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世界科技全景百卷书: 告别地球母亲的怀抱
——建立空间站 前面说过，宇宙飞船与卫星的最大不同之处在于它能够载人；而空间站是什么的呢？空间站的本质也不过是个人造卫星，但这颗“人造卫星”却有保证人们生活和工作的设施和条件，或者再通俗一点讲，它就是供字航员短期居住的一座“太空旅馆”。最特别的是，这个“太空旅馆”可以移动，并且可以与别的“太空客车”——宇宙飞船或航天飞机进行对接，并携手飞行。 空间站向我们走来 空间站，又名载人空间站、航天站或轨道站，它是可以供多名航天员巡访、长期工作和居住以及具备生产试验条件的载人航天器。空间站，可以说是目前在太空中运行的质量最大、容积最大、技术最复杂的人造天体。早期的太空计划，特别是前苏联，把太空站作为其最终目的。空间站耗资巨大，技术复杂，为什么许多国家都乐此不疲呢？这里有几个原因，这些原因无不与空间站的任务有关。空间站的任务可分两类：即探索、开发、利用空间资源；开展生命科学研究。 太空环境相当恶劣，存在着大量的粒子辐射、宇宙射线、没有大气，微流星随时有可能袭击等。但事物总具有两面性，有坏就有好。你看，太空中的失重环境似乎对我们不利，但有些东西利用失重条件却有意想不到的收获。例如，过去由于重力作用，地球上生产一种叫聚苯乙烯微珠的药物，怎么也不圆整，瘪瘪的，呈蛋形，药效不大。1985年，美国在太空失重环境下生产了10亿颗这种塑料圆珠，居然十分标准，规格划一，真是医学工业上的奇迹。又如高纯度的大块晶体，像硅片、砷化镓半导体晶体，是制造超级巨型电子计算机的材料，这种材料在地球上因为冷热对流的原因，报废率极高，竟达50％以上，但在太空中不仅生产报废率低，而且纯度极高。所以，空间站用于特殊的工业生产，可以获得很高的商业回报。 又如在空间维修上，太空站也有得天独厚的条件。1984年4月，“挑战者”航天飞机在第11次飞行时修复了一颗失效的卫星，该航天飞机还在轨道上完成了回收两颗卫星的任务。这些在当时都被称为是航天技术上的新突破。但据科学家们称，使用空间站做类似的工作，其费用会更低，效果会更好。因为卫星回收与维修可以在空间站内部进行，这就像坐在屋里干活一样，更加方便。 最过瘾的莫过了“天葬”了。美国佛罗里达州一家集团与休斯敦一家太空服务公司，准备在太空开设“殡仪馆”。太空“殡仪馆”装有钛制圆柱形小瓶，各瓶中装有少量的死者骨灰。据说这种“太空殡仪馆”可在轨道上飞行6300万年，真是名副其实的“永垂不朽”了，这些想法看似怪诞离奇，但并不背离实际。 从前面我们已经了解到，早在载人飞船上天以前，狗、猩猩等作为特别先锋已先行一步了。其实太空中的生物不仅限于这些，像老鼠、小麦、人参、猴子等都在太空呆过。谈到这里，有人会产生疑问，科学家们是不是犯了“神经质”？当然没有，这一切其实都纳入了有计划的研究。 生命科学研究重点在于研究宇航员在太空飞行的各种生理变化，提高载人航天能力。载人航天，并不是像人们想象的是美滋滋的事。在太空中各种 “太空病”，如头晕、呕吐、恶心比较常见。长期失重对人的心血管系统也有影响，心脏功能有所变化，人体免疫力也有所不同，而这一切都需要在实验中获得。据报道说，科学家们已经知道，太空中失重条件下红细胞减少，是宇航员倍感疲劳和困乏的原因。 生命科学研究也包括植物、微生物的一些实验。在太空中，植物生长受昼夜节律变化和失重的影响，其开花结果呈现很大的变化。美国的“空间实验室”的实验表明，植物在太空环境下常常无所适从，表现得杂乱无章。我国虽没有空间站，但在返回式卫星上搭载的实验与此类似。1987年、1988年，我国利用返回式卫星进行了空间生命科学的实验，取得了有关植物、微生物、细菌、低等生物在低重力空间辐射条件下的活动变化信息，它已为未来作物育种开辟了新的路途。如太空青椒在地面长势喜人，亩产可增加 30％以上。 不过，空间站也进行关于天文学、太阳物理、大气发光、地球观测等有关方面的实验。