國際空間站非凡20年

彭永清

2000年10月31日，聯(lián)盟-U火箭攜 “聯(lián)盟TM-31號”載人飛船從哈薩克斯坦拜科努爾發(fā)射場升空，11月2日與國際空間站（Internationnal Space Station，縮寫為ISS）對接，這是國際空間站上長期考察組的首次飛行。當(dāng)時的國際空間站已有3個大型艙段：俄羅斯“星辰號”服務(wù)艙、美國“團(tuán)結(jié)號”節(jié)點艙和“曙光號”功能貨艙（這是國際空間站的第一個組件）。此后至今，國際空間站又已在軌運行了20年。

美國最早提出ISS計劃

1998年11月20日，“曙光號”功能貨艙在“質(zhì)子K號”火箭的攜帶下升入太空，從此拉開了建造國際空間站的序幕。國際空間站由美國、俄羅斯、加拿大、日本、歐洲11國和巴西等16國聯(lián)合研制。按照計劃，建成后的國際空間站重472噸，在軌道運行的平均高度為352千米，展開的面積約為10800平方米，相當(dāng)于兩個足球場大小，內(nèi)部擁有1300立方米，相當(dāng)于兩架波音747飛機(jī)的容積。國際空間站的建造意義重大，人類不僅可以借此不斷積累經(jīng)驗，還為將來遠(yuǎn)征火星甚至更遠(yuǎn)的宇宙打下基礎(chǔ)。

作為多功能太空研究復(fù)合設(shè)施，國際空間站是世界上最大的太空計劃。不過，該計劃起初并非純粹的太空研究計劃，而是兩個超級大國之間為了捍衛(wèi)各自尊嚴(yán)而展開的角逐?！岸?zhàn)”結(jié)束后，美、蘇針對將人類送入太空計劃展開了激烈競爭，也使人類太空開發(fā)事業(yè)急速推進(jìn)。1950年代，美國太空先驅(qū)馮？布朗提出了大型軌道空間站的構(gòu)想，他設(shè)想了一個輪子形狀的設(shè)施，通過緩慢旋轉(zhuǎn)為數(shù)千名居住者提供人工重力。不過，在可預(yù)見的未來，這樣一個軌道前哨站的構(gòu)想超出了現(xiàn)有技術(shù)。1958年7月29日，美國國家航空航天局（NASA）成立，便開始考慮建造規(guī)模更小的空間站。

1961年，時任美國總統(tǒng)約翰·肯尼迪宣布登月為國家目標(biāo)，在NASA實現(xiàn)這一目標(biāo)之前，空間站計劃一直處于次要地位。1969年，美國總統(tǒng)理查德·尼克松委托太空任務(wù)小組（STG）評估“阿波羅計劃”后的太空目標(biāo)，該小組提出在1970年代中期建立一個繞地球軌道運行的空間站，隨后又提出了一個更大規(guī)模的太空基地項目。不過，這一雄心勃勃的計劃卻因美國經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀不景氣而被否決。1972年，尼克松總統(tǒng)批準(zhǔn)了航天飛機(jī)項目。1973—1974年間，實驗空間站“天空實驗室”（SkyLab）利用剩余的阿波羅硬件進(jìn)行了實驗性飛行。

1980年代后，開發(fā)“永久載人空間站”的構(gòu)想再次被提出，并逐漸發(fā)展為“自由號”空間站計劃，也就是國際空間站的前身。1984年，美國時任總統(tǒng)里根在國情咨文中提出通過國際合作建立可供人類生活的太空基地計劃，這也是美國率先在世界上首次提出建造國際空間站原型的計劃。不過，該計劃的政治意圖非常明顯，為的是彰顯西方各國的凝聚力和與蘇聯(lián)抗衡。該計劃規(guī)定，各國每年進(jìn)入太空的宇航員人數(shù)按出資比例分配。1985年，歐洲11國加入；隨后，加拿大、日本和巴西也加入，準(zhǔn)備與NASA一道共同開發(fā)這一宏偉計劃。

