空間站，通俗叫太空站，是一種可供人類長期居住的航天器，作為一種微重力和太空環(huán)境中從事科研的實驗室，在這兒進行生物學(xué)、人體生命學(xué)、物理、天文、氣象等科學(xué)研究實驗，這是地面上無法復(fù)制、無法替代的特殊科研環(huán)境。

16個國家或地區(qū)組織參與

國際空間站的前身，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，后來隨著老布什總統(tǒng)叫停該計劃，同時也擱置了自由號，克林頓執(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項目——這就是國際空間站的最初計劃。

關(guān)于國際空間站的命名，最初美國提議取名阿爾法（Alpha）空間站，但遭到俄羅斯反對，理由是此名暗示了這是人類史上第一個空間站，而蘇聯(lián)和俄羅斯先后成功運行過8個空間站。所以，最終取了個最平實的名稱——國際空間站（International Space Station，簡稱ISS）。它是一個由6個國際主要太空機構(gòu)聯(lián)合推進的國際合作計劃，分別是美國國家航空航天局、俄羅斯聯(lián)邦航天局、歐洲航天局、日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)、加拿大國家航天局和巴西航天局。參與該計劃的共有16個國家或地區(qū)組織，其中歐洲航天局的成員國中參與的國家有：比利時、丹麥、法國、德國、意大利、挪威、荷蘭、西班牙、瑞典、瑞士和英國。因此，它是名副其實的國際合作大項目，集結(jié)了當時全世界最先進的航天科研力量，但沒有包括中國。

ISS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那么大。它的大小約是當年俄羅斯和平號空間站的4倍，是當年美國天空實驗室的5倍?？傎|(zhì)量420噸，比320輛家庭轎車加起來還要重。內(nèi)部空間有1200立方米，大約相當于一幢美式六居室的房子。

由美國宇航局帶頭協(xié)調(diào)國際空間站的建設(shè)，國際空間站作為一個軌道實驗室，用于生命、物理、地球和材料科學(xué)的實驗。1998年空間站才開始組裝，當時俄羅斯質(zhì)子火箭將第一個模塊——功能性的貨艙（Zarya）送入軌道。2000年10月31日，國際空間站的首批3名宇航員從俄羅斯發(fā)射升空。宇航員們在國際空間站上待了將近5個月，啟動系統(tǒng)并進行實驗。從那時起，許多航天器已經(jīng)將國際空間站的部分部件送入軌道，組裝工作也陸續(xù)完成。

國際空間站大約有38個模塊，至少需要44次航天飛行才能將組件送入軌道。組裝和維護國際空間站需要160次太空行走，總計1920個工時。國際空間站在2011年完工，壽命為10年。

國際空間站無疑是人類歷史上最昂貴的單體科研項目。根據(jù)公布的數(shù)據(jù)，截至2010年，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。從1998年開建一直到現(xiàn)在，NASA平均每年花在ISS的費用就達35億美元，宇航員平均每人每天花費750萬美元。

ISS運行軌道距離地表大約400公里，飛行速度7.67公里/秒，軌道周期是92分鐘多一點，每天圍繞地球飛行近16圈。目前ISS軌道衰減是每月2公里，因此每隔一段時間，就要點燃火箭助推器，維持空間站的高度，為此每年需要消耗4噸火箭燃料。

如何維持一個宜居的環(huán)境

在太空中維持一個永久的生存環(huán)境需要一些必需的東西：新鮮的空氣、水、食物、舒適（和適宜居?。┑臍夂颉踔潦抢那宄头阑?。首先是空氣。我們需要氧氣，國際空間站有幾個提供氧氣的系統(tǒng)。一個系統(tǒng)是通過宇宙飛船從地球運送氧氣，這些氧氣儲存在外部容器中。國際空間站也有一個利用循環(huán)水制造氧氣的發(fā)電機。利用電力，它把水電解成氫和氧，氫氣進入太空，氧氣進入國際空間站。最后，國際空間站有一個固體燃料氧氣發(fā)生器，通過燃燒原料將氧氣釋放到國際空間站的空氣中。空氣循環(huán)系統(tǒng)使空間站艙內(nèi)的空氣循環(huán)，循環(huán)的空氣通過各種過濾器去除顆粒和微生物，整個空間站都在不斷監(jiān)測和調(diào)節(jié)空氣成分。

