國際空間站：航天器中的“巨無霸”

文/ 杜駿豪

▲2009年3月發現號航天飛機拍攝的國際空間站

國際空間站是有史以來人類向太空發射過的最大最重物體，它是當前除地球之外唯一有人類存在的地方，它已超期服役多年卻依舊在書寫著人類歷史，它站在人類科技的巔峰，也立于政治的風口浪尖之上。

緣起：同一個世界，同一個空間站

人類對于空間站的探索有鮮明的發展歷程——蘇聯發射的第一代空間站“禮炮1號”到“禮炮5號”均為單模塊且只有一個對接口。美國發射的天空實驗室及蘇聯“禮炮6號”“禮炮7號”為第二代空間站，均為單模塊且有兩個對接口，具有進一步的擴展能力。隨后就是以和平號空間站為代表的第三代空間站，其多模塊、積木式結構可以按需求進行對接與擴展。

在規劃“和平號”時，蘇聯也曾計劃建造和平2號空間站。同時期，美國的天空實驗室再入大氣層，航天飛機隨后首飛成功，美國宇航局開始構思“自由號”空間站。這兩座計劃中的空間站體量龐大，均為衍架與積木混合式的第四代空間站，積木式結構與第三代空間站的構建方法大同小異，而衍架則為大型太陽能帆板、散熱板等結構提供了更寬闊的面積，為空間站提供更多能源。

隨著1991年蘇聯解體，同時美國在阿波羅登月計劃結束后經費緊張，這兩個項目均在推進中遇到了困難。1993年，經過數次會談，國際空間站這一計劃終于水落石出——由美國宇航局、俄羅斯聯邦航空航天局牽頭組建，歐洲空間局、日本宇宙航空研究開發機構和加拿大航天局共同運營，共同打造史上規模最大的國際性軌道空間站。

國際空間站主體結構由蘇聯的“和平2號”、美國的自由號空間站融合而來，分別衍化為由俄羅斯運營的俄羅斯軌道段（ROS）、由美國及其他國家運營的美國軌道段（USOS）。昔日太空競賽打得不可開交的兩大航天強國決定攜手共建如此規模的航天器，美國宇航局局長丹尼爾·戈爾丁對此曾頗有深意地說：“同一個世界，同一個空間站?！?/p>

開工建造

國際空間站建造過程繁瑣復雜，跨度冗長，大致可以把其組裝建造過程分為三個階段：第一階段(1994~1998)，經驗交會對接；第二階段(1998~2001)，初期裝配；第三階段(2001～至今)，裝配與應用同步推進。

“經驗交會對接”就是獲得交會對接的經驗。美國宇航局為航天飛機設計了巨大的貨艙，原本計劃與自己的天空實驗室對接，以運送新的艙段。然而遺憾的是天空實驗室沒能堅持到航天飛機首飛便遺憾地再入大氣層了。航天飛機如何進行對接等全新技術的測試呢？在國際空間站這一任務啟動時，俄羅斯的和平號空間站仍然在軌運行，這為航天飛機的測試創造了條件。1994年到1998年，在地面展開國際空間站艙段研制工作的同時，美國發射航天飛機與俄羅斯的和平號空間站進行了9次交會對接，積累了大量航天飛機交會對接的經驗與數據，兩國航天員一同開展了一系列科學實驗，并著重訓練了美國航天員在空間站上生活和工作的能力，為即將展開的國際空間站的組裝工作積累了寶貴的經驗。

▲ 俄羅斯軌道段（ROS）示意圖

▲ 美國軌道段

▲ 1995年和平號空間站與阿特蘭蒂斯號航天飛機的對接組合體

1998年11月20日，由美國出資、俄羅斯建造的國際空間站首個艙段——曙光號功能貨艙由俄羅斯質子號運載火箭成功發射，標志著國際空間站初期裝配工作全面展開。作為空間站的第一個模塊，曙光號功能貨艙為空間站提供了電力、推進、導航、通信、姿控、溫控等多種功能，并且具有3個對接口以供進一步的擴展。

1998年12月4日，美國團結號節點艙由奮進號航天飛機送入軌道，并于3天后與“曙光號”對接。它負責連接俄羅斯軌道段和美國軌道段，是擁有6個對接機構的樞紐，在日后的建造中多個重要艙段均由“團結號”連接。

接近兩年后的2000年7月12日，第三個模塊星辰號服務艙由俄羅斯質子K運載火箭發射升空?！靶浅教枴钡幕窘Y構框架早在上世紀80年代中期就建成了，原本用作“和平2號”空間站的核心艙。這意味著“星辰號”在布局上與和平號空間站的核心艙高度相似，其“血統”甚至可以追溯到蘇聯時期的禮炮空間站上?！靶浅教枴笔呛教靻T生活和工作的主要場所之一，生活艙中設有洗澡隔間和睡眠隔間，艙內有帶冰箱的廚房及餐桌、廁所，甚至還有一輛供航天員鍛煉身體的特制自行車。

