NASA的Marshall太空實(shí)驗(yàn)室再利用研究

1973年5月14日，最后一次發(fā)射的土星5號(hào)，指定的SA-513將太空實(shí)驗(yàn)室軌道工作站送入距離地球435米高的軌道內(nèi)。隨后飛行控制人員很快就意識(shí)到100噸重的太空實(shí)驗(yàn)室在飛行中遇到了麻煩。太空實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入到濃密云層，因?yàn)樵谄淇焖偕仙拇蟛糠謺r(shí)間內(nèi)無法捕捉其影像，所以飛行控制人員對(duì)于麻煩毫無察覺。就這樣帶有設(shè)計(jì)缺陷的運(yùn)載火箭在發(fā)射了63秒后，太空實(shí)驗(yàn)室的流星盾從主體剝離開來。流星盾的碎片落下時(shí)卡在了空間站兩大主要發(fā)電的太陽能電池板其中的一塊上。另一塊太陽能電池板仍然連接在太空實(shí)驗(yàn)室一側(cè)的鉸鏈端（前端）。

流星盾碎片撞擊著SA-513，在連接空間站S-II第二階段的錐形級(jí)間適配器上至少撕裂開了一個(gè)口子。同樣還造成了用于分離開連接S-II到S-IC第一階段的圓柱形適配器的系統(tǒng)損壞。原本在S-IC燃料耗盡之后就將快速分離的適配器仍舊頑固地全程附著在S-II上進(jìn)入了軌道。

S-II的5號(hào)J-2引擎關(guān)閉后，前向的固體燃料火箭點(diǎn)燃噴甩掉燃料已經(jīng)耗盡的火箭級(jí)，使其太空實(shí)驗(yàn)室剝離開來。燃燒產(chǎn)生的煙柱噴開并撕下了已經(jīng)松動(dòng)的那一塊太陽能電池板。具有諷刺意味的是，被卡住的另一個(gè)太陽能電池板可能正因?yàn)榫o緊地卡住了流星盾而得以幸存下來。

沒有了反光流星盾的保護(hù)，太空實(shí)驗(yàn)室11303立方英尺的加壓體積內(nèi)溫度迅速升高，人們擔(dān)心實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的空氣因?yàn)榛鸺牧系某鰵舛芪廴荆z卷因此受到損壞，食物變質(zhì)。與此同時(shí)，用來冷卻太空實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部溫度的操控即將耗盡電能，因?yàn)樗麄冞h(yuǎn)離太陽。阿波羅望遠(yuǎn)鏡裝置上的4個(gè)“風(fēng)力渦輪”太陽能電池板成了處于困境中的太空實(shí)驗(yàn)室唯一可以正常運(yùn)行的電力來源。

NASA立即采取了太空實(shí)驗(yàn)室救援措施。工程師研發(fā)出可展開的太陽盾和用于分離被卡住的太陽能電池主板的工具。飛行控制人員仔細(xì)操控太空實(shí)驗(yàn)室以求將ATM電池板可生產(chǎn)的電能最大化，同時(shí)盡可能降低火箭的溫度。原本登入太空實(shí)驗(yàn)室（由NASA指定的2號(hào)太空實(shí)驗(yàn)室）的第一批全體成員立即受訓(xùn)成為軌道空間站的修理工。

5月25日，2號(hào)太空實(shí)驗(yàn)室的機(jī)組成員皮特·康拉德（Pete Conrad）、保羅·維茲（Paul Weitz）和喬·科爾文（Joe Kerwin）在搭載土星IB火箭發(fā)射下，乘坐阿波羅指揮與服務(wù)艙（CSM）進(jìn)入太空。在試圖用開著的CSM艙口延伸出來的鉤子拉開那個(gè)幸存下來的太陽能電池主板失敗后，他們?？坎⑦M(jìn)入了太空實(shí)驗(yàn)室，通過實(shí)驗(yàn)氣閘展開了太陽盾。溫度開始下降，但空間站仍缺乏電力。7月，康拉德和科爾文成功展開了存留下來的那個(gè)主太陽能電池板，這一舉不僅挽回了他們自己28天的太空計(jì)劃，還拯救了59天的3號(hào)太空實(shí)驗(yàn)室和84天的4號(hào)太空實(shí)驗(yàn)室的太空使命。

