航天方面的基本知识－空间站技术(图文教程)

20世纪70年代初期美国天空实验室虽然属于试验性空间站，但取得的成果却相当振奋人心。对于太空科学和应用研究来说，尽可能长地驻留太空是一个基本要求。利用载人飞船很难做到这一点。因此，空间站是提供宇航员长期进行太空工作和生活的唯一航天器。

正因为空间站的巨大应用潜力，美国宇航局一直没有停止大型空间站的概念研究。继1972年空间站应用舱的研究结束后，宇航局继续探讨未来的空间站。天空实验室计划的成功使宇航局上下为之振奋，未来空间站的探索工作也随之进入了一个新的阶段。

经过几年的规划，美国宇航局提出了未来永久性空间站的大致设想。

1993年9月2日，美俄签署了两国共同发展国际空间站联合声明。

国际空间站由美国、俄罗斯、欧空局、日本共同建造。加拿大和巴西也将为国际空间站提供一系列小型硬件设备。

1998年11月20日，俄罗斯在拜科努尔航天发射场用一枚质子号运载火箭，成功地把国际空间站的第一个组件“曙光”舱送上了太空。此后，在空间站乘员不断更换过程中，各舱段和其他硬件的发射一直在进行。

国际空间站将于2005—2006年建成，届时它将由12个舱段组成，总质量达450吨左右，使用空间达1100立方米，平均运行高度为350千米，寿命15年。它将成为人类在太空中长期驻留的前哨站，对未来的太空探索产生重要影响。

国际空间站的建设标志着航天发展的一个新时期——航天技术应用化发展时期的开始。它的建成对空间产品的商业化、空间科研的纵深化以及天地往来的例行化，都将具有重要意义。

美国和苏联这两个超级大国在科技和军事领域的激烈竞赛使得人类对太空的征服不断取得突破，而轨道空间站的研究建设步伐正是在这样的激烈竞争状态下前进着。第二代空间站将具备更高的可靠性、更大的负载能力、更多的功能和更长的寿命。其中代表第二代空间站的是美国的天空实验室和苏联的礼炮6号、礼炮7号轨道空间站。

美国的空间站设想早在1958年NASA成立时就已产生。NASA在对未来10年的航天活动进行规划时，提出过许多发展任务，占主导地位的项目是空间站和载人登月。这两项计划当时曾引起广泛的争论，有人建议优先发展空间站，有人则认为应该优先发展载人登月。在那个竞争意识很强的年代，NASA的上层官员和政治家们更看重的是航天计划的政治意义和国际影响，希望造成更大的壮观声势，所以载人登月更被看好。而当时许多科学家则坚持认为发展空间站的科学研究和国防军事意义相比载人登月要更为重要。但是，直到1961年5月25日肯尼迪提出阿波罗登月计划后，这场空间站和载人登月的争论才暂时平息了。空间站计划落了下风。

但是，无论是NASA还是国防部在空间站方面的研究从来没有停止过。美国国防部曾进行过载人轨道实验室(Manned Orbiter Laboratory，MOL)，该计划后来被取消。1967年，NASA马歇尔航天中心独立提出了一项空间站计划作为阿波罗应用计划的一部分。该计划从任务来看，主要从科学和技术利益着眼，不像阿波罗计划那样带有很大的政治冒险性，后来演变为天空实验室(Skylab)计划。为了强调节省资金，加快进度，该计划尽可能多的使用了阿波罗计划的部件和技术，这样虽然美国后来整个航天的发展重心是航天飞机计划，但在投入不大的情况下天空实验室计划仍可进行下去。

天空实验室任务

对太阳进行比较充分的观测研究

进行较长时间的生物医学研究

对地球资源进行细致的勘测

进行更为全面的工程技术实验

天空实验室的主体结构是土星5号运载火箭第三级J-2发动机的巨大液氢贮箱，其总长度8.9米，直径6.6米。由于很长，在改制成天空实验室时在中间加了一层隔板将其分成上下两部分。上层是实验间，下层是生活间。生活间又分为四个室：起居室、用餐室、盥洗室和实验室。上层实验间十分宽敞，内部装有各种仪器设备以进行多种大型实验。这个改装的天空实验室主体称为轨道舱，里面除了安装各种设备外，能为3名航天员提供292立方米的活动空间。轨道舱内部充以氧气和氮气的混合气体，气压相当于在地球上压力的1/3，温控与通风系统使得舱内气温保持在21.1摄氏度。

轨道舱的上面是过渡舱。它长5.3米，直径6.6米，内部可增压也可减压，为航天员提供了一个过渡的通道。过渡舱又是天空实验室的控制中枢，里面装有供电控制、测试检查、数据处理。生命保障、通信及轨道控制等系统。在过渡舱的另一端是一个多用途对接舱，它长5.2米，直径3米，头部和侧面各有一个对接口，可同时与两艘飞船对接。对接舱除了用于对接和作为航天员进出的通道外，还用于进行太阳观测，对地观测和进行材料科学实验。天空实验室的主要供电系统是两个安装在轨道末端的太阳电池板，总面积730平方米，可产生约20千瓦的电能。

