國(guó)際空間站：航天器中的“巨無霸”

文/ 杜駿豪

▲2009年3月發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)拍攝的國(guó)際空間站

國(guó)際空間站是有史以來人類向太空發(fā)射過的最大最重物體，它是當(dāng)前除地球之外唯一有人類存在的地方，它已超期服役多年卻依舊在書寫著人類歷史，它站在人類科技的巔峰，也立于政治的風(fēng)口浪尖之上。

緣起：同一個(gè)世界，同一個(gè)空間站

人類對(duì)于空間站的探索有鮮明的發(fā)展歷程——蘇聯(lián)發(fā)射的第一代空間站“禮炮1號(hào)”到“禮炮5號(hào)”均為單模塊且只有一個(gè)對(duì)接口。美國(guó)發(fā)射的天空實(shí)驗(yàn)室及蘇聯(lián)“禮炮6號(hào)”“禮炮7號(hào)”為第二代空間站，均為單模塊且有兩個(gè)對(duì)接口，具有進(jìn)一步的擴(kuò)展能力。隨后就是以和平號(hào)空間站為代表的第三代空間站，其多模塊、積木式結(jié)構(gòu)可以按需求進(jìn)行對(duì)接與擴(kuò)展。

在規(guī)劃“和平號(hào)”時(shí)，蘇聯(lián)也曾計(jì)劃建造和平2號(hào)空間站。同時(shí)期，美國(guó)的天空實(shí)驗(yàn)室再入大氣層，航天飛機(jī)隨后首飛成功，美國(guó)宇航局開始構(gòu)思“自由號(hào)”空間站。這兩座計(jì)劃中的空間站體量龐大，均為衍架與積木混合式的第四代空間站，積木式結(jié)構(gòu)與第三代空間站的構(gòu)建方法大同小異，而衍架則為大型太陽能帆板、散熱板等結(jié)構(gòu)提供了更寬闊的面積，為空間站提供更多能源。

隨著1991年蘇聯(lián)解體，同時(shí)美國(guó)在阿波羅登月計(jì)劃結(jié)束后經(jīng)費(fèi)緊張，這兩個(gè)項(xiàng)目均在推進(jìn)中遇到了困難。1993年，經(jīng)過數(shù)次會(huì)談，國(guó)際空間站這一計(jì)劃終于水落石出——由美國(guó)宇航局、俄羅斯聯(lián)邦航空航天局牽頭組建，歐洲空間局、日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)和加拿大航天局共同運(yùn)營(yíng)，共同打造史上規(guī)模最大的國(guó)際性軌道空間站。

國(guó)際空間站主體結(jié)構(gòu)由蘇聯(lián)的“和平2號(hào)”、美國(guó)的自由號(hào)空間站融合而來，分別衍化為由俄羅斯運(yùn)營(yíng)的俄羅斯軌道段（ROS）、由美國(guó)及其他國(guó)家運(yùn)營(yíng)的美國(guó)軌道段（USOS）。昔日太空競(jìng)賽打得不可開交的兩大航天強(qiáng)國(guó)決定攜手共建如此規(guī)模的航天器，美國(guó)宇航局局長(zhǎng)丹尼爾·戈?duì)柖?duì)此曾頗有深意地說：“同一個(gè)世界，同一個(gè)空間站?！?/p>

開工建造

國(guó)際空間站建造過程繁瑣復(fù)雜，跨度冗長(zhǎng)，大致可以把其組裝建造過程分為三個(gè)階段：第一階段(1994~1998)，經(jīng)驗(yàn)交會(huì)對(duì)接；第二階段(1998~2001)，初期裝配；第三階段(2001～至今)，裝配與應(yīng)用同步推進(jìn)。