3號(hào)太空實(shí)驗(yàn)室成員艾倫·賓（Alan Bean）、杰克·洛斯馬（Jack Lousma）和歐文·加里歐特（Owen Garriott）于7月28號(hào)發(fā)射上空。在他們8月6號(hào)的太空作業(yè)中，洛斯馬和加里歐特展開了一個(gè)改良過的太陽盾。4號(hào)天空實(shí)驗(yàn)室成員杰瑞·卡爾（Jerry Carr）、威廉·波格（William Pogue）和艾德·吉布森（Ed Gibson）于11月16號(hào)登入實(shí)驗(yàn)室?？柡图忌?月3號(hào)的太空作業(yè)中在ATM支柱上安裝了一個(gè)流星收集器，希望在1979年早期由另一名航天飛機(jī)成員將其收回。1974年2月8日4號(hào)太空實(shí)驗(yàn)室成員離開與空間站，可能大氣阻力會(huì)致使實(shí)驗(yàn)室墜落回地球，但人們?nèi)匀幌Ｍ炜諏?shí)驗(yàn)室可以一直運(yùn)行到1983年。他們一行離開時(shí)只是將太空實(shí)驗(yàn)室的氣閘艙口關(guān)上并未鎖定，這樣可以方便未來的空間站參觀者進(jìn)入。

1977年6月10日，前太空實(shí)驗(yàn)室副主任，時(shí)任NASA先進(jìn)計(jì)劃總監(jiān)的約翰·迪施爾（John Disher）管理著位于美國(guó)亞拉巴馬州漢斯維爾市的NASA馬歇爾航天飛行中心（MSFC），在一項(xiàng)航天飛行計(jì)劃里，他開展了一次重新使用太空實(shí)驗(yàn)室可行性的內(nèi)部研究。1977年11月16日，MSFC工程師墨菲（J. Murphy）、丘博（B. Chubb）和吉耶洛（H. Gierow）向NASA太空飛行副署長(zhǎng)約翰·亞德里（John Yardley）上報(bào)了有關(guān)研究的成果。1974年在效力于NASA之前，亞德里曾在空間站主要承包商麥道公司（McDonnell Douglas）太空實(shí)驗(yàn)室組裝部擔(dān)任管理一職。

MSFC工程師首先評(píng)估了太空實(shí)驗(yàn)室的條件。他們?cè)趫?bào)告中指出，當(dāng)4號(hào)太空實(shí)驗(yàn)室成員返回地球時(shí)，空間站內(nèi)的供水系統(tǒng)還存有1930磅的水（足以滿足3人60天的使用）。那些水可能還適合飲用，但是口感可能已經(jīng)變壞了。如果已經(jīng)不能飲用，可以將其用于洗澡。無論如何，太空實(shí)驗(yàn)室的供水系統(tǒng)都含有補(bǔ)給點(diǎn)，所以如果可以研發(fā)出水轉(zhuǎn)印設(shè)備，一名航天飛行成員就可以對(duì)空間站的水進(jìn)行補(bǔ)充。

據(jù)MSFC工程師的估計(jì)，太空實(shí)驗(yàn)室存留下來的氧氣或是氮?dú)饪赡茏銐蚬?yīng)3人在每平方英尺重達(dá)5磅的太空實(shí)驗(yàn)室的工作壓力下使用140天。通風(fēng)設(shè)備和二氧化碳去除系統(tǒng)幾乎可以肯定還在運(yùn)行中。即使沒有，它們最重要的部件按照設(shè)計(jì)是可以在太空中進(jìn)行置換的。

