50年前人类建成首个空间站,未来还有可能建太空城

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“天和”号核心舱今天中午发射升空READING编者按

今天11点20分左右，“天和”号核心舱发射，8分多钟后成功入轨。“天和”号全长16.6米，最大直径4.2米，发射质量22.5吨，可支持3名航天员长期在轨驻留，是我国目前研制的最大航天器。

实际上，这只是拉开中国建设空间站的序幕，按照我国空间站建造任务规划，今明两年我国将实施11次飞行任务，包括3次空间站舱段发射、4次货运飞船以及4次载人飞船发射，2022年我国将完成空间站在轨建造。根据规划，今年我国还将发射两次载人航天任务。

4月29日，中国空间站总设计师杨宏对《中国航天报》表示，“中国空间站既是为中国科学家，也是为全球科学家提供的科学探索平台。这一初衷，注定了中国空间站是开放的”。

事实上，今年也是人类建设空间站的第50周年。从1971年，苏联率先建成第一个空间站到现在，人类在探索太空之路上越走越远。

撰文 | 庞之浩（中国空间探测技术首席科学传播专家）

01
苏联、美国交替领先

1961年4月12日，苏联发射了世界第一个载人航天器——“东方1号”飞船，把航天员加加林送上了太空。

把人送上太空的目标实现了，人们很自然会产生下一个目标——让人在太空中“待得住”、“待得久”。这不仅仅是为了争胜好奇，还有很多实际的意义。比如，很多需要在太空中进行的科研、生产和服务等活动，都是需要很长的时间和很大的空间来完成的。建造能让航天员在太空中长久居住、生活和工作的空间站的想法便应运而生。



“礼炮1号”空间站与“联盟11号”飞船组合体在轨飞行示意图



“天空实验室”侧面的太阳电池阵在发射过程中被剐掉，上面的“帘”是航天员在舱外活动时安装上的“遮阳伞”，以节省电能。

由于空间站犹如一座空中楼阁，是一种可供多名航天员巡访、长期居住和工作的大型航天器，具有体积大、寿命长、功能强和载人多等优点，所以，在与美国竞争载人登月失败后，苏联就放弃了载人登月计划，开始全力打造空间站。经过艰苦的努力，苏联终于在1971年4月19日用“质子号”火箭成功发射了世界第一座空间站——“礼炮1号”，它标志着人类进入太空的一个新阶段的开始。

　　

“礼炮1号”质量约18吨，总长16米，最大直径4.1米，可居住空间85立方米，由对接过渡舱、轨道舱和服务舱3个部分组成，其中位于头部的对接过渡舱用于对接“联盟号”飞船，航天员和物资由此对接舱口进出空间站。位于中部的轨道舱是“礼炮1号”的“心脏”，由直径各为2.9米和4.1米的两个圆筒组成，供航天员工作、进餐、休息和睡眠。位于尾部的服务舱为非密封舱，装有机动变轨发动机、姿态控制发动机和推进剂等。

　　

苏联发射了“礼炮1号”后，对美国产生了很大的刺激，于是美国马上用“阿波罗”工程的剩余材料研制了一个名叫“天空实验室”的空间站，并于1973年5月14日升空。它是迄今为止世界上最大的单个载人密封舱，压力舱容积达316立方米，在里面可以洗澡，曾创下了连续载人航天84天的世界纪录。此后美国便“喜新厌旧”研制航天飞机去了。

　　

而苏联对空间站一直格外青睐，在先后发射了7座“一居室”的“礼炮”系列空间站后，苏联从1986年开始发射由多个舱段组成的“和平号”空间站。它由1个核心舱和5个实验舱组成，因而大大扩展了航天员的活动空间，提高了空间站的工作能力。



“和平号”空间站全貌

到了20世纪80年代初，美国逐渐发现在空间站领域已大大落后于苏联。1984年1月25日，美国时任总统里根批准建造一个以美国为主、与盟国合作的长久性空间站计划——“自由号”。这个方案比“和平号”还先进，采用桁架挂舱式构型。但由于技术复杂，费用极高，风险很大，所以在研制过程中几乎夭折。

　　

就在“自由号”空间站的命运岌岌可危时，世界空间站大国苏联于1991年解体，这给了美国一个发展国际型空间站的绝佳机会。因为随着苏联的解体，俄罗斯已不再是美国争夺太空优势的竞争对手了，但其在空间站建造方面仍有丰富的经验和先进的技术。

于是在1993年，美国对“自由号”空间站建造方案进行了“大手术”，其中最主要的措施是吸收俄罗斯为正式合作伙伴，采用了很多苏联空间站的成熟技术，目的是节省费用、少走弯路、降低风险和缩短时间，最后终于在2011年在轨建成了“国际空间站”。它实质上是一个既采用了类似“和平号”的积木式构型，又采用了桁架挂舱式构型的“混血儿”。

02
粗分两种、细划四代

空间站具有自主补给消耗品、检修和更换设备的能力，以及变更和扩大其功能的性质。它先入轨后上人的特征，既提高了安全保障，又简化了研制过程。

　　

至今，全球已发射了10座空间站。从总体结构上讲，这些空间站可分为以下两种：

　　