在地球上，植物吸收我們呼出的二氧化碳，而國際空間站是利用各種能吸收二氧化碳并與其他化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的“洗滌器”，用化學(xué)方法將空氣中的二氧化碳去除。除了二氧化碳，我們還呼出水蒸氣。在國際空間站上，這些多余的水蒸氣凝結(jié)成液體并被回收，但這并不是唯一的水源。

和氧氣一樣，水也可以被送到國際空間站。事實上，我們有各種各樣的方法向空間站運送補給。俄羅斯有進步號補給船，歐洲航天局有自動運載工具，日本有口碑2號或HTV2火箭。

水是航天飛機用來發(fā)電的燃料電池的副產(chǎn)品，甚至可以從宇航員的尿液中回收，尿液經(jīng)過過濾和處理后可以制成飲用水、洗手用水和淋浴用水。水被儲存在空間站的袋子和容器里，食物也由宇宙飛船運送到國際空間站。國際空間站有一個廚房，里面有食物準備區(qū)、食物加熱器和一張供宇航員吃飯的桌子。

國際空間站上的電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量足以使空間站變暖。而實際要解決的問題是消除多余的熱量，所以要有各種各樣的方法來均勻地分配熱量。溫度控制系統(tǒng)采用電加熱器、保溫管和液氨管（熱分配器）來控制內(nèi)部溫度?？臻g站外部的散熱器有助于消除外層空間的熱量。

像在地球上生活一樣，國際空間站必須保持干凈。這在太空中尤其重要，因為飄浮的灰塵和碎片可能構(gòu)成危險。對于一般的大掃除，宇航員使用各種濕巾、洗滌劑和濕/干真空吸塵器來清潔表面、過濾器和他們自己。垃圾被收集在袋子里，裝在補給船上，然后返回地球進行處理。廁所里的固體廢物經(jīng)過壓縮、干燥和袋裝處理后，也會以類似的方式處理。

火是太空中最危險的事物之一。宇航員杰里·朗格爾在和平號空間站停留期間，發(fā)生了火災(zāi)，所幸和平號空間站的工作人員撲滅了大火。國際空間站有一個火災(zāi)探測/滅火子系統(tǒng)，包括煙霧探測器、警報、滅火器和便攜式呼吸設(shè)備。

宇航員如何生活與工作

在太空生活和工作是什么感覺？為了回答這些問題，空間站第18常駐考察組的飛行工程師桑德拉·馬格努斯寫了一系列國際空間站日記。她提到了一件重要的事情：宇航員的一天是由地面上的許多人提前（實際上是幾年）計劃好的。

“我們船上有一個日程安排，里面有我們需要知道的所有細節(jié)，來完成一天的工作。它告訴我們什么時候該睡覺，什么時候該起床，什么時候該鍛煉，什么時候吃飯，什么時候以及我們需要什么信息來完成我們的任務(wù)?！彪m然這聽起來非常嚴格，但馬格努斯指出，這也有一定的靈活性，不是每個任務(wù)都必須在時間表規(guī)定的確切時間內(nèi)完成。

微重力是一個具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境。無論你是在睡覺、換衣服還是工作，除非你把它固定好，否則你周圍的飄一切都會飄浮起來。即使是像早上起床穿衣服這樣看似簡單的事情，也不是那么簡單。想象一下，打開你的衣櫥，里面的東西都飛了出來。馬格努斯說，“當我在早上做準備時，脫下我的睡衣，它們就會飄浮在船員艙里，直到我把它們收集起來，立即用帶子之類的東西把它們固定住。”

長期處于失重狀態(tài)會導(dǎo)致我們的身體從骨骼、肌肉組織和體液中流失鈣。這些失重的影響與衰老的影響相似。因此，暴露在微重力下可能會讓我們對衰老過程有新的認識。如果我們能制定出防止在微重力環(huán)境下退化的對策，也許我們就能預(yù)防衰老。