MSFC工程師還評(píng)估了太空實(shí)驗(yàn)室的電力系統(tǒng)。由康拉德和科爾文展開的太陽能電池主板，據(jù)估計(jì)可產(chǎn)生1.5至2.5千瓦的電力，那些充過點(diǎn)的電池位于太空實(shí)驗(yàn)室氣閘艙內(nèi)，可能還可以使用。另一方面ATM電池板的電池肯定幾乎都凍住了。工程師們建議在第一次航天飛機(jī)拜訪前，地面控制人員可以激活電池主板的電力系統(tǒng)，而恢復(fù)ATM的電力系統(tǒng)還有待日后努力。

比起恢復(fù)電力系統(tǒng)更困難的是姿態(tài)控制系統(tǒng)，它依賴于三個(gè)控制力矩陀螺（CMGs）來調(diào)整太空實(shí)驗(yàn)室的朝向，這樣一來在其他的系統(tǒng)一起控制中，它可以將太陽能電池板轉(zhuǎn)向太陽。其中一個(gè)CMG已經(jīng)失靈，另一個(gè)有即將發(fā)生故障的跡象。此外，太空實(shí)驗(yàn)室的指導(dǎo)計(jì)算機(jī)在遭受了“極端熱循環(huán)”后可能已經(jīng)不能工作了。另一方面，空間站的推力器系統(tǒng)可能還有30天的推進(jìn)劑剩余量以供正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

最后，MSFC團(tuán)隊(duì)又將評(píng)估目光轉(zhuǎn)向太空實(shí)驗(yàn)室的冷卻系統(tǒng)，當(dāng)宇航員登陸時(shí)冷卻系統(tǒng)就已泄露，自從最后一批航天員返回地球后，冷卻系統(tǒng)可能已經(jīng)凍住并破裂了。自從研究太空實(shí)驗(yàn)室可重用性以來，他們對(duì)此稱之為“冷卻系統(tǒng)的最可疑區(qū)”，但又補(bǔ)充道：“任何空中‘修復(fù)’都最好是在船員們能力所及的范圍之內(nèi)發(fā)生?！?/p>

MSFC的工程師們隨后為重新激活和使用太空實(shí)驗(yàn)室提出了一個(gè)具有四項(xiàng)階段的計(jì)劃。第一階段的第一個(gè)里程碑的目標(biāo)日期已經(jīng)過去了，他們向亞德里簡(jiǎn)要介紹道：“他們呼吁1977年10月決定是否重新啟動(dòng)并提升太空實(shí)驗(yàn)室到更高的軌道上去，延長(zhǎng)其軌道壽命至1990年，或者將其減壓以使太空實(shí)驗(yàn)室墜落到無人區(qū)。

假設(shè)NASA決定重新啟動(dòng)太空實(shí)驗(yàn)室，那么就將在1978年6月至1979年3月進(jìn)行一次地面重新激活測(cè)試。如果重新激活測(cè)試成功，那么在1980年2月航天飛機(jī)計(jì)劃的第五次軌道飛行試驗(yàn)中，航天飛機(jī)軌道器將與太空實(shí)驗(yàn)室會(huì)合。軌道器將進(jìn)行一次饒飛軌道檢查，然后從它的有效載荷艙中部署一架無人駕駛的遙控太空船。利用航天飛機(jī)的控制板，宇航員將操縱載有阿波羅型號(hào)的探測(cè)對(duì)接裝置的遙控操作器，與太空實(shí)驗(yàn)室多種對(duì)接適配器的前對(duì)接口進(jìn)行對(duì)接。對(duì)接后，遙控操作器點(diǎn)燃推進(jìn)器以此帶動(dòng)提升太空實(shí)驗(yàn)室的軌道。完成后，遙控操作器自行分離，解開前對(duì)接口為MSFC計(jì)劃的第二階段準(zhǔn)備。

