天空實(shí)驗(yàn)室：遺憾但輝煌的一生

文/ 杜危

▲ 天空實(shí)驗(yàn)室在軌期間的照片，沒有參照物很難體會(huì)到它的龐大

如果是第一次看見美國天空實(shí)驗(yàn)室的照片，第一印象大概與一顆擁有太陽能帆板的普通衛(wèi)星并無不同。但這僅僅是在太空中沒有參照物造成的假象。實(shí)際上，天空實(shí)驗(yàn)室的尺寸比一般人想象的要大得多：長(zhǎng)36米，主體直徑6.7米，重達(dá)90.6噸，而由約20個(gè)大型模塊歷經(jīng)數(shù)十次發(fā)射才拼接成的國際空間站總重約420噸。天空實(shí)驗(yàn)室一次發(fā)射的質(zhì)量就超過了國際空間站的1/5。

閃亮登場(chǎng)

在美蘇太空爭(zhēng)霸中美國阿波羅計(jì)劃大獲成功，蘇聯(lián)不甘示弱，把目標(biāo)投向空間站的建設(shè)，美國當(dāng)然不可能眼睜睜看著蘇聯(lián)搞這個(gè)，也開始論證自己的空間站。

“阿波羅17號(hào)”成功登月后，“阿波羅18”到“20號(hào)”被取消。由此一來美國宇航局便多出3枚沒有使用的土星5號(hào)運(yùn)載火箭，這也使天空實(shí)驗(yàn)室的計(jì)劃正式提上日程。登月使用的“土星5號(hào)"共有三級(jí)，發(fā)射天空實(shí)驗(yàn)室時(shí)則做了較大的改動(dòng)——只使用兩級(jí)火箭，原本第三級(jí)的位置直接裝載體積龐大的天空實(shí)驗(yàn)室。

▲ 在天空實(shí)驗(yàn)室內(nèi)航天員的合影

▲ 正在建造中的天空實(shí)驗(yàn)室地板

天空實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)前衛(wèi)，由4個(gè)主要部分組成。半徑最大的軌道工作艙是航天員工作、生活的場(chǎng)所，配備有科研設(shè)備、維生設(shè)備、廢物回收設(shè)備等，兩側(cè)有兩面巨大的主太陽能板，為實(shí)驗(yàn)室提供約1萬瓦的主要電力。與之相鄰的是氣閘艙，是航天員進(jìn)行出艙活動(dòng)的準(zhǔn)備場(chǎng)所。半徑較窄的是對(duì)接艙，負(fù)責(zé)與運(yùn)輸航天員及補(bǔ)給物資的阿波羅飛船對(duì)接。擁有四面十字形小太陽能帆板的是阿波羅太陽望遠(yuǎn)鏡，可以拍攝太陽的紫外光線和X射線等照片。在發(fā)射階段，望遠(yuǎn)鏡與其他艙段在同一條軸線上，入軌之后向側(cè)面翻轉(zhuǎn)，把對(duì)接口暴露出來以供阿波羅飛船對(duì)接。

美國宇航局的工程師為天空實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一層微隕石防護(hù)罩。天空實(shí)驗(yàn)室發(fā)射入軌后，防護(hù)罩會(huì)被16個(gè)扭力桿略微展開，讓防護(hù)罩和工作站外壁間形成一個(gè)真空夾層。這層防護(hù)層既是“金鐘罩”，能一定程度上降低空間隕石撞擊的危害，又是“隔熱服”，可以抵擋宇宙射線，為航天員營造安全舒適的溫度環(huán)境。

坎坷出世

1973年5月14日，龐大的“土星5號(hào)”拖著百米長(zhǎng)的火舌，奔向浩瀚的太空。這是傳奇的“土星5號(hào)”最后一次發(fā)射任務(wù)，僅用時(shí)10分鐘便把龐大的天空實(shí)驗(yàn)室送入了440千米高度的近地軌道?？刂浦行牡娜藗兌颊J(rèn)為“土星5號(hào)”前12次發(fā)射都獲得成功，這次任務(wù)也會(huì)萬無一失，負(fù)責(zé)運(yùn)送天空實(shí)驗(yàn)室機(jī)組航天員的土星IB運(yùn)載火箭也計(jì)劃于次日發(fā)射升空，快速與天空實(shí)驗(yàn)室對(duì)接并展開實(shí)驗(yàn)。

