不用移動位置就可以獲得空間站飛行狀態(tài)的所有信息。而中央控制儀表區(qū)前面的導航區(qū)段既能夠給指令長進一步補充詳盡的觀測數(shù)據(jù)，又可以當作對接艙試驗區(qū)與中央控制區(qū)之間的緩沖地帶，盡量降低核心控制區(qū)域在對接艙出現(xiàn)嚴重故障的時候受到影響的風險?！岸Y炮”1號這個直徑2.9米，長3.8米的圓柱形艙段采用典型的工作區(qū)域設計。視線所及之處，儀表顯眼，按鈕密集。而備份和冗余的設計能夠應對個別部件出現(xiàn)故障的情況。

向更遠處飄去，穿過一個1米多長的小通道之后，航天員將會豁然開朗，進入直徑4米，長度接近4.2米的大直徑軌道艙。這段軌道艙除安置一些用于監(jiān)測和計算的科學儀器之外，主要用于航天員的日常生活。航天員可以在這里進餐、睡覺。在靠近工作區(qū)的部分，還有一些健身設備?？刹荒苄】催@個簡陋的太空健身房。如果航天員沒有被強制進行大運動量的健身活動的話，在太空環(huán)境中，他們的骨骼鈣質會迅速流失，肌肉也會逐漸萎縮。因此只想享受微重力環(huán)境帶來的漂浮的美妙而忘記對身體進行錘煉的人是難以在太空中長期健康生活的。被用作生活區(qū)的大直徑軌道艙為了讓航天員盡快適應，還在內飾的用色和布局上做足了功夫。生活區(qū)的艙室內壁的不同區(qū)域按照天空和大地的不同色調進行劃分。這樣航天員就能夠找到區(qū)分上下的參考基準。這個設計的靈感既得益于聯(lián)盟飛船航天員的大量經(jīng)驗，也與蘇聯(lián)飛行員們給空間站設計師們講述的人體在超重和失重條件下容易對空間方向產(chǎn)生錯覺的親身體驗有關。

寶貴的經(jīng)驗和教訓

1971年4月23日，蘇聯(lián)發(fā)射了載有3名航天員的“聯(lián)盟”10號飛船。在太空中孤零零地運行了4天的“禮炮”1號空間站終于迎來了第一批航天員“房客”?！奥?lián)盟”10號飛船在太空中精確入軌，奔向了在近地點200千米，遠地點222千米，傾角為51.6°的軌道上等待他們的“禮炮”1號。在經(jīng)過24小時的變軌調姿操作之后，“聯(lián)盟”10號飛船與“禮炮”1號空間站成功對接！歡呼后的航天員檢查了對接口的情況，確認已緊密聯(lián)接后，準備進入“禮炮”1號。但是，他們卻怎么也打不開艙門。在用了各種方法之后，“聯(lián)盟”10號的3名航天員沒轍了。只好就這樣保持著對接狀態(tài)眼巴巴地看著近在咫尺的“禮炮”1號，體驗著“小扣柴扉久不開”的意境。5個半小時后，他們悻悻然地奉命搭乘返回艙回到了地面。

1971年6月6日，“聯(lián)盟”11號飛船載3名航天員在拜科努爾航天基地發(fā)射升空，第二天與“禮炮”1號空間站成功對接。3名航天員依次進入了“禮炮”1號。經(jīng)驗豐富又風趣幽默的指令長格奧爾基·多勃羅沃利斯基驚嘆道：“這么大的空間！簡直是一眼望不到邊??！”他駕駛著“禮炮”1號空間站漂亮地完成了一系列變軌動作，將空間站的軌道高度提升為近地點259千米，遠地點282千米。帕查耶夫和沃爾科夫合作進行了大量空間實驗。帕查耶夫操縱“獵戶座”望遠鏡進行了太空觀測，使他成為了第一個在太空中使用望遠鏡的人。

在23天的太空生活中，3名航天員對空間站的設計贊不絕口，但是也提出了很多寶貴意見，包括吸塵器的具體設計和熨斗面板的高度設置等細節(jié)。太空觀測的結果鼓舞了“禮炮”計劃的整個團隊。實際上，整個禮炮計劃僅僅在礦產(chǎn)勘探領域的成功就足以說服大家在空間站領域進行投資了。有10處稀有金屬礦脈被禮炮空間站的遙感系統(tǒng)所發(fā)現(xiàn)，另有117處大型石油產(chǎn)區(qū)借助“禮炮”空間站的探測設備而確定了位置。而在太空中進行的材料學的研究更是催生了空間微重力材料學這個學科。在微重力環(huán)境中，原本密度差別很大的兩種金屬也能夠融合在一起形成合金。

另外，他們對通訊時間方面的事情也有很多建議。“禮炮”1號與地面之間進行天地通話的時候，在每個90分鐘的軌道周期內只能維持20分鐘。這讓他們感到有些苦惱。不過，當時蘇聯(lián)用于維持天地通話的設備只有7個地面站和12艘遠洋船，很難保證當空間站飛到任何地點上空的時候都能維持和地面的聯(lián)系。實際上，只有當后來的中繼衛(wèi)星通信技術和高增益天線技術普及之后，天地通話的時長問題才得到了根本性的解決。

6月29日，“聯(lián)盟”11號飛船與“禮炮”1號空間站分離。但是，在返回地球的路上，飛船出現(xiàn)了突然失壓的事故，3名航天員全部遇難。失壓發(fā)生后4秒的時候，指令長的呼吸次數(shù)便已高達每分鐘48次。后來，技術人員發(fā)現(xiàn)，在“聯(lián)盟”飛船與禮炮1號分離的過程中，同時爆炸的12個螺栓對飛船造成了嚴重沖擊，使得飛船提前打開了排氣閥門。在此之后，“聯(lián)盟”飛船在很長一段時間里都改為2人組乘員，并且規(guī)定航天員在飛船上升和返回全程一直穿著航天服。另外，“聯(lián)盟”飛船和“禮炮”空間站增設了緊急加壓設備，以應對突發(fā)的失壓事故。

1971年10月11日，“禮炮”1號空間站因軌道高度衰減最終墜入大氣層燒毀。在軌運行了175天的“禮炮”1號在環(huán)繞地球飛行了2929圈后完成了她的歷史使命。

責任編輯：邢強