當(dāng)NASA準(zhǔn)備開始研發(fā)太空實(shí)驗(yàn)室維修裝備、一個(gè)10英尺長(zhǎng)的對(duì)接適配器（DA）和一個(gè)25千瓦功率的模塊（PM）的時(shí)候，計(jì)劃中的第二階段就于1980年3月開始啟動(dòng)。DA一頭是阿波羅型號(hào)的探測(cè)對(duì)接裝置，為的是與太空實(shí)驗(yàn)室前接口進(jìn)行對(duì)接，另一頭是Apollo-Soyuz-type的中性裝置以便航天飛機(jī)軌道器和PM都可以對(duì)接。

第一組維修裝備和DA于1982年1月到達(dá)已有航天飛機(jī)軌道器登陸的太空實(shí)驗(yàn)室。在執(zhí)行相同任務(wù)期間，太空作業(yè)的航天飛機(jī)宇航員將折疊4個(gè)ATM太陽能電池陣列中的兩個(gè)，為的是留出更多的間隙以便進(jìn)入軌道器并找回4號(hào)太空實(shí)驗(yàn)室成員以前留在ATM上的流星實(shí)驗(yàn)裝置。

第二次派遣航天飛機(jī)于1983年8月進(jìn)行，此次將帶去額外的維修裝備用于修理太空實(shí)驗(yàn)室損壞的冷卻系統(tǒng)的水管裝置。如果時(shí)間允許的話，第二階段成員還將在太空實(shí)驗(yàn)室艙內(nèi)實(shí)施沒有明確界限的“簡(jiǎn)單被動(dòng)實(shí)驗(yàn)”，并收集一些實(shí)驗(yàn)室裝備的樣本回地球后研究。

第三階段于1984年3月開始，MSFC工程師告訴亞德里此階段將把PM和剩下的其他任何維修裝備送往太空。利用航天飛機(jī)遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)機(jī)器手臂，宇航員可以從軌道飛行器的有效載荷艙舉起PM，并旋轉(zhuǎn)180°，這樣向前突起的部位就正好在軌道飛行器的前部。他們將PM三個(gè)中性對(duì)接裝置中的一個(gè)對(duì)接到位于軌道飛行器有效載荷艙前方的一個(gè)相同的對(duì)接裝置上，航天飛機(jī)再用另一個(gè)PM的對(duì)接裝置對(duì)接上太空實(shí)驗(yàn)室的DA。與太空實(shí)驗(yàn)室對(duì)接后，宇航員將部署PM的一對(duì)太陽能電池板和熱輻射器，通過開放窗口延伸過來的電纜連接太空實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)，或者在太空作業(yè)期間安裝在船體上，給PM三個(gè)CMG通上電，用來取代太空實(shí)驗(yàn)室中受創(chuàng)的姿態(tài)控制系統(tǒng)。然后軌道飛行器將與PM解開對(duì)接，使其永久地留在太空實(shí)驗(yàn)室上，NASA屆時(shí)就可對(duì)外宣布軌道工作站已經(jīng)恢復(fù)使用并已進(jìn)行了擴(kuò)展，非常適合人類居住。

第三階段將繼續(xù)在太空實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行為期30至90天的任務(wù)。在此期間，一架貨物艙內(nèi)載有空間實(shí)驗(yàn)室航天艙的航天飛機(jī)軌道飛行器將保持與軌道工作站的對(duì)接。宇航員將在航天艙內(nèi)工作，利用太空實(shí)驗(yàn)室的大型加壓體積空間來實(shí)施“簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)”，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的空間要求非常大，航天飛機(jī)和太空實(shí)驗(yàn)室都無法滿足的。（比如初級(jí)空間建造實(shí)驗(yàn)），開始食物、膠卷、衣服和其他太空實(shí)驗(yàn)室所需物品的儲(chǔ)備。另一個(gè)為期30至90天的任務(wù)是宇航員進(jìn)行維修和應(yīng)用選定的太空實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，基于太空實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，安裝新的設(shè)備和增加更多的庫存。這些任務(wù)之間，改進(jìn)過的新的太空實(shí)驗(yàn)室將會(huì)進(jìn)行無人駕駛的太空飛行。

