范嵬娜（北京空間科技信息研究所）

□□“國(guó)際空間站”是一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)，它由電源系統(tǒng)（EPS），熱控系統(tǒng)（T C S），通信與跟蹤系統(tǒng)（C&T S），制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制（GNC）系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)（S&M）系統(tǒng)，環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)（ECLSS），指令與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（C&DH），機(jī)器人系統(tǒng)（RS），飛行乘員系統(tǒng)（FCS），有效載荷系統(tǒng)（PL）10個(gè)系統(tǒng)組成。這些系統(tǒng)為航天員在站上進(jìn)行科學(xué)研究提供了安全、舒適、可居住的環(huán)境，保障站上有效載荷、硬件、軟件和乘員設(shè)施的正常運(yùn)行。

1 電源系統(tǒng)

“國(guó)際空間站”的電源系統(tǒng)采用太陽(yáng)能發(fā)電方式。站上有2個(gè)互連系統(tǒng)，即美國(guó)艙段的124V系統(tǒng)和俄羅斯艙段的28V系統(tǒng)，2個(gè)系統(tǒng)通常狀態(tài)下是相互獨(dú)立的，但通過(guò)直流變換器互連后可允許電力雙向傳輸。

美國(guó)艙段電源系統(tǒng)是一種分配電源系統(tǒng)，即在局部區(qū)域（光伏太陽(yáng)電池陣）產(chǎn)生電源，然后分配給各個(gè)艙使用。它分為3個(gè)分系統(tǒng)：一次電源系統(tǒng)、二次電源系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。美國(guó)艙段使用光伏電池模塊（PVM）產(chǎn)生和貯存一次電源，一次電源被轉(zhuǎn)換成二次電源，通過(guò)轉(zhuǎn)換器，二次電源分出眾多路徑輸送到“國(guó)際空間站”獨(dú)立的電源用戶(hù)。光電模塊是增大一次電源生產(chǎn)能力的獨(dú)立發(fā)電廠。而二次電源系統(tǒng)是集成到“國(guó)際空間站”的桁架、艙段和設(shè)備機(jī)柜內(nèi)的本地電網(wǎng)。輔助分系統(tǒng)包括熱控、接地和指令與控制。

俄羅斯艙段電源系統(tǒng)采用本地化體系結(jié)構(gòu)，曙光號(hào)多功能貨艙和星辰號(hào)服務(wù)艙都具有獨(dú)立的電源系統(tǒng)，產(chǎn)生、存儲(chǔ)和消耗各自的電能。

電源系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下。

（1）供電功率

站上總功率：110kW；平均功率：30kW；最小連續(xù)功率：26kW。

（2）電壓體制

美國(guó)艙段：一次電源160V，二次電源124V；俄羅斯艙段：28V。

（3）太陽(yáng)電池翼

總數(shù)量為8個(gè)（4對(duì)）；尺寸：完全展開(kāi)時(shí)，每個(gè)長(zhǎng)35m，寬12m；完全收縮時(shí)，每個(gè)長(zhǎng)4.57m，高51cm；每個(gè)功率為32.8kW；總面積約3000m2。

每個(gè)電池翼包括2塊可伸縮的太陽(yáng)電池板，中間由展開(kāi)桿連接；每個(gè)電池翼包括32800塊太陽(yáng)電池，每塊8cm×8cm；每個(gè)電池翼包括164個(gè)有源板（電池串），每個(gè)有源板包括200個(gè)太陽(yáng)電池和4100個(gè)二極管。

（4）萬(wàn)向節(jié)

太陽(yáng)電池翼裝有2個(gè)太陽(yáng)阿爾法旋轉(zhuǎn)節(jié)（SARJ）：它們是空間站主萬(wàn)向節(jié)，由于持續(xù)旋轉(zhuǎn)保證電池陣指向太陽(yáng)；裝有8個(gè)貝它萬(wàn)向節(jié)組件（BGA）：它們是單軸萬(wàn)向節(jié)，可連續(xù)360°旋轉(zhuǎn)，用于調(diào)整角度；精度為±0.005°。

（5）鎳氫電池組件

太陽(yáng)阿爾法旋轉(zhuǎn)節(jié)結(jié)構(gòu)圖

每個(gè)鎳氫電池組件包括38個(gè)輕型鎳氫電池，每個(gè)組件的容量為81A?h。可充電鎳氫電池用于沒(méi)有太陽(yáng)光照射時(shí)的空間站電源供應(yīng)；每90min工作35min；工作壽命6.5年。在日照區(qū)，電池由發(fā)電系統(tǒng)充電，在陰影區(qū)電池放電。在用電高峰或發(fā)電系統(tǒng)故障時(shí)，電池組也可提供電源。在正常供電情況下，電池組僅按30%的放電深度設(shè)計(jì)。

2 熱控系統(tǒng)

“國(guó)際空間站”上的熱控系統(tǒng)由被動(dòng)熱控系統(tǒng)和主動(dòng)熱控系統(tǒng)組成。美國(guó)與俄羅斯艙段熱控分別進(jìn)行控制。

