走出地球“第一站”

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  “地球是人类的摇篮,但人类不会永远被束缚在摇篮里。”早在100多年前,航天之父康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基就给人类发展指明了方向。
  而空间站对于人类来说,到底意味着什么?有人说,空间站是人类离开摇篮、挣脱地球脐带的起点;有人说,空间站是未来太空移民的实验场;有人说,空间站是人类成为跨星际物种的第一站;也有人说,空间站是美苏太空竞赛的副产品。
  每当仰望太空,空间站都是一个不容忽视的存在,它是我们目前唯一可靠的太空家园。

礼炮空间站


  苏联在赢得首发人造卫星、首先载人航天的荣誉之后,却输在太空争霸最高潮—登月竞赛上。眼睁睁看着美国一次次登月插旗,自家登月火箭却屡屡爆炸,苏联只得切换赛道,抢占近地轨道空间站的先机。
  “礼炮计划”应运而生。在加加林成为首个“太空人”的十年后,即1971年,苏联发射了人类史上首个空间站—礼炮1号。
  尽管礼炮1号只在太空飞行了175天,便在太平洋上空再入大气层烧毁;尽管三名宇航员再入返回时全部丧生;尽管对接首班飞船联盟10号遭遇失败,但这些不幸依然掩盖不了人类这次的创举:三名宇航员刷新了当时太空生活的最长纪录(23天);礼炮1号成为后来苏联所有空间站的基本款。
  礼炮2号空间站的属性不再是科研,而是军用。苏联解体后,解密档案称之为“金刚石空间站”,这是苏联军事侦察空间站计划里的第一个,所以也叫“金刚石1号”。礼炮3号、礼炮5号也是军事空间站。
  礼炮5号之后,苏联军方认为,随着更先进间谍卫星的出现,军用空间站已经不具备什么战术优势,于是,军用版空间站计划彻底终止。
  礼炮6号、礼炮7号属于苏联第二代空间站,拥有两个对接舱,可同时对接载人飞船和货运飞船。它们先后对接过12艘进步号货运飞船、16艘联盟号载人飞船,共接待16批33人次宇航员进入,创下空间站最忙碌的纪录。

  无论规模,还是任务量,和平号都远远超过以往任何空间站。
《太空救援》剧照

  当最后一批宇航员撤离礼炮6号,一艘名为“宇宙1267号”的实验性后勤补给飞船进入太空,顺利实现自动对接。
  礼炮7号既是礼炮系列的最后一个空间站,又是下一代空间站的开路先锋。这是一个从单体空间站向模块空间站(积木式空间站)升级的过渡版本,对接飞船增多,扩展模式增强,任务类型增多。
  值得一提的是太空史上著名的“礼炮7号拯救事件”。
  1985年2月12日,无人进驻的礼炮7号突然失联,电力故障导致空间站所有系统都处在瘫痪状态。苏联方面大惊失色,派出两名最有经验的宇航员,搭乘联盟T-13号飞船前去维修礼炮7号。
  从技术角度讲,这次对接被认为是太空历史上最复杂、最有挑战的一次对接。2018年上映的《太空救援》,将这次“史上最惊心动魄的太空拯救任务”告诉了全世界。

和平号空间站


  从礼炮1号到礼炮7号,整个“礼炮系列”都属单体空间站。第三代(积木式)空间站横空出世,这就是苏联一直引以为傲的和平号空间站。
  一口吃不成胖子,超大空间站也一样。最好的方案就是向孩子学习,搭积木建造空间站。其实早在20世纪70年代中期,苏联就开始着手设计研发这种空间站,后来硬是被苏联版航天飞机—“暴风雪”计划彻底耽搁了。
  直到1986年,空间站计划重回正轨,苏联发射了首个重达20吨的核心舱。1996年,和平号空间站最终配置达到7个模块,包括核心舱、量子1号、量子2号、晶体号、光谱号、对接舱、自然号。每个模块(舱段)都具备独立运行能力,好处就是一旦出现问题,不会殃及其余。坏处就是结构复杂、出错率高。
  和平号总质量接近130吨,加压空间高达350立方米,在轨运行15年,总共飞行35亿公里,绕地飞行8万多圈;共有31艘联盟号载人飞船、62艘进步号货运飞船、3架美国航天飞机先后与和平号对接;宇航员在和平号舱外进行78次太空行走,舱外逗留时间长达359小时12分钟;先后有28批长期宇航员、16批短期宇航员,共12个国家的135名宇航员进驻过和平号,总计进行了1.65万次科学实验……
  无论规模,还是任务量,和平号都远远超过以往任何空间站。

天空实验室


  美国当然也不会“沉默”。NASA利用了阿波罗计划的最大“重器”:“土星五号”火箭的第三级箭体,将其改造为空间站主体。
  天空实验室全长36米,最大直径6.7米,总重80吨,于1973年被发射到轨道,是迄今为止人类向近地轨道发射的最重、最大、最复杂的航天器。
  尽管这是美国首个空间站,但NASA并未准备好长期使用天空实验室,因为在20世纪70年代中期,与之配套的航天飞机的发展也不成熟。

  一直到2022年梦天号实验舱实现对接后,天宫号基本版才算组建完成。
2006年9月12日,國际空间站的“安装日”,“亚特兰蒂斯”号和探险队的13名机组人员致力于连接桁架
  1979年,天空实验室在澳大利亚西部上空,再入大气层烧毁。直到4年后,第一架航天飞机才实现首航。