▲ 天空實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)

令人始料不及的是，這些看似完美的前期設(shè)計(jì)與準(zhǔn)備工作卻在接下來的任務(wù)中帶來了不小的麻煩。天空實(shí)驗(yàn)室在入軌后，下行遙測(cè)信號(hào)就顯示了異常：報(bào)告稱微隕石防護(hù)罩過早展開。大家起初認(rèn)為只是遙測(cè)信號(hào)出錯(cuò)了。而最大的兩片太陽能帆板計(jì)劃在發(fā)射后41分鐘展開，但是休斯頓報(bào)告稱太陽能電池帆板發(fā)出的遙測(cè)信號(hào)也不穩(wěn)定，地面一次次向天空實(shí)驗(yàn)室發(fā)出了打開太陽能帆板的指令，但是無濟(jì)于事。工程師們重新審視了發(fā)射階段的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在“土星5號(hào)”發(fā)射后1分鐘左右，橫向加速度發(fā)生異常，這表明發(fā)生了未知的結(jié)構(gòu)損壞。哪里出了幺蛾子？

除了微隕石防護(hù)罩與太陽能帆板工作異常外，工作艙的溫度竟然在瘋狂上升。天空實(shí)驗(yàn)室外部的溫度傳感器示數(shù)直逼82℃并且超出了量程，艙內(nèi)溫度計(jì)示數(shù)也上升到了40℃——這一切似乎都表明，抵擋宇宙射線輻射的微隕石防護(hù)罩不見了，這可真是糟糕透了。經(jīng)過初步估計(jì)，如果不進(jìn)一步加以干預(yù)，天空實(shí)驗(yàn)室內(nèi)攜帶的食品大部分會(huì)變質(zhì)，為航天員準(zhǔn)備的藥品也會(huì)悉數(shù)失效，更可怕的是如果溫度進(jìn)一步升高，天空實(shí)驗(yàn)室外壁絕熱的聚氨酯泡沫會(huì)分解出一氧化碳和氰化氫等低濃度也會(huì)致命的危險(xiǎn)氣體。

天空實(shí)驗(yàn)室這個(gè)“離弦之箭”，把它搬回廠房維修是不可能了，只好緊急叫停次日運(yùn)送第一批航天員的發(fā)射，以供地面工作人員尋求解決辦法。規(guī)模空前的太空營救任務(wù)在不知所措、毫無準(zhǔn)備、手忙腳亂中拉開了序幕。

頭腦風(fēng)暴

情況也沒有想象中的那么糟糕——雖然兩面主太陽能帆板無法正常工作，但是阿波羅太陽望遠(yuǎn)鏡的四塊較小太陽能帆板正常展開了，其提供的功率可以維持地面站與天空實(shí)驗(yàn)室的基本聯(lián)絡(luò)與簡(jiǎn)單操控。

▲ 天空實(shí)驗(yàn)室發(fā)射前，一枚土星5號(hào)運(yùn)載火箭（左）和一枚土星IB運(yùn)載火箭（右）整裝待發(fā)

▲ 天空實(shí)驗(yàn)室與太陽光直射以及45°斜射示意圖

為了進(jìn)一步降低溫度、減少能耗，工程師們還關(guān)閉了天空實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所有的加熱設(shè)施。半徑較大的工作艙溫度得以控制，但是另一個(gè)棘手的問題出現(xiàn)了——由于氣閘艙半徑較小，被工作艙與阿波羅太陽望遠(yuǎn)鏡遮蓋較多，同時(shí)內(nèi)部的加熱器悉數(shù)關(guān)閉，所以氣閘艙內(nèi)的溫度持續(xù)降低，甚至接近冰點(diǎn)。天空實(shí)驗(yàn)室內(nèi)一端熾熱難耐，一端則是極度酷寒，冰火兩重天。沒錯(cuò)，天空實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度也不是越低越好，在氣閘艙內(nèi)放著價(jià)格不菲的艙外活動(dòng)航天服，航天服管路內(nèi)的冷卻水若是結(jié)冰，可能導(dǎo)致管路破裂，將會(huì)對(duì)航天員生命造成嚴(yán)重威脅。工程師們只能每隔一段時(shí)間調(diào)整天空實(shí)驗(yàn)室的姿態(tài)，使氣閘艙升溫，不斷地來回調(diào)整，消耗了不少燃料。