被動(dòng)熱控系統(tǒng)利用多層隔熱組件、熱控涂層、加熱器、熱管等元器件，以及選擇空間運(yùn)行姿態(tài)的辦法來(lái)維持各結(jié)構(gòu)體和軌道可更換單元所需的溫度范圍。

在工作環(huán)境或熱載荷超出了被動(dòng)熱控系統(tǒng)的熱控能力時(shí)，需要采用主動(dòng)熱控系統(tǒng)。在閉合回路中，主動(dòng)熱控系統(tǒng)通過(guò)使用機(jī)械泵提供動(dòng)力的流體來(lái)執(zhí)行熱量收集、熱量傳遞和散熱3種功能。

美國(guó)艙段的主動(dòng)熱控系統(tǒng)由艙內(nèi)系統(tǒng)和外部系統(tǒng)組成，艙內(nèi)系統(tǒng)用于收集設(shè)備產(chǎn)生的熱量，外部系統(tǒng)負(fù)責(zé)將這些熱量排放到空間中去。內(nèi)部主動(dòng)熱控系統(tǒng)在各個(gè)加壓艙中設(shè)置若干相互獨(dú)立的單相水回路，采用水作為工作流體，因?yàn)樗雀咝в职踩?；外部熱控采用以泵?qū)動(dòng)的單相無(wú)水氨回路，各艙段收集的熱量傳輸?shù)椒謩e安裝在S1、P1桁架段處2組展開(kāi)的散熱器，并向外空間散熱。光電模塊主動(dòng)熱控系統(tǒng)采用獨(dú)立的單相氨回路。

俄羅斯艙段的熱控系統(tǒng)大體沿用和平號(hào)空間站的熱控模式，即主要依靠各艙的液體回路實(shí)現(xiàn)各自的熱量傳輸，以及各艙壁散熱器表面排散廢熱。內(nèi)回路以乙二醇-水為工質(zhì)，外回路以有機(jī)硅液為工質(zhì)，設(shè)有2套并聯(lián)互為備份的艙內(nèi)主冷卻回路。每套內(nèi)回路均有冷凝干燥換熱器、可更換的泵組單元、流量調(diào)節(jié)閥和熱管式艙壁恒溫加熱器。對(duì)高熱負(fù)荷設(shè)備還采取冷卻板散熱措施。各艙段的熱控單元既可獨(dú)立運(yùn)行，又能適當(dāng)聯(lián)合。

“國(guó)際空間站”熱控系統(tǒng)

熱控系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下。

（1）溫度控制范圍

“國(guó)際空間站”壁面溫度：16.7～45℃，空氣溫度：18～27℃；

美國(guó)艙段內(nèi)部主動(dòng)熱控系統(tǒng)包含2個(gè)單相水回路：低溫回路和中溫回路。低溫回路工作溫度4℃，用于生保系統(tǒng)艙的空氣循環(huán)熱交換器的熱量排放；中溫回路工作溫度17℃，主要用于冷卻安裝在不同冷卻板上的電子設(shè)備（表面溫度為35℃時(shí)，冷卻板的冷卻能力大于620W）。

俄羅斯艙段：18～28℃。

（2）最大熱負(fù)載

“國(guó)際空間站”總的熱負(fù)載：140.5kW，其中美國(guó)102kW，俄羅斯38.5kW。

（3）多層隔熱組件

它由中間帶有滌綸網(wǎng)（用于絕緣）的20層雙鍍鋁聚酯薄膜（DAM）組成，密度約1.2kg/m2，平均有效輻射率是0.035，鋁覆蓋外層。

（4）表面涂層

采用作陽(yáng)極化處理的涂層與油漆。

3 通信與跟蹤系統(tǒng)

“國(guó)際空間站”通信與跟蹤系統(tǒng)

通信與跟蹤系統(tǒng)關(guān)系到“國(guó)際空間站”穩(wěn)定運(yùn)行所要求的安全性和可靠性，以及空間站上科學(xué)研究數(shù)據(jù)的獲取?！皣?guó)際空間站”通信與跟蹤系統(tǒng)任務(wù)包括：

? 提供“國(guó)際空間站”上航天員間的雙向話(huà)音和視頻通信，包括艙外活動(dòng)；

? 提供“國(guó)際空間站”與休斯敦任務(wù)控制中心（MCC-H）的飛行控制組以及與地面的有效載荷專(zhuān)家間的雙向話(huà)音、視頻通信和文件傳輸；