但是，計劃的進(jìn)展并不順利。原因是NASA對空間站的估計過于樂觀，“自由號”空間站的巨額費用讓美國不堪重負(fù)。里根批準(zhǔn)空間站計劃時建設(shè)預(yù)算為80億美元，而轉(zhuǎn)年的雙龍骨空間站方案就已經(jīng)膨脹到160億美元。1987年，NASA提出的縮小為單龍骨空間站的方案得到批準(zhǔn)，但到1990年空間站的預(yù)算已經(jīng)猛漲到370億美元。1991年美國總審計署發(fā)布報告，認(rèn)為“自由號”空間站的研制和30年運行的總費用可能達(dá)到1180億美元。但是，由于歐洲當(dāng)時出現(xiàn)財政危機(jī)，加上1986年“挑戰(zhàn)者號”航天飛機(jī)爆炸事故，以及空間站在政治上的意義逐漸消失，“自由號”空間站不得不再次縮小規(guī)模，于是建造國際空間站的計劃也被暫時擱置。不僅美國，歐洲、加拿大和日本的宇航員在太空滯留的時間也無法預(yù)知。另一方面，盡管蘇聯(lián)在成功發(fā)射的“和平號”空間站實現(xiàn)了載人考察，但1991年底蘇聯(lián)解體導(dǎo)致國內(nèi)局勢動蕩和財政困難，使“和平號”空間站得不到有效維護(hù)而日漸老化。

在無法以充足財政來維持費用高昂的航天事業(yè)的狀況下，美國開始拉攏俄羅斯。當(dāng)時，美國希望將國際空間站計劃與俄羅斯“和平2號”空間站進(jìn)行整合，而俄羅斯也希望借助美國的支持來完成新型“曙光號”空間站的發(fā)射。1993年，俄羅斯決定加入美國提出的合作計劃。當(dāng)年年底，美國航天飛機(jī)與俄羅斯“和平號”空間站成功對接，兩國開始展開緊密合作。1998年1月29日，來自美國、俄羅斯、歐洲各國、日本、加拿大和巴西等16個合作伙伴國家的代表舉行會議并簽署了有關(guān)空間站合作的最新協(xié)議，這標(biāo)志著國際空間站的建設(shè)正式啟動。不過，由于俄羅斯在國際空間站計劃中具有非常強的話語權(quán)，除了美國宇航員外，長期考察的任務(wù)主要是由俄羅斯宇航員來執(zhí)行。

1998年11月，國際空間站第一個組件——“曙光號”功能貨艙在質(zhì)子火箭的搭載下，從哈薩克斯坦的拜科努爾航天基地發(fā)射升空，經(jīng)過9分48秒的飛行，“曙光號”貨艙進(jìn)入預(yù)定軌道。14分11秒后，貨艙左右兩端的太陽能電池板正常打開并開始工作?！笆锕馓枴必浥摓殚L13米、直徑3～4米的圓筒形狀，重約20噸，擔(dān)任物資儲存庫的任務(wù)，其外部的燃料箱可以使用至國際空間站退役；此外，該貨艙還具有控制國際空間站軌道高度和姿態(tài)的功能，在國際空間站建設(shè)初期，它還為之后進(jìn)入太空的模塊提供電力和燃料，并在與地面保持通聯(lián)方面發(fā)揮重要作用。

1998年12月4日，“團(tuán)結(jié)號”節(jié)點艙隨美國 “奮進(jìn)號”航天飛機(jī)升空；6日，“團(tuán)結(jié)號”與“曙光號”對接?！皥F(tuán)結(jié)號”節(jié)點艙是國際空間站的第二個組件，由一個圓柱形的外殼和6個能便利地與其他艙室連接的通用接駁裝置組成，設(shè)有6個艙門，由波音公司馬歇爾空間飛行中心里的工廠為NASA制造，耗資約3億美元。

