程亦之
“地球是人類的搖籃,但人類不會永遠被束縛在搖籃里?!痹缭?00多年前,航天之父康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基就給人類發(fā)展指明了方向。
而空間站對于人類來說,到底意味著什么?有人說,空間站是人類離開搖籃、掙脫地球臍帶的起點;有人說,空間站是未來太空移民的實驗場;有人說,空間站是人類成為跨星際物種的第一站;也有人說,空間站是美蘇太空競賽的副產品。
每當仰望太空,空間站都是一個不容忽視的存在,它是我們目前唯一可靠的太空家園。
蘇聯(lián)在贏得首發(fā)人造衛(wèi)星、首先載人航天的榮譽之后,卻輸在太空爭霸最高潮—登月競賽上。眼睜睜看著美國一次次登月插旗,自家登月火箭卻屢屢爆炸,蘇聯(lián)只得切換賽道,搶占近地軌道空間站的先機。
“禮炮計劃”應運而生。在加加林成為首個“太空人”的十年后,即1971年,蘇聯(lián)發(fā)射了人類史上首個空間站—禮炮1號。
盡管禮炮1號只在太空飛行了175天,便在太平洋上空再入大氣層燒毀;盡管三名宇航員再入返回時全部喪生;盡管對接首班飛船聯(lián)盟10號遭遇失敗,但這些不幸依然掩蓋不了人類這次的創(chuàng)舉:三名宇航員刷新了當時太空生活的最長紀錄(23天);禮炮1號成為后來蘇聯(lián)所有空間站的基本款。
禮炮2號空間站的屬性不再是科研,而是軍用。蘇聯(lián)解體后,解密檔案稱之為“金剛石空間站”,這是蘇聯(lián)軍事偵察空間站計劃里的第一個,所以也叫“金剛石1號”。禮炮3號、禮炮5號也是軍事空間站。
禮炮5號之后,蘇聯(lián)軍方認為,隨著更先進間諜衛(wèi)星的出現(xiàn),軍用空間站已經(jīng)不具備什么戰(zhàn)術優(yōu)勢,于是,軍用版空間站計劃徹底終止。
禮炮6號、禮炮7號屬于蘇聯(lián)第二代空間站,擁有兩個對接艙,可同時對接載人飛船和貨運飛船。它們先后對接過12艘進步號貨運飛船、16艘聯(lián)盟號載人飛船,共接待16批33人次宇航員進入,創(chuàng)下空間站最忙碌的紀錄。
無論規(guī)模,還是任務量,和平號都遠遠超過以往任何空間站。
《太空救援》劇照
當最后一批宇航員撤離禮炮6號,一艘名為“宇宙1267號”的實驗性后勤補給飛船進入太空,順利實現(xiàn)自動對接。
禮炮7號既是禮炮系列的最后一個空間站,又是下一代空間站的開路先鋒。這是一個從單體空間站向模塊空間站(積木式空間站)升級的過渡版本,對接飛船增多,擴展模式增強,任務類型增多。
值得一提的是太空史上著名的“禮炮7號拯救事件”。
1985年2月12日,無人進駐的禮炮7號突然失聯(lián),電力故障導致空間站所有系統(tǒng)都處在癱瘓狀態(tài)。蘇聯(lián)方面大驚失色,派出兩名最有經(jīng)驗的宇航員,搭乘聯(lián)盟T-13號飛船前去維修禮炮7號。
從技術角度講,這次對接被認為是太空歷史上最復雜、最有挑戰(zhàn)的一次對接。2018年上映的《太空救援》,將這次“史上最驚心動魄的太空拯救任務”告訴了全世界。
從禮炮1號到禮炮7號,整個“禮炮系列”都屬單體空間站。第三代(積木式)空間站橫空出世,這就是蘇聯(lián)一直引以為傲的和平號空間站。