? 提供“國(guó)際空間站”與有效載荷操作中心（POIC）的單向通信；

? 接收休斯敦任務(wù)控制中心和軌道器發(fā)送的指令，通過(guò)飛行控制器操控“國(guó)際空間站”；

? 向休斯敦任務(wù)控制中心和有效載荷操作中心發(fā)送系統(tǒng)和有效載荷的遙測(cè)數(shù)據(jù)。

通信和跟蹤系統(tǒng)包括6個(gè)分系統(tǒng)：①內(nèi)部話(huà)音分系統(tǒng)，用于“國(guó)際空間站”上內(nèi)部的話(huà)音通信，具有與外部連接的接口；②S頻段分系統(tǒng)，用于傳輸話(huà)音、指令、遙測(cè)和文件數(shù)據(jù)；③超高頻分系統(tǒng)，用于艙外活動(dòng)和接近操作；④視頻傳輸分系統(tǒng)，用于“國(guó)際空間站”上內(nèi)部的視頻通信，也與外部連有接口；⑤Ku頻段分系統(tǒng)，用于有效載荷數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)的下行鏈路以及雙向文件傳輸業(yè)務(wù)；⑥早期通信分系統(tǒng)。6個(gè)分系統(tǒng)協(xié)同工作，提供“國(guó)際空間站”各項(xiàng)任務(wù)所需的通信業(yè)務(wù)。

通信和跟蹤系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下。

各分系統(tǒng)間通過(guò)1553B總線通信。

1）S頻段：2.025～2.2110GHz下行鏈路；2.2～2.29GHz上行鏈路；由2套完全相同的線路組成（S1桁架和P1桁架上），2套設(shè)備互為備份。

2）Ku頻段：10.7～12.2GHz下行鏈路；14～14.5GHz上行鏈路；提供3Mbit/s的前向鏈路碼速率；包括1套線路（Z1桁架上）；覆蓋率約70%。

3）俄羅斯艙段誤碼率：指令誤碼率小于10-6；遙測(cè)誤碼率小于10-3。

4 制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)

制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是在空間站的整個(gè)飛行任務(wù)期間，維持空間站在各種工作模式下的正常運(yùn)行以及與其他航天器或艙段進(jìn)行交會(huì)、?？?、對(duì)接和分離操作所要求的全部制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制任務(wù)。制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)支持6大功能：制導(dǎo)、狀態(tài)測(cè)量、姿態(tài)測(cè)量、指向和支持、位移控制以及姿態(tài)控制。

“國(guó)際空間站”通信與跟蹤系統(tǒng)

“國(guó)際空間站”有2個(gè)獨(dú)立的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)：俄羅斯艙段運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（MCS）和美國(guó)艙段的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)。2個(gè)系統(tǒng)互為備份，提高了任務(wù)的安全性。但只有俄羅斯艙段有推進(jìn)功能，只有美國(guó)艙段有指向和支持功能。

制導(dǎo)功能主要由俄羅斯艙段提供，指導(dǎo)空間站選擇最佳行進(jìn)路徑，美國(guó)艙段制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)也為“國(guó)際空間站”提供一些制導(dǎo)規(guī)劃支持。

導(dǎo)航包括狀態(tài)測(cè)量、姿態(tài)測(cè)量、指向和支持三大功能。它主要依賴(lài)于美國(guó)GPS的數(shù)據(jù)來(lái)確定“國(guó)際空間站”的位置、速度和姿態(tài)，美國(guó)2套“速率陀螺組件”也會(huì)產(chǎn)生一些姿態(tài)數(shù)據(jù)，作為GPS數(shù)據(jù)的補(bǔ)充。而俄羅斯GLONASS為俄羅斯運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。俄羅斯也通過(guò)使用跟蹤恒星、太陽(yáng)及測(cè)量地平線的傳統(tǒng)方法來(lái)確定“國(guó)際空間站”姿態(tài)。

控制包括位移控制（軌道提升）以及姿態(tài)控制（保持“國(guó)際空間站”方位）。它用于軌道提升的再推進(jìn)，主要通過(guò)對(duì)接在“國(guó)際空間站”上的俄羅斯進(jìn)步號(hào)系列飛船和歐洲的“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”主發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火完成，再推進(jìn)指令由莫斯科任務(wù)控制中心控制。姿態(tài)控制主要是控制空間站的旋轉(zhuǎn)，主要方法是使用安裝在Z1桁架上的控制力矩陀螺（CMG）。當(dāng)干擾力矩超出控制力矩陀螺能力即控制力矩陀螺出現(xiàn)飽和狀態(tài)后，將啟動(dòng)俄羅斯的推力器進(jìn)行姿態(tài)控制。

“國(guó)際空間站”導(dǎo)航定位體系

制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下。

（1）姿態(tài)控制

它能夠在控制力矩陀螺控制下進(jìn)行當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)（LVLH）的姿態(tài)保持；可在反作用控制系統(tǒng)（反作用控制系統(tǒng)）控制下進(jìn)行瞬時(shí)姿態(tài)機(jī)動(dòng)；姿態(tài)指向精度：±0.1°/軸；在靜態(tài)條件下姿態(tài)與姿態(tài)速率的穩(wěn)定度為：每軸姿態(tài)±0.1°；每軸姿態(tài)速率±0.02（°）/s。