“經(jīng)驗(yàn)交會(huì)對(duì)接”就是獲得交會(huì)對(duì)接的經(jīng)驗(yàn)。美國(guó)宇航局為航天飛機(jī)設(shè)計(jì)了巨大的貨艙，原本計(jì)劃與自己的天空實(shí)驗(yàn)室對(duì)接，以運(yùn)送新的艙段。然而遺憾的是天空實(shí)驗(yàn)室沒能堅(jiān)持到航天飛機(jī)首飛便遺憾地再入大氣層了。航天飛機(jī)如何進(jìn)行對(duì)接等全新技術(shù)的測(cè)試呢？在國(guó)際空間站這一任務(wù)啟動(dòng)時(shí)，俄羅斯的和平號(hào)空間站仍然在軌運(yùn)行，這為航天飛機(jī)的測(cè)試創(chuàng)造了條件。1994年到1998年，在地面展開國(guó)際空間站艙段研制工作的同時(shí)，美國(guó)發(fā)射航天飛機(jī)與俄羅斯的和平號(hào)空間站進(jìn)行了9次交會(huì)對(duì)接，積累了大量航天飛機(jī)交會(huì)對(duì)接的經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)，兩國(guó)航天員一同開展了一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)，并著重訓(xùn)練了美國(guó)航天員在空間站上生活和工作的能力，為即將展開的國(guó)際空間站的組裝工作積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

▲ 俄羅斯軌道段（ROS）示意圖

▲ 美國(guó)軌道段

▲ 1995年和平號(hào)空間站與阿特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)的對(duì)接組合體

1998年11月20日，由美國(guó)出資、俄羅斯建造的國(guó)際空間站首個(gè)艙段——曙光號(hào)功能貨艙由俄羅斯質(zhì)子號(hào)運(yùn)載火箭成功發(fā)射，標(biāo)志著國(guó)際空間站初期裝配工作全面展開。作為空間站的第一個(gè)模塊，曙光號(hào)功能貨艙為空間站提供了電力、推進(jìn)、導(dǎo)航、通信、姿控、溫控等多種功能，并且具有3個(gè)對(duì)接口以供進(jìn)一步的擴(kuò)展。

1998年12月4日，美國(guó)團(tuán)結(jié)號(hào)節(jié)點(diǎn)艙由奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)送入軌道，并于3天后與“曙光號(hào)”對(duì)接。它負(fù)責(zé)連接俄羅斯軌道段和美國(guó)軌道段，是擁有6個(gè)對(duì)接機(jī)構(gòu)的樞紐，在日后的建造中多個(gè)重要艙段均由“團(tuán)結(jié)號(hào)”連接。

接近兩年后的2000年7月12日，第三個(gè)模塊星辰號(hào)服務(wù)艙由俄羅斯質(zhì)子K運(yùn)載火箭發(fā)射升空?！靶浅教?hào)”的基本結(jié)構(gòu)框架早在上世紀(jì)80年代中期就建成了，原本用作“和平2號(hào)”空間站的核心艙。這意味著“星辰號(hào)”在布局上與和平號(hào)空間站的核心艙高度相似，其“血統(tǒng)”甚至可以追溯到蘇聯(lián)時(shí)期的禮炮空間站上?！靶浅教?hào)”是航天員生活和工作的主要場(chǎng)所之一，生活艙中設(shè)有洗澡隔間和睡眠隔間，艙內(nèi)有帶冰箱的廚房及餐桌、廁所，甚至還有一輛供航天員鍛煉身體的特制自行車。

此時(shí)空間站已經(jīng)基本滿足了航天員的生存需求。2000年11月2日，3名遠(yuǎn)征-1機(jī)組人員乘坐俄羅斯聯(lián)盟TM- 31載人飛船發(fā)射升空，成功與空間站對(duì)接，啟動(dòng)了空間站的各項(xiàng)設(shè)備，國(guó)際空間站真正“活”了起來。

