□ 寄 聲

我國將于2011年下半年發(fā)射重約8噸、設計壽命2年的天宮一號，它既是用于與神舟八號、九號、十號對接的目標飛行器，又是1個簡易空間實驗室，為之后建造的天宮二號、三號空間實驗室作準備。那么，國外研制過空間實驗室嗎？

在國外載人航天的發(fā)展中，一般人只知道蘇聯(lián)和美國發(fā)射過質(zhì)量在20噸以上的空間站，其實，也研制過質(zhì)量較小的空間實驗室，但它比較特殊，必須搭乘航天飛機上天并隨航天飛機返回，所以這種由歐洲研制的空間實驗室不僅體積和質(zhì)量小，而且飛行時間短，可重復使用。它的名字就叫“空間實驗室”，先后22次上天。

該計劃是歐洲參加美國航天飛機計劃的主要項目，也是歐洲重要的載人航天計劃。為此，歐洲許多國家的科學家設計了大量的實驗項目，而且完成得也相當出色，成果十分引人注目。通過“空間實驗室”的研制和運行，歐空局各成員國獲得了許多有益的經(jīng)驗。

由 來

1972年，美國開始研制航天飛機后，由于大量經(jīng)費都集中到研制航天飛機上面去了，結(jié)果使許多有價值的空間科學技術(shù)研究計劃難以實施。不過，美國航宇局從以往航天技術(shù)發(fā)展得到的經(jīng)驗感覺到，開展空間科學研究和微重力實驗是未來發(fā)展的一個方向，因此應當研制能開展微重力實驗和加工的軌道設施，而美國航宇局又深感自己沒有這個精力，于是決定求助于歐洲盟友。

1972年～1973年，美國航宇局同歐洲空間研究組織（現(xiàn)叫歐空局）進行了多次接觸，希望歐洲能研制一種軌道實驗室，它可以作為航天飛機的1個載荷帶到軌道。這個實驗室能執(zhí)行各種空間科學和加工研究，所獲得的成果歐洲和美國共享。當時歐洲空間研究組織也在考慮制定未來的航天發(fā)展計劃，但感到缺乏進行空間科學技術(shù)研究的手段，因此也很愿意同美國進行這方面的合作。1973年7月，歐洲空間研究組織正式批準了這項合作計劃，這就是“空間實驗室”。

“空間實驗室”1號

把“空間實驗室”裝入航天飛機貨艙內(nèi)

航天員在機載“空間實驗室”工作

按照計劃，歐洲的“空間實驗室”是可重復使用的軌道實驗室，設計壽命為50次飛行任務或5年。其正常飛行任務是7天，但在設計上通過交換有效載荷的辦法增加消耗品和擴大動力組件，可以使執(zhí)行任務的時間延長到30天。在最初的飛行中，“空間實驗室”一直固定在航天飛機貨艙內(nèi)，但以后它應該可以釋放到軌道上成為一個自由飛行體，并由下一次航天飛機回收。然而，后者在實際飛行中沒有實施。

為了集中管理，歐洲空間研究組織指定西德主要負責“空間實驗室”的研制，并于1974年6月選定位于不萊梅的VFW-?？?ERNO公司為“空間實驗室”的主承包商。這個計劃由設在荷蘭的歐洲航天研究和技術(shù)中心統(tǒng)一管理。

“空間實驗室”頭幾次飛行的任務設計早在1976年就已完成，但由于美國航天飛機計劃一再拖延，“空間實驗室”的飛行也只能推遲。

歐空局在研制“空間實驗室”的同時，和美國航宇局向全球的科學家發(fā)出了提供研究項目參加“空間實驗室”實驗的邀請。結(jié)果到20世紀70年代末，共有2000多名科學家表示愿意參加“空間實驗室”的研究活動，并提出了自己的方案。美國航宇局和歐空局經(jīng)過認真篩選，挑出了來自15個國家的222名研究人員的試驗方案。這些科學家設計的項目由隨同“空間實驗室”飛行的有效載荷專家在軌進行，實驗結(jié)果隨后通報給方案的設計者。與此同時，美國航宇局也開始從來自歐洲、美國和其他國家的上萬名應征者中挑選和培訓有效載荷專家。訓練內(nèi)容包括零重力練習、操作與應急模擬、飛行計劃掌握以及空間飛行內(nèi)務管理等。