每個宇航員醒來后都有一段時間來為新的一天做準備。在這段時間，宇航員可以洗澡、吃飯、鍛煉和準備工作。鍛煉是非常重要的，在微重力下，骨骼會失去鈣，肌肉會失去質(zhì)量。因此，宇航員必須在規(guī)定的時間內(nèi)鍛煉。馬格努斯喜歡早上第一件事就是鍛煉，每天在固定自行車和跑步機之間交替。接下來，有一個上午的會議，他們與機組成員和地面控制人員討論當天每個人的職責。會議結(jié)束后，他們開始工作。

宇航員的工作主要是進行實驗或維護。和大多數(shù)上班族一樣，他們也會停下來吃午飯，但他們的午休時間略有不同。國際空間站上的食物主要是冷凍的、脫水的或熱穩(wěn)定的，飲料也是脫水的。宇航員收集食物托盤和餐具，從儲物箱中找到他們各自包裝好的食物，準備好食物（如果必要的話再補水），加熱食物，把它們放在托盤里然后吃。飯后，他們把用過的東西放在一個垃圾壓實機里，清洗并裝上餐具和托盤。

午餐后，計劃好的工作繼續(xù)進行，在一天的工作結(jié)束后，還會有一個晚上的會議，然后是兩個小時的睡前時間，這段時間，宇航員吃晚飯，完成任何未完成的任務(wù)并放松。馬格努斯說，“在這兩小時的時間里有很多選擇，還有像查看電子郵件、聽電話、看新聞、看照片或其他活動。周五是電影之夜，有時周六也是?！?h3>獨特的科學(xué)研究環(huán)境

來自政府、工業(yè)和教育機構(gòu)的研究人員可以使用國際空間站上的各種設(shè)施開展各項研究。國際空間站主要用來進行獨特的微重力環(huán)境下的科學(xué)研究。引力影響地球上的許多物理過程，例如，重力改變了原子聚集成晶體的方式。在微重力下，可以形成近乎完美的晶體。這種晶體可以產(chǎn)生更好的半導(dǎo)體，用于更快的計算機或更有效的藥物來對抗疾病。

重力的另一個作用是在火焰中形成對流，導(dǎo)致火焰不穩(wěn)定。這使得燃燒的研究非常困難。然而，在微重力環(huán)境下，火焰會變得簡單、穩(wěn)定、燃燒緩慢。這種環(huán)境下的火焰使研究燃燒過程變得容易。由此可以更好地理解燃燒過程，并能研究出更好的燃燒裝置或提高燃燒效率來減少空氣污染。

美國宇航局宇航員進行太空行走。圖片|NASA

長期處于失重狀態(tài)，會導(dǎo)致我們的身體從骨骼、肌肉組織和體液中流失鈣。這些失重的影響與衰老的影響相似（肌肉力量下降，骨質(zhì)疏松）。因此，暴露在微重力下可能會讓我們對衰老過程有新的認識。如果我們能制定出防止在微重力環(huán)境下退化的對策，也許我們就能預(yù)防衰老。國際空間站長期暴露在微重力環(huán)境中，這是其他航天器無法模擬的環(huán)境。

國際空間站使我們能夠測試與地球相似的形成生命的生態(tài)系統(tǒng)。我們可以在太空中大量種植植物來制造氧氣、吸收二氧化碳和提供食物。這一技術(shù)對于長期的星際旅行，如火星或木星之旅，將是非常重要的。

在環(huán)繞地球大氣層的軌道上，國際空間站的工作人員配備了特殊的儀器和望遠鏡，可以觀察和測量地球表面（植被數(shù)量、溫度、水）和地球大氣層（二氧化碳含量、雷擊、颶風發(fā)展）。宇航員還可以用望遠鏡觀察太陽、恒星和星系，而不受地球大氣層的影響。

