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國際空間站

又稱“國際太空站”

國際空間站(英文名稱:International Space Station,簡稱ISS),是迄今為止人類設計建造的最復雜最大的在軌航天器,是一個由六個國際主要航天機構聯合推進的國際合作計劃。

這六個航天機構分別是美國國家航空航天局俄羅斯聯邦航天局歐洲航天局日本宇宙航空研究開發機構、加拿大國家航天局和巴西航天局。參與該計劃的共有16個國家或地區組織,以美國、俄羅斯為首,其他4個重要成員是歐洲航天局、日本、加拿大和巴西。歐洲航天局成員國中參與到國際空間站計劃的國家有: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,其中英國是項目開始之后參與進來的。

國際空間站的設想是1983年由美國總統里根首先提出的,經過近十余年的探索和多次重新設計,直到蘇聯解體、俄羅斯加盟,國際空間站才于1993年完成設計,開始實施。經美國和俄羅斯達成協議,國際空間站使用壽命將延長至2024年。

中國曾表達參與國際空間站項目的意向,但因美國反對而被排斥在外。中國自己設計建造的空間站預計于2022年建成。

中文名稱國際空間站英文名稱International Space Station
簡稱ISS質量419噸
長度88米寬度109米
高度20米加壓空間1200立方米
額定宇航員6人

命名

“國際空間站”的名稱(英文名稱:International Space Station,簡稱:ISS;俄文名稱:Международная Космическая станция,簡稱:МКС)是不同命名之間妥協的產物。

國際空間站最初提議的名字是“阿爾法(Alpha)空間站”,但是遭到俄羅斯的反對,俄方認為此名字暗示國際空間站是人類歷史上第一個空間站,而蘇聯及后來的俄羅斯先后成功地運行過8個空間站。

俄羅斯提議將空間站命名為亞特蘭大(Atlanta),但是這個議案遭到美國的反對,美方認為亞特蘭大的讀音和拼寫太接近傳說中沉沒的大陸“亞特蘭蒂斯”,其中似乎隱含了不祥的征兆,而且亞特蘭大這個名字也容易與美國的一架航天飛機“亞特蘭蒂斯號”航天飛機相混淆。

雖然國際空間站的命名沒有采用最初提出的阿爾法空間站,但是空間站的無線電呼號卻是“阿爾法”,這個呼號是空間站第一批乘員登站時確定的,當時國際空間站的名字仍然未定,時任美國宇航局主席的丹尼爾·戈登將空間站的臨時呼號定為阿爾法,此呼號后來沿用下來,成為空間站的正式電臺呼號。

發展歷程

國際空間站計劃的前身是美國國家航空航天局的自由空間站計劃,這個計劃是1980年代美國戰略防御計劃計劃的一個組成部分。在1987年12月1日美國國家航空航天局宣布波音公司、通用電氣公司、麥道飛機公司和洛迪恩推進動力公司獲得了參與建造自由空間站的訂單。老布什執政期間,星球大戰計劃被擱置,自由空間站也隨之陷入停頓,1993年時任美國總統的比爾·克林頓正式結束了自由空間站計劃。冷戰結束后在美國副總統戈爾的推動下,自由空間站重獲新生,美國國家航空航天局開始與俄羅斯聯邦航天局接觸,商談合作建立空間站的構想。

1998年11月國際空間站的第一個組件曙光號功能貨艙進入預定軌道,同年12月,由美國制造的團結號節點艙升空并與曙光號連接,2000年7月星辰號服務艙與空間站連接。2000年11月2日首批宇航員登上國際空間站。

建造初期的國際空間站

圖:建造初期的國際空間站

國際空間站的各個組件大多由美國國家航空航天局的航天飛機進行運輸,由于各個組件大多在地面就已經完成建設任務,宇航員在太空只需要進行很少的操作便可以將組件連接上空間站主體。國際空間站完全完成之后,根據其設計共可以提供7名宇航員同時工作和生活。

