第二章 航天器

哥倫比亞號航天飛機

美國研製的第一架航天飛機哥倫比亞號於1981年4月12日第一此進入繞地球的軌道。航天飛機的中心部分是一個帶翼的軌道飛行器，它垂直發射，但在入地球大氣層後，像飛機那樣下滑著陸。起飛時，用兩台巨大的固體推進劑的集束式助推器和3台**推進劑的主發動機作動力。軌道飛行器設計可供100次飛行，集束式助推器可以回收並重複使用無數次，軌道飛行器有一巨大貨艙，衛星及其他材料放在艙內送進太空或從太空帶回。哥倫比亞號是從佛羅裏達州肯尼迪航天中心起飛，這個項目已推遲了幾年時間，並比20世紀70年代設想的費用多花幾十億美元。

國際空間站

由美、俄、日、加等16國合作建設的國際空間站始建於1998年，是世界航天領域最大規模的科技合作項目，也是航天史上第一個由各國合作建設的載人空間站。它結構複雜，站體龐大，預計投資總額將超過630億美元。

國際空間站計劃最早於20世紀80年代初期由美國提出，歐洲航天局、加拿大和日本後來相繼加入。1993年11月1日，美國航天局與世界上惟一擁有長期航天飛行經驗和向軌道運送大型物品經驗的俄羅斯航天局簽署協議，決定在“和平”號空間站的基礎上建造一座國際空間站。1998年1月29日，15個國家的代表在美國華盛頓簽署了關於建設國際空間站的一係列協定和3個雙邊諒解備忘錄，計劃用9年時間建成國際空間站，到2006年全部建設完畢。

國際空間站的總體設計采用桁架掛艙式結構，即以桁架為基本結構，增壓艙和其他各種服務設施掛靠在桁架上。該結構能夠加強空間站的剛度，並有利於各分係統和科學實驗設備、儀器工作性能的正常發揮以及宇航員出艙裝配與維修等。

國際空間站包括6個實驗艙、1個居住艙、3個節點艙以及平衡係統、供電係統、服務係統和運輸係統，總重量約為500噸。實驗艙包括：美國1個、歐洲航天局1個、日本1個、俄羅斯3個(提供科研機櫃)；在美日歐的實驗艙中，共有33個國際空間站有效載荷標準機架，其中美國實驗艙內有13個，日本艙內有10個，歐洲航天局艙內有10個。居住艙容積為1200立方米，有一個大氣壓，它包括有洗手間、臥室、廚房和醫務設備。

國際空問站的指揮和控製由美俄雙方分擔，美國主要以航天飛機為運載工具建設空問站，俄羅斯則主要用飛船向空間站運送人員和物資。

建成後的國際空間站將是一個“太空城”，它將成為人類在太空中長期逗留的一個平台，可容納7名宇航員同時在上麵長期居住，最多時可容納15人在上麵從事考察活動，目前的國際空間站可以供3名宇航員長期工作。

國際空間站主要由兩大結構呈十字狀“搭”在一起而形成。其中，縱向的主幹主要是一些像積木一樣拚接在一起的艙體，總長度約為80米。而由總共9根“橫梁”連接而成的長長桁架，將以90度角“架”在縱向主幹上，這一橫向桁架的翼展將達到108米。雖然總體的骨架是一個大十字，但國際空間站真正的形態遠非這麽簡單。在縱向的各艙體上，還會在不同方向衍生出其他一些結構；而橫向的桁架兩端，最終也將掛起巨大的太陽能電池板、散熱器等裝置；另外，攜帶著機械臂的小車，將來也可以在橫貫桁架的軌道上來回滑動。與俄羅斯“和平”號等僅僅由艙體連接而成的傳統空間站相比，國際空間站的一個顯著特色是增加了橫向的桁架。這種“縱橫交錯”的結構方式，靈活性更強、工作效率更高，但安裝施工的複雜性和難度也更大。