空间站的军事意义与价值更是不容低估。因为它不仅可以被装备成空间的监视哨所，而且可以被作为发射反卫星武器和激光武器的基地。90年代以来，空间基地的开发达到高潮，美国、俄罗斯在此投资上是不惜血本，西欧和日本的投资也有数十亿美元。根据科学家们的预测，到下个世纪初的20年间，美国仅在空间信息服务、能源、材料设备方面的收益可达上万亿美元。 各个国家垂青于空间站是有理由的。空间站的使用寿命长，由于是宇航员们居住的“旅馆”，它还可以扩展和延伸；它同时还具有修复能力，能定期检修，按时更换设备，显示出很强的活力。 下世纪竣工的阿尔法国际空间站 现在投入使用的只有俄罗斯的“和平号”空间站。曾经使用过的空间站有天空实验室、空间实验室—1、礼炮号系列等。目前正在紧锣密鼓地研制，并将下世纪竣工的永久性空间站，是许多国家正在联合开发的阿尔法国际空间站。 天空实验室于1973年发射上天，它的第一部分包括装配好的轨道工场、太阳望远镜、过渡舱、多用途对接舱。随后，阿波罗飞船被送上轨道，并与天空实验室对接，三名宇航员进入轨道工场。28天后，阿波罗飞船分离并返回地面。天空实验室的寿命不长，由于70年代太阳活动强烈，引起高层中大气分子密度加大，大空实验室轨道下降。1979年7月，天空实验室坠毁到南半球印度洋澳大利亚西部地区。 天空实验室的轨道工场是最基本部件，它由土星火箭的未级改装而成。轨道工场有卧室、餐室、工作室、盥洗室，环境优雅，室温适中。和轨道工场相接近的是过渡舱，它是实验室的控制中枢，里面装有电力控制和分配系统、数据处理系统、通信设备等。与过渡舱相接的是多用途对接舱，说它多用途，是讲它除了能对接外，还可以贮藏各种实验设备和胶卷暗盒。多用途对接舱上面有一个太阳望远镜，可以拍摄太阳活动的各种照片。 天空实验室的电力由太阳能电池和蓄电池供给。天空实验室具有一定的应急营救能力，整个实验室每批三名宇航员中就有一名技术专家。他们进行了天体物理、生物医学等方面的试验，共获得了七万米长的数据磁带、数万张照片，成果丰富。 1983年11月28日，美国哥伦比亚号航天飞机升空。这次飞行非同寻常，因为航天飞机货舱中装有一个大型组合式空间站——空间实验室—1号。此空间站是欧洲空间局花了十多亿美元，十多年时间研制出来的新型空间站。空间站首次飞行就搭有六名乘员，其中还有一名前联邦德国物理学家。 “空间实验室—1号”，按“模块式”结构设计，各种部件可以重复使用，又可以灵活搭配组合。此空间站由密封舱和仪器托盘两部分组成。密封舱内注有空气，宇航员不穿宇宙服也可以安然工作。密封舱分两节，共有5.4米长。内部空间44立方米。托盘其实是个宽约四米，长约两米的金属构架，为“露天”工作的观测仪器使用。 “空间实验室—1号”，整个飞行过程都是在航天飞机中进行的。说到底它还不能称作是一个真正的空间站，但它进行的各种实验与空间站相似。而且更重要的是，“空间实验室—1号”，可以重复使用，这就使它的功能更胜一筹。 “空间实验室—1号”，进行了14个欧洲国家提出的各个项目试验。这些项目包括宇宙医学、宇宙生物学、天文学、太阳物理、等离子物理、大气物理、地球观测以及空间加工等，取得的成果也不小。 1971年4月，前苏联用“质子号”火箭发射了世界上第一座空间站“礼炮—1”号。以后前苏联相继发射了系列礼炮号空间站。1977年9月以前发射的礼炮号均可以看作是前苏联第一代空间站。这些空间站由工作舱、生活舱、服务舱三部分组成。但都只有1个对接舱口，居住空间很窄，只有 100立方米。 1977年9月苏联发射的“礼炮6号”是其第二代空间站。它最大的改进是，在站体前部有两个对接舱口，可以同时连接一个联盟号飞船和一个进步号载货飞船，对接后的总长可达30米。礼炮6号的工作舱是其中心，舱内有各种仪器设备，还包括体育锻炼的设施、卫生设备和两台遥控照相机。 礼炮6号进行过一些科学研究、军事侦察活动。比如，宇航员曾用望远镜观察了天狼星、银河系中心、猎户星的运动情况，也做过焊接、制成新型合成材料的试验。