何時“退役”取決于維護情況

我們常聽說航天器——比如一顆衛(wèi)星的使用壽命是10年、20年，超過了這個時間，就說它超期服役。國際空間站已經(jīng)超期服役很久了。其實超期服役對航天來說非常普遍，航天成本非常高，要是試試還能工作，不如讓它發(fā)揮一些“余熱”。航天器實在是工作能力到頭了，就停止工作，此時如果不主動把它推離軌道、讓它墜入大氣燒毀，它就會長期停留在軌道上，直到逐漸速度降低脫離軌道燒毀，壽命也就終結(jié)了。

航天器離地球近的話，空氣密度較大、阻力也較大，更容易減速，速度小了不能支撐圓周運動，就會在地球引力作用下下降然后燒毀在大氣中。所以航天器設(shè)計的壽命也包含這個考慮。

另外，國際空間站這么龐大，太陽光壓也會把它向地球推。

那么，國際空間站是因為軌道高，所以一直沒掉下來嗎？不是的。國際空間站的海拔高度只有400千米，屬于近地軌道，而且它體型龐大，空氣阻力也比較大，如果放著不管，很快就會下降脫離軌道，在與地球大氣的摩擦中燒毀。在太陽活動正常的情況下，空間站的軌道每天下降的高度大約是80米至100米。

一旦遭遇大的太陽活動，有幾種可能的效應(yīng)使得地球大氣厚度增大，相應(yīng)的在國際空間站所處的軌道高度處的大氣密度就會增加，使得阻力增加，加快國際空間站下降的速度。例如2005年1月的一次非常強烈的太陽活動，使得國際空間站每天下降的速度增加到160米至180米，在一周之內(nèi)一共下降了1.2千米。這種情況會加快國際空間站“接近死亡”的速度，我們就需要增加對它的定期維護次數(shù)。

事實上，每次給空間站運送物資的飛船都會留點能量，給空間站往更高軌道上推一推，要不然空間站早就下來了。前面提到的2005年1月太陽活動使國際空間站下降變快，還好它在這之前剛剛結(jié)束一次8.5千米的提升。2017年11月2日，國際空間站與對接的“進步MS-06”號貨運飛船的推進裝置完成了軌道調(diào)整，軌道平均高度增加700米，達到大約404.6千米。有時國際空間站軌道也會調(diào)整下降，比如躲避太空垃圾碎片等。

所以，目前來說，國際空間站的“退休”不取決于它的軌道，而取決于人們是否持續(xù)維護它、是否設(shè)備到了維護的極限。而從設(shè)計上來說，國際空間站總體設(shè)計采用桁架掛艙式結(jié)構(gòu)，即以桁架為基本結(jié)構(gòu)，其艙室為模塊式，即使發(fā)生了重大問題也應(yīng)該能夠進行更新替換，并且迄今為止國際空間站的各個艙并未發(fā)生過大到不可解決的故障。如此來看，國際空間站的維護也是值得信賴的，只要人們還花得起錢。

結(jié)果就是，最開始國際空間站設(shè)計的壽命是到2015年，在這之前就說要延長到2020年，而2015年美國和俄羅斯的航天部門在“國際空間站的使用壽命由2020年延長至2024年”方面達成了一致并簽署了協(xié)議。目前來看，它最少要工作到2024年。

那2024年之后呢？美國的波音公司作為國際空間站的主要承包商，正在進行可行性研究，看空間站是否能夠堅持到2028年。有兩個需要持續(xù)關(guān)注的維護問題：（1）空間站受太陽光照一側(cè)受熱膨脹，背面卻寒冷收縮，還有長期使用的機械應(yīng)力問題，需要考慮這么多年的材料磨損和撕裂;（2）太陽電池板也在老化，加上空間輻射使太陽能電池的透明玻璃變黑，阻礙了陽光的進入，而且不時會有碎片掉下來，結(jié)果就是太陽能電池陣列會從開始的能產(chǎn)生220千瓦的電力下降到產(chǎn)生160千瓦（2028年）。這些都需要維護。不過波音公司對這些非常樂觀，認為國際空間站再加個班到2028年也是可以的。

◎ 來源|綜合微信公眾號“國家空間科學(xué)中心” “天文在線” “三體引力波”