執(zhí)行STS-47任務的航天飛機貨艙內(nèi)的“空間實驗室”

“空間實驗室”2號打造完畢

設 計

“空間實驗室”飛行時搭載在航天飛機貨艙內(nèi)，航天員可在實驗室內(nèi)進行各種實驗，在飛行中，航天飛機軌道器為其提供生命保障。

為了節(jié)省資金，又能完成性質(zhì)全然不同的任務，“空間實驗室”采用了模塊化設計，可根據(jù)任務要求更換有效載荷。它主要由1個75立方米的增壓艙、1個或多個U形臺架（使材料和設備暴露在太空）以及1個質(zhì)量880千克的連接“空間實驗室”壓力艙和航天飛機軌道器的隧道組成。

“空間實驗室”的增壓艙又由核心艙和實驗艙2段構(gòu)成。核心艙直徑4.06米、長2.7米，內(nèi)部裝有生命保障系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理設備、支援系統(tǒng)和工作臺，外部設有光窗和觀察口。實驗艙的長度也是2.7米、直徑4.06米，內(nèi)部裝有各種科學儀器，其頂部設有氣閘通道，航天員可以通過這個通道進入開放的宇宙空間。核心艙可以單獨執(zhí)行飛行任務，而實驗艙則只能組合后執(zhí)行任務。通常為了方便起見，2段組合在一起的增壓艙叫長增壓艙，只有核心艙的增壓艙叫短增壓艙。

U形臺架每個長2.9米、寬4.06米，上面有18塊可安裝各種儀器的金屬板，按規(guī)定每個臺架上安裝儀器的總重量不得超過3噸。為了保證儀器的正常工作，臺架上還有一套供電系統(tǒng)，它與密封增壓艙之間有電纜相連，主要用于傳遞航天員發(fā)出的指令和臺架上各種儀器獲得的情報數(shù)據(jù)。臺架上安裝的往往都是可以暴露在空間的儀器，儀器的操作和控制由航天員在增壓艙或乘員艙內(nèi)遙控進行。

增壓艙和U形臺架的外型和尺寸都是按航天飛機載荷艙的大小嚴格選取的。根據(jù)飛行任務的不同，“空間實驗室”各艙段可有多種組合。比較典型的有長增壓艙、長增壓艙加2個U形臺架、短增壓艙加3個U形臺架、3個U形臺架和5個U形臺架等。由于航天飛機貨艙的限制以及返回時攜帶載荷的限制，“空間實驗室”的各種組合要求重量不得超過14.5噸，長度不得超過15米。如果在一次飛行任務中，“空間實驗室”單單由U形臺架組成，那么一些必須的而且不能暴露于空間的支援設備，如動力、實驗控制、數(shù)據(jù)處理及通信等設備必須裝在一個圓柱形的增壓艙室里，它的內(nèi)部具有環(huán)境控制設備。

“空間實驗室”之所以設計了2種艙段，原因是每次太空科學研究任務和方式大不相同。在增壓艙里一般只能進行生物醫(yī)學實驗，或那些不需要開放環(huán)境以及不怕有人干擾的項目。而U形臺架則是為大型儀器、需要暴露在空間的研究項目、要求不受妨礙或要求視野寬闊的設備設計的。這些設備包括望遠鏡、天線、輻射儀和雷達等?！翱臻g實驗室”最多可由5個U形臺架組成，上面安裝的儀器設備可以多達5.4噸。

