小編整理: 空間站(space station)又稱太空站、航天站,是一種在近地軌道長時間運行、可供多名航天員巡訪、長期工作和生活的載人航天器??臻g站分為單模塊空間站和多模塊空間站兩種。單模塊空間站可由航天運載器一次發(fā)射入軌,多模塊空間站則由航天運載器分批將各模塊送入軌道,在太空中將各模塊組裝而成。在空間站中要有人能夠生活的一切設(shè)施,空間站不具備返回地球的能力。建成空間站是發(fā)展戰(zhàn)略的重要目標。2021年4月29日11時,長征五號B遙二運載火箭搭載空間站天和核心艙,在海南文昌航天發(fā)射場發(fā)射升空。北京時間2021年6月17日18時48分,航天員聶海勝、劉伯明、湯洪波先后進入天和核心艙,標志著中國人首次進入自己的空間站。
空間站 繞地球運行的空間站
空間站又稱太空站、軌道站或航天站,是航天員在太空軌道上生活和工作的基礎(chǔ) 。它是一種具備一定生產(chǎn)試驗或條件的、可供航天員生活和工作的、能夠在軌道長期運行的航天器,根據(jù)結(jié)構(gòu)組成,可分為單一式和組合式兩種。單一式空間站由運載器一次發(fā)射入軌,組合式空間站由多次運送入軌的單元或組合件在軌道上組裝而成,又分為積木式和桁架掛艙兩種構(gòu)型 。一般來說,空間站大都在約400公里高度的軌道上運行 。
1971年, 蘇聯(lián) 發(fā)射了人類歷史上第一座空間站“禮炮”1號,從此載人太空飛行 進入了一個新的 階段?!岸Y炮”1號在太空運行了6個月,完成使命后在 太平洋 上空墜毀。此后蘇聯(lián)共發(fā)射了三代7座空間站,開展了大量的空間試驗與研究 。 1993年,以美國和俄羅斯為首,包括歐洲空間局11個成員國、加拿大、日本、 巴西 等總計16個國家和地區(qū)共同參與研制了 國際空間站 ,并于1998年開始在軌建設(shè),2011年,國際空間站完成在軌建造階段。國際空間站,是一個在近地軌道上運行的科研設(shè)施,也是人類歷史上第九個載人的空間站,其主要功能是作為在微重力環(huán)境下的研究實驗室,研究領(lǐng)域包括生物學(xué)、物理學(xué)、天文學(xué)、地理學(xué)、氣象學(xué)等 。 中國的空間站發(fā)展計劃于2010年批準立項,分為 空間實驗室 和空間站兩個階段:2016年前,研制并發(fā)射空間實驗室,突破和掌握航天員中期駐留等空間站關(guān)鍵技術(shù),開展一定規(guī)模的空間應(yīng)用;2020年 前后,研制并發(fā)射核心艙和實驗室,在軌組裝成載人空間站,突破和掌握近地空間站組合體的建造和運營技術(shù)、近地空間長期載人飛行技術(shù),并開展較大規(guī)模的空間應(yīng)用研究 。 北京時間2021年6月17日18時48分,航天員 聶海勝 、 劉伯明 、 湯洪波 先后進入 天和核心艙 ,標志著中國人首次進入自己的空間站 。2022年10月31日15時37分, 中國空間站 “T”字基本構(gòu)型在軌組裝完成,向著建成空間站的目標邁出了關(guān)鍵一步 。
功能特點及系統(tǒng)組成 空間站是一種在太空中長期運營的人造結(jié)構(gòu),相比一般的航天器,空間站具有有效容積大、可裝載復(fù)雜儀器的特點。由于空間站長期載人,儀器可直接由人操作,可以避免機械動作帶來的誤差,因此也可以完成比較復(fù)雜、非重復(fù)性的太空實驗和設(shè)備維修等工作任務(wù)。 空間站作為空間科研基地,其主要功能是作為在微重力環(huán)境下的研究實驗室,研究領(lǐng)域包括生物學(xué)、物理學(xué)、天文學(xué)、地理學(xué)、氣象學(xué)等 ,具體體現(xiàn)為:提供研究條件,測試航天技術(shù),協(xié)助進行太空科學(xué)實驗,提供微重力環(huán)境,以及支持太空探索 等。 空間站的意義在于可以提供一個在太空中長期存在的平臺,為科學(xué)家和工程師提供一個進行太空科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)的理想環(huán)境。同時,它還可以促進國際合作 ,為不同國家的宇航員 提供訓(xùn)練和合作機會,推動人類在太空領(lǐng)域的探索和發(fā)展。
