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如何設計一個空間站?

http://finance.sina.com   2020年09月20日 19:02   北京新浪網

其他空間站的任務時間都相對短暫,從幾個月到幾年不等,而國際空間站已經連續運行了20年,上面一直有人類在執行任務。其他空間站的任務時間都相對短暫,從幾個月到幾年不等,而國際空間站已經連續運行了20年,上面一直有人類在執行任務。

  新浪科技訊 北京時間9月21日消息,國際空間站是現代工程的奇蹟,但設計這個奇蹟的過程卻差不多是一場噩夢。

  許多年來,地球軌道上的“前哨站”來了又去,但迄今爲止一直“堅守崗位”的只有國際空間站。其他空間站的任務時間都相對短暫,從幾個月到幾年不等,而國際空間站已經連續運行了20年,上面一直有人類在執行任務,試圖揭開宇宙的奧祕。在使命完成之前,國際空間站還有很多工作要做。私人公司和一些國家也開始建立自己的軌道前哨站,意味着國際空間站可能是最後一個毫無疑義的“空間站”(The Space Station)。它擔得起這一稱號,也值得受到這樣的尊敬。國際空間站是一個工程奇蹟,一個太空時代的聖母院,更是人類智慧的勝利;但另一方面,設計國際空間站也是一件非常痛苦的事情。

  即使是在最好的條件下,建立一個空間站也是一項艱鉅的任務。然而,當這項任務涉及三屆美國總統、15個國家、數百名美國國會議員、數千名工程師和超過1500億美元的公共基金時,一切困難似乎就到了不可理喻的地步。羅馬不是一天建成的,確實如此,但羅馬很可能比國際空間站更容易建成。當然,這看你怎麼算,美國國家航空航天局(NASA)花了30年才建成這樣一個空間站,但即便如此,與該機構最初的設想相比,它仍然相形見絀。

巴茲·奧爾德林和尼爾·阿姆斯特朗在月球上揚起的灰塵尚未落定,NASA就已經開始考慮人類在太空中的永久存在了。NASA想要建立一個容納100人的前哨站,稱爲“太空基地”(Space Base)

  巴茲·奧爾德林和尼爾·阿姆斯特朗在月球上揚起的灰塵尚未落定,NASA就已經開始考慮人類在太空中的永久存在了。NASA想要建立一個容納100人的前哨站,稱爲“太空基地”(Space Base)。這將是一個向月球基地發送宇航員和物資的跳板。毫無疑問,這是一個雄心勃勃的項目,也是一個極其昂貴的項目。沒過多久,NASA就意識到,用一次性火箭把物體發射到軌道上的成本遠遠超過了建造空間站本身的成本。他們需要可重複使用的東西,比如航天飛機。

  英國太空建築師、《國際空間站:地球之外的建築》(International space station: Architecture Beyond Earth)一書的作者大衛•尼克松(David Nixon)說:“建造任何空間站的最大挑戰都是將硬件送入太空。直到航天飛機的出現,像堆積木一樣搭建起整個空間站才成爲可能。”

  在航天飛機發射之前,世界上最早的軌道前哨站——俄羅斯的禮炮計劃(Salyut programme,1971年至1986年)和美國的天空實驗室(Skylab,1973年至1979年)——都是用火箭一次性發射的。天空實驗室於1973年由土星5號運載火箭發射升空,這枚火箭曾將阿波羅任務宇航員送上月球。火箭的第三級被替換成一個小型圓柱形實驗室,兼作工作區和生活空間,最多可同時容納三名宇航員。它還包括一些更小的模塊,如太陽觀測臺。這並不新奇,但太空實驗室對於NASA具有重要的意義,使該機構知道了如何在太空中連續數週維持人類的生存。

  天空實驗室是美國的第一個空間站,在1973至1974年間,曾有三批宇航員到空間站內進行實驗,生存時間總計約6個月。上一次前往該空間站的任務是在1974年,到1979年時,天空實驗室的軌道已經衰減至無法回收的位置,它在那年夏天重新進入大氣層時燒燬。不過,天空實驗室的這個小故障並沒有困擾NASA。兩年後,航天飛機已經準備就緒,NASA的工程師們已經在考慮下一步如何讓人類永久駐留在軌道上。畢竟,開發航天飛機最大的目的正在於此。1982年初,NASA成立了一個空間站任務小組來研究這個問題,幾個月後,NASA向8家頂級航天承包商發放了資金,每家都得到了100萬美元,要求是提出可行的空間站設計方案。