首 飛

機載“空間實驗室”2號

美國航宇局同歐空局對“空間實驗室”的首次飛行給予了高度重視。除了安排大量實驗項目外，機組也配備了較強的陣容。

第1次乘航天飛機飛行的約翰·楊擔任了這次飛行的指令長，機組乘員達到6人，而有效載荷專家多達4人，其中包括歐空局選派的歐洲第1位航天飛機有效載荷專家——西德科學家烏爾夫·默伯爾德。在“空間實驗室”1號里，設計了來自14個國家提出的73項實驗。在飛行過程中，來自歐洲、美國、加拿大和日本的一些研究人員匯集在約翰遜航天中心，通過電視和直接通話來監(jiān)視和指導機上有效載荷專家的工作。

1983年11月28日上午11時，在航天飛機STS-9飛行中，“哥倫比亞”號將“空間實驗室”1號發(fā)射升空。這次飛行的軌道特點加之“空間實驗室”的獨特能力，使實驗室上觀測儀器能覆蓋63%以上的地球表面，占據(jù)全世界人口的90%。而美國“天空實驗室”創(chuàng)造的最高紀錄是覆蓋58%的地球表面。

“空間實驗室”完成的第1項實驗是李希滕伯格進行的失重對淋巴細胞的影響。11月29日，紅色小組進行了22項試驗，其中大多數(shù)是歐洲試驗，包括耳前庭實驗、失重下的重量判定、投影心電圖、X光譜學、帶電粒子引起的現(xiàn)象研究、宇宙線和大氣研究等。航天員作了旋轉(zhuǎn)、跳躍、翻滾、電震等平衡機制試驗，以了解失重狀態(tài)的航天運動病和平衡功能失調(diào)的原因。在做耳內(nèi)腔試驗時，李希滕伯格在一只耳朵里注入熱空氣，在另一只注入冷空氣以分析耳內(nèi)腔的特性，試驗證實了流體在耳內(nèi)半循環(huán)通道中的循環(huán)理論。

航天員在“空間實驗室”4號中

11月30日，有效載荷專家在進行法國的一項實驗時獲得重大成果，首次測得了80千米～100千米高的大氣層中氘的濃度，這是認識地球大氣的重要數(shù)據(jù)。這一天，航天員還利用日本試驗型電子槍在離航天飛機100米處進行了人造北極光試驗。12月2日，航天員用西德研制的米制照相機開始了對地拍照，獲得了1500張地球照片。在天文觀測方面，航天員利用X射線望遠鏡搜集了關(guān)于遙遠恒星的演化和死亡情況的資料。

吊裝“空間實驗室”3號

材料加工實驗是“空間實驗室”1號的重要項目。11月30日，默伯爾德首先開始了冶金試驗，在整個飛行期間試驗共計38項。航天員們利用專用設備生產(chǎn)出了全新的高強度輕合金——鋅鋁合金。這種合金可用作航空器和航天器的優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)材料；他們還得到了在地球上難以制造的晶體非金屬合金。航天員還利用流體物理艙進行了零重力條件下的流體特性實驗。這些實驗的目標是對晶體生長、流體物理和冶金學進行初步試驗，對新型設備進行驗證，為今后的工作積累數(shù)據(jù)。

“空間實驗室”1號在10天的飛行期間，全部科學研究與實驗項目進行得比較圓滿。此外，航天員們還進行了其他一些有政治意義的活動。12月5日，美國總統(tǒng)里根在華盛頓和當時正在希臘雅典參加首腦會議的西德總理科爾分別同“空間實驗室”1號的航天員開了個電話會議。

隨“哥倫比亞”號航天飛機執(zhí)行STS-73任務的“微重力科學實驗室”

“空間實驗室D1”內(nèi)的航天員

成 果

不知什么原因，“空間實驗室”3號先于“空間實驗室”2號于1985年4月29日乘“挑戰(zhàn)者”號進入軌道。這次飛行有7名航天員，其中2名是有效載荷專家（包括美籍華裔科學家王贛駿）?！翱臻g實驗室”3號上除裝有各種儀器外，還安裝了價值1000萬美元的零重力動物籠子，里面裝有研究用的2只鼠猴和24只老鼠。7名航天員在“空間實驗室”3號上進行4大類15項科學實驗，內(nèi)容涉及材料科學實驗、流體力學實驗、生命科學實驗和大氣及天文觀測。

