人類的太空筑夢(mèng)之旅

毛新愿

蘇聯(lián)科學(xué)家齊奧爾科夫斯基曾說：“地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠(yuǎn)生活在搖籃之中。”為了離開地球母親這個(gè)搖籃，成為文明程度更高的人類，我們把眼光瞄向了太空。為了進(jìn)入太空，人類創(chuàng)造了火箭、衛(wèi)星、各種探測(cè)器、宇宙飛船，還有能夠駐留太空的空間站。從某種程度上說，空間站的落成標(biāo)志著人類終于在太空安家了。雖然對(duì)于人類大規(guī)模移民其他星球來說，空間站的承載力和技術(shù)水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，但它在太空中的運(yùn)行，已經(jīng)讓人類看到了希望。今天，我們就來講講人類在太空中筑夢(mèng)的故事。

1942年10月3日，德國將一枚V2火箭發(fā)射到了96千米的高度，已經(jīng)非常接近卡門線（卡門線是位于海拔100千米處，被認(rèn)為是外太空與地球大氣層的分界線）。兩年后，火箭發(fā)射高度便提升到了176千米。

1945年，第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束，美國和蘇聯(lián)揭開了冷戰(zhàn)的序幕。相比美國，蘇聯(lián)有著對(duì)歐洲大陸戰(zhàn)略威懾的急切需求，故而對(duì)于遠(yuǎn)程導(dǎo)彈的研制投資巨大。1957年，蘇聯(lián)著名火箭專家謝爾蓋·科洛廖夫主持的R-7火箭項(xiàng)目成功完成了6000千米的發(fā)射測(cè)試，成為世界首枚洲際導(dǎo)彈。這枚洲際導(dǎo)彈的擴(kuò)展版本聯(lián)盟號(hào)火箭則成為人類歷史上最成功的火箭。從20世紀(jì)60年代至今，聯(lián)盟系列火箭已經(jīng)完成了近2000次發(fā)射。1957年10月4日，人類首顆環(huán)繞地球衛(wèi)星斯普特尼克1號(hào)在拜科努爾航天中心發(fā)射升空。直至1958年年初，它圍繞地球飛行了近1500圈。

1957年11月3日，蘇聯(lián)將小狗萊卡送入地球軌道，通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明了生命進(jìn)入太空的可能性。而美國也在三個(gè)月后發(fā)射了本國的第一顆衛(wèi)星——探險(xiǎn)者1號(hào)。1959年，美國選拔出7 名航天員，1960年，蘇聯(lián)也選出了19名航天員，很快，第一個(gè)進(jìn)入太空的人類就從這26人中產(chǎn)生。1961年4月12日，蘇聯(lián)航天員尤里·加加林在進(jìn)行了充分準(zhǔn)備后，終于成為第一個(gè)進(jìn)入太空的人，航天事業(yè)進(jìn)入載人新階段。

登月競(jìng)賽后爆發(fā)的空間站競(jìng)賽

隨著蘇聯(lián)取得巨大成功，美國也逐漸加大了對(duì)美國國家航空航天局（NASA）的財(cái)政投入。在美國第一個(gè)載人航天計(jì)劃——水星計(jì)劃結(jié)束后，為過渡到已經(jīng)確定的阿波羅計(jì)劃，美國政府批準(zhǔn)了雙子座計(jì)劃。這個(gè)任務(wù)最重要的目的便是積累復(fù)雜太空任務(wù)的各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，要求航天員測(cè)試長期駐留，并挑戰(zhàn)復(fù)雜操作。

在1965年12月15日，雙子座6A和雙子座7實(shí)現(xiàn)空間交會(huì)，兩艘飛船在相距僅30厘米的情況下保持相對(duì)靜止伴飛狀態(tài)長達(dá)30分鐘。而在三個(gè)月后的1966年3月16日，尼爾·阿姆斯特朗駕駛著雙子座8號(hào)與無人目標(biāo)飛行器成功實(shí)現(xiàn)了交會(huì)對(duì)接。這離阿姆斯特朗在月球上邁出人類的第一步僅相距三年時(shí)間。