  這些承包商在1983年初向NASA報告了他們的設計。儘管每個空間站的概念都獨一無二,但它們也都由一些共同的設計元素組合而成,以滿足NASA的要求。首先,每個空間站的設計一次最多能容納12名宇航員,相比NASA的阿波羅時代太空基地設想,這堪稱是大規模的縮減。大多數提交的設計還設想空間站作爲一個“太空船塢”或“太空港灣”,將有能力修理在軌道上的航天器和衛星。

  但最值得注意的是,這些公司提交的每一種空間站設計都是模塊化的。換句話說,它們將一塊一塊地組裝而成,從一個小內核成長爲一個龐大的軌道複合體。這是一個既實用又必要的特性。航天飛機一次只能將空間站相對較小的部分送入軌道,意味着無論選擇哪一種空間站設計,都必須在太空中建造。當然,這也意味着空間站可以在完工前投入使用。考慮到大多數設計都預期數年才能完成,這是一個十分重要的考量。

  1984年,大約在承包商提交設計一年後,美國總統羅納德·里根在他的國情諮文中正式指示NASA建造一個空間站。後來他將這個空間站命名爲“自由號”(Freedom),並視其爲發展強大太空經濟的捷徑。“我們可以追隨夢想前往遙遠的星球,在太空中生活和工作,獲得和平的經濟和科學成果,”里根告訴美國人,“就像海洋爲快帆船和美國商人打開了一個新世界一樣,太空在今天擁有巨大的商業潛力。”

這個新設計俗稱“電力塔”(Power Tower),由5個模塊組成——2個實驗室、1個後勤中心和2個船員艙——集中在一個120米長的桁架末端。這個新設計俗稱“電力塔”(Power Tower),由5個模塊組成——2個實驗室、1個後勤中心和2個船員艙——集中在一個120米長的桁架末端。

  里根的國情諮文標誌着NASA建立空間站的勃勃雄心進入了一個動盪時期。在1984年到1993年之間,爲了平衡預算和工程優先權,自由號的官方設計經歷了七次重大修改。在總統的指令下達後的幾個月裏,NASA就有了空間站的基本設計,但與承包商一年前提出的設計完全不一樣。這個新設計俗稱“電力塔”(Power Tower),由5個模塊組成——2個實驗室、1個後勤中心和2個船員艙——集中在一個120米長的桁架末端。模塊位於桁架的底部(也就是說,它們離地球最近),在桁架結構的另一端則是一個太陽能電池陣列和若干天線。

  “電力塔”的鐘擺式設計旨在同時提供地球、太陽和太空的景觀。這將有助於開展科學實驗,並減少維持空間站穩定軌道所需的推進器點火次數。但隨着設計的發展,電力塔的概念遭到了想要將空間站用於其他領域研究的科學家的抨擊。他們認爲,居住艙應該位於空間站的重心位置,而不是底部,以限制空間站的移動。“電力塔有嚴重的結構問題,”大衛·尼克松說,“由於振盪和振動,將實驗室模塊放在結構底部可能是最糟糕的。”最重要的是,空間站的設計反映了用戶的需求,而用戶需要將空間站的移動減少到最低限度。這就意味着NASA不得不從頭開始。

  1987年,NASA發佈了自由號空間站的新設計,即“修訂基準構型”(Revised Baseline Configuration)。在這個設計中,我們可以看到國際空間站的雛形。這一次,模塊都集中在一個長桁架的中心,其兩側是一排排的太陽能電池板。這些模塊也得到了國際支持,歐洲和日本提供了實驗室部件,加拿大提供了一個航天器維修中心。

“雙龍骨”的設計概念也是基於一個長水平軸,但它在中心有一個大型矩形結構——雙龍骨——可以容納航天飛機的對接口和其他後勤模塊。“雙龍骨”的設計概念也是基於一個長水平軸,但它在中心有一個大型矩形結構——雙龍骨——可以容納航天飛機的對接口和其他後勤模塊。