服務係統包括俄羅斯的功能貨艙、加拿大移動服務係統和俄羅斯服務艙。加拿大移動服務係統的遙控機臂能運125噸貨物，可沿主桁架移動，以進行空間站硬件的裝配、維修和更換。俄羅斯服務艙擁有生命保障係統、推力器和居住功能(含洗手間和衛生設施)，重20噸。

運輸係統包括聯盟號載人飛船和進步號運貨飛船等，其中後者每年為空間站運送4次推進劑。空間站的指令和控製由美俄雙方分擔，美國約翰遜航天中心主要負責空間站和航天飛機，俄羅斯的加裏寧格勒航天中心主要負責載人飛船和運貨飛船飛向空間站，以及飛船飛離空間站，它也是空間站運行的後備控製中心。

國際空間站利用地麵無法提供的空間零重力狀態的有利條件，可以使科學家們長期進行一係列科學試驗。國際空問站的建設，意味著一個共同探索和開發宇宙空間時代的到來。它將成為新型能源、運輸技術、自動化技術和下一代傳感器’技術的測試基地，它的建設推動了流體力學、燃燒、生命支持係統、反輻射危害等研究的發展，對未來的太空探索產生重要影響。

目前，國際空間站的建設卻陷於困境。從2001年起，美國大幅度削減了航天預算，美國航天局也宣布削減國際空間站計劃，放棄兩個艙體的建設。2003年的“哥倫比亞”號災難又導致美國航天飛機被迫暫停飛行，這使空間站建設工作大受影響。而俄羅斯由於航天經費緊缺，能否完成本國建設任務也令人擔憂。國際空間站能否按時完成建設，建設完畢後又能否保證7名宇航員在上麵長期工作，目前尚不得而知。

國際空間站計劃的實施分3個階段進行。第一階段是從1994．年開始的準備階段，現已完成。這期間，美俄主要進行了一係列聯合載人航天活動。美國航天飛機與俄羅斯“和平”號軌道站8次對接與共同飛行，兩國宇航員一起開展了一係列科學實驗和多次太空行走，特別是訓練了美國宇航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經驗。

第二階段從1998年11月開始，為空間站初期裝配階段，也是建設國際空間站的關鍵階段。11月20日俄羅斯使用“質子-K”火箭把空間站主艙——功能貨物艙送人了軌道。該艙重約20噸，13米長，內部容積約72立方米，是空間站的基礎艙，可連接空間站的各實驗室和宇航員的生活艙。它裝有導航、通信、姿態控製、溫度控製、氣候環境調節等多種設備，可在空間站建設初期提供電源和推進動力。主艙在太空“落戶”後，美國的連接艙、實驗艙及俄羅斯的服務艙、“聯盟”號飛船等將陸續發射升空。連接艙用於存儲貨物和提供電力，實驗艙則可以進行各種微重力環境實驗，包括材料加工與合成、生命科學、生物醫學實驗及流體實驗等。它還擔負著一些軍事實驗任務，因此該艙隻允許美國宇航員使用。實驗艙的發射和對接的完成，將標誌著第二階段的結束，那時空間站已初具規模，可供3名宇航員長期居住。

第三階段則是要把美國的居住艙、歐洲航天局和日本製造的實驗艙和加拿大的移動服務係統等送上太空。當這些艙室與空間站對接後，則標誌著國際空間站裝配最終完成，這時站上的宇航員可增至7人。

目前國際空間站由下列部分組成：俄羅斯“進步-M45”、“聯盟-TM23”、“進步-M—CO1”飛船，俄羅斯的“晨星”號服務艙、“曙光”號工作艙，美國的“團結”號連接艙和“女神”號實驗艙。整個空間站重量達140噸。

工作艙

1．“曙光”工作艙

“曙光”工作艙是國際空間站的第一個組件，由俄羅斯赫魯尼切夫空間中心和美國波音公司共同研製而成。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。赫魯尼切夫中心於1996年11月27日，即比預定發射時間提前一年完成“曙光”號工作艙的組裝工作。但由於國際空間站的其他一些部件沒有完工，“曙光”號被兩度推遲發射。