國際空間站的預算遠遠超過了美國國家航空航天局最初的預計,其建造時間表也比預定的要晚,其主要原因是2003年發生哥倫比亞號航天飛機失事事件之后,美國國家航空航天局停飛了所有的航天飛機。在航天飛機停飛的兩年半時間里,空間站的人員和物資運輸完全依賴俄羅斯的聯盟號飛船,空間站上的科學研究活動也盡可能地被壓縮了。按照預定計劃,空間站的建設將在航天飛機重返太空之后在2006年恢復,但是在2005年7月發現號航天飛機的STS-114飛行任務完成后,由于航天飛機隔熱材料在升空過程中脫落,美國國家航空航天局再次停飛所有航天飛機,這使得國際空間站的建設時間表再次拖延。

2006年11月15日,國際空間站上的活動首次在地球上進行了高清電視直播,并在紐約的時代廣場大屏幕電視上播放。這是人類首次觀看到來自太空的高清電視直播畫面。直播節目的主角是國際空間站第14長期考察組指令長邁克爾·洛佩斯-阿萊格里亞,攝像師是站內的隨航工程師托馬斯·賴特爾。這套直播系統名為太空影片網關,直播的清晰度可以達到普通模擬影片的6倍。

2007年1月31日,國際空間站第14長期考察組中的兩名美國宇航員洛佩斯-阿萊格里亞和蘇尼特·威廉斯成功進行超過7個小時的太空漫步。他們將命運號實驗艙的一個冷卻回路從臨時系統接入永久系統,完成了一些電路接線工作,使對接的航天飛機能接入并使用空間站上新太陽能電池板提供的電力,將一個遮光反射罩和隔熱罩丟棄,然后將一組舊太陽能電池板上的散熱器回收。2月4日美國東部時間上午8時38分,這兩名宇航員再度出艙,進行約7個小時的太空漫步。他們將命運號實驗艙的另一個冷卻回路從臨時系統接入永久系統,對一個廢棄的氨水冷卻設備進行清理。2月8日,這兩名宇航員完成了6小時40分鐘的第三次太空漫步,將空間站外的兩個大型遮罩移除丟棄,并安裝貨物運輸機的幾個附屬裝置。2月22日,國際空間站飛行工程師、俄羅斯宇航員米哈伊爾·秋林和洛佩斯-阿萊格里亞進行一次6個多小時的計劃外太空漫步,修復了對接在空間站上的進步M-58飛船的一處未能收攏的天線。

建造完成的國際空間站

圖:建造完成的國際空間站

2007年10月30日,美國發現號航天飛機宇航員為國際空間站重新裝配太陽能天線電池板時,電池板出現破裂,美國國家航空航天局科學家檢視電池板破損處,了解造成原因。

2009年3月,美國國家航空航天局網站開始線上直播國際空間站即時畫面,空間站工作人員睡覺或者下班的時候,全球互聯網用戶可以通過網絡欣賞空間站的直播影像。

空間站結構

國際空間站總體設計采用桁架掛艙式結構,即以桁架為基本結構,增壓艙和其它各種服務實施掛靠在桁架上,形成桁架掛艙式空間站。其總體布局如圖所示。大體上看,國際空間站可視為由兩大部分立體交叉組合而成:一部分是以俄羅斯的多功能艙為基礎,通過對接艙段及節點艙,與俄羅斯服務艙、實驗艙、生命保障艙、美國實驗艙、日本實驗艙、歐洲航天局的“哥倫布”軌道設施。