甚至蝌蚪在空间繁殖规律也了解得清清楚楚。礼炮6号于1982年7月29日在大气中烧毁。 和平号空间站是前苏联第三代空间站，也是目前世界上唯一长期性、可重复使用和扩大功能的空间站。该站有八台计算机，自动化程度大为提高；并且它增加了六个对接接合器，可以同时与六个宇宙飞船相接。新联盟号密封舱“联盟—TM”、进步号无人载货飞船，及其他多用途宇宙运载工具均可与之交合对接。 1988年4月，新建的“和平号”增加了一个服务舱，服务舱有一个舱口通向一个小运载工具，供驾驶员在站外工作。“和平号”布置得舒适优雅，每一名宇航员有自己的小舱和睡袋，宇航员也可以随时与地面亲戚朋友保持广泛的联系，“和平号”空间站也有一些开展科学试验的功能舱，如量子1号、量子2号、晶体舱、光谱舱等。 “和平号”轨道站发射时并不载人。1983年3月13日，前苏联发射了 “联盟T15号”宇宙飞船，两天后与“和平号”对接成功，宇航员进入轨道站。从此，“和平号”轨道站宾客源源不断，而一系列的新的工作也大面积地开展起来，例如： 1992年，俄罗斯研制了一个叫“新光”的“人造月亮”装置，它主要由一个抛物面反射镜和一个自动旋转的姿控支持结构组成。 1993年2月 4日，对接后的“和平号”空间站分离了“进步 —M15号”无人货运飞船和“新光号”装置。于是莫斯科时间四点左右，在俄罗斯北部、加拿大、中国北方出现了一个飞逝而过的“光带”，这个“光带”就是“新光”反射太阳光的杰作。五个小时后，“新光”装置被抛入大气层烧毁。 再如 1995年2月 3日、6月 29日和11月 15日，当代世界上最大的两个载人航天器——美国的航天飞机与俄罗斯的“和平号”空间站实现了两次空间对接，对接后的载人航天复合体分别飞行了五天和三天，标志着国际空间合作进入到一个新的阶段。 不管怎么说，“和平号”空间站，特别是与飞船、航天飞机组成轨道联合体后，每一个飞行器都可以作为一个独立的空间，各自完成不同的任务，其工作能力远非昔日可比。 阿尔法国际空间站是在“自由号”空间站计划上发展起来的。早在1984年，美国前总统里根就宣布要研制一个永久性载人空间站，并将于1994年投入使用。可是星移斗转，到1992年时，美国国会认为“自由号”空间站投资过巨，规模过大，要求航天局修改计划。美国航天局不久提出了新空间方案，但预算经费仍然高达300～400亿美元。美国国会否定了这个方案。后来几经周折，到1993年2月，美国总统克林顿提出新的方案，得到国会批准。 根据方案，1993年9月美俄两国签署了一项航天合作协议，决定两国在 “自由号”和“和平号”的基础上建立一个真正的国际空间站——“阿尔法号”国际空间站。参与“阿尔法”国际空间站研究的有美、俄、日、加拿大和欧洲空间局。 “阿尔法号”国际空间站总长约88米，最大宽度（包括太阳能电池翼展）为110米，总重达415吨；轨道平均高度为354公里 （装配轨道）、476公里（工作轨道）；电源总功率为110千瓦，航天人数可达六人。“阿尔法号”空间站由六个实验舱、一个居住舱、二个节点舱、服务系统和运输系统组成。 实验舱，包括一个美国实验舱、一个欧空局附加实验舱、一个日本实验舱、三个俄罗斯研究舱等。 居住舱由美国研制，包括厨房、洗脸间、洗澡间、卧室和医疗设施。 节点舱由美国研制，分别有仓库、电力调节器等。 服务系统包括三部分。加拿大移动服务系统，其主要部件是一个长16.8米的机械臂；俄罗斯功能货舱，内装有能源模块、备用燃料和推进装置等；俄罗斯服务舱，其内有推力器、居住设施 （包括卫生间）、生命保障系统。 运输系统主要包括三部分。科学电力平台，可提供电力、进行姿态控制和热控制，由“天顶号”运载火箭发射；乘员运输器，有俄罗斯“联盟TM号”宇宙飞船、“进步号”运货飞船。 根据计划安排，“阿尔法号”国际空间站的研制过程分三个阶段。一是初步准备阶段，大约从1994年12月到1997年11月，在这一阶段将要进行7～10次美俄在“和平号”空间站上的联合飞行。这一阶段进展比较顺利。