“曙光”號重量為24．2噸(其中包括4．5噸燃料)，長13米，內部容積約72立方米(可用麵積為40平方米)。它可以在不補充燃料的情況下連續飛行430晝夜。

“曙光”號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“質子-K”號火箭把“曙光”號送入預定軌道。

“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，連接未來升空的其他艙。

1998年12月4日，“團結”號隨美國“奮進”號航天飛機升空。12月6日，“團結”號與“曙光”號對接。

2.“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”號配有定位和電視聯係係統，可保障服務艙與俄羅斯科羅廖夫地麵飛行控製中心和美國休斯敦地麵飛行控製中心的直接聯係。

“星辰”號共有4個對接口，可用於接待載人飛船或貨運飛船。

2000年7月12日，“星辰”號由“質子-K”火箭送人太空；26日，“星辰”號服務艙與國際空間站聯合體對接。

3.“命運”號實驗艙

2001年2月7日，“命運”號實驗艙隨美國“阿特蘭蒂斯”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。它由美國波音公司製造，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製中心，是國際空間站6個實驗室中最重要的實驗艙之一。

4.“萊奧納爾多”號多功能後勤艙

“萊奧納爾多”號多功能後勤艙由意大利研製，價值1．6億美元。它是一個由金屬鋁製成，長21英尺(約為6．4米)、直徑為15英尺(約4．6米)的圓筒，分為16個貨箱，能攜帶9．1噸貨物。後勤艙可重複使用，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麵。

由加拿大研製的長約17米的巨型機械臂——“加拿大第二臂”，由美國“奮進”號航天飛機於2001年4月19日攜帶升空，22日被安裝到國際空間站上。

5．空氣阻隔艙

空氣阻隔艙又稱壓力艙，由金屬鋁製造，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，用於給空氣阻隔艙加壓。

2001年7月15日，空氣阻隔艙由美國“阿特蘭蒂斯”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，是航天器有壓空問與太空真空環境間的緩衝地帶，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。

6.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、不鏽鋼和環氧石墨製成，長19米，重量為1．63噸。

這隻長約17米的巨型機械臂的設計概念是1984年美國前總統裏根提議建設“自由”空間站時產生的，其最初研製目的是，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。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，也更長、更結實、更靈活。

7.“碼頭”多功能對接艙

“碼頭”多功能對接艙由俄羅斯“能源”火箭航天公司研製，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”係列貨運飛船和“聯盟”係列載人飛船對接。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後，就可以打開隔艙門進行太空行走。多功能艙對接艙有助於增加國際空間站與地麵問的貨物、人員運輸。

“碼頭”多功能對接艙於2001年9月17日安裝到國際空間站。

弗雷德

據俄羅斯科學院醫學一生物學問題研究所的專家介紹，弗雷德是由俄羅斯航空航天局和美國航天局共同研製成功的。從外表上看，弗雷德好似一樽沒有手臂和腿的人體雕像。它身長90厘米，體重43千克，其體表覆蓋著人造皮膚，體內裝有由特製塑料製成的骨骼、腦、甲狀腺、心髒、腸和其他器官，它們的密度和韌度均與真正的人體組織器官完全相同。

在弗雷德體內的各器官中共安裝著數百個宇宙輻射傳感器。這些裝置可以測量、記錄弗雷德所受到的不同波長的宇宙射線輻射和高能粒子的作用。當弗雷德與考察組一同返回地麵後，專家們將根據傳感器中的記錄來研究宇航員曾受到了哪些宇宙輻射，輻射劑量有多少，這些輻射劑量在人體內是如何分布的。

科學實驗顯示，宇宙射線和高能粒子能夠對生物的生長和遺傳特性產生影響。到目前為止，進入過太空的宇航員還都沒有被發現因宇宙輻射而患有疾病。但是，考慮到載人航天的未來發展還麵臨著很多未知領域，為了防患於未然，專家們希望借助弗雷德來提前發現和解決問題。