在后續(xù)幾年內(nèi)，蘇、美的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)主要集中在登月計(jì)劃，此時(shí)美國的巨額投資獲得了回報(bào)，他們開始全方位超越蘇聯(lián)，而蘇聯(lián)則一直卡在登月火箭研發(fā)問題上。隨著1972年阿波羅登月計(jì)劃宣布結(jié)束，人類的登月探索告一段落，雙方又重新將目光投回了近地空間的開發(fā)上。

蘇聯(lián)在登月項(xiàng)目的競(jìng)爭(zhēng)中落敗于美國后，便掀起了新一輪的競(jìng)爭(zhēng)：空間站建設(shè)。長期以來的載人航天試驗(yàn)，尤其是阿波羅登月計(jì)劃的成功，驗(yàn)證了人類可長時(shí)間生存在太空中的可能性。在設(shè)想中，通過建立長期駐人的空間站，可以實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的軍事偵察甚至潛在的作戰(zhàn)目的。蘇聯(lián)更是將航天發(fā)展重心押在長期可駐人空間站的建設(shè)上，此時(shí)可執(zhí)行大型任務(wù)的質(zhì)子系列火箭也已經(jīng)研發(fā)出來。早在美國專注阿波羅計(jì)劃時(shí)，蘇聯(lián)就已經(jīng)秘密將禮炮1號(hào)空間站送入太空。

從1971年到1982年，蘇聯(lián)共計(jì)發(fā)射了9個(gè)重達(dá)18噸～20噸的空間站，其中7個(gè)取得成功。這9個(gè)空間站在技術(shù)上分為兩代，第一代為試驗(yàn)性質(zhì)的飛行器，第二代為長期駐留空間站，這就是著名的禮炮號(hào)系列。在這個(gè)系列中，三個(gè)軍用的禮炮空間站還進(jìn)行了秘密的武器試驗(yàn)，例如在禮炮3號(hào)上安裝了圖-22轟炸機(jī)的自衛(wèi)航炮作為攻擊武器，但由于無法解決武器發(fā)射時(shí)導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)問題只好被迫放棄。

鑒于蘇聯(lián)在空間站建設(shè)上的發(fā)展，美國也毅然轉(zhuǎn)向空間站建設(shè)。由于美國擁有龐大的登月火箭——土星五號(hào)這個(gè)利器，他們只需將其中一級(jí)改裝成空間站結(jié)構(gòu)，即可一次性發(fā)射超大空間站進(jìn)入太空，比起蘇聯(lián)的單模塊空間站擁有更大的優(yōu)勢(shì)。

1973年5月14日，美國通過土星五號(hào)運(yùn)載火箭，將巨大的天空實(shí)驗(yàn)室送入太空。它重約80噸，內(nèi)部體積達(dá)到了368立方米，大約相當(dāng)于一棟120平方米的房子，前后接待過三批航天員，載人任務(wù)于1974年2月8日結(jié)束，隨后天空實(shí)驗(yàn)室被關(guān)閉，在1979年7月11日返回地球大氣層時(shí)被燒毀。不過總體而言，此時(shí)的空間站還大多停留在技術(shù)驗(yàn)證階段，由于土星系列火箭的成本太高，尤其是美國的天空實(shí)驗(yàn)室，即便是財(cái)大氣粗的美國也無力以該火箭維持空間站的運(yùn)行。在這種背景下，1969年，美國正式開展“可回收近地軌道飛行器”項(xiàng)目，其中的飛行器部分便成為后來的航天飛機(jī)。與此同時(shí)，蘇聯(lián)方面則繼續(xù)發(fā)展第三代空間站作為載人航天的延續(xù)。

偉大的第三代空間站和平號(hào)

在天空實(shí)驗(yàn)室任務(wù)周期內(nèi)，蘇聯(lián)恰好處在禮炮2號(hào)無法使用、宇宙-557剛剛失敗、禮炮3號(hào)尚未發(fā)射的階段。在政治和軍事壓力下，1976年蘇聯(lián)官方開始論證第三代空間站，這正是和平號(hào)空間站的前身。