天空实验室最主要的科学仪器是阿波罗天文望远镜。它的主体是一个棱柱体，以构架的形式固定在对接舱上。在发射时，这些构架保证望远镜位置与天空实验室轴线一致。一旦进入轨道并同运载火箭分离，构架又可折转90o，使得望远镜与轴线垂直。在望远镜周围安装了4个较小的太阳电池板，总面积142.5平方米，最大输出功率可达11千瓦。阿波罗天文望远镜装有4种天线、多普勒照相机、电视摄像机、主望远镜，还有其它一些天文仪器。

阿波罗登月计划后的第二年，1973年5月14日，一枚两级的土星5号运载火箭在肯尼迪航天中心点火发射。火箭第三级的位置上装的正是天空实验室。起飞63秒，发现由于发射时的高速气流冲掉了轨道舱防护罩使太阳能电池发生故障，但是仍然被土星5号火箭发射到离地面435公里的近圆轨道上。11天后阿波罗飞船与天空实验室对接，3名宇航员排除了电源故障，使空间站恢复了功能，工作了28天，后来又接待两批6人，分别工作了59天和84天，用58种仪器进行了270多项实验，拍摄了几十万张照片。天空实验室空间站在太空共运行2249天，航程达14亿多千米，于1979年7月12日在南印度洋上空坠入大气层烧毁。

天空实验室计划持续6年，耗资26亿美元。美国宇航界、政界和科学界都给予极高的评价。尼克松祝贺说：“在圆满结束这次超出人类知识范围的最长旅行动时候，我代表全体美国人民向你们表示祝贺。你们天空实验室飞行的卓越成就，把历史上那些伟大探险家的传统(他们面对着世界上那些地图上还没有的尚不为人所知的地区)和那些科学家的传统(他们解开了宇宙万物的奥秘)结合起来了。”

开展载人航天事业的最终目的不是创造辉煌和连篇不断地谱写光彩夺目的史诗，而是全面、深刻地开发和利用宇宙资源。为实现这一目的，一方面必须发展一种通向太空的经济高效的常规运输手段，另一方面就是要建立永久性航天基地。空间站就是向这种永久性的航天基地发展的过渡形式。

空间站的发展

20世纪60年代中期随着航天技术的发展，美苏都开始意识到太空不应只是各自炫耀实力，增加政治资本的地方，如何合理的利用太空资源，开展应用型的研究成为美苏都在考虑的问题。从这时起人类对太空的开发才逐渐的回到了它的本质。

科学家们开始的意识到太空环境给科学研究提供了极好的条件。在航天器内独有的“微重力”环境，可以使我们从一个全新的视角来研究分析许多实验现象——也许这更接近事物的本质。如果充分的这个条件，可能会使太空医学、地球学、基础生物学、物理科学和太空制造等多方面取得突飞猛进的发展。已有的飞船虽然能提供一个研究的平台，但只是短期的，为了研究可以深入，必须有一种长期进行试验的平台，这个平台也就是空间站。

如果从发展看载人飞船或者航天飞机，最终只是一种运输手段。用它们进行科学研究是非常不经济的，因为这些航天器的一个最基本的要求就是必须具备很高的可靠性，以保证在发射和返回过程中航天员的安全。同时，还要配备应急救生系统，以便在发生不测时，携带航天员逃离危险区，然后安全着陆。空间站将这些要求剥去，在很大程度上就降低了整个系统的复杂性，不仅设计、制造上要简化很多，降低了成本，也节省了很多空间，实现了太空研究或生活与太空运输明确的功能划分。

同时空间站可以设计成有人和无人两种工作模式，这样许多试验只需航天员调试好仪器设备便离站，以后定期检查即可，这样就减少了使用成本。而且只要在空间站上安装对接装置，就可不断的扩充空间站，提高它的灵活性和适应性。

迄今为止，美国已经发展并完成了一个天空实验室(Skylab)计划，而苏联(俄罗斯)则研制和发展了礼炮(Salyut)系列空间站与和平(Mir)号空间站，现在正在建设和使用之中的则是集聚了多个国家的空间力量的国际空间站(International Space Station，ISS)。

重要一步

苏联早在60年代开始军用空间站的研究，当时该计划取名轨道导向站计划，后改名为钻石(Almaz)计划。但同美国的登月竞赛失败后，苏联为了在下一轮的竞赛中获得主动，同时考虑到航天技术的应用，决定全力以赴发展空间站计划，并希望成为本世纪惊天动地的壮举。1969年苏联正式将空间站作为了航天计划发展的核心。并在钻石号空间站的基础上衍生出DOS-7K民用空间站计划，对外界将这两个计划统称为礼炮(Salyut)系列空间站。钻石计划后来由于卫星侦察技术的提高，不再向载人方向发展。