此時空間站已經基本滿足了航天員的生存需求。2000年11月2日，3名遠征-1機組人員乘坐俄羅斯聯盟TM- 31載人飛船發射升空，成功與空間站對接，啟動了空間站的各項設備，國際空間站真正“活”了起來。

3名航天員在空間站停留了136天，接受了3艘航天飛機的停訪和2艘進步號貨運飛船的補給。3艘航天飛機分別把一對大型太陽能光伏陣列、命運號實驗艙、萊昂納多號多功能后勤艙運抵國際空間站。此后，加拿大制造的艙外機械臂、航天員進行出艙活動的氣閘艙依次運抵國際空間站。這標志著國際空間站初期裝配階段圓滿完成，國際空間站已經滿足了航天員工作、生活、出艙活動等全部需求，轉入科研成果產出與最終裝配應用同步推進期。

其后，俄羅斯質子號運載火箭、聯盟系列運載火箭，以及美國的3艘航天飛機進行了十余次飛行任務，不斷部署新的艙段、衍架與太陽能板等模塊，國際空間站的規模日益擴大。遺憾的是在2003年2月1日，建造過程被突如其來的噩耗打斷了。執行非國際空間站STS-107任務的哥倫比亞號航天飛機完成任務后，再入大氣層時在6萬米高空發生慘烈的解體，7名機組人員全員遇難。這次災難是航天飛機第二次發生機毀人亡的慘烈事故，直接導致所有航天飛機停飛，國際空間站的建造過程受此影響被中斷兩年半。其間僅通過俄羅斯的聯盟系列運載火箭維持航天員輪換與貨物補給。直到2005年7月26日，確認萬無一失后，發現號航天飛機才被批準發射，繼續執行國際空間站建造任務。

之后的十幾年內，空間站的建設過程相對順利，多個艙段、衍架與太陽能板依次部署，逐漸形成了現在人們所熟悉的國際空間站外形。目前國際空間站總質量約420噸，長73米，寬109米，內部航天員可活動的空間足足有915.6立方米，是人類有史以來當之無愧的最大航天器。

年過中旬的國際空間站還有新鮮的血液加入。2020年5月30日，太空探索技術公司的載人龍飛船首次載人發射成功，這是繼2011年7月8日STS-135任務結束、航天飛機退役后，美國本土執行的第一次載人航天發射任務。此后太空探索技術公司的龍飛船將逐漸挑起空間站人員與貨物運輸的大旗。

俄羅斯科學號實驗艙原本是曙光號功能貨艙的備份，原計劃改裝完成后在2007年發射，然而一推再推，直到今天還躺在廠房里進行總裝測試工作，被譽為航天界數一數二的“鴿王”。據最新消息，它將在2021年7月15日由俄羅斯質子M運載火箭發射升空，但是否還會繼續推遲便不得而知了。

▲奮進號航天飛機拍攝的正在與曙光號功能貨艙（上）對接的團結號節點艙（下）

太空生活：昨天的咖啡就是今天的咖啡

▲ 部署完成第一對大型太陽能光伏陣列的國際空間站，電能產出值提高了五倍

▲ 在發現號航天飛機有效載荷倉內等待安裝的萊昂納多號多功能后勤艙

太空中的生活是有嚴格規律性的，乍一看時間表與國內寄宿制中小學的作息時間有很大相似性。國際空間站以世界協調時（UTC+0）為基準，在工作日航天員們通常早上6:00起床，然后對空間站開展例行檢查。吃過早餐后與地面控制中心開一個每日計劃會議，在8:10左右開始工作。其間穿插著類似“課間操”的鍛煉時間。一小時的午餐休息時間后，下午14:00開始進行剩余的工作與運動。19:30是晚餐和會議時間，剩余時間自由安排，直到21:30熄燈睡覺。國際空間站每天要經歷16次日出和日落，因此在夜間會將舷窗遮蓋起來，給航天員營造黑暗的休息環境。

太空飲食環境與地面有很大不同，失重的環境對食物的狀態及進食方式有很多限制。為了降低運輸成本，大部分食物都保存在密封的輕質袋子里，飲料也以脫水粉末的方式運送，航天員需要像煮咖啡一樣親自制備各種飲料，然后用吸管喝掉。在太空的調味料以液態的醬料為主，并不會使用粉末狀調味料。吃面包產生的碎屑液必須要收拾干凈，防止堵塞空氣過濾設備。刀叉是帶有磁鐵的，防止鋒利的餐具在空間站里亂飛惹出大麻煩……各種各樣繁雜的飲食規定對于普通人來說很難習慣。