1994年2月俄罗斯宇航员克里卡廖夫搭乘美国航天飞机，拉开了合作序幕。1995年3月14日，美国宇航员诺曼·萨加德和俄罗斯航天员一起乘坐“联盟” TM飞船入轨，并与“和平”号空间站进了对接和飞行。1995年6月27 日，美国“阿特兰蒂斯号”航天飞机与俄罗斯“和平号”空间站对接，交换成员，运输物资。 第二阶段是装配阶段，大约从1997年11月开始，俄罗斯将用“质子号”运载火箭发射俄制的功能货舱；此后再连续发射四次，空间站具有居住条件后，将与“联盟号”飞船对接。1999年3月，实验舱也要发射入轨并完成对接。据此，13个科学研究机柜和10千瓦电力能满足三名航天员工作需求。 最后是完成阶段，约到2002年6月为止。在此期间的60次发射入轨中，美国将于1999年发射太阳能电池阵模块，2002年航天飞机要运送美制的居住舱入轨。 另外，欧洲空间局也在研制一种货运飞船，叫太空拖船。此船两端为圆柱形设备舱和动力舱，中间为燃料箱平台。它能在国际空间站停留半年以上，既能为空间站运送航天员生活必需品、科研设备，还可以带上空间站燃料——推进剂。 “哥伦市”轨道舱的出现或许是个意外。欧洲空间局在80年代决定参与国际空间站计划后，就制定了一个庞大的载人航天计划，这其中仍有“哥伦布”自由飞行平台的内容。“哥伦布”自由飞行平台本质上是个空间站。但欧洲空间局加入到“阿尔法”国际空间站计划之中后，平台计划被砍掉了， “哥伦布”轨道舱却被保留下来。 “哥伦布”轨道舱是一个圆柱形密封增压实验舱，长约8.5米，外部直径4.1米，重约9.7吨，其中有材料科学、生物科学、流体科学的实验室。显然，“哥伦布”轨道舱本质上是一个小型空间站，但它是未来先进的空间站之一，也是“阿尔法”国际空间站不可缺少的一部分。 太空之“吻” 空间站是在太空运行的旅馆，它迎接四方来客；又是一个悬空高挂的实验室，不时要接受新的科学研究任务。空间站技术比较复杂，特别像“阿尔法”号国际空间站，作为跨世纪的国际性工程，其技术之复杂、投资之多、人员配备之周全，堪称世界宇航工业之最。空间站技术中以交合对接显得尤为突出。因为空间站是个只会自己消耗资源，又不能生产资源的“空房子”，一切都要靠外部来接济。当然啦，未来的空间站能够自己生产食品就好了，这并不是不可能的事。现在先讲一个惊心动魄的故事，那是在1996年6月29日，美国“阿特兰蒂斯号”航天飞机与“和平号”空间站实现了交合对接。 交合对接看似容易，不就是像两个人握握手拥抱一下吗？但也不简单，因为握手和拥抱是在空荡荡的太空，而不是地面。1995年6月27日，美国 “阿特兰蒂斯号”航天飞机从卡纳维拉尔角发射。45分钟后进入最低轨道，与在伊拉克上空的“和平号”空间站相距约1.3万公里。此时航天飞机开始加速追赶空间站，每小时缩短1630公里。三个半小时后，航天飞机速度放慢，每圈只追赶520公里。此时，航天飞机与空间站的宇航员们正在为对接作最后的准备，并用高频率无线电设备直接联系。 大约相距65公里时，航天飞机的雷达发现了空间站。29日8点，航天飞机启用了导航设备，指导自己庞大的身躯一步步地向空间站逼近。上午11时15分，航天飞机到达“和平号”空间站下方；12时23分，航天飞机驾驶员实施姿态机动，让飞机转了转身子，并以 3厘米/秒的速度缓慢地向“和平”号靠拢。当两个航天器相距一米的距离时，交合过程全部完成。 接着，航天飞机的接口被转入“和平号”空间站的接口，两个接口对接后，接口上的插锁自动插上，气锁开始收缩和锁紧。当全部插销都派上用场后，整个对接过程就结束了。 交合对接的过程少不了对接系统，它包括一个支承的构架、对接机构和一个气锁装置。此对接系统约重1588公斤，宽4.6米，高4.6米，长两米，费用为一亿美元，由俄罗斯能源科学与生产联合体和美国洛克韦尔国际公司联合研制。看来，这套对接系统中的气锁装置堪称是世界上最昂贵的锁了。 |
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