（2）控制力矩陀螺

數(shù)量：4個(gè)；質(zhì)量：300kg（每個(gè)）；自由度：2；每個(gè)控制力矩陀螺包括1個(gè)不銹鋼飛輪：質(zhì)量100kg，旋轉(zhuǎn)速度6600r/min，產(chǎn)生角動(dòng)量4880N·m/s，產(chǎn)生257N·m的轉(zhuǎn)矩。

（3）24臺(tái)反作用推力器的反作用控制系統(tǒng)（RCS）

反作用控制系統(tǒng)為“國(guó)際空間站”的軌道保持、粗略/瞬間穩(wěn)定操作及避碰等提供控制，并作為控制力矩陀螺控制系統(tǒng)的補(bǔ)充備份。噴氣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)裝置均按模塊化設(shè)計(jì)，便于維護(hù)與更換。

5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)

“國(guó)際空間站”的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)用來(lái)保護(hù)航天員在極為惡劣的太空環(huán)境下生存。機(jī)構(gòu)的作用則是將各個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)連接在一起，或是臨時(shí)固定各項(xiàng)載荷設(shè)備。

“國(guó)際空間站”上的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為加壓艙和桁架兩類(lèi)。

加壓艙包容著航天員進(jìn)行工作和生活的大氣環(huán)境。它又可分為主要結(jié)構(gòu)和次要結(jié)構(gòu)兩部分。其主要結(jié)構(gòu)部分由1個(gè)環(huán)狀機(jī)構(gòu)和1個(gè)縱梁加固壓力殼組成。環(huán)狀機(jī)構(gòu)用來(lái)承受載荷并固定縱梁和殼層?？v梁用來(lái)增強(qiáng)殼體的剛度，從而增強(qiáng)整個(gè)艙體的負(fù)載能力。其次要結(jié)構(gòu)的主要功能是幫助航天員和載荷的正常工作、支持相關(guān)設(shè)備以及防護(hù)空間碎片。次要結(jié)構(gòu)相對(duì)于主要結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)既包括艙內(nèi)部分又包括艙外部分，例如支架和機(jī)柜都是艙內(nèi)的次要結(jié)構(gòu)。艙外的次要結(jié)構(gòu)包括航天員艙外機(jī)動(dòng)輔助裝置、緊固裝置、護(hù)窗板和微流星體/空間碎片防護(hù)裝置。

桁架相當(dāng)于“國(guó)際空間站”的脊柱，用于固定空間站的各部分組件。桁架中還包括電線和冷卻管、機(jī)動(dòng)運(yùn)輸軌以及諸如連結(jié)點(diǎn)之類(lèi)的機(jī)械系統(tǒng)?！皣?guó)際空間站”的桁架包含兩種桁架技術(shù)：綜合桁架結(jié)構(gòu)（ITS）和俄羅斯的科學(xué)動(dòng)力平臺(tái)（SPP）。前者由10個(gè)鋁質(zhì)單件組成，組裝完成后長(zhǎng)達(dá)100m。已取消的后者原計(jì)劃位于星辰號(hào)服務(wù)艙的頂端，高8m，由俄羅斯建造。

機(jī)構(gòu)用來(lái)連接“國(guó)際空間站”上的各個(gè)組件、對(duì)接飛船或是對(duì)一些載荷進(jìn)行臨時(shí)的固定。大部分機(jī)構(gòu)都是一次性的，而那些用來(lái)連接對(duì)接飛船和用作臨時(shí)固定的機(jī)構(gòu)則能多次重復(fù)使用。例如通用對(duì)接機(jī)構(gòu)（CBM）、實(shí)驗(yàn)支架裝置（LCA）、段-段固定裝置（SSAS）和異體同構(gòu)周邊對(duì)接機(jī)構(gòu)（APAS）。通用對(duì)接機(jī)構(gòu)用來(lái)將2個(gè)加壓艙對(duì)接在一起（美國(guó)部分），分為主動(dòng)部分和被動(dòng)部分：主動(dòng)部分包括環(huán)形結(jié)構(gòu)、捕獲鎖、對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)向件、電動(dòng)螺栓和控制器面板，被動(dòng)部分包括環(huán)形結(jié)構(gòu)、捕獲鎖、對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)向件和螺母。實(shí)驗(yàn)支架裝置的作用是在“國(guó)際空間站”組建過(guò)程中固定桁架S0。綜合桁架結(jié)構(gòu)各段是通過(guò)段-段固定裝置連接在一起的，尤其是S3、S4、S1、S0、P1和 P3、P4。S5、S、P5和P6段則是由航天員在艙外組裝的。異體同構(gòu)周邊對(duì)接機(jī)構(gòu)有兩個(gè)功能：一是用來(lái)對(duì)接飛船和航天飛機(jī)，另外是將曙光號(hào)多功能貨艙固定在加壓匹配適配器－1（PMA－1）上。

“國(guó)際空間站”現(xiàn)有密封艙組裝順序及性能指標(biāo)