國際空間站的各種部件是由合作各國家分別研制,其中美國和俄羅斯提供的部件最多,其次是歐洲航天局、日本、加拿大和意大利。這些部件中核心的部件包括多功能艙、服務艙、實驗艙和遙操作機械臂等。俄羅斯研制的多功能艙(FGB)具有推進、導航、通信、發電、防熱、居住、貯存燃料和對接等多種功能,在國際空間站的初期裝配過程中提供電力、軌道高度控制及計算機指令;在國際空間站運行期間,可提供軌道機動能力和貯存推進劑。俄羅斯服務艙作為國際空間站組裝期間的控制中心,用于整個國際空間站的姿態控制和再推進;它帶有衛生間、睡袋、冰箱等生保設施,可容納3名宇航員居住;它還帶有一對太陽能電池板,可向俄羅斯部件提供電源。實驗艙是國際空間站進行科學研究的主要場所,包括美國的實驗艙和離心機艙、俄羅斯的研究艙、歐洲航天局的“哥倫布”軌道設施和日本實驗艙。艙內的實驗設備和儀器大部分都是放在國際標準機柜內,以便于維護和更換。加拿大研制的遙操作機械臂長17.6米,能搬動重量為20噸左右、尺寸為18.3米×4.6米的有效載荷,可用于空間站的裝配與維修、軌道器的對接與分離、有效載荷操作以及協助出艙活動等,在國際空間站的裝配和維護中將發揮關鍵作用。

空間站主要組件

空間站共有俄羅斯、美國、歐洲航天局和日本發射的13個艙,重量400噸。

國際空間站各節點配置圖

圖:國際空間站各節點配置圖

“曙光”工作艙

“曙光”工作艙是國際空間站的第一個組件,是由美國出資、俄羅斯制造的。“曙光”工作艙由俄羅斯赫魯尼切夫空間中心和美國波音公司共同研制而成。根據1995年8月簽訂的合同,赫魯尼切夫中心負責貨運艙的設計、生產和試驗。赫魯尼切夫中心于1996年11月27日,即比預定發射時間提前一年完成“曙光”工作艙的組裝工作。但由于國際空間站的其他一些部件沒有完工,“曙光”工作艙被兩度推遲發射。

“曙光”號工作艙

圖:“曙光”號工作艙

“曙光”工作艙重量為24.2噸(其中包括4.5噸燃料),長13米,內部容積約72立方米(可用面積為40平方米)。它可以在不補充燃料的情況下連續飛行430天。

“曙光”工作艙一個與和平號空間站類似的大型艙體,用作空間站的基礎,能提供電源、推進、導航、通信、姿控、溫控、充壓的小氣候環境等多種功能。它由和平號空間站上的晶體艙演變而來,設計壽命13年,電源最大功率為6千瓦,裝有可接4個航天器的對接件。

1998年11月20日,俄羅斯成功使用質子-K運載火箭將“曙光”工作艙送入預定軌道。

“團結”號節點艙

“團結”號節點艙是美國為國際空間站建造的第一個組件,也是國際空間站的第二個組件。“團結”號節點艙耗資3億美元,直徑5米、長6米,設有6個艙門。它的作用是充當對接口,連接未來升空的其它艙。

“團結”號節點艙

圖:“團結”號節點艙

1998年12月4日,“團結”號節點艙隨美國奮進號航天飛機發射升空。12月6日,“團結”號節點艙與“曙光”號成功對接。

“星辰”號服務艙

“星辰”號服務艙由俄羅斯承建,是國際空間站的核心艙。“星辰”號服務艙長13米,寬30米,重19噸,造價為3.2億美元。服務艙由過度艙、生活艙和工作艙等3個密封艙和一個用來放置燃料桶、發動機和通信天線的非密封艙組成。生活艙中設有供宇航員洗澡和睡眠的單獨“房間”,艙內有帶冰箱的廚房、餐桌、供宇航員鍛煉身體的運動器械。艙體上設計的14個舷窗,可供宇航員眺望浩瀚的星空。

“星辰”號服務艙

圖:“星辰”號服務艙

“星辰”號服務艙配有定位和電視聯系系統,可保障服務艙與俄羅斯科羅廖夫地面飛行控制中心和美國休斯敦地面飛行控制中心的直接聯系。“星辰”號服務艙共有4個對接口,可用于與載人飛船或貨運飛船對接。