3名航天員在空間站停留了136天，接受了3艘航天飛機(jī)的停訪和2艘進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船的補(bǔ)給。3艘航天飛機(jī)分別把一對(duì)大型太陽能光伏陣列、命運(yùn)號(hào)實(shí)驗(yàn)艙、萊昂納多號(hào)多功能后勤艙運(yùn)抵國(guó)際空間站。此后，加拿大制造的艙外機(jī)械臂、航天員進(jìn)行出艙活動(dòng)的氣閘艙依次運(yùn)抵國(guó)際空間站。這標(biāo)志著國(guó)際空間站初期裝配階段圓滿完成，國(guó)際空間站已經(jīng)滿足了航天員工作、生活、出艙活動(dòng)等全部需求，轉(zhuǎn)入科研成果產(chǎn)出與最終裝配應(yīng)用同步推進(jìn)期。

其后，俄羅斯質(zhì)子號(hào)運(yùn)載火箭、聯(lián)盟系列運(yùn)載火箭，以及美國(guó)的3艘航天飛機(jī)進(jìn)行了十余次飛行任務(wù)，不斷部署新的艙段、衍架與太陽能板等模塊，國(guó)際空間站的規(guī)模日益擴(kuò)大。遺憾的是在2003年2月1日，建造過程被突如其來的噩耗打斷了。執(zhí)行非國(guó)際空間站STS-107任務(wù)的哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)完成任務(wù)后，再入大氣層時(shí)在6萬米高空發(fā)生慘烈的解體，7名機(jī)組人員全員遇難。這次災(zāi)難是航天飛機(jī)第二次發(fā)生機(jī)毀人亡的慘烈事故，直接導(dǎo)致所有航天飛機(jī)停飛，國(guó)際空間站的建造過程受此影響被中斷兩年半。其間僅通過俄羅斯的聯(lián)盟系列運(yùn)載火箭維持航天員輪換與貨物補(bǔ)給。直到2005年7月26日，確認(rèn)萬無一失后，發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)才被批準(zhǔn)發(fā)射，繼續(xù)執(zhí)行國(guó)際空間站建造任務(wù)。

之后的十幾年內(nèi)，空間站的建設(shè)過程相對(duì)順利，多個(gè)艙段、衍架與太陽能板依次部署，逐漸形成了現(xiàn)在人們所熟悉的國(guó)際空間站外形。目前國(guó)際空間站總質(zhì)量約420噸，長(zhǎng)73米，寬109米，內(nèi)部航天員可活動(dòng)的空間足足有915.6立方米，是人類有史以來當(dāng)之無愧的最大航天器。

年過中旬的國(guó)際空間站還有新鮮的血液加入。2020年5月30日，太空探索技術(shù)公司的載人龍飛船首次載人發(fā)射成功，這是繼2011年7月8日STS-135任務(wù)結(jié)束、航天飛機(jī)退役后，美國(guó)本土執(zhí)行的第一次載人航天發(fā)射任務(wù)。此后太空探索技術(shù)公司的龍飛船將逐漸挑起空間站人員與貨物運(yùn)輸?shù)拇笃臁?/p>

俄羅斯科學(xué)號(hào)實(shí)驗(yàn)艙原本是曙光號(hào)功能貨艙的備份，原計(jì)劃改裝完成后在2007年發(fā)射，然而一推再推，直到今天還躺在廠房里進(jìn)行總裝測(cè)試工作，被譽(yù)為航天界數(shù)一數(shù)二的“鴿王”。據(jù)最新消息，它將在2021年7月15日由俄羅斯質(zhì)子M運(yùn)載火箭發(fā)射升空，但是否還會(huì)繼續(xù)推遲便不得而知了。

▲奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)拍攝的正在與曙光號(hào)功能貨艙（上）對(duì)接的團(tuán)結(jié)號(hào)節(jié)點(diǎn)艙（下）

太空生活：昨天的咖啡就是今天的咖啡

▲ 部署完成第一對(duì)大型太陽能光伏陣列的國(guó)際空間站，電能產(chǎn)出值提高了五倍

▲ 在發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)有效載荷倉內(nèi)等待安裝的萊昂納多號(hào)多功能后勤艙