DOS-7K空间站采用了联盟飞船的大量成熟技术，如生命保障、轨道机动与姿态保持、轨道对接、太阳电池等。到1969年，苏联认为建立空间站的基本技术——航天器的汇合与对接问题已经解决，于是1970年起开始礼炮1号的建造工作。与此同时，他们也对联盟号飞船进行了改装，以便使之成为空间站的辅助运输工具。

1971年4月19日，也就是加加林首次进入太空10年之后，一枚巨大的质子(Proton)号运载火箭将第一个空间站礼炮1号发射上天，其运行轨道为近地点200公里，远地点222公里，倾角51.6度，运行周期88.5分。经过9圈的地面测控，礼炮1号运行工作正常。接着苏联正式向全世界公布了这一消息，宣称苏联已拥有了世界上第一座空间站。勃列日涅夫在第二天说，礼炮1号的飞行是“征服太空的重要一步”。无论如何，礼炮1号的成功发射，标志着人类进入太空一个新阶段的开始。

苏联的第一次“水上回收”：1976年10月14日，联盟-23号飞船载着航天员祖多夫和罗日杰斯特文斯基发射入轨，准备与礼炮-5空间站进行对接。但是由于飞船的主引导系统天线出现故障，与轨道站的对接没有成功。飞船只好紧急返航。又因遭遇风暴，最后航天器只好夜间水上溅落。当时，由于水面有冰，营救筏无法接近飞船，于是用直升飞机将飞船拖到岸上。

其后，苏联研制了数个民用、军用礼炮空间站，到礼炮6号对空间站进行了各方面的重大改进。整个礼炮空间站计划使苏联的空间站技术取得了长足的进步，但礼炮空间站是一种单模块的空间站，不可能进行扩展，这就限制了有效载荷的规模。为了进一步的要求，后来出现了和平号空间站计划。

单模块空间站指由火箭一次发射入轨迹可运行的空间站。一般不长期连续住人，而且需要维持在轨独立运行的全部基本系统。

大家也许在科幻片里看到过“太空城市”，而集结了全世界16个国家的航天力量现在正在建造的国际空间站(International Space Station)如果按期建成，则正是人类这一伟大梦想的实现。国际空间站是一个庞大的工程，没有一个国家能够独立完成。因此，目前有16个国家参加到国际空间站的建设中来，它们分别是美国、俄罗斯、加拿大、日本、巴西和欧洲航天局(European Space Agency，ESA)中的11个国家，比利时、丹麦、法国、德国、意大利、荷兰、挪威、西班牙、瑞典、瑞士和英国。建立国际空间站有四个目的：为基于太空的世界顶尖科学实验和研究提供基地；为基于太空的商业和事业的开发建立基础；为有关太空的教学和研究提供真实的、详细的资料；为国际间的合作提供一个场所，促进世界和平。

欧洲航天局(European Space Agency)

1975年，欧洲太空研究所和欧洲运载火箭开发署合并组建了欧洲航天局，主要进行空间技术研究，简称ESA。ESA最早由法国、德国、意大利、西班牙、英国、比利时、丹麦、荷兰、瑞典和瑞士10个国家发起，后来爱尔兰、奥地利、挪威、芬兰和葡萄牙5也加入进来。另外，加拿大作为ESA的一个观察国进行合作。ESA的总部设在巴黎。ESA研发的太空实验室于1983年首次进入太空。ESA的主要营销公司是阿丽亚娜空间技术公司，其设计制造的阿丽亚娜号运载火箭于1983年首次发射成功。

从星球大战到“太空城市”

追根溯源，国际空间站实际上起源于美国著名的星球大战计划。里根执政期间，提出发展星球大战计划，同苏联相抗争，作为配套设施，计划建设自由号空间站。苏联解体后，俄罗斯已不再对美国构成昔日那种威胁。布什执政期间，星球大战计划搁浅，自由号空间站计划也被压缩，1993年克林顿上台后停止了自由号空间站的建设。

但是美国副总统戈尔却对建立空间站计划非常感兴趣。在戈尔的极力主张下，自由号空间站的计划设想从一国建造改为多国合作项目——阿尔法国际空间站。这是人类航天史上首次多国合作建造的最大空间站。国际空间站计划分3个阶段实施：

第一阶段是准备阶段，已于1994年-1997年完成。这一期间进行了多次载人航天活动，美国航天飞机与俄罗斯和平号空间站进行多次对接，将美、日、德、加等国的航天员送到和平号空间站上，训练他们在空间站生活和工作的能力。与此同时，航天员在和平号开展大量空间科学实验，获得微重力、生命科学、地球资源探测和轨道交汇与对接方面的知识和经验。

第二阶段是初期装配阶段。在这一阶段将把国际空间站的主体舱曙光号和连接舱发射到太空进行组装，空间站的核心部分服务舱将发射升空并同曙光号和团结号对接。这期间空间站将初具规模并可运载3人飞行。

在第三阶段，将把美国的居住舱、欧洲航天局和日本制造的实验舱送入太空，对接成功后将标志着国际空间站的最终建成，届时可以有7名航天员同时在太空工作。