国际空间站


  美国所主导的国际空间站,前身是NASA自由号空间站计划,最早源自里根总统的“星球大战”计划,后来被老布什总统叫停。克林顿执政时期,在副总统戈尔直接推动下,美国宇航局与俄罗斯联邦航天局共同创建一个国际共用的空间站—这就是国际空间站。
  从1998年发射第一个组件曙光号、2000年迎接首批宇航员进驻,历经32批组装任务,国际空间站如今已经使用了19个年头。
  美国、俄罗斯等5家航天机构的共同决定,其使用寿命被延长到2030年,今后将陆续更换组件,以便增加使用年限。
  国际空间站长108.5米,宽72.8米,高20米,总面积相当于一个美式橄榄球场。它的大小是和平号空间站的4倍,是天空实验室的5倍。
  它的总质量是420吨,内部加压空间有1200立方米,相当于一幢美式6居室的大房子。最大定员为7人。
  大型部件主要有18个,包括1个控制舱(曙光号),1个服务舱(星辰号),3个实验舱(命运号、哥伦布号、希望号),3个移动维修平台(加拿大臂、机械臂、特色微动作机械手),1个穹顶舱等。
  最大主体结构是中心主桁架 双龙骨结构。更多功能舱段和更大太阳能电池阵列,都可以悬挂在这种主体结构上。同时,航天飞机、联盟号飞船、进步号货运飞船、货运龙飞船、天鹅座飞船等,均可以停靠。
  国际空间站的运行轨道,距离地表约400公里,飞行速度为7.66公里/秒。它的轨道周期是92分钟多一点,每天围绕地球接近16圈。截至2019年7月20日,它已经在轨运行20年零8个月。目前它的轨道衰减速度是每月2公里,为此每年需要消耗4吨燃料来维持高度。
NASA研发中的月球轨道空间站—深空门(设计图)
2014年2月18日,轨道科学公司的天鹅座飞船驶离国际空间站的远程操纵系统Canadarm2

  国际空间站堪称人类史上最昂贵的单体科研项目。截至2010年,各成员累计投入高达1551亿美元,其中美国1311亿美元,俄罗斯120亿美元,欧空局50亿美元,日本50亿美元,加拿大20亿美元。国际空间站的宇航员,平均每人每天花费750万美元。
  因为是个大拼盘,目前其由六个国家或地区合作运转,包括美国宇航局、俄罗斯联邦航天局、日本宇宙航空研究开发机构、加拿大太空局、巴西航天局和欧洲太空局。

天宫号


  从天宫一号、天宫二号,再到未来的天宫号,中国空间站一路稳妥前行。
  天宫一号,尽管属于第一代空间站,但自动交会对接、测控技术、环境控制、电子设备等,均比苏联当年礼炮号空间站技高一筹。
  天宫一号先后与神舟8号、神舟9号、神舟10号三艘飞船进行对接,标志着中国成为世界上第三个独立掌握“交会对接”技术的航天大国。
  2016年中国发射天宫二号空间实验室。同年它与神舟11号飞船对接,景海鹏、陈冬进驻空间站26天,创下中国航天员太空生活最长纪录。
  2017年天宫二号与天舟一号货运飞船实现三次对接,标志着中国已全面娴熟掌握了交会对接技术,为未来中国空间站的组建、运营打下技术基础。
  中国空间站别名天宫号,分为三段式,由一段核心舱和两端实验舱组成T字型。两段实验舱分别长期停靠在核心舱的左右两端,货运飞船、载人飞船分别对接核心舱的前后两端。
  2020年,天和号核心舱将首先发射,之后神舟号载人飞船、天舟号货运飞船、问天号实验舱也将陆续发射。一直到2022年梦天号实验舱实现对接后,天宫号基本版才算组建完成。
  到时候,每组航天员进驻至少180天,再与下一组航天员进行轮替,形成长久不间断的常驻空间站,类似国际空间站模式。
  天宫号预计常驻航天员3~6人,设计使用寿命至少10年,基本规模达到66吨。这一规模是和平号空间站的1/2,是国际空间站的1/6。
  再下一步,就是拓展天宫号的规模,扩展一个核心舱、两个实验舱,常驻一艘载人飞船,最大规模可达180吨。

战略制高点


  空间站,既是当今空间科学最理想的实验场,也是深空探索的中转站,还是未来建造太空城、殖民行星的桥头堡。因此,无论科研还是军事,无论当下还是未来,各国都将其视为战略制高点。
  短短半个世纪,人类总共部署过12个空间站—苏联7个礼炮空间站、美国天空实验室、 苏俄和平号空间站、国际空间站、中国天宫一号、天宫二号。
  未来还将增加几个空间站,基本可实现的有:天宫号、深空门(Deep Space Gateway,月球轨道空间站)。仅供参考的有:公理号商业空间站、鹦鹉螺号商业空间站、印度月船号空间站……
  至于更远的未来,权当让我们享受一回畅想:俄罗斯月球轨道空间站、NASA主导的Next STEP深空探索空間站……
  不管怎样,至少一部分人类终将离开摇篮生活,挣脱地球脐带。不想重演恐龙命运也好,好奇心驱动太空探索也罢,空间站正是我们离开地球的第一站。
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