太空中的生活是有嚴(yán)格規(guī)律性的，乍一看時(shí)間表與國(guó)內(nèi)寄宿制中小學(xué)的作息時(shí)間有很大相似性。國(guó)際空間站以世界協(xié)調(diào)時(shí)（UTC+0）為基準(zhǔn)，在工作日航天員們通常早上6:00起床，然后對(duì)空間站開展例行檢查。吃過早餐后與地面控制中心開一個(gè)每日計(jì)劃會(huì)議，在8:10左右開始工作。其間穿插著類似“課間操”的鍛煉時(shí)間。一小時(shí)的午餐休息時(shí)間后，下午14:00開始進(jìn)行剩余的工作與運(yùn)動(dòng)。19:30是晚餐和會(huì)議時(shí)間，剩余時(shí)間自由安排，直到21:30熄燈睡覺。國(guó)際空間站每天要經(jīng)歷16次日出和日落，因此在夜間會(huì)將舷窗遮蓋起來，給航天員營(yíng)造黑暗的休息環(huán)境。

太空飲食環(huán)境與地面有很大不同，失重的環(huán)境對(duì)食物的狀態(tài)及進(jìn)食方式有很多限制。為了降低運(yùn)輸成本，大部分食物都保存在密封的輕質(zhì)袋子里，飲料也以脫水粉末的方式運(yùn)送，航天員需要像煮咖啡一樣親自制備各種飲料，然后用吸管喝掉。在太空的調(diào)味料以液態(tài)的醬料為主，并不會(huì)使用粉末狀調(diào)味料。吃面包產(chǎn)生的碎屑液必須要收拾干凈，防止堵塞空氣過濾設(shè)備。刀叉是帶有磁鐵的，防止鋒利的餐具在空間站里亂飛惹出大麻煩……各種各樣繁雜的飲食規(guī)定對(duì)于普通人來說很難習(xí)慣。

▲ 正在與國(guó)際空間站對(duì)接的載人龍飛船

在太空中解決衛(wèi)生問題就更加麻煩了。國(guó)際空間站上有兩個(gè)常備廁所，均為俄羅斯設(shè)計(jì)，分別位于“星辰號(hào)”和“寧靜號(hào)”。方便時(shí)航天員首先將自己固定在馬桶座圈上，馬桶座圈裝有彈簧約束裝置，以確保良好的密封性。大功率風(fēng)扇產(chǎn)生的氣流可以把廢物吸走，固體廢物收集在單獨(dú)的袋子中，液體廢物通過馬桶前部的軟管收集并轉(zhuǎn)移到水回收系統(tǒng)中，并凈化為飲用水，航天員常調(diào)侃說“昨天的咖啡就是今天的咖啡”。國(guó)際空間站里并不能愉悅地洗澡，飛翔的小水珠對(duì)空間站各種設(shè)備是巨大的威脅。航天員只能用濕毛巾擦拭身體，盡量避免產(chǎn)生水珠。為了節(jié)水，國(guó)際空間站還為航天員們提供了免沖洗洗發(fā)露和可食用牙膏，誠(chéng)然，它們并沒有正常的洗發(fā)水與牙膏好用。

▲ STS-116任務(wù)的航天員進(jìn)行太空行走，安裝衍架有關(guān)設(shè)備

在周末及節(jié)假日，航天員可以自由安排娛樂活動(dòng)。他們可以通過看電影、聽音樂、看書、打牌等常規(guī)娛樂活動(dòng)來消遣時(shí)光。當(dāng)然在太空中，最與眾不同的休閑方式便是望向窗外——那里有最驚艷絕美的景色。國(guó)際空間站最佳觀景地點(diǎn)是穹頂艙，七面大玻璃組成了絕妙的全景觀景窗，在太空中觀察地球表面細(xì)膩的紋理、流動(dòng)的云朵和碧藍(lán)的海洋是最令人流連忘返的。適當(dāng)?shù)膴蕵坊顒?dòng)為封閉空間站內(nèi)的生活增色不少，有利于改善航天員的心理狀態(tài)，并提高他們的工作效率。