▲ 正在與國際空間站對接的載人龍飛船

在太空中解決衛生問題就更加麻煩了。國際空間站上有兩個常備廁所，均為俄羅斯設計，分別位于“星辰號”和“寧靜號”。方便時航天員首先將自己固定在馬桶座圈上，馬桶座圈裝有彈簧約束裝置，以確保良好的密封性。大功率風扇產生的氣流可以把廢物吸走，固體廢物收集在單獨的袋子中，液體廢物通過馬桶前部的軟管收集并轉移到水回收系統中，并凈化為飲用水，航天員常調侃說“昨天的咖啡就是今天的咖啡”。國際空間站里并不能愉悅地洗澡，飛翔的小水珠對空間站各種設備是巨大的威脅。航天員只能用濕毛巾擦拭身體，盡量避免產生水珠。為了節水，國際空間站還為航天員們提供了免沖洗洗發露和可食用牙膏，誠然，它們并沒有正常的洗發水與牙膏好用。

▲ STS-116任務的航天員進行太空行走，安裝衍架有關設備

在周末及節假日，航天員可以自由安排娛樂活動。他們可以通過看電影、聽音樂、看書、打牌等常規娛樂活動來消遣時光。當然在太空中，最與眾不同的休閑方式便是望向窗外——那里有最驚艷絕美的景色。國際空間站最佳觀景地點是穹頂艙，七面大玻璃組成了絕妙的全景觀景窗，在太空中觀察地球表面細膩的紋理、流動的云朵和碧藍的海洋是最令人流連忘返的。適當的娛樂活動為封閉空間站內的生活增色不少，有利于改善航天員的心理狀態，并提高他們的工作效率。

▲ （左）正在聚餐的航天員們；（中）為了減緩太空中肌肉萎縮等癥狀；（右）適當的鍛煉是必要的

科研任務：最接近宇宙真諦的實驗室

航天員的主要工作就是進行科學研究。國際空間站是極好的科研平臺，研究的主要領域包括物理學、材料科學、生命科學、太空醫學、天文學和氣象學等，研究儀器不但分布在國際空間站各大實驗艙內，艙外也有專用的儀器部署，因為艙外提供了地球不具有的高能宇宙輻射環境。

太空中失重的環境可以進行很多地面無法實現的實驗。例如受重力影響，蛋白質晶體在地面生長時往往會產生缺陷。而在國際空間站微重力環境下可以培育出結構近乎完美的大尺寸蛋白質結晶，這種蛋白質晶體能夠幫助地面科學家進行更精確的表征測定，在藥物設計、疾病治療領域大有用處。

▲ 仍在研制的科學號實驗艙

▲ 在失重條件下的水珠因表面張力呈球狀

▲ 航天員在穹頂艙可以欣賞地球每一處山川河流

▲ 地面的火苗與國際空間站的火苗對比

▲ 暴露在外的α電磁光譜儀

α電磁光譜儀是國際空間站最廣為人知的儀器之一。它重達7噸，能耗和通信帶寬巨大，每秒鐘產生的數據量有1 GB之多，使它無法部署在常規的衛星平臺上，只有國際空間站才“養”得起這樣一個大設備。1976年諾貝爾物理學獎獲得者，美籍華人丁肇中是α電磁光譜儀的設計者與首席研究者，他在1995年提出該項目并被美國宇航局采納，來自16個國家56個機構的500多名科學家耗資20億美元推進了該項目。α電磁光譜儀可以探測反物質的有關線索，從而幫助人類尋找暗物質存在的證據，并探尋宇宙的起源。2013年3月，丁肇中團隊發表了初步的研究結果，α電磁光譜儀成功觀測到超過40萬個正電子，期待它進一步的研究能帶給人類關于宇宙起源的關鍵信息。

對于人體的研究也是國際空間站的研究熱點。國際空間站曾經研究過長期的太空失重生活對人體的影響，發現航天員在太空生活幾個月后出現了肌肉萎縮、骨質流失和體液移位等情況。這些數據對日后長時間的太空旅行和太空殖民活動的規劃有借鑒意義。比如按照現有技術前往火星需要6個月的時間，航天員登陸火星后可能面臨更加容易骨折等重大風險。

國際空間站上開展多項科學研究對推動科學技術的發展與應用起到了不可替代的作用。半導體晶體制造、石化工業催化劑甚至胰島素治療糖尿病等深入到社會各行各業的革新技術，都有國際空間站的功勞。

國際空間站是有史以來人類建造過最昂貴的單件物品，總成本接近2000億美元，但它對于人類科技進步的貢獻卻是無價的。