和平號(hào)的最大特點(diǎn)是模塊化組裝，巨大的空間站如果在廠房里組裝好再發(fā)射，就需要推力極大的火箭，但這在現(xiàn)今也是很難實(shí)現(xiàn)的。所以，模塊化的好處就是可以一個(gè)部分一個(gè)部分地發(fā)射上天，降低了每次航天發(fā)射的載重需求，然后在近地軌道對(duì)各部分進(jìn)行組裝。如此，每一個(gè)模塊也可以在保證接口一致的情況下具有完全不同的獨(dú)立功能。計(jì)劃中的和平號(hào)核心艙，是由禮炮7號(hào)升級(jí)而來，更新了太陽能陣列和計(jì)算設(shè)備，增加接駁塢站到6個(gè)，總重量升級(jí)到20.4噸，供航天員活動(dòng)的加壓空間達(dá)到90立方米。

在1986年2月19日，質(zhì)子火箭從拜科努爾航天基地升空，將和平號(hào)核心艙送入太空。核心艙發(fā)射后很快迎來了首次載人任務(wù)，即1986年3月13日發(fā)射的聯(lián)盟T-15任務(wù)，它也完成了人類航天史上唯一一次“太空擺渡”（又叫太空搬家），即在3個(gè)月之內(nèi)，將在軌但被棄用的禮炮7號(hào)空間站中的物資搬運(yùn)到和平號(hào)空間站。

在隨后10年內(nèi)，通過一系列重要任務(wù)，和平號(hào)逐漸完成了主體的搭建，其間蘇聯(lián)解體，后來的俄羅斯恢復(fù)了與美國的航天合作，和平號(hào)也因?yàn)楹兔绹教祜w機(jī)計(jì)劃合作而修改了一部分建設(shè)方案（原計(jì)劃對(duì)接蘇聯(lián)暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)），新增了光譜號(hào)、對(duì)接艙和自然號(hào)三個(gè)艙段。

建成后的和平號(hào)成為一個(gè)圍繞核心艙建設(shè)、總重達(dá)129.7噸、內(nèi)部加壓空間為350立方米的龐然大物，運(yùn)轉(zhuǎn)在距離地球上空400千米的高處。和平號(hào)空間站的對(duì)接艙能夠直接與美國的五架航天飛機(jī)對(duì)接，如果加上航天飛機(jī)的重量，整個(gè)空間站的最大重量可達(dá)249噸。曾有31艘聯(lián)盟載人飛船和62艘進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船先后與和平號(hào)進(jìn)行過對(duì)接，取得了巨大的成就。

和平號(hào)空間站總共接納了來自12個(gè)國家的135名航天員在此工作與生活，他們完成了78次出艙行走和海量實(shí)驗(yàn)，這些數(shù)據(jù)指標(biāo)遠(yuǎn)超此前所有載人航天任務(wù)的總和。與此同時(shí)，和平號(hào)空間站上的航天員也成為研究人體航天醫(yī)學(xué)的最佳數(shù)據(jù)來源，在任務(wù)周期內(nèi)，和平號(hào)空間站的航天員多次打破人類太空駐留時(shí)間的紀(jì)錄。

和平號(hào)空間站雖然取得了豐碩的成果，卻不得不面對(duì)自發(fā)射以來便埋下的隱患，原計(jì)劃工作壽命為5 年的和平號(hào)任務(wù)不斷延期到15年，設(shè)備老化導(dǎo)致的故障層出不窮，建成后發(fā)生了一系列重大險(xiǎn)情——小型火災(zāi)，對(duì)接時(shí)發(fā)生碰撞，有毒煙霧、氣體泄漏，停電，溫控故障等。在這樣的情況下，2000年俄羅斯聯(lián)邦航天局也意識(shí)到進(jìn)一步運(yùn)營昂貴的和平號(hào)空間站已無價(jià)值，于是宣布任務(wù)終結(jié)。2001年1月27日，最后一艘接駁的進(jìn)步號(hào)M1-5飛船抵達(dá)并與和平號(hào)空間站對(duì)接，它沒有任何補(bǔ)給功能，而是攜帶了大量的推進(jìn)劑，在兩個(gè)月內(nèi)通過精細(xì)控制將和平號(hào)空間站的運(yùn)行軌道逐步降低，最終讓和平號(hào)空間站于3月23日返回地球，成功墜毀在南太平洋無人區(qū)域。和平號(hào)空間站就此結(jié)束了輝煌的一生，與此同時(shí)后繼的國際空間站也已在軌投入使用。