用途 空間站的主要用途包括以下方面 :
對地觀測
科學(xué)研究
天文觀測
微重力材料加工及制藥
新技術(shù)試驗
在軌服務(wù)
系統(tǒng)組成 為了實現(xiàn)以上用途,空間站必須具有以下系統(tǒng)及功能 :
生命保障系統(tǒng),包括空氣的控制、供給及循環(huán)系統(tǒng),水循環(huán)系統(tǒng),溫度控制系統(tǒng),食品供應(yīng)系統(tǒng),廢物處理系統(tǒng)以及防火系統(tǒng)。
推進系統(tǒng),空間站在距地面約400km處運行,雖然在這個高度上地球的大氣已經(jīng)十分的稀薄,但也足夠在長期的運行中逐漸降低空間站的速度,進而使得高度隨之降低,所以空間站需要周期性的推進以保持合適的運行高度。
通信及跟蹤系統(tǒng)??臻g站必須與地面指揮中心交流,航天員太空行走的時候也必須與其他人員進行聯(lián)系。空間站上的通信系統(tǒng)可分為兩套,其一工作于S波段,進行聲音、指令、自動測量記錄及數(shù)據(jù)的傳輸,其二工作于Ku波段(高顏波段),進行視頻及雙向數(shù)據(jù)傳輸??臻g站使用內(nèi)部音頻系統(tǒng)來完成空間站內(nèi)部及空間站與太空行走人員的交流。
電力系統(tǒng)。巨大的 太陽能帆板 陣列將為空間站提供足夠的電能。 計算機系統(tǒng)。它們將完成維持空間站的正常運轉(zhuǎn)、實驗數(shù)據(jù)的采集及處理、保障警報系統(tǒng)的控制等工作。
再補給系統(tǒng)。補給船及航天飛機將會為空間站提供新的食物,水、藥品、氧氣、 氮氣 、燃料等,并把空間站上的廢物運回地球。 緊急逃生通道。為了保證當空間站出現(xiàn)突發(fā)事件后所有航天員能夠安全、迅速的撤離,在空間站上一般對接著一個飛船,以保證航天員能緊急撤離。 美國航空航天局 還設(shè)計并建造了一艘供緊急時刻使用的載人返回式“X-38”飛船,它能同時承載7名航天員。
概念起源和發(fā)展歷史
概念起源
早期設(shè)想 19世紀后半葉,少數(shù)思想自由的先驅(qū)就已經(jīng)開始設(shè)想在太空建立空間站的可能,愛德華·就雷特·黑爾(Edward Everett Hale)描述了一顆人造地球衛(wèi)星,具備現(xiàn)代空站的大部分功能,如氣象觀測、導(dǎo)航和通信等。后來的作家 等則認為這樣的空間站或許會成為進入太空更深處的墊彈石,比如,宇宙飛船 添加燃料時可以去空間貼,或者乘客和機組人員也可以在這里換乘飛往某顆行星的字窗飛船 。 航天之父—— 康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基 是最早深入研究大型空間站設(shè)計的科學(xué)家之一。早在1894年,他就描述了環(huán)繞地球軌道的“太空小屋”,從各方面來看,“太空小屋”其實就是一座空間站,可以用來進行天文觀測。1895年,齊奧爾科夫斯基又在《地球與天空之夢》(Dreams of Earth and Sky)中描寫了一座繞地球運行的空間站,距離地面有2000~3200千米,“逐漸出現(xiàn)了從地球自帶補給、材料、機器和建筑的聚居地”。后來到1929年時,他又在自己的著作《航天學(xué)目標》(The Goals of Astronautics)中,寫道:“到目前為止,登上大型天體尚且屬于難以企及的夢想…即便是登上像我們的月球這樣較小的天體,也要等到非常遙遠的未來才能實現(xiàn)。我們可以實際探討的是去往某些較小的天體和衛(wèi)星,例如…”正是在這里,他提出了人類為了實現(xiàn)行星際航行必須設(shè)置空間站的這一重要論斷 。