2000年7月26日，“星辰號”服務(wù)艙連接在“曙光號”功能貨艙的后端，成為國際空間站的第三個組成部分。7月下旬，“曙光號”上的計算機(jī)向“星辰號”上的計算機(jī)傳遞了國際空間站的指令。9月11日，執(zhí)行STS-106任務(wù)的航天飛機(jī)上的兩名宇航員——美籍華裔宇航員盧杰和俄羅斯宇航員尤里·馬連琴科，經(jīng)過6小時14分的艙外作業(yè)，連接了9根 “星辰號”和 “曙光號”之間的電纜。第二天， STS-106的宇航員第一次飄浮進(jìn)“星辰號”艙內(nèi)。

“星辰號”服務(wù)艙裝備了早期的生活區(qū)域以及生命維持系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、電子能量分配裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)；艙上的兩個主引擎能用于提升空間站的軌道高度。

2000年11月2日，俄羅斯“聯(lián)盟TM-31號”載人飛船與國際空間站成功對接，3名宇航員開始執(zhí)行太空滯留任務(wù)。從20世紀(jì)最后一年各國宇航員們開始執(zhí)行長期考察任務(wù)至今，國際空間站經(jīng)過了20年漫長而艱辛的歷程，但一直保持著正常運行。

國際空間站建設(shè)的準(zhǔn)備工作

頭頂?shù)钠鹬貦C(jī)將10噸重的模塊精準(zhǔn)而優(yōu)雅地移動到預(yù)定的位置，然后工作人員開始行動，爬上構(gòu)造物，用手動或電動工具將各構(gòu)造物用螺栓固定……這種景象幾乎在任何建筑現(xiàn)場都能看到。但是，國際空間站的建設(shè)卻是在距離地球250英里（約400公里）的上空——沒有空氣的宇宙空間。在那里，宇航員們要在每隔1小時就會出現(xiàn)的冰凍與灼熱的溫度交替的惡劣環(huán)境下工作——目的就是建造國際空間站這座“摩天大樓”。

從1998年至2011年，在組裝重達(dá)472噸的國際空間站的十幾年間，繞地軌道成了建造場所，人類以前所未有的規(guī)模開始遠(yuǎn)離地球。自載人飛行開始以來，宇航員們進(jìn)行艙外作業(yè)的次數(shù)比以往多出2倍以上。他們利用尺蠖一樣的機(jī)械臂、像人的雙手一樣的機(jī)械臂，以及可在國際空間站周圍自由飛行的機(jī)器眼，進(jìn)行艙外組裝活動。在國際空間站組裝完成之前，共發(fā)射了3種火箭46次，將100多個組裝配件送入太空。這些配件或被螺絲固定，或被鎖扣固定，或通過導(dǎo)線和導(dǎo)管相互連接在一起，使國際空間站成為一個龐大的整體。

組裝國際空間站是一項復(fù)雜程度難以想象且無法預(yù)料事態(tài)發(fā)展變化的工作。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，技術(shù)人員和宇航員們從10年前就通過艙外活動的試驗，對組裝程序進(jìn)行了細(xì)致的練習(xí)，如準(zhǔn)備工具、試驗設(shè)備等，積累了豐富的經(jīng)驗。從1998年至2004年，為了進(jìn)行國際空間站的配件組裝、設(shè)備安裝和研究，NASA共執(zhí)行了37次航天飛機(jī)任務(wù)，宇航員們在約160天里合計進(jìn)行了960小時、1920人次以上的艙外活動，這大大多于1964年美國首位進(jìn)行太空漫步的宇航員艾德·懷特的艙外活動時間?？梢?，國際空間站在幾年間的組裝速度相當(dāng)快，包括歐洲航天局“哥倫布”實驗艙和日本“希望號”實驗艙在內(nèi)的艙段數(shù)量也不斷增加。