“和平號(hào)”之后的和平：國際空間站

20世紀(jì)90年代初，隨著蘇聯(lián)解體、俄羅斯建國，和平號(hào)空間站成為兩個(gè)超級(jí)大國在航天領(lǐng)域和平合作的契機(jī)。通過和平號(hào)空間站的美國航天飛機(jī)對(duì)接艙段，航天飛機(jī)先后9次成功載人對(duì)接“和平號(hào)”。雙方航天員都收獲了大量科研成果，二者結(jié)合的畫面也成為航天史上的經(jīng)典場(chǎng)景。

這種良好的合作關(guān)系并未隨著“和平號(hào)”的落幕而結(jié)束，而是一直延續(xù)到了今天。在蘇聯(lián)計(jì)劃發(fā)展下一個(gè)和平號(hào)空間站時(shí)，美國也在計(jì)劃發(fā)展自己的自由號(hào)空間站。蘇聯(lián)解體后，美國與俄羅斯的空間站方案一拍即合，決定共建一個(gè)空間站，同時(shí)接受其他一些國家的加入申請(qǐng)，這個(gè)方案便是自1998年運(yùn)行至今的“國際空間站”，它是標(biāo)準(zhǔn)的第四代空間站。

和平號(hào)空間站是禮炮號(hào)系列空間站的技術(shù)結(jié)晶，作為國際空間站發(fā)射前全球最重要的空間站，也是唯一的第三代空間站，它為多艙模塊化組裝、積木式結(jié)構(gòu)搭建長期可駐留空間站技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，將主體結(jié)構(gòu)、能源控制系統(tǒng)、軌道和姿態(tài)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、環(huán)境與生命維持系統(tǒng)、航天員生活與工作區(qū)域、載人和貨運(yùn)駁接、出艙行走和氣閘艙、科學(xué)研究等模塊優(yōu)化布局糅合或分列在不同艙段內(nèi)，大大提升了效率。而到了第四代空間站，桁（heng）架結(jié)構(gòu)（桁架指的是桁架梁，是一種梁式結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)常用于大跨度的廠房、橋梁等公共建筑中）的使用則使得整個(gè)空間站結(jié)構(gòu)更大、功能更加復(fù)雜。隨著“和平號(hào)”的隕落，國際空間站成為載人航天界的寵兒。

國際空間站的建設(shè)比起和平號(hào)空間站復(fù)雜許多，它需要的組合部分更多，功能要求更強(qiáng)?？梢詮慕ㄔO(shè)過程明顯看出，它相較于第三代空間站最大特點(diǎn)在于大型桁架的使用，桁架的重量甚至超過了普通艙段。也正是由于更加結(jié)實(shí)的結(jié)構(gòu)，新的空間站得以承載更多的小型艙段和節(jié)點(diǎn)艙，節(jié)點(diǎn)艙又可以進(jìn)一步擴(kuò)展為更多艙段。

時(shí)至今日，國際空間站已經(jīng)成長為一個(gè)寬109米、長73米、高20米、重達(dá)419噸、內(nèi)部容積為916立方米的空間巨無霸，相當(dāng)于一棟七層樓高的小型體育館。自從2000年11月2日首次載人任務(wù)以來，它已經(jīng)連續(xù)載人飛行19年，駐扎國際空間站的航天員被稱為遠(yuǎn)征隊(duì)成員，每批有6位。目前，國際空間站還有每年8次左右的貨運(yùn)對(duì)接和4次左右載人對(duì)接，一個(gè)批次的航天員停留時(shí)間大概為半年。2019年年初，在國際空間站中工作的已是第58批遠(yuǎn)征隊(duì)員，對(duì)于各國航天員來說，國際空間站在人類載人航天事業(yè)中有著至高無上的地位，這里就像他們的朝圣之地。