MSFC工程師們告訴亞德里沒有空間實(shí)驗(yàn)室航空艙的航天飛機(jī)軌道飛行器的有效載荷艙內(nèi)，可以為一組太空實(shí)驗(yàn)室的機(jī)組成員所提供的體積總共只有1110立方英尺。加上空間實(shí)驗(yàn)室的空間，體積將增至近5100立方英尺。然而這比太空實(shí)驗(yàn)室的加壓體積空間的一半還要少。將航天飛機(jī)軌道飛行器、空間實(shí)驗(yàn)室航空艙和太空實(shí)驗(yàn)室的體積加在一起，全體成員可使用的總體積將會(huì)超過16400立方英尺。

他們并沒有具體說明到了1986年中期當(dāng)?shù)谒碾A段開始時(shí)，會(huì)使用的是什么樣的太空實(shí)驗(yàn)室，雖然他們確實(shí)提供了非常吸引人的各種可能。比如，航天飛機(jī)軌道飛行器可能將空間實(shí)驗(yàn)室航空艙和實(shí)驗(yàn)板與PM上的第三個(gè)對(duì)接口相接。航天飛機(jī)的一個(gè)外部燃料箱可能加入到太空實(shí)驗(yàn)室，作為使用移動(dòng)“太空起重機(jī)”的大型空間建設(shè)的強(qiáng)力背材。這些實(shí)驗(yàn)包括建造大型太空電源模塊或是多波束天線?？赡茉诳臻g實(shí)驗(yàn)室內(nèi)組裝一個(gè)新的“地面”，使其可以容納9名宇航員。隨著NASA對(duì)恢復(fù)太空實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行條件越來越有自信，沒有航天飛行軌道器伴隨的載人太空實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃可能要開始了，這將導(dǎo)致太空實(shí)驗(yàn)室永久性的載人飛行和“主要空間操作的支持”。

MSFC的工程師并沒有預(yù)估他們計(jì)劃中第一階段和第四階段的花費(fèi)，雖然他們?yōu)榈诙A段和第三階段進(jìn)行了（可能樂觀地）價(jià)格估算。在他們的預(yù)估中并不包括航天飛機(jī)的運(yùn)輸費(fèi)用和承包商進(jìn)行建造研究的費(fèi)用。1980的財(cái)政年度（FY）里，NASA預(yù)計(jì)分別在第二和第三階段花費(fèi)$200萬美金。到了1981年的財(cái)政年度里，第二階段的費(fèi)用已經(jīng)攀升至500萬美金，第三階段上升到340萬美金。1982年的財(cái)政年度也是該計(jì)劃費(fèi)用到達(dá)頂峰的一年，第二階段需要450萬美金，第三階段需要花費(fèi)一千兩百萬美金。1983年的財(cái)政年度里NASA預(yù)計(jì)花費(fèi)250萬美金來結(jié)束第二階段，120萬美金繼續(xù)第三階段。接下來的一年將在第三階段花費(fèi)910萬美金。1985年財(cái)政年度將花費(fèi)450萬美金結(jié)束第三階段的工程。第二階段總計(jì)花費(fèi)達(dá)1400萬美金，而更加宏大的第三階段總計(jì)費(fèi)用達(dá)4120萬美金，也就是說第二階段和第三階段一起要花費(fèi)5520萬美金。

MSFC此份對(duì)亞德里的陳述報(bào)告中包括了1978年財(cái)政年度中呼吁進(jìn)行更多的內(nèi)部研究和工程承包商的建造研究。麥道公司和Martin Marietta公司隨后開始了更多具體的太空實(shí)驗(yàn)室調(diào)查，前者是在德克薩斯州的休斯頓NASA約翰遜空間中心的監(jiān)督之下進(jìn)行的，后者則受監(jiān)督于MSFC。在即將上傳的帖子中會(huì)討論麥道公司和Martin Marietta公司二人的調(diào)查研究。（編輯：楊磊）