作為準(zhǔn)備工作的一環(huán)，從1991年開始，NASA在執(zhí)行航天飛機(jī)任務(wù)時進(jìn)行了12次以上的艙外活動，并且通過哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的兩次任務(wù)，為建設(shè)國際空間站不可缺少的復(fù)雜工作做好了準(zhǔn)備。當(dāng)然，許多有過艙外活動經(jīng)驗的宇航員也在繞地軌道上組裝國際空間站的過程中學(xué)到了一些新的知識。

在得克薩斯州休斯頓NASA約翰遜航天中心附近的桑尼卡特，有一個1997年建成的中性浮力實驗室。該實驗室內(nèi)有一個大型游泳池 （水池長62米，寬31米，深12.34米，可容納650萬加侖的水），以及國際空間站的全尺寸實物模型、有效載荷和巡航車，此前這里還有一個原型的航天飛機(jī)有效載荷艙，航天飛機(jī)退役后它就被撤出了。宇航員可以在這里模擬將要執(zhí)行的艙外活動任務(wù)。

對國際空間站艙外活動機(jī)器的飛行實驗，是從“挑戰(zhàn)者號”爆炸事故后航天飛機(jī)重返太空開始的。1991年4月5日—11日，NASA實施了STS-37航天任務(wù)，宇航員杰里·羅斯和杰伊·阿卜托完成了太空行走，主要目的是為大型軌道天文臺計劃中價值高達(dá)5億美元的第2顆康普頓伽馬射線觀測衛(wèi)星打開出現(xiàn)故障的天線，對運送人員和機(jī)器設(shè)備的手推車進(jìn)行試驗，以及對身著重約170公斤宇航服的宇航員在國際空間站外進(jìn)行活動時可能增加的重量進(jìn)行測定等；羅斯在艙外活動時還對新拴繩、艙外活動工具、腳架、噴氣式背夾、宇航服以及大宗物品的移動操作等進(jìn)行了功能方面的強化。

組裝國際空間站

為準(zhǔn)備正式組裝國際空間站，NASA于1996年8月宣布由羅斯和吉姆·紐曼兩位宇航員作為最先進(jìn)行艙外活動的組員，執(zhí)行STS-88次航天飛行任務(wù)。1997年6月，NASA又指定5名以上的宇航員執(zhí)行國際空間站的艙外組裝任務(wù)。至此，最初6次艙外組裝任務(wù)的組員全部到位。提前定下乘組人員名單，可以讓被指定的宇航員們有充足的時間來針對組裝國際空間站這項復(fù)雜而關(guān)鍵的任務(wù)進(jìn)行專門訓(xùn)練。

最初的國際空間站組裝任務(wù)，需要借助航天飛機(jī)與空間站對接后才能實施，但之后宇航員們則通過俄羅斯服務(wù)艙借來宇航服進(jìn)行艙外組裝工作。NASA的第9次航天飛機(jī)組裝任務(wù)（STS-104）中，是將“尋求號”氣密艙（Quest Joint Airlock）與國際空間站對接后進(jìn)行的。該氣密艙由兩個部分組成，一個是從國際空間站到艙外進(jìn)行組裝工作的氣密艙，另一部分是器械艙。器械艙可供沒有出艙活動的宇航員臨時度過一夜，也是為了讓在艙外活動的宇航員回到氣密艙后能充分釋放體內(nèi)殘留的氮，防止患上減壓癥。

除了服務(wù)于空間站建設(shè)的新設(shè)備、工具和想法以外，艙外活動還需使用功能增強了的宇航服。宇航員專用宇航服，從技術(shù)上講就是被稱為“艙外移動裝置”的宇航服，最多可用于25次艙外活動。雖然在飛行前后可由技術(shù)嫻熟的專家對尺寸大小進(jìn)行調(diào)整和完善，但國際空間站的宇航員們遇到尺寸不合身的宇航服時，卻無法立即進(jìn)行調(diào)整，而是要回收到地面后再對其進(jìn)一步完善，使宇航員穿著更舒適。此外，在國際空間站的組裝作業(yè)中，宇航員進(jìn)行艙外活動要比通過航天飛機(jī)進(jìn)行艙外活動承受更寒冷的氣溫，因此為保持適當(dāng)?shù)臏囟龋宰詈玫慕嵌葦z取陽光，宇航員不能隨意改變姿勢。