2000年7月12日,“星辰”號服務艙由質子-K運載火箭發射送入太空;26日,“星辰”號服務艙與國際空間站聯合體對接。

“命運”號實驗艙

2001年2月7日,“命運”號實驗艙隨美國亞特蘭蒂斯號航天飛機升空。“命運”號實驗艙價值14億美元,是國際空間站中最昂貴的組件。

“命運”號實驗艙

圖:“命運”號實驗艙

“命運”號實驗艙是由美國波音公司制造,形似圓筒,長9.3米、直徑4.3米,重13.6噸,上有41.5萬個零件。它不僅是未來空間站成員在接近零重力的狀態下執行科學研究任務的基地,也將作為國際空間站的指揮和控制中心,是國際空間站6個實驗室中最重要的實驗艙之一。

“碼頭”多功能對接艙

“碼頭”多功能對接艙由俄羅斯能源火箭航天公司研制,重約4噸,體積為13立方米。對接艙一端與“星辰”號服務艙連接,另一端的對接裝置能與進步號貨運飛船和聯盟號載人飛船對接。對接艙的一側還有一個隔艙,當宇航員穿上宇航服,調節好隔艙中的氣壓后,就可以打開隔艙門進行太空行走。多功能艙對接艙有助于增加國際空間站與地面間的貨物、人員運輸。

“碼頭”多功能對接艙于2001年9月17日成功與國際空間站對接。

列奧納多號永久性多功能艙

列奧納多號永久性多功能艙由意大利研制,價值1.6億美元。它是一個由金屬鋁制成,長約為6.4米、直徑約4.6米的圓筒,分為16個貨箱,能攜帶9.1噸貨物。后勤艙可重復使用,其功能是為國際空間站運送必需的物資,再將空間站上的廢棄物帶回地面。

尋求號氣密艙

尋求號氣密艙,由金屬鋁制造,重約6噸,造價1.64億美元。空氣阻隔艙共有兩個艙室,一個供宇航員執行太空行走任務之前更換宇航服,另一個為宇航員減壓和漂浮到太空的接口。艙內有4個氣罐,各重540千克,用于給空氣阻隔艙加壓。

尋求號氣密艙

圖:尋求號氣密艙

2001年7月15日,空氣阻隔艙由美國亞特蘭蒂斯號航天飛機和國際空間站上的宇航員聯合安裝到空間站。空氣阻隔艙是國際空間站與太空間的通道,是航天器有壓空間與太空真空環境間的緩沖地帶,它的安裝使空間站內的宇航員不必再等航天飛機的到來就可以進行太空行走。

加拿大第二臂

加拿大第二臂又被稱為“大臂”,由高強度的金屬鋁、不銹鋼和環氧石墨制成,長19米,重量為1.63噸。

這只長約17米的巨型機械臂的設計概念是1984年美國前總統里根提議建設“自由”空間站時產生的,其最初研制目的是,在航天飛機不能自行與空間站對接時依靠機械臂將航天飛機拉到空間站旁。加拿大第二臂由美國奮進號航天飛機于2001年4月19日攜帶升空,22日被安裝到國際空間站上。與多次隨航天飛機升空執行任務的小機械臂相比,它不僅比多次隨航天飛機升空執行任務的"小臂"更長,也更結實、更靈活。

“黎明”號小型實驗艙

“黎明”號小型實驗艙是由俄羅斯研制的,并于2010年5月由美國亞特蘭蒂斯號航天飛機運送至國際空間站。“黎明”號實驗艙長約7米,重約7.8噸,主要用于科學實驗。

建造計劃

按照計劃,建造整個國際空間站共需要超過50次太空飛行和組裝,其中的39次飛行需要由航天飛機完成,有大約30次飛行和裝配任務需要進步號貨運飛船提供支持。整個建造工作完成后,國際空間站將會有1200立方米的內部空間,總重量419000公斤,總輸出功率達到110千瓦,衍架長度108.4米,艙體長度74米,額定乘員6人。

整個空間站由眾多組件構成:

組件 運載工具 發射時間 長度(m) 直徑(m) 質量(kg)
曙光號功能貨艙 質子號運載火箭 1998年11月20日 12.6 4.1 19,323
團結號節點艙(1號節點艙) 奮進號航天飛機 1998年12月4日 5.49 4.57 11,612
星辰號服務艙 質子號運載火箭 2000年7月12日 13.1 4.15 19,050
國際空間站衍架 - Z1衍架 發現號航天飛機 2000年10月11日 4.9 4.2 8,755
國際空間站衍架 - P6衍架及太陽能電池板 奮進號航天飛機 2000年11月30日 73.2 10.7 15,824
命運號實驗艙 亞特蘭蒂斯號航天飛機 2001年2月7日 8.53 4.27 14,515
外部裝載平臺1 (ESP-1) 亞特蘭蒂斯號航天飛機 2001年3月13日 4.9 3.65 2,676
移動維修系統 - 空間站遙控機械臂(加拿大臂2) 奮進號航天飛機 2001年4月19日 17.6 0.35 4,899
尋求號氣密艙(聯合氣密艙) 亞特蘭蒂斯號航天飛機 2001年7月12日 5.5 4 6,064
碼頭號對接艙 - 碼頭號氣密及對接艙 進步號貨運飛船 2001年9月14日 4.9 2.3 3,676
國際空間站衍架 - S0衍架 亞特蘭蒂斯號航天飛機 2002年4月8日 13.4 4.6 13,971
移動維修系統 - 機械臂移動平臺 奮進號航天飛機 2002年6月5日 5.7 2.9 1,450
國際空間站衍架 - S1衍架 亞特蘭蒂斯號航天飛機 2002年10月7日 13.7 4.6 14,124
國際空間站衍架 - P1衍架 奮進號航天飛機 2002年11月23日 13.7 4.6 14,003
外部裝載平臺2 (ESP-2) 發現號航天飛機 2005年7月26日 4.9 3.65 2,676
國際空間站衍架 - P3、P4衍架及太陽能電池板 亞特蘭蒂斯號航天飛機 2006年9月9日 13.8 4.8 15,824
國際空間站衍架 - P5衍架 發現號航天飛機 2006年12月9日 3.4 4.6 1,864
國際空間站衍架 - S3、S4衍架及太陽能電池板 亞特蘭蒂斯號航天飛機 2007年6月8日 13.7 5 16,183
國際空間站衍架 - S5衍架 奮進號航天飛機 2007年8月8日 3.4 4.6 1,864
外部裝載平臺3 (ESP-3) 奮進號航天飛機 2007年8月8日 4.9 3.65 2,676
和諧號節點艙(2號節點艙) 亞特蘭蒂斯號航天飛船 2007年10月23日 7.2 4.4 14,288
哥倫布實驗艙 亞特蘭蒂斯號航天飛機 2008年2月7日 6.9 4.5 19,300
希望號日本實驗艙 - 實驗儲藏艙 奮進號航天飛機 2008年3月11日 3.9 4.4 4,200
移動維修系統 - 特殊微動作機械手 奮進號航天飛機 2008年3月11日 3.67 6.7 1,560
希望號日本實驗艙 發現號航天飛機 2008年5月31日 11.19 4.39 14,800
希望號日本實驗艙 - 日本機械臂 發現號航天飛機 2008年5月31日 10 0.35 780
國際空間站衍架 - S6衍架及太陽能電池板 發現號航天飛機 2009年3月15日 13.84 4.97 14,100
希望號日本實驗艙 - 外部實驗平臺 奮進號航天飛機 2009年7月15日 5.2 5 4,100
迷你研究艙2(探索號迷你研究艙) 進步號航天飛機 2009年11月10日 2.25 4.049 3,670
寧靜號節點艙(3號節點艙) 奮進號航天飛機 2010年2月8日 6.706 4.48 19,000
穹頂艙 奮進號航天飛機 2010年2月8日 1.5 2.955 1,880
迷你研究艙1(晨曦號迷你研究艙) 亞特蘭蒂斯號航天飛機 2010年5月14日 6 2.35 8,015
多用途增壓艙 發現號航天飛機 2011年2月24日 N/A N/A N/A

