如何設計一個空間站？

任天

國際空間站是目前在軌運行最大的空間平臺，是一個擁有現(xiàn)代化科研設備、可開展大規(guī)模、多學科基礎和應用科學研究的空間實驗室，為在微重力環(huán)境下開展科學實驗研究提供了大量實驗載荷和資源。國際空間站是現(xiàn)代工程的奇跡，然而設計這個奇跡的過程卻幾經(jīng)波折，堪比噩夢，即使是在最好的條件下。

很多科研工作和重大工程，都可以算得上人類歷史上最為艱巨的任務，但當某項任務涉及三屆美國總統(tǒng)、15個國家、數(shù)百名美國國會議員、數(shù)千名工程師和超過1500億美元的公共基金時，其困難程度似乎就到了不可理喻的地步，國際空間站的建設就是這樣一個任務。美國國家航空航天局（NASA）花了30年才建成這樣一個空間站，然而它依然無法達到該機構工作人員最初的預期。

“太空基地”

早在尼爾·阿姆斯特朗和巴茲·奧爾德林成功在月球上邁出人類的一大步之后不久，NASA就開始著手讓人類在太空中永遠存在了。當時他們想建立一個能容納100人的“太空基地”，通過這個基地，可以更方便地向月球基地發(fā)送宇航員和物資。為了建造這個圍繞近地軌道運行的“基地”空間站，必須從地球上把所需建造材料一件一件運到軌道，而NASA很快就意識到，用一次性火箭運輸?shù)脑挸杀具h遠超過空間站本身，于是他們選擇了可重復使用的運輸器，比如航天飛機，從此以后，他們便可以開始像“堆積木”一樣搭建空間站了。

美國的第一個空間站是“天空實驗室”，曾有三批宇航員于1973年至1974年間到該空間站進行實驗，三波人總共在里面生存了6個月。兩年后，航天飛機準備就緒，NASA的工程師也正在考慮下一步計劃——讓航天員能夠永久駐扎在空間站。1982年初，NASA成立了一個空間站任務小組專門研究這個問題，他們向8家頂級航天承包商發(fā)放資金，每家100萬美元，要求這8家公司給出能永久住人的空間站設計方案。

1983年初，這些承包商向NASA提供了他們的設計，盡管各家的概念都獨一無二，但它們都由一些共同的設計元素組合而成，以滿足NASA的要求。首先，每個空間站都是一次最多能容納12名宇航員，比起NASA最初設想的百人大基地，可謂大大縮減。大多數(shù)提交的設計還設想把空間站作為一個“太空船塢”或“太空港灣”，可以修理軌道上的航天器和衛(wèi)星。

“電力塔”

1984年，大約在承包商提交設計一年后，美國總統(tǒng)羅納德·里根在他的國情咨文中正式指示NASA建造一個空間站，后來他將這個空間站命名為“自由號”。

里根的國情咨文標志著NASA建立空間站的勃勃雄心進入了一個動蕩時期。在1984年到1993年之間，為了平衡預算和工程優(yōu)先權，自由號的官方設計經(jīng)歷了七次重大修改。在總統(tǒng)的指令下達后的幾個月里，NASA就有了空間站的基本設計方案，但卻與承包商一年前提出的設計完全不一樣。這個新設計俗稱“電力塔”，由5個模塊組成——2個實驗室、1個后勤中心和2個船員艙——集中在一個120米長的桁架末端。模塊位于桁架的底部（離地球最近的位置），在桁架結構的另一端則是一個太陽能電池陣列和若干天線。

“電力塔”的鐘擺式設計旨在能讓航天員同時觀察到地球、太陽和太空，這將有助于開展科學實驗，并減少維持空間站穩(wěn)定在軌道所需的推進器點火次數(shù)。但隨著設計方案的不斷完善，電力塔的概念遭到了想要將空間站用于其他領域研究的科學家的抨擊。

這些科學家認為，居住艙應該位于空間站的重心所在位置，而不是底部。他們認為電力塔有嚴重的結構問題，由于振蕩和振動，將實驗室模塊放在結構底部的設計可能是最糟糕的。最重要的是，空間站的設計反映了用戶的需求，而用戶需要將空間站的移動減少到最低限度。

這就意味著NASA不得不從頭開始。

“修訂基準構型”

1987年，NASA發(fā)布了自由號空間站的新設計，即“修訂基準構型”，也就是如今國際空間站的雛形。在這次的方案中，所有組成空間站的模塊，都集中在一個長桁架的中心，其兩側是一排排的太陽能電池板。這些模塊來自于國際上的支持，歐洲和日本提供了實驗室部件，加拿大提供了一個航天器維修中心。

“修訂基準構型”實際上是NASA自1985年開始探索的“雙龍骨”設計的一個折衷方案。盡管這個設計概念也是基于一個長水平軸，但在其中心有一個大型矩形結構，也就是“雙龍骨”，這個結構可以容納航天飛機的對接口和其他后勤模塊。然而據(jù)估計，這種設計的成本幾乎是NASA最初預計的空間站建造費用的兩倍，因此“雙龍骨”被放棄，改用更便宜的“修訂基準構型”。

盡管修訂基準構型后來成為了空間站最終設計的基礎，但NASA仍在不斷調整設計，以滿足不斷發(fā)展的預算限制和技術要求。一般來說，每次設計的迭代都會導致空間站容量下降，并使發(fā)射計劃延期。

然而一個不爭的事實是，如果太空站要成為現(xiàn)實，它就必須從根本上成為國際性的合作成果。美國顯然沒有足夠的政治意愿獨自完成這一任務。因此，1993年克林頓入主白宮后，正式宣布自由號計劃由美國獨自建造改為國際合作建造；在此之后，美國開始與盟國合作建設國際空間站。隨著冷戰(zhàn)的結束，俄羅斯也被邀請在這個前所未有的項目上與美國合作。

國際空間站的最終設計在很大程度上依賴于“修訂基準構型”，后來NASA對空間站進行了充實，但采用了更簡單的設計。例如，空間站的主要水平桁架采用的是預制構件，而不是由宇航員在軌道上組裝。這個簡化的空間站構型由一組實驗室和居住艙組成，位于一個長長的水平桁架中心，兩側各有4個太陽能電池陣列。

1998年，美國向空間站發(fā)射了第一個組件——作為宇航員餐廳的“團結號”節(jié)點艙。13年后，發(fā)現(xiàn)號航天飛機的最后一次飛行，為空間站送來了一個多用途增壓艙。至此，空間站的建設正式結束，美國國家航空航天局和世界多國航天機構的不懈努力終于有了回報，從此人類得以在太空中連續(xù)工作生活20年，從零重力的菜園到已知宇宙中最冷的冰箱，科學實驗擁有了獨一無二的平臺。