20多年來，國際空間站完成了數(shù)不清的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，為人類科技進(jìn)步和航天技術(shù)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。它代表了人類載人航天技術(shù)的最高水平，也促進(jìn)了各個(gè)國家的各種載人航天相關(guān)航天器的發(fā)展，如美國的航天飛機(jī)（載人/ 貨運(yùn)）、龍飛船（貨運(yùn)）、龍-2飛船（載人）、天鵝座飛船（貨運(yùn)），俄羅斯的進(jìn)步號(hào)飛船（貨運(yùn)）和聯(lián)盟號(hào)飛船（載人），歐盟的ATV飛船（貨運(yùn)），日本的HTV飛船（貨運(yùn)）。它的特殊環(huán)境也推動(dòng)了國際上關(guān)于天文觀測(cè)、對(duì)地遙感、航天醫(yī)學(xué)、植物育種等多方面技術(shù)的快速進(jìn)步，成為一個(gè)獨(dú)一無二的科研平臺(tái)。

國際空間站的巨大成功，是世界載人航天界團(tuán)結(jié)一致的結(jié)果。目前，它依然處在完美的運(yùn)營狀態(tài)。但這個(gè)造價(jià)已超過2000億美元的空間站運(yùn)營成本不菲，美國每年都要支付不低于15億美元的費(fèi)用，按計(jì)劃它至少將運(yùn)營到2024年。屆時(shí)，到底是拋棄它建立新的空間站，還是建立性價(jià)比更高的小型空間站，抑或?qū)⑺挥缮虡I(yè)公司運(yùn)轉(zhuǎn)尚未確定。不過無論何去何從，國際空間站已經(jīng)用它所代表的最高科技水平、貢獻(xiàn)的科學(xué)成果創(chuàng)造了歷史！

后起之秀，中國載人航天

中國的載人航天事業(yè)起步較晚，早在20世紀(jì)60年代，美國與蘇聯(lián)載人航天事業(yè)發(fā)展如火如荼之際，中國也提出了載人航天計(jì)劃，無奈財(cái)力和技術(shù)有限，計(jì)劃不得不擱淺，直到1992年9月21日才正式立項(xiàng)。

中國載人航天分為三個(gè)階段：第一階段要載人進(jìn)入太空，完成載人航天的重要技術(shù)（交會(huì)對(duì)接、出艙行走）驗(yàn)證;第二階段要完成空間實(shí)驗(yàn)室、載人和貨運(yùn)飛船的系統(tǒng)搭建;第三階段則是搭建長期有人駐留的空間站。

在經(jīng)過4艘無人神舟飛船試驗(yàn)后，2003年神舟五號(hào)載著中國首位航天員楊利偉進(jìn)入太空，2008年神舟七號(hào)任務(wù)中航天員翟志剛完成了中國首次太空行走，而劉洋也隨著2012年發(fā)射的神舟九號(hào)成為中國首位女航天員。隨著2016年中國天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室的發(fā)射和2017年天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船的成功發(fā)射，中國載人航天的第二階段基本完成?，F(xiàn)在，我們已進(jìn)入第三階段，即中國長期駐留航天員的空間站建設(shè)。2019年將是我國空間站建設(shè)的關(guān)鍵之年，預(yù)計(jì)我國的空間站將于2022年前后建成并投入使用。2019年6月，中國載人航天辦公室會(huì)與聯(lián)合國外太空事務(wù)辦公室聯(lián)合完成科學(xué)應(yīng)用合作項(xiàng)目遴選工作，這是我國航天史上第一次開放國際合作，同時(shí)也是此類項(xiàng)目歷史上首次向所有聯(lián)合國會(huì)員國開放。

隨著國際空間站未來國際合作的不確定性，美國的下一代空間站還未正式確定，中國的空間站必將成為國際上另一個(gè)極其重要的載人航天項(xiàng)目。擁有后發(fā)優(yōu)勢(shì)的中國航天，也在傾力支持載人航天計(jì)劃，這個(gè)投入必將換來豐厚的回報(bào)。

回顧了空間站的建設(shè)發(fā)展之路，我們?cè)跒槿祟愝d人航天事業(yè)取得的巨大成就歡呼的同時(shí)，也不要忘記那些為航天事業(yè)做出巨大犧牲的航天員們，他們有在聯(lián)盟1號(hào)、聯(lián)盟11號(hào)、挑戰(zhàn)者號(hào)、哥倫比亞號(hào)任務(wù)中不幸喪生的，有在飛行訓(xùn)練中犧牲的，還有更多因負(fù)傷而退役的。雖然他們沒能住進(jìn)向往已久的空間站，但他們征服宇宙的雄心和勇敢都留在了航天史上。