空間站功能

組裝成功后的國際空間站將作為科學研究和開發太空資源的手段,為人類提供一個長期在太空軌道上進行對地觀測和天文觀測的機會。

在對地觀測方面,國際空間站比遙感衛星要優越。首先它是有人參與到遙感任務之中,因而當地球上發生地震、海嘯或火山噴發等事件時,在站上的航天員可以及時調整遙感器的各種參數,以獲得最佳觀測效果;當遙感器等儀器設備發生故障時,又可隨時維修到正常工作狀態;它還可以通過航天飛機或飛船更換遙感儀器設備,使新技術及時得到應用而又節省經費。用它對地球大氣質量進行監測,可長期預報氣候變化。在陸地資源開發,海洋資源利用等方面,也都會從中受益。國際空間站在天文觀測上要比其他航天器優越得多,是了解宇宙天體位置、分布、運動結構、物理狀態、化學組成及其演變規律的重要手段。因為有人參于觀測,再加上空間站在太空的活動位置和多方向性,以及機動的觀察測定方法,因而可充分發揮儀器設備的作用。通過國際空間站,天文學家不僅能獲得宇宙射線,亞原子粒子等重要信息,了解宇宙奧秘,而且還能對影響地球環境的天文事件(如太陽耀斑、暗條爆發等)作出快速反應,及時保護地球,保護在太空飛行的航天器及其成員。

國際空間站上的俄羅斯美女宇航員

圖:國際空間站上的俄羅斯美女宇航員

國際空間站上的生命科學研究,可分為人體生命與重力生物學兩方面:人體生命科學的研究成果可直接促進航天醫學的發展,例如,通過多種參數來判斷重力對航天員身體的影響,可提高對人的大腦、神經和骨骼及肌肉等方面的研究水平。重力生物學和材料科學的研究與應用有廣闊的前景,而國際空間站的微重力條件要比和平號空間站和航天飛機優越得多,特別是在材料發展上可能起到一次革命性的進展。

僅就太空微重力這一特殊因素來說,國際空間站就能給研究生命科學、生物技術、航天醫學、材料科學、流體物理、燃燒科學等提供比地球上好得多、甚至在地球無法提供的優越條件,直接促進這些科學的進步。同時,國際空間站的建成和應用,也是向著建造太空工廠、太空發電站,進行太空旅游,建立永久性居住區(太空城堡)向太空其他星球移民等載人航天的遠期目標接近了一步。

延長壽命

2015年3月28日,俄羅斯聯邦航天局局長科馬羅夫與美國國家航空航天局局長博爾登當天在哈薩克斯坦的拜科努爾航天發射場召開新聞發布會。科馬羅夫說,俄美航天部門對于將“國際空間站的使用壽命由2020年延長至2024年”達成一致并簽署協議。俄美雙方正對國際空間站的未來使用、載人航天項目共同保障體系等問題展開研究。

爭議

批評者

有很多持批評觀點的人認為國際空間站計劃是在浪費時間和金錢,并且抑制了其他更有意義的計劃。持有這種觀點的人列舉,花費在國際空間站計劃上的上千億美元和近乎一世代的時間,可以用來實施無數的無人太空任務,或者將這些時間和金錢花在地球上的研究中,也要比國際空間站更有意義。

支持者

空間站的支持者認為對于空間站的批評是目光短淺而且帶有欺騙性的,支持者認為花費在載人空間探索上的巨額經費同樣會給地球上的每個人帶來切實的好處。有評估指出,國際空間站計劃所開發的載人航天相關技術的商業應用,會間接帶動全球經濟,其所帶來的收益是最初投資的七倍,也有一些相對保守的估計則認為此種收益只是最初投資的三倍。還有一些堅定的支持者認為,即使國際空間站在科學方面的意義為零,僅其發揮的推動國際合作的作用,也足以令這個計劃彪炳史冊。

國際空間站
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最新更新:2015-08-03 13:09
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