一口吃不成胖子,超大空間站也一樣。最好的方案就是向孩子學習,搭積木建造空間站。其實早在20世紀70年代中期,蘇聯(lián)就開始著手設計研發(fā)這種空間站,后來硬是被蘇聯(lián)版航天飛機—“暴風雪”計劃徹底耽擱了。
直到1986年,空間站計劃重回正軌,蘇聯(lián)發(fā)射了首個重達20噸的核心艙。1996年,和平號空間站最終配置達到7個模塊,包括核心艙、量子1號、量子2號、晶體號、光譜號、對接艙、自然號。每個模塊(艙段)都具備獨立運行能力,好處就是一旦出現(xiàn)問題,不會殃及其余。壞處就是結構復雜、出錯率高。
和平號總質量接近130噸,加壓空間高達350立方米,在軌運行15年,總共飛行35億公里,繞地飛行8萬多圈;共有31艘聯(lián)盟號載人飛船、62艘進步號貨運飛船、3架美國航天飛機先后與和平號對接;宇航員在和平號艙外進行78次太空行走,艙外逗留時間長達359小時12分鐘;先后有28批長期宇航員、16批短期宇航員,共12個國家的135名宇航員進駐過和平號,總計進行了1.65萬次科學實驗……
無論規(guī)模,還是任務量,和平號都遠遠超過以往任何空間站。
美國當然也不會“沉默”。NASA利用了阿波羅計劃的最大“重器”:“土星五號”火箭的第三級箭體,將其改造為空間站主體。
天空實驗室全長36米,最大直徑6.7米,總重80噸,于1973年被發(fā)射到軌道,是迄今為止人類向近地軌道發(fā)射的最重、最大、最復雜的航天器。
盡管這是美國首個空間站,但NASA并未準備好長期使用天空實驗室,因為在20世紀70年代中期,與之配套的航天飛機的發(fā)展也不成熟。
一直到2022年夢天號實驗艙實現(xiàn)對接后,天宮號基本版才算組建完成。
2006年9月12日,國際空間站的“安裝日”,“亞特蘭蒂斯”號和探險隊的13名機組人員致力于連接桁架
1979年,天空實驗室在澳大利亞西部上空,再入大氣層燒毀。直到4年后,第一架航天飛機才實現(xiàn)首航。
美國所主導的國際空間站,前身是NASA自由號空間站計劃,最早源自里根總統(tǒng)的“星球大戰(zhàn)”計劃,后來被老布什總統(tǒng)叫停??肆诸D執(zhí)政時期,在副總統(tǒng)戈爾直接推動下,美國宇航局與俄羅斯聯(lián)邦航天局共同創(chuàng)建一個國際共用的空間站—這就是國際空間站。
從1998年發(fā)射第一個組件曙光號、2000年迎接首批宇航員進駐,歷經(jīng)32批組裝任務,國際空間站如今已經(jīng)使用了19個年頭。
美國、俄羅斯等5家航天機構的共同決定,其使用壽命被延長到2030年,今后將陸續(xù)更換組件,以便增加使用年限。
國際空間站長108.5米,寬72.8米,高20米,總面積相當于一個美式橄欖球場。它的大小是和平號空間站的4倍,是天空實驗室的5倍。
它的總質量是420噸,內部加壓空間有1200立方米,相當于一幢美式6居室的大房子。最大定員為7人。
大型部件主要有18個,包括1個控制艙(曙光號),1個服務艙(星辰號),3個實驗艙(命運號、哥倫布號、希望號),3個移動維修平臺(加拿大臂、機械臂、特色微動作機械手),1個穹頂艙等。
最大主體結構是中心主桁架+雙龍骨結構。更多功能艙段和更大太陽能電池陣列,都可以懸掛在這種主體結構上。同時,航天飛機、聯(lián)盟號飛船、進步號貨運飛船、貨運龍飛船、天鵝座飛船等,均可以停靠。