“空間實驗室”3號完成的主要實驗項目有：①在流體中生成晶體。②從蒸汽生成晶體。③碘化汞晶體生成。④液滴動力學實驗（這是王贛駿設計的實驗）。實驗儀器是噴氣推進實驗室研制的價值350萬美元的液滴動力學箱。這項實驗是研究在零重力下用聲波操縱液滴的能力。利用這個研究結(jié)果，可以探索發(fā)展無容器處理技術(shù)、改善冶金和化學過程處理法。液滴研究對于大氣物理、氣象學、材料科學和天體物理學都具有很大價值，有上百家公司表示對這項實驗送回的數(shù)據(jù)感興趣。⑤地球物理流體流動實驗。⑥大氣化學。⑦極光觀測。⑧動物訓養(yǎng)實驗。⑨生命科學試驗。

1985年7月29日至8月6日，“挑戰(zhàn)者”號航天飛機將“空間實驗室”2號送入太空。這次飛行的主要任務是研究太陽、探測地球高層大氣和尋找有關(guān)黑洞的證據(jù)。“空間實驗室”2號上裝備了大量來自德國、英國、法國和美國的科學儀器。

航天員利用這些儀器進行的探測和研究活動有：觀測了太陽大氣中磁場的強度、結(jié)構(gòu)和演變；測量了太陽中氦的分布量、紫外線放射，以獲得日冕氣體的溫度、密度和成分的數(shù)據(jù)；研究了太陽色球?qū)?、日冕和它們之間的過渡區(qū)；測量了太陽放出的紫外線總通量的短期和長期變化；研究了自然等離子體和軌道器感應的等離子體的變化過程以及射束等離子體物理學；進行了飛行器電荷電位實驗；利用軌道器推進裝置多次點火排出的水蒸氣引起電離層穿孔，以獲得等離子體溫度變化及對無線電波的影響；用4架望遠鏡詳細觀測了太陽表面劇烈的爆發(fā)效應；用X射線望遠鏡來成像和研究星系團的X射線源，以確定引起高溫的原因和星系團的重量；用紅外望遠鏡測量和繪制紅外天體圖；觀測了銀河系中的大塵云；研究了零重力下超流體氦的特性，以了解常態(tài)液氦和超流態(tài)氦的區(qū)別。

值得一提的是西德，它除參加歐空局的“空間實驗室”計劃外，還制定了自己的“空間實驗室”計劃，這就是“空間實驗室D”系列?！翱臻g實驗室D”在軌運行期間的實驗活動由西德空間操作中心指揮。這些活動既能驗證西德實時控制載人空間飛行的有效載荷能力，也可以考察西德與美國航宇局控制中心的通信能力。

1985年10月30日，航天飛機在進行第22次飛行時將“空間實驗室D1”送入軌道?！翱臻g實驗室D1”由改進的長增壓艙加1個U形臺架組成，航天員進行了76項科學實驗，完成75項。實驗內(nèi)容涉及冶金、玻璃和陶瓷制造、晶體生長、醫(yī)學生物學研究、人體生理、導航和通信等。在這次飛行中，航天員還從“空間實驗室D1”里成功地釋放了1顆小型衛(wèi)星。

從1983年～1998年，“空間實驗室”隨航天飛機共進行了22次飛行（壓力艙累計太空飛行244天）。其主要有效載荷包括：天體物理實驗室、大氣應用和科學實驗室、生命科學實驗室、國際微重力實驗室、微重力科學實驗室、美國微重力實驗室和神經(jīng)科學實驗室。

通過“空間實驗室”的研制和運行，歐空局各成員國不僅獲得了許多有益的經(jīng)驗，其取得的不少技術(shù)成果后來也用于國際空間站上的歐洲“哥倫布”號實驗艙上。可以相信，我國的空間實驗室的許多成果也將在其后建造的空間站中發(fā)揮作用。

于1998年隨“哥倫比亞”號航天飛機執(zhí)行STS-90任務的“神經(jīng)科學實驗室”