6 環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)

環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)為航天員提供了一個(gè)工作和生活的安全居住環(huán)境，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的中心是如何利用最新的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)“國(guó)際空間站”上資源消耗的最小化。其能力由美國(guó)和俄羅斯的生命保障設(shè)備聯(lián)合提供。

環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和功能分為5個(gè)分系統(tǒng)。

1）大氣再生分系統(tǒng)（AR）主要控制人體代謝產(chǎn)生的二氧化碳和大氣中的痕量污染物，通過(guò)再生方法提供人體與其他生物呼吸所需要的氧，檢測(cè)站內(nèi)大氣的主要組成成分（包括二氧化碳、氧、氮、氫、甲烷和水蒸氣），并控制大氣中的微粒和微生物。

2）溫濕度控制分系統(tǒng)（THC）主要控制載人艙的溫度與濕度，通過(guò)空氣冷卻產(chǎn)熱的儀器設(shè)備，為使航天員舒適和維持站內(nèi)大氣的二氧化碳、氧及痕量污染物的整體水平控制進(jìn)行艙內(nèi)與艙間的通風(fēng)。

3）大氣控制與供給分系統(tǒng)（ACS）在常壓和在氣閘艙70kPa氣壓條件下，控制大氣的總壓與氧分壓，座艙大氣的升壓和降壓，總壓和氣壓升降率的監(jiān)測(cè)，進(jìn)行艙段間的氣壓平衡，提供儲(chǔ)存的氮和氧。

4）水再生與管理分系統(tǒng)（WRM）提供飲用水和衛(wèi)生用水，廢水和尿中水的收集、再生與處理。

5）火情檢測(cè)與滅火分系統(tǒng)（FDS）主要功能為火煙檢測(cè)和滅火。

萊昂納多號(hào)永久性多功能艙

環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下。

（1）俄羅斯艙段

? 居住艙總壓：97.622～102.41kPa，最小93.1kPa；

? 氧分壓：19.418～23.674kPa，最大體積濃度24.8%；

? 二氧化碳分壓：0.798kPa（最大）；

? 氮?dú)鈮毫Γ?9.8kPa；

? 空氣溫度：18～28℃；

? 空氣循環(huán)率：0.1～0.4m/s；

? 噪音水平：60dB（最大）；

? 空氣漏率：0.02千克/天；

? 相對(duì)濕度：30%～70%；

? 露點(diǎn)溫度：4.4～15.6℃；

? 電解制氧裝置能夠滿(mǎn)足3～4人/天的耗氧量，功耗約1kW；

? 水供應(yīng)系統(tǒng)為每位乘員每天提供2～5L個(gè)人衛(wèi)生用水。

（2）美國(guó)艙段

? 大氣壓力：101025Pa（21%氧氣、78%氮?dú)猓?，大氣總壓范?7.9～102.7kPa；

? 氮?dú)庋a(bǔ)加量不小于0.1kg/min，標(biāo)準(zhǔn)壓力517～827kPa，最大壓力不大于1379kPa；

? 氧分壓：20.7kPa＜氧分壓≤50.6kPa；

? 二氧化碳控制：濃度小于0.7%；

? 空氣溫度：18～27℃；

? 相對(duì)濕度：25%～70%；

? 露點(diǎn)溫度：4.6～15.5℃；

? 溫濕度控制的設(shè)計(jì)要求：熱清除能力3.5kW；通風(fēng)流量分別為194L/s（美國(guó)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)）、142L/s（節(jié)點(diǎn)1號(hào)艙）、66L/s（艙之間）；溫度控制范圍為18.3～26.7℃；

? 航天員能量代謝指標(biāo)：艙內(nèi)活動(dòng)時(shí)期每人每天11.51×106J。

7 指令與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

“國(guó)際空間站”有各種計(jì)算機(jī)100多臺(tái)，主要用于收集來(lái)自站上各系統(tǒng)和有效載荷的數(shù)據(jù)，并利用各種軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將指令分配給相應(yīng)的設(shè)備。指令與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)有3個(gè)主要功能：提供相應(yīng)的軟件和硬件計(jì)算資源，用于支持“國(guó)際空間站”核心系統(tǒng)的指揮與控制，支持“國(guó)際空間站”上的科研項(xiàng)目，并可為乘員和地面運(yùn)營(yíng)提供服務(wù)；提供指令與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)內(nèi)部的時(shí)間基準(zhǔn)并提供給其他系統(tǒng)；還支持其他系統(tǒng)的功能。

“國(guó)際空間站”的指令與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由美國(guó)指令與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、俄羅斯站上組合體控制系統(tǒng)（OCCS）、加拿大計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、日本數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和歐洲數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成。