▲ （左）正在聚餐的航天員們；（中）為了減緩太空中肌肉萎縮等癥狀；（右）適當(dāng)?shù)腻憻捠潜匾?/p>

科研任務(wù)：最接近宇宙真諦的實(shí)驗(yàn)室

航天員的主要工作就是進(jìn)行科學(xué)研究。國(guó)際空間站是極好的科研平臺(tái)，研究的主要領(lǐng)域包括物理學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、太空醫(yī)學(xué)、天文學(xué)和氣象學(xué)等，研究?jī)x器不但分布在國(guó)際空間站各大實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，艙外也有專用的儀器部署，因?yàn)榕撏馓峁┝说厍虿痪哂械母吣苡钪孑椛洵h(huán)境。

太空中失重的環(huán)境可以進(jìn)行很多地面無法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)。例如受重力影響，蛋白質(zhì)晶體在地面生長(zhǎng)時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生缺陷。而在國(guó)際空間站微重力環(huán)境下可以培育出結(jié)構(gòu)近乎完美的大尺寸蛋白質(zhì)結(jié)晶，這種蛋白質(zhì)晶體能夠幫助地面科學(xué)家進(jìn)行更精確的表征測(cè)定，在藥物設(shè)計(jì)、疾病治療領(lǐng)域大有用處。

▲ 仍在研制的科學(xué)號(hào)實(shí)驗(yàn)艙

▲ 在失重條件下的水珠因表面張力呈球狀

▲ 航天員在穹頂艙可以欣賞地球每一處山川河流

▲ 地面的火苗與國(guó)際空間站的火苗對(duì)比

▲ 暴露在外的α電磁光譜儀

α電磁光譜儀是國(guó)際空間站最廣為人知的儀器之一。它重達(dá)7噸，能耗和通信帶寬巨大，每秒鐘產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量有1 GB之多，使它無法部署在常規(guī)的衛(wèi)星平臺(tái)上，只有國(guó)際空間站才“養(yǎng)”得起這樣一個(gè)大設(shè)備。1976年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，美籍華人丁肇中是α電磁光譜儀的設(shè)計(jì)者與首席研究者，他在1995年提出該項(xiàng)目并被美國(guó)宇航局采納，來自16個(gè)國(guó)家56個(gè)機(jī)構(gòu)的500多名科學(xué)家耗資20億美元推進(jìn)了該項(xiàng)目。α電磁光譜儀可以探測(cè)反物質(zhì)的有關(guān)線索，從而幫助人類尋找暗物質(zhì)存在的證據(jù)，并探尋宇宙的起源。2013年3月，丁肇中團(tuán)隊(duì)發(fā)表了初步的研究結(jié)果，α電磁光譜儀成功觀測(cè)到超過40萬個(gè)正電子，期待它進(jìn)一步的研究能帶給人類關(guān)于宇宙起源的關(guān)鍵信息。

對(duì)于人體的研究也是國(guó)際空間站的研究熱點(diǎn)。國(guó)際空間站曾經(jīng)研究過長(zhǎng)期的太空失重生活對(duì)人體的影響，發(fā)現(xiàn)航天員在太空生活幾個(gè)月后出現(xiàn)了肌肉萎縮、骨質(zhì)流失和體液移位等情況。這些數(shù)據(jù)對(duì)日后長(zhǎng)時(shí)間的太空旅行和太空殖民活動(dòng)的規(guī)劃有借鑒意義。比如按照現(xiàn)有技術(shù)前往火星需要6個(gè)月的時(shí)間，航天員登陸火星后可能面臨更加容易骨折等重大風(fēng)險(xiǎn)。

國(guó)際空間站上開展多項(xiàng)科學(xué)研究對(duì)推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用起到了不可替代的作用。半導(dǎo)體晶體制造、石化工業(yè)催化劑甚至胰島素治療糖尿病等深入到社會(huì)各行各業(yè)的革新技術(shù)，都有國(guó)際空間站的功勞。

國(guó)際空間站是有史以來人類建造過最昂貴的單件物品，總成本接近2000億美元，但它對(duì)于人類科技進(jìn)步的貢獻(xiàn)卻是無價(jià)的。