為建造和維護(hù)國際空間站，在艙外活動的宇航員們要與太空機(jī)器人一起作業(yè)。航天飛機(jī)的機(jī)械臂和國際空間站新裝備的機(jī)械臂，成了精確移動大型模塊和組件的起重機(jī)。另外，它還是一個移動升降臺，幫助宇航員輕松地由一個工作地點移動至另一個工作地點。航天飛機(jī)上加拿大制造的機(jī)械臂安裝了功能更強大的空間視覺系統(tǒng)，進(jìn)行艙外活動的宇航員可以通過該系統(tǒng)全景察看國際空間站的情況。在過去的航天飛機(jī)飛行任務(wù)（STS-74、STS-80、STS-85）試驗中，宇航員就是通過膝上型電腦所顯示的視頻和一連串的標(biāo)注來操縱機(jī)械臂的。

由加拿大開發(fā)的被稱為“空間站遠(yuǎn)程操縱系統(tǒng)”的新型機(jī)械臂臂長約16.7米，像尺蠖那樣可以在國際空間站外部總長約107米的桁架上靈活移動，移動范圍幾乎覆蓋了整個國際空間站。加拿大還開發(fā)出特殊用途的機(jī)械臂，由兩個小型機(jī)械臂組成，安裝在主機(jī)械臂的最前端，可以進(jìn)行更為復(fù)雜的維護(hù)作業(yè)。此外，國際空間站還安裝了可以自由飛行的攝像機(jī)——一款用于檢查國際空間站外部狀況的自律型艙外活動機(jī)器人AERCam。

國際空間站用途改變

自2011年建成以來，國際空間站已經(jīng)服役了整整10年。在此期間，國際空間站進(jìn)行了超過1760次科學(xué)實驗和研究，范圍涵蓋生物學(xué)、地球宇宙科學(xué)、教育學(xué)和物理學(xué)等領(lǐng)域，取得了大量珍貴的科學(xué)數(shù)據(jù)，為人類太空開發(fā)事業(yè)作出了巨大貢獻(xiàn)。按照原計劃，國際空間站的服役期至2016年，但參與開發(fā)的各國均同意延期使用至2024年，也有的國家稱可以延期至2030年。不過，美國天體物理學(xué)家喬納森·麥克道爾說，由于美國和俄羅斯艙段已經(jīng)非常老化，2024年后可能故障頻頻，無法正常運行，因此延期至2030年不太現(xiàn)實。

考慮到國際空間站服役將滿以及運營經(jīng)費問題，各參與國近年來更多地主張將之轉(zhuǎn)為民間運營為主，進(jìn)一步推進(jìn)國際空間站步入商業(yè)用途。2019年6月，NASA發(fā)表了將國際空間站向民間企業(yè)開放的商業(yè)利用方針，意將國際空間站的使用權(quán)轉(zhuǎn)賣給民間企業(yè)。2020年11月15日晚7時27分，55歲的日本宇航員野口聰一與NASA宇航員邁克·霍普金斯、維克多·吉弗爾、夏農(nóng)·沃克共4人一起乘坐SpaceX公司研發(fā)的新型“恢復(fù)力號”龍飛船，由獵鷹9號火箭從佛羅里達(dá)州的肯尼迪太空中心39-A發(fā)射臺發(fā)射后進(jìn)入國際空間站軌道，并于16日中午11時成功抵達(dá)國際空間站。這標(biāo)志著由民間企業(yè)為主體開發(fā)的載人飛船開始正式投入運營，也標(biāo)志著任何人都可以圓夢太空的“太空旅行時代”即將開啟。

英雄暮年，國際空間站行將謝幕，但是，人類探索太空的腳步永遠(yuǎn)都不會停下！