馬歇爾航天中心內(nèi)各路專家云集，群策群力，八仙過海，各顯神通。在事故后幾天內(nèi)收集到了不少臨時(shí)隔熱方案。經(jīng)過緊張而高效的討論，兩個(gè)可行性最高的方案被納入最終實(shí)施流程中。

▲ 馬歇爾航空中心工程師們緊急討論遮陽方法的黑板

一種方案是通過工作艙的科學(xué)氣閘部署一張遮陽傘。天空實(shí)驗(yàn)室在工作艙外壁設(shè)計(jì)了兩個(gè)長(zhǎng)寬各20厘米的氣閘，原本是用來方便航天員不出艙即可向外太空環(huán)境中布置試驗(yàn)樣品的，不曾想這次“無心插柳柳成蔭”。這個(gè)方案的難點(diǎn)在于如何設(shè)計(jì)一把捆起來長(zhǎng)寬不超過20厘米，展開后卻可以鋪展幾十平方米，同時(shí)有強(qiáng)大隔熱能力的傘。

▲ 正在地面水箱內(nèi)接受測(cè)試的遮陽簾，航天員身前的就是兩根長(zhǎng)桿

第二種方案是設(shè)計(jì)一面遮陽簾。如果科學(xué)氣閘在目前還未知的故障中也損壞了，遮陽傘無法部署怎么辦？所以工程師認(rèn)為可以將阿波羅太陽望遠(yuǎn)鏡的支架作為固定點(diǎn)，工作艙尾部尋找另外兩個(gè)固定點(diǎn)，通過這三點(diǎn)架起兩根橫桿以在天空實(shí)驗(yàn)室外鋪展一張遮陽簾。這個(gè)方案也有實(shí)施難度，天空實(shí)驗(yàn)室外沒有設(shè)計(jì)航天員抓握的扶手，如何將橫桿固定在工作艙尾部是對(duì)航天員的重大挑戰(zhàn)。

▲ 科學(xué)氣閘

▲ 在地面進(jìn)行試驗(yàn)的遮陽傘

兩個(gè)方案相比來看，通過科學(xué)氣閘部署遮陽傘是更加簡(jiǎn)單快捷的辦法，所以被選定為首選方案，遮陽簾則為備選方案。

對(duì)于遮陽簾方案，因?yàn)闆]有過多體積限制，很快便有了成果。遮陽簾由兩根17米長(zhǎng)的桿子支撐，每根桿子可以折疊為11根短桿，由設(shè)計(jì)精巧的互鎖軸承連接。做出初樣后，航天員在模擬水池中成功拼接了長(zhǎng)桿，并成功展開了暫時(shí)用漁網(wǎng)代替的遮陽簾，遮陽簾方案可行性得到充分的驗(yàn)證。下一步就是生產(chǎn)帶有防輻射涂層的遮陽簾了。

▲ 正在加緊時(shí)間趕制遮陽傘的阿麗恩·貝克爾

遮陽傘方案在推進(jìn)中遇到了不少麻煩，長(zhǎng)寬只有20厘米的限制實(shí)在是捉襟見肘。若是追求遮陽傘體積的最小化，那么遮陽效果與材料耐久度將會(huì)大打折扣，前期設(shè)計(jì)的尼龍、聚氨酯薄膜和金屬鋁組成的復(fù)合材料在紫外線下有顯著的變質(zhì)。若是追求遮陽效果的最優(yōu)化，像是遮陽簾方案在薄膜表面加一層耐輻射涂層，那么遮陽傘體積就會(huì)超出氣閘限制。

同時(shí)，遮陽簾方案生產(chǎn)帶涂層的遮陽材料時(shí)也遇到了新的問題，像油漆一樣的涂層需要較長(zhǎng)時(shí)間來干燥，這一段時(shí)間可能錯(cuò)過天空實(shí)驗(yàn)室營救的最佳時(shí)機(jī)。經(jīng)過幾次討論，工程師們達(dá)成共識(shí)——遮陽傘依舊作為首選方案，第一組航天員攜帶無涂層的輕質(zhì)遮陽傘首先部署，在短時(shí)間內(nèi)解決有無的問題。在遮陽簾生產(chǎn)完畢后，發(fā)射第二組航天員部署帶涂層的遮陽簾，徹底解決遮陽問題。