“國(guó)際空間站”上的俄羅斯曙光號(hào)多功能貨艙和星辰號(hào)服務(wù)艙

美國(guó)指令與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提供站級(jí)控制軟件，用于保證站內(nèi)各部分協(xié)同工作。在整個(gè)空間站上安裝了不同類(lèi)型的乘員接口計(jì)算機(jī)，空間站上所有的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都有警告與預(yù)警能力，各國(guó)都在其部分內(nèi)有許多數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)總線。在各國(guó)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間由多段數(shù)據(jù)總線進(jìn)行連接，用于保證站級(jí)控制軟件、乘員接口計(jì)算機(jī)輸入、警告與預(yù)警系統(tǒng)信息、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)以及相關(guān)的總線在站內(nèi)協(xié)同工作。

“國(guó)際空間站”站級(jí)控制軟件包括7種控制模式：標(biāo)準(zhǔn)、微重力、再推進(jìn)、接近操作、外部操作、生存和保證乘員安全返回。乘員接口計(jì)算機(jī)有7種類(lèi)型，警告與預(yù)警功能分4級(jí)。

美國(guó)指令與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分為3層。最低的第三層是用戶(hù)層，接收傳感器或效應(yīng)器的數(shù)據(jù)；中間的第二層是局域?qū)?，使用系統(tǒng)專(zhuān)用軟件；最高的第一層是控制層，使用站級(jí)控制軟件。傳感器的數(shù)據(jù)自下層上傳，指令自上層下傳至效應(yīng)器。

指令與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的硬件主要是多路調(diào)制/解調(diào)器（MDM）、總線和載荷網(wǎng)部件。“國(guó)際空間站”的多路調(diào)制/解調(diào)器是一個(gè)多路調(diào)制/解調(diào)器和一個(gè)計(jì)算機(jī)處理器的結(jié)合，它的主卡是80386SX。多路調(diào)制/解調(diào)器訪問(wèn)的數(shù)據(jù)與指令的交換通過(guò)l553B 總線，它由兩股雙絞屏蔽的銅線組成，雖然數(shù)據(jù)傳遞的速度較慢，只有1Mbit/s，但被證明在空間非?？煽?。有效載荷網(wǎng)部件包括載荷多路調(diào)制/解調(diào)器、載荷1553B總線、自動(dòng)載荷開(kāi)關(guān)、載荷以太中樞通路和附加以太光纖載荷網(wǎng)。

“國(guó)際空間站”站級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

俄羅斯組合體控制系統(tǒng)和美國(guó)指令與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)是非常類(lèi)似的，都可以分為3層，但俄羅斯艙段在名稱(chēng)上沒(méi)有使用“層”。俄羅斯組合體控制系統(tǒng)采用自給自足、基于曙光號(hào)多功能貨艙和星辰號(hào)服務(wù)艙的體系結(jié)構(gòu)?；谂摰挠?jì)算機(jī)系統(tǒng)與中心計(jì)算機(jī)連接。美國(guó)和俄羅斯系統(tǒng)都有冗余設(shè)計(jì)，俄羅斯組合體控制系統(tǒng)比美國(guó)指令與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的冗余度更高。美國(guó)和俄羅斯系統(tǒng)通過(guò)幾條1553B多段數(shù)據(jù)總線連接，互相交換系統(tǒng)健康和狀態(tài)信息、模式指令及詳細(xì)的制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制數(shù)據(jù)。

8 機(jī)器人系統(tǒng)

“國(guó)際空間站”上的機(jī)器人系統(tǒng)用于空間站大型構(gòu)件的轉(zhuǎn)運(yùn)與組裝，協(xié)助航天員完成空間站上的設(shè)備維護(hù)、修理和更換，支持航天員艙外活動(dòng)和有效載荷的操作與管理。

“國(guó)際空間站” 的機(jī)器人系統(tǒng)包括加拿大航天局研制的“移動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)”（MSS）、日本希望號(hào)實(shí)驗(yàn)艙上的“遙操作系統(tǒng)”（RMS）和歐洲航天局研制的安裝在俄羅斯艙體上的“歐洲機(jī)械臂”（ERA）和俄羅斯自行研制的機(jī)械手設(shè)備。

“移動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)”包括5個(gè)分系統(tǒng)：空間站遙操作系統(tǒng)（SSRMS）、專(zhuān)用靈巧機(jī)械手（SPDM）、移動(dòng)基座系統(tǒng)（MDS）、移動(dòng)搬運(yùn)器（MT）和機(jī)器人工作站（RWS）等組成，其中后兩項(xiàng)為美國(guó)研制。

日本實(shí)驗(yàn)艙上安裝的“遙操作系統(tǒng)”。它由主機(jī)械臂（MA）和小型精密機(jī)械臂（SFA）和控制柜組成。他們相互配合，用于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和物資的轉(zhuǎn)移和安裝、空間微重力環(huán)境的材料加工、高能輻射探測(cè)等任務(wù)。

“歐洲機(jī)械臂”主要用于“國(guó)際空間站”俄羅斯部分的部件的裝配、維修和艙外服務(wù)，并可對(duì)航天員的艙外活動(dòng)提供支持。

機(jī)器人系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下。

（1）加拿大“移動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)”