第一种是单舱式空间站。已发射的苏联“礼炮1号”至“礼炮7号”和美国“天空实验室”都是单舱式空间站。这种只有一个舱段的空间站用运载火箭一次就能送上太空。其优点是所用硬件少、成本低和技术简单，不需要航天员出舱等，因而早期的空间站都采用这种设计。它的缺点是容积小、太死板和工效低，因而影响了许多科学实验活动的进行，并且很难长期载人航天。

　　

第二种空间站是多舱式空间站。目前已发射的多舱式空间站有苏联/俄罗斯的“和平号”及16国联合研制的“国际空间站”。这种空间站是由陆续发射的多个舱段在轨道上组装而成的。其优点是航天员的生活和工作空间大，灵活性强，运行时间长；缺点是技术复杂，投资和风险都大。

　　

这两种空间站还可细分为四代，苏联的“礼炮1号”至“礼炮5号”和美国的“天空实验室”是第一代空间站，苏联的“礼炮6号”“礼炮7号”为第二代，苏联/俄罗斯的“和平号”为第三代，“国际空间站”为第四代。



目前在轨运行的“国际空间站”

第一代空间站也叫试验性空间站，其主要特征是站上均只有一个对接口，因而只能接纳一艘客货两用飞船，运送往返人员和少量物品。其科研仪器和主要物品均是发射前就装入了空间站内，无法及时补给，这就限制了载人航天的时间和空间站在轨运行寿命。

不过，这一代空间站解决了许多载人航天相关的重大科技问题。例如，证实了在太空也和地面一样，有必要把卧室、工作间等按各自的特点分别建造，以免相互束缚和影响；人在太空待上若干天，可用轮换航天员的办法，使空间站利用率大为提高。

　　

第二代空间站也叫实用性空间站，它们分别于1977年9月29日、1982年4月19日入轨。其主要特点是均有两个对接口，即可同时接纳两艘飞船，这样就能把载人与运货分开，从而大大延长了空间站寿命和航天员在轨时间。

　　

第三代空间站也叫长久性空间站。“和平号”采用积木式构型，于1986年2月20日开始在太空建造。其最大特点是率先升空的核心舱不仅能用于航天员生活居住，控制整个空间站正常运行，还有6个对接口，它像搭积木一样先后对接了5个专用实验舱及“联盟”载人飞船、“进步”货运飞船，形成了庞大的空间复合体。

　　

第四代空间站也叫永久性空间站。它采用桁架挂舱式构型，即以上百米的组装式桁架为基础结构，然后将多个舱段和设备安装在桁架上。其优点是：集中供电、灵活性强、工作效率高、使用维修方便；缺点是：费用大、技术复杂。“国际空间站”是世界第一座永久性空间站，它包括13个增压舱，其中6个用于科学实验，3个供航天员居住，1个为多功能货舱，3个为对接用的节点舱，容积约1000立方米，质量400多吨。

03
太空旅馆和月球空间站

未来空间站有两个重要发展方向，一是建造舒适的太空旅馆；二是建造月球空间站。


由4个充气式太空舱组成的太空旅馆示意图

太空旅馆比空间站观光更惬意、更享受。其内部装修按酒店方式设计，游客可选择垂直床或者水平床，并有全密闭式的淋浴、双筒望远镜和相机，食物更加精细、丰富，但花费很大，每天要几百万美元。现有充气式太空旅馆和空间站式太空旅馆两种方案，其中空间站式太空旅馆与目前空间站的基础结构差不多，最大的不同就是内部装修按酒店样式设计。

　　

充气式太空旅馆将由若干个可充气膨胀的软壳太空舱组装而成。与传统刚性太空舱相比，充气式太空舱有三个优势：一是发射成本较低，这些软壳太空舱发射到轨道上后会像气球那样自行充气“鼓”起来，这是由于采取了膨胀结构；二是居住空间宽大，这是以往所有的航天器所不及的；三是采用新的多层结构外壳设计和使用新材料，充气的软壳表面有一定弹性，比起传统含铝材料的航天器外壳，能为居住者提供更好的空间防护，可以抵御太空垃圾、宇宙粒子等的撞击，为其内核提供保护。

　　

美国正联合一些国家合作研制月球空间站——“深空门户”，预计2024年以后投入使用。月球空间站既可成为前往月面、小行星甚至火星的载人飞船的出发平台，又能作为月球车的中继通信平台，还是前往维修日地L2轨道上的空间望远镜的中转站。

它分三步实施：第一步是建造“航天发射系统”重型火箭；第二步是用“航天发射系统”把“深空门户”的主要部件发射到月球轨道上；第三步是用“猎户座”飞船把其他部件推到合适的位置，为人类居民准备好“深空门户”。


“深空门户”月球空间站示意图

更远的未来，有可能建造庞大的太空城。由此可见，空间站的前景是十分广阔的。

　　

载人航天是一项高投入、高风险、高技术的系统工程，至今只有俄罗斯、美国和中国三个国家独立掌握载人航天技术。我国在1992年就制定了宏伟的载人航天“三步走”的发展战略。

至今，我国已完成了前两步的任务，即成功研制和发射了6艘“神舟”载人飞船、2座“天宫”空间实验室和1艘“天舟”货运飞船，掌握了太空行走、交会对接、在轨加注和中期驻留等载人航天的关键技术，已把11名航天员送上了太空。



中国空间站示意图

这些都为完成第三步任务——建造空间站奠定了坚实的基础，让我们在空间站建设上拥有更加广阔的发展空间。


注：本文首发于“北京日报”，经作者授权转发。
制版编辑 | Morgan

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