美國宇航局找來了縫紉女工阿麗恩·貝克爾，在工程師指導(dǎo)下連夜縫制遮陽傘，幾乎是在發(fā)射前最后一刻被放入了阿波羅飛船內(nèi)。

太空搶險(xiǎn)

1973年5月25日，指令長(zhǎng)皮特·康拉德、保羅·韋茨和約瑟夫·科爾文三人組成的天空實(shí)驗(yàn)室 2機(jī)組乘土星IB運(yùn)載火箭從肯尼迪航天中心的LC-39B發(fā)射臺(tái)發(fā)射升空。他們帶著遮陽傘，也帶著全體科研人員和全國民眾的期盼，大約6個(gè)小時(shí)后順利接近了天空實(shí)驗(yàn)室。

首先他們對(duì)天空實(shí)驗(yàn)室繞飛檢查，發(fā)現(xiàn)一面主太陽能帆板完全脫落，不知所蹤；另一面主太陽能帆板則被損壞的微隕石防護(hù)罩碎片纏繞，無法正常展開，與地面初期的判斷相吻合。幸運(yùn)的是，科學(xué)氣閘沒有被遮擋，也未被損壞，展開遮陽傘的計(jì)劃得以正常進(jìn)行。

首先，康拉德判斷他們可以先把受困的太陽能帆板展開?？道仑?fù)責(zé)操控阿波羅飛船接近天空實(shí)驗(yàn)室，韋茨負(fù)責(zé)使用特制的超長(zhǎng)電纜剪破壞纏繞太陽能帆板的微隕石防護(hù)罩，科爾文負(fù)責(zé)協(xié)助韋茨站穩(wěn)腳跟。韋茨嘗試使用接近五米長(zhǎng)的電纜剪剪斷纏繞太陽能帆板的金屬條，但是在太空中很難用上力氣。同時(shí)金屬條上的螺釘像鉚釘般扎入太陽能帆板中，韋茨幾經(jīng)努力，金屬條也不為所動(dòng)。在用力的過程中，阿波羅飛船甚至加速飛向天空實(shí)驗(yàn)室，康拉德小心地開啟姿控發(fā)動(dòng)機(jī)保持與天空實(shí)驗(yàn)室的安全距離。幾經(jīng)試探依舊沒有任何成效，他們3人也都筋疲力盡，束手無策。

▲ 損壞的微隕石防護(hù)罩和被纏繞的太陽能帆板，右側(cè)可以清楚地看到纏繞太陽能板的金屬條

▲ 藝術(shù)家保羅·菲杰德創(chuàng)作的“太空拔河”想象圖

▲ 科學(xué)氣閘清晰的照片，其周圍的天空實(shí)驗(yàn)室外壁已經(jīng)被太陽灼燒發(fā)黑

▲ 天空實(shí)驗(yàn)室 3的機(jī)組成員離開時(shí)拍攝的照片，可以清楚地看到兩層金色的遮陽結(jié)構(gòu)，下層為天空實(shí)驗(yàn)室 2部署的遮陽傘，上層是天空實(shí)驗(yàn)室 3部署的遮陽簾

康拉德只好操控飛船與天空實(shí)驗(yàn)室對(duì)接。航天員終于來到這座他們又愛又恨的天空實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，迎接他們的是“像沙漠一樣干燥的熱浪”。幸運(yùn)的是天空實(shí)驗(yàn)室內(nèi)并沒有產(chǎn)生有毒氣體。

航天員們迅速進(jìn)入工作狀態(tài)，用了兩個(gè)小時(shí)組裝好遮陽傘，并通過科學(xué)氣閘將遮陽傘在天空實(shí)驗(yàn)室外展開。不一會(huì)就有了立竿見影的效果，天空實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度逐漸下降，穩(wěn)定在了比較舒適的25℃左右。天空實(shí)驗(yàn)室也不需要繼續(xù)保持45℃的傾角，可以直面太陽進(jìn)行發(fā)電了。