空間站遙操作系統(tǒng)全長(zhǎng)1 7.6 m，總質(zhì)量1800kg，機(jī)械臂包絡(luò)直徑350mm，7自由度，峰值功耗2kW，平均功耗435W。臂的兩端各安裝一個(gè)末端操作器?？墒箼C(jī)械臂以任何一端附著在空間結(jié)構(gòu)上作為支撐點(diǎn)，工作半徑14.44m，端點(diǎn)位置精度45mm，空載最大移動(dòng)速度37cm/s，滿(mǎn)載移動(dòng)速度1.2cm/s，最大負(fù)載116t。轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的最小輸出力矩：1044N·m（驅(qū)動(dòng)模式）；1630N·m（制動(dòng)模式）。

專(zhuān)用靈巧機(jī)械手具有精確和靈活的操作功能，重復(fù)精度達(dá)1.25mm。高3.67m，寬（肩寬）2.37m，每個(gè)手臂長(zhǎng)3.35m，質(zhì)量約1560kg，操縱能力600kg，定位精度0.002m，測(cè)力精度2.2N，平均運(yùn)行功率1.4kW。

移動(dòng)基座系統(tǒng)是空間站遙操作系統(tǒng)的基座，專(zhuān)用靈巧機(jī)械手在非工作狀態(tài)時(shí)也固定在基座上。移動(dòng)基座系統(tǒng)安裝在移動(dòng)搬運(yùn)器上，依靠后者在軌道上移動(dòng)。2臺(tái)機(jī)器人工作站是系統(tǒng)的控制部分，分別安裝在美國(guó)實(shí)驗(yàn)艙和瞭望號(hào)觀測(cè)艙中。后者可提供航天員對(duì)機(jī)器人操作的觀察和監(jiān)視。

（2）日本“遙操作系統(tǒng)”

日本“遙操作系統(tǒng)”主機(jī)械臂長(zhǎng)9.71m，由6個(gè)關(guān)節(jié)、3個(gè)臂、1個(gè)末端操作器、1個(gè)基座和2個(gè)視覺(jué)裝置組成，質(zhì)量375.5kg。端點(diǎn)力70N，端點(diǎn)力矩彎曲140N?m、扭轉(zhuǎn)200N?m。端點(diǎn)速度空載45cm/s，滿(mǎn)載4.5cm/s，最大負(fù)載7000kg，定位精度±50mm。它主要用于處理較大的載荷。它的頂端安裝有小型精密機(jī)械臂。小型精密機(jī)械臂由6個(gè)關(guān)節(jié)、2個(gè)臂、1個(gè)末端操作器、1個(gè)力矩傳感器和1個(gè)電視攝像裝置組成。長(zhǎng)1.6m，質(zhì)量85.5kg。端點(diǎn)力30N，端點(diǎn)力矩彎曲與扭轉(zhuǎn)均為4.5 N?m。端點(diǎn)速度空載49cm/s，滿(mǎn)載4.9cm/s，最大負(fù)載700kg，定位精度±10mm。

（3）“歐洲機(jī)械臂”

“歐洲機(jī)械臂”總長(zhǎng)11.3m，有效長(zhǎng)度9.7m，質(zhì)量650kg，具有7自由度（1個(gè)軸關(guān)節(jié)和2個(gè)3自由度的腕關(guān)節(jié)）的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。兩端各有一個(gè)末端操作器，一個(gè)用于固定在空間站結(jié)構(gòu)上，起支撐作用；另一個(gè)用于機(jī)械操作。也可利用兩者，實(shí)現(xiàn)在空間站上的移動(dòng)。

安裝在“國(guó)際空間站”上的專(zhuān)用靈巧機(jī)械手機(jī)器人

“歐洲機(jī)械臂”

9 飛行乘員系統(tǒng)

飛行乘員系統(tǒng)是一個(gè)廣泛分布的系統(tǒng)，用于在任務(wù)期間支持乘員健康和保證乘員的工作。功能包括：①支持乘員健康保持和對(duì)抗長(zhǎng)期微重力失調(diào)效應(yīng)；②人類(lèi)生理心理因素、居住條件和乘員膳宿；③保障日常和緊急情況的供應(yīng)；④“國(guó)際空間站”站務(wù)管理和維護(hù)；⑤乘員個(gè)人和任務(wù)支持設(shè)備。

（1）乘員支持設(shè)施

? 廚房和食物系統(tǒng)：滿(mǎn)足乘員的基本營(yíng)養(yǎng)和生物醫(yī)學(xué)需要，并提供乘員間交流和社交活動(dòng)的機(jī)會(huì)；

? 乘員居住單元：為乘員提供睡眠、換衣服、裝私人物品，以及在不執(zhí)行任務(wù)時(shí)消磨私人時(shí)光的私人空間；

? 廢物收集間和個(gè)人衛(wèi)生設(shè)施：包括座便器/小便池、乘員的個(gè)人衛(wèi)生（洗漱、刮臉、口腔衛(wèi)生等）設(shè)施。