  修訂基準構型實際上是NASA自1985年開始探索的“雙龍骨”(Dual Keel)設計的一個折衷方案。儘管這個設計概念也是基於一個長水平軸,但它在中心有一個大型矩形結構——雙龍骨——可以容納航天飛機的對接口和其他後勤模塊。但據估計,這種設計的成本幾乎是NASA最初預計的空間站成本的兩倍。因此,雙龍骨設計被放棄,改用更便宜的修訂基準構型,但還可以選擇在以後添加雙龍骨。

  儘管修訂基準構型最終成爲了空間站最終設計的基礎,但NASA仍在不斷調整設計,以滿足不斷髮展的預算限制和技術要求。一般來說,每次設計迭代都會導致空間站容量下降,並導致發射計劃延期。1984年裏根宣佈美國的空間站計劃時,第一批太空艙預計將在十年內發射。但是到1993年,NASA已經在空間站的設計上花費了90億美元,但得到的只是一大堆工程研究,證明他們確實在努力。國會受夠了這種情況,就在那一年,美國衆議院以一票之差使整個空間站計劃免於被取消。

  儘管如此,一個不爭的事實是:如果太空站要成爲現實,它就必須從根本上成爲國際性的合作成果。美國顯然沒有足夠的政治意願獨自完成這一任務。因此,1993年克林頓入主白宮後,正式宣佈自由號計劃由美國獨自建造改爲國際合作建造;在此之後,美國將與盟國合作建設國際空間站。

  就空間站的設計而言,從自由號到國際空間站的轉變主要是一種修辭上的策略。NASA從一開始就主張在其空間站上進行國際合作,歐洲空間局和日本已經同意爲自由號空間站提供硬件。隨着冷戰的結束,俄羅斯也被邀請在這個前所未有的項目上與美國合作。大衛·尼克松說:“在這個項目即將被取消的時候,俄羅斯提供了主要的支持。”

  國際空間站的最終設計在很大程度上依賴於“修訂基準構型”,而NASA在過去6年裏又對空間站進行了充實,但採用了更簡單的設計。例如,空間站的主要水平桁架採用的是預製構件,而不是由宇航員在軌道上組裝。這個簡化的空間站構型由一組實驗室和居住艙組成,位於一個長長的水平桁架中心,兩側各有4個太陽能電池陣列。“從某種意義上說,這樣的結構是一個混合體,結合了來自不同來源的不同觀點,”大衛·尼克松說道。整個空間站有一個足球場那麼長,需要30多次航天飛機發射才能組裝完成。

  1998年,美國向空間站發射了第一個組件——作爲宇航員餐廳的“團結號”(Unity)節點艙。13年後,發現號航天飛機的最後一次飛行爲空間站送來了一個多用途增壓艙,空間站的建設正式結束。

對美國來說,考慮到幾十年來與國際夥伴的角力、不穩定的預算和好鬥的總統政府,國際空間站堪稱是一份難以置信的遺產。對美國來說,考慮到幾十年來與國際夥伴的角力、不穩定的預算和好鬥的總統政府,國際空間站堪稱是一份難以置信的遺產。

  美國國家航空航天局和世界多國航天機構的不懈努力終於有了回報。多虧了國際空間站,人類得以在太空中連續20年存在,而國際空間站也爲突破性的科學實驗提供了獨一無二的平臺。如今,從零重力的菜園到已知宇宙中最冷的冰箱,這裏可以提供各種意想不到的實驗條件。另一方面,國際空間站也開始實現里根所說的成爲外星商業跳板的願景。許多公司利用國際空間站進行了從“芯片上的器官”到3D打印等各種各樣的研究,還有些公司甚至用它作爲自己建造空間站的起點。

  對美國來說,考慮到幾十年來與國際夥伴的角力、不穩定的預算和好鬥的總統政府,國際空間站堪稱是一份難以置信的遺產。設計空間站可能並不便宜,也無法快速完成,但沒有人能說進入太空是一件容易的事。(任天)

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