僅僅依靠阿波羅太陽望遠(yuǎn)鏡的四面小太陽能帆板還是不夠的，當(dāng)務(wù)之急是如何展開主太陽能帆板。通過航天員的觀察以及地面工程師們的分析，花了四天時(shí)間制定并在地面成功驗(yàn)證了一個(gè)稍有難度的任務(wù)，簡(jiǎn)單來說就是雖然天空實(shí)驗(yàn)室沒有設(shè)計(jì)航天員抓握的扶手，但航天員可以自行搭建扶手：使用延長(zhǎng)的電纜剪在遠(yuǎn)處鉗住纏繞的金屬條，一名航天員就可以順著電纜剪的桿子移動(dòng)到太陽能帆板旁，近距離清除金屬條，并且連接一根尼龍繩在太陽能帆板上，以拉開被卡住的太陽能帆板。

▲ 天空實(shí)驗(yàn)室 2的機(jī)組成員離開時(shí)拍攝的戰(zhàn)果——遮陽傘與展開的太陽能帆板

在8米外使用延長(zhǎng)的電纜剪捕捉幾厘米寬的金屬條很有難度，科爾文極度緊張，嘗試多次依舊無法對(duì)準(zhǔn)。他把自己綁在阿波羅太陽望遠(yuǎn)鏡的衍架上，雙手同時(shí)操作，幾經(jīng)試探終于鉗住了金屬條?？道马樦鴹U子小心翼翼地來到太陽能帆板旁，近距離輕易地剪斷了那根可惡的金屬條，太陽能帆板緩慢展開些許，但是依舊因?yàn)樽枘崞骺ㄋ罒o法完全展開。

按照預(yù)定計(jì)劃，那根綁在太陽能帆板上的尼龍繩就派上了用場(chǎng)，他們合作展開了一場(chǎng)太空拔河賽，使出全身力氣，成功地使太陽能帆板完全展開！

獲得大量電能的天空實(shí)驗(yàn)室如獲新生，康拉德和科爾文本次太空行走用時(shí)3小時(shí)25分，也破了當(dāng)時(shí)太空行走的世界紀(jì)錄。天空實(shí)驗(yàn)室終于可以正常地進(jìn)行科研工作了。

1973年7月28日，3名 天 空實(shí)驗(yàn)室 3的機(jī)組乘員升空后操作飛船與天空實(shí)驗(yàn)室對(duì)接，成功部署了帶有涂層的遮陽簾，徹底解決了天空實(shí)驗(yàn)室“發(fā)燒”問題。地面工程師與天上航天員團(tuán)結(jié)協(xié)作，以他們的聰明才智和毅力挽救了這個(gè)耗資25億美元的計(jì)劃。

▲ 航天員在天空實(shí)驗(yàn)室內(nèi)收集有關(guān)長(zhǎng)期宇宙環(huán)境對(duì)人類影響的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)

▲ 天空實(shí)驗(yàn)室再入大氣層時(shí)的視頻截圖

曲終人散

天空實(shí)驗(yàn)室先后迎來了三批次共9名航天員駐留。其間開展了百余項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，獲得了大量科研成果，在物理學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、地球觀測(cè)甚至電影技術(shù)領(lǐng)域均有成果。其中里卡爾多·賈科尼因其對(duì)X射線天文學(xué)的研究及天空實(shí)驗(yàn)室上太陽輻射的研究而獲得了2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

在天空實(shí)驗(yàn)室4機(jī)組離去時(shí)，他們抬升了天空實(shí)驗(yàn)室軌道的高度，希望天空實(shí)驗(yàn)室能堅(jiān)持到航天飛機(jī)的到來。遺憾的是由于美國宇航局當(dāng)時(shí)經(jīng)費(fèi)緊張，航天飛機(jī)的研制進(jìn)度遲緩，天空實(shí)驗(yàn)室的軌道高度衰減也快于預(yù)期，在近6年的孤獨(dú)等待后，1979年7月11日，天空實(shí)驗(yàn)室再入大氣層，化作一道絢麗的火光在地球大氣層中熊熊燃燒，少量碎片掉落在澳大利亞西南部的無人區(qū)。

天空實(shí)驗(yàn)室在軌期間的研究?jī)?nèi)容極大推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。她的落幕也是令人遺憾的，在她化作流星后的第三年，1981年4月12日，美國宇航局的哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)首飛成功。從此開始，人類探索宇宙的歷史又掀開了新的篇章。