國際空間站的運行軌道,距離地表約400公里,飛行速度為7.66公里/秒。它的軌道周期是92分鐘多一點,每天圍繞地球接近16圈。截至2019年7月20日,它已經(jīng)在軌運行20年零8個月。目前它的軌道衰減速度是每月2公里,為此每年需要消耗4噸燃料來維持高度。
NASA研發(fā)中的月球軌道空間站—深空門(設計圖)
2014年2月18日,軌道科學公司的天鵝座飛船駛離國際空間站的遠程操縱系統(tǒng)Canadarm2
國際空間站堪稱人類史上最昂貴的單體科研項目。截至2010年,各成員累計投入高達1551億美元,其中美國1311億美元,俄羅斯120億美元,歐空局50億美元,日本50億美元,加拿大20億美元。國際空間站的宇航員,平均每人每天花費750萬美元。
因為是個大拼盤,目前其由六個國家或地區(qū)合作運轉,包括美國宇航局、俄羅斯聯(lián)邦航天局、日本宇宙航空研究開發(fā)機構、加拿大太空局、巴西航天局和歐洲太空局。
從天宮一號、天宮二號,再到未來的天宮號,中國空間站一路穩(wěn)妥前行。
天宮一號,盡管屬于第一代空間站,但自動交會對接、測控技術、環(huán)境控制、電子設備等,均比蘇聯(lián)當年禮炮號空間站技高一籌。
天宮一號先后與神舟8號、神舟9號、神舟10號三艘飛船進行對接,標志著中國成為世界上第三個獨立掌握“交會對接”技術的航天大國。
2016年中國發(fā)射天宮二號空間實驗室。同年它與神舟11號飛船對接,景海鵬、陳冬進駐空間站26天,創(chuàng)下中國航天員太空生活最長紀錄。
2017年天宮二號與天舟一號貨運飛船實現(xiàn)三次對接,標志著中國已全面嫻熟掌握了交會對接技術,為未來中國空間站的組建、運營打下技術基礎。
中國空間站別名天宮號,分為三段式,由一段核心艙和兩端實驗艙組成T字型。兩段實驗艙分別長期??吭诤诵呐摰淖笥覂啥耍涍\飛船、載人飛船分別對接核心艙的前后兩端。
2020年,天和號核心艙將首先發(fā)射,之后神舟號載人飛船、天舟號貨運飛船、問天號實驗艙也將陸續(xù)發(fā)射。一直到2022年夢天號實驗艙實現(xiàn)對接后,天宮號基本版才算組建完成。
到時候,每組航天員進駐至少180天,再與下一組航天員進行輪替,形成長久不間斷的常駐空間站,類似國際空間站模式。
天宮號預計常駐航天員3~6人,設計使用壽命至少10年,基本規(guī)模達到66噸。這一規(guī)模是和平號空間站的1/2,是國際空間站的1/6。
再下一步,就是拓展天宮號的規(guī)模,擴展一個核心艙、兩個實驗艙,常駐一艘載人飛船,最大規(guī)??蛇_180噸。
空間站,既是當今空間科學最理想的實驗場,也是深空探索的中轉站,還是未來建造太空城、殖民行星的橋頭堡。因此,無論科研還是軍事,無論當下還是未來,各國都將其視為戰(zhàn)略制高點。
短短半個世紀,人類總共部署過12個空間站—蘇聯(lián)7個禮炮空間站、美國天空實驗室、 蘇俄和平號空間站、國際空間站、中國天宮一號、天宮二號。
未來還將增加幾個空間站,基本可實現(xiàn)的有:天宮號、深空門(Deep Space Gateway,月球軌道空間站)。僅供參考的有:公理號商業(yè)空間站、鸚鵡螺號商業(yè)空間站、印度月船號空間站……
至于更遠的未來,權當讓我們享受一回暢想:俄羅斯月球軌道空間站、NASA主導的Next STEP深空探索空間站……
不管怎樣,至少一部分人類終將離開搖籃生活,掙脫地球臍帶。不想重演恐龍命運也好,好奇心驅動太空探索也罷,空間站正是我們離開地球的第一站。