（2）乘員支持設(shè)備和供應(yīng)

? 限位器和移動(dòng)輔助裝置：使乘員能夠被舒適的限制和穩(wěn)定在工作位置上，保持在微重力條件下的自然姿態(tài)和移動(dòng)自由；

? 乘員工作和個(gè)人用品：包括乘員完成每日計(jì)劃工作任務(wù)和非工作時(shí)間的用品，包括衣物、照相機(jī)、工具（如計(jì)算器、鉛筆）、休閑設(shè)備（如小型碟片、書(shū)籍、磁帶）、乘員私人衛(wèi)生用品、私人輻射劑量?jī)x，以及乘員私人物品（如家人相片、日記本）；

? 便攜式緊急狀況供應(yīng)品：在緊急情況（如火災(zāi)、艙內(nèi)氣壓下降）或撤退或補(bǔ)給飛行失效的情況下，為支持乘員而專(zhuān)門(mén)提供的；

? 在軌維修、工具和診斷設(shè)備：幫助乘員診斷問(wèn)題、維修和測(cè)試“國(guó)際空間站”設(shè)備；

? 站務(wù)管理和垃圾管理：用于乘員在艙內(nèi)進(jìn)行日常清潔（如清洗過(guò)濾器）和干濕垃圾處理；

? 貨物運(yùn)送、堆積和庫(kù)存管理；

? 照明；

? 識(shí)別標(biāo)記和標(biāo)牌。

（3）乘員衛(wèi)生保健系統(tǒng)

提供保障長(zhǎng)期載人飛行過(guò)程中航天員健康和安全性所必需的醫(yī)療和環(huán)境能力。包括3個(gè)分系統(tǒng)：

? 對(duì)抗系統(tǒng)（CMS）：保護(hù)乘員的心血管、肌肉和骨骼由于長(zhǎng)期在微重力環(huán)境中引發(fā)的失調(diào)；

? 環(huán)境衛(wèi)生系統(tǒng)（EHS）：監(jiān)測(cè)氣體污染、微生物污染、水質(zhì)、噪音和輻射水平等；

? 健康支持系統(tǒng)（HMS）：為乘員提供預(yù)防、診斷和治療，并能在需要時(shí)支持病人的運(yùn)送。

10 有效載荷系統(tǒng)

“國(guó)際空間站”的目的是提供在太空開(kāi)展科學(xué)研究的永久性平臺(tái)。“國(guó)際空間站”開(kāi)展研究的優(yōu)勢(shì)在于微重力環(huán)境、近地軌道的有利位置以及可以開(kāi)展較長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)?！皣?guó)際空間站”科學(xué)研究領(lǐng)域包括生命科學(xué)、微重力科學(xué)、空間科學(xué)、商業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和工程研究與技術(shù)。

日本希望號(hào)實(shí)驗(yàn)艙

“國(guó)際空間站”上共有4個(gè)實(shí)驗(yàn)艙、33個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有效載荷機(jī)柜（ISPR）可用于安裝有效載荷，進(jìn)行科學(xué)研究與實(shí)驗(yàn)。

“國(guó)際空間站”中的內(nèi)部載荷多安置在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有效載荷機(jī)柜上。每個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有效載荷機(jī)柜尺寸為2m×1.05m×0.859m，可以提供1.571 m3內(nèi)部空間。每個(gè)機(jī)柜自質(zhì)量104kg，可承載700kg的有效載荷。“快車(chē)”（EXPRESS）機(jī)柜是標(biāo)準(zhǔn)多功能載荷機(jī)柜，可提供結(jié)構(gòu)接口、動(dòng)力、數(shù)據(jù)、冷卻、水和其他科學(xué)實(shí)驗(yàn)必需的條件。

有效載荷系統(tǒng)構(gòu)成如下：

? 美國(guó)命運(yùn)號(hào)實(shí)驗(yàn)艙；

? 設(shè)施級(jí)有效載荷（長(zhǎng)期或永久的有效載荷）：包括“快車(chē)”機(jī)柜系統(tǒng)、先進(jìn)人員支持技術(shù)（AHST）、人體研究設(shè)施（HRF）、－80℃實(shí)驗(yàn)室制冷器（MELFI）、材料科學(xué)研究設(shè)施、微重力科學(xué)手套、流體與燃燒設(shè)施、X射線晶體學(xué)設(shè)施、生物工藝學(xué)設(shè)施；

? 位于桁架或暴露設(shè)施上有效載荷：S3桁架段上4個(gè)位置，P3桁架段上2個(gè)位置，日本實(shí)驗(yàn)艙暴露設(shè)施上10個(gè)位置；

? 日本希望號(hào)實(shí)驗(yàn)艙；

? 歐洲哥倫布號(hào)實(shí)驗(yàn)艙；

? 俄羅斯探索號(hào)迷你研究艙－2。

向有效載荷提供的在軌資源