概念明確 1923年,德國著名的航天專家、宇航先驅(qū) 赫爾曼·奧伯特 (Hermann Oberth)出版著作《飛向星際空間的火箭》中,首次提出:讓載人空間站出現(xiàn)在科學(xué)文獻中,而非小說中。他構(gòu)想的空間站內(nèi)有人永久居住,空間站在距地球1000千米的軌道上運行,定期由來自地球的火箭提供補給,并通過旋轉(zhuǎn)為空間站內(nèi)的宇航員提供 人工重力 ,宇航員將在此從事科學(xué)觀測,并為 星際飛船 補給燃料。正是在這本書中,奧伯特發(fā)明了“空間站”一詞 。
工程化構(gòu)想 受赫爾曼·奧伯特的激勵,1929年,赫爾曼·諾丁在《太空旅行問題》一書中,對空間站的建設(shè)工程問題展開了廣泛且詳盡的論述,他率先明確了將空間站付諸實際建造所需考慮的諸多細節(jié),例如:他在空間站設(shè)置了氣閘、通過利用太陽光的“ 鏡子 ”供應(yīng)電力,也提及通過空間站的旋轉(zhuǎn)來產(chǎn)生人工重力。他描述了許多細節(jié),比如內(nèi)部的照明問題、水的循環(huán)利用問題、再生凈化通風(fēng)系統(tǒng)、姿軌控制和推進系統(tǒng)等,這些內(nèi)容都在幾十年后都被實際項目一一驗證了 。 他還提出:“整個結(jié)構(gòu),包括上面的設(shè)備在內(nèi),都必須先在地球上完成組裝,并進行可靠性測試。此外,還必須以能輕松拆卸成各個部件的方式建造,如果有可能的話,還可以拆成裝備齊全的獨立‘單元',這些單元可以通過宇宙飛船運到外太空組裝起來?!?/span>
發(fā)展歷程 1958年10月,美國航空航天局(以下簡稱NASA)成立,美國國會要求NASA明確出臺美國的民用載人航天計劃,在NASA提交的長期目標中,就包括了建設(shè)一座多人永久軌道空間站。在NASA早期的空間站概念中,大多是基于 載人飛船 開發(fā)空間實驗室 。 最早進入實際工程項目規(guī)劃的,是1963年公開的美國的“ 載人軌道實驗室 ”(以下簡稱MOL)項目,項目計劃基于“雙子星座號”飛船建設(shè)一座軍用空間站,目的是在軌道開展軍事實驗,通過軍事人員手動收集戰(zhàn)略偵察信息的方法克服早期無人間諜衛(wèi)星的局限。由于當時美國尚未掌握交會對接技術(shù),因此MOL設(shè)想對雙子星飛船進行改進,將航天員直接放入空間站內(nèi)發(fā)射到太空中,完成一個月的偵查任務(wù)后返回。隨著成本增加和預(yù)算削減以及間諜衛(wèi)星的技術(shù)發(fā)展,1969年,時任美國總統(tǒng)尼克松取消了MOL項目 。 與MOL項目同期,NASA還采納了一項研究由 道格拉斯飛機公司 開展的“載人軌道研究實驗室(以下簡稱MORL)”研究,研究以泰坦2號或阿特拉斯號火箭為基礎(chǔ),相比MOL,MORL采用了對接和人員物資在軌轉(zhuǎn)移的方法。該研究后改為由土星1B火箭發(fā)射空間站模塊,空間站上裝配了氣閘、對接適配器和離心機,以便幫助宇航員在返回地球前重新適應(yīng)地面環(huán)境。宇航員會乘坐阿波羅號飛船升空,飛船上還另外搭載了為特定功能設(shè)計的任務(wù)模塊。用于推進、科學(xué)實驗、通信和補給的模塊都已確定下來。MORL規(guī)劃長度19米,運行在400千米高的近地軌道上,飛行乘組由4名宇航員組成,艙內(nèi)氣壓保持在與海拔3000米相當?shù)乃?/span>。 MOL和MORL項目一度得到迅速的推進,1963年NASA還曾篩選出14名宇航員準備參與其建設(shè) 。雖然最后由于經(jīng)濟原因兩個項目都被取消,但后來的 阿波羅計劃 和天宮實驗室都繼承了其中許多研究的成果和技術(shù) 。 在同一歷史時期,時任蘇聯(lián)領(lǐng)導(dǎo)人 赫魯曉夫 為監(jiān)視美國 核動力航空母艦 的動向,計劃研究名為“阿爾馬茲”(阿拉伯語,意為鉆石,以下稱為“ 金剛石 ”)的小型軍用空間站計劃,使用 質(zhì)子號運載火箭 發(fā)射,計劃由載人軌道空間站OPS和載人運輸補給飛船TKS組成,每座空間站的運行時間計劃為兩年 。由于計劃中的重量持續(xù)增長以至于難以實現(xiàn),以及負責(zé)該研究的蘇聯(lián)宇航事業(yè)的總設(shè)計師與組織者—— 科羅廖夫 意外逝世等多種因素的影響,1966年,“金剛石”計劃被取消,但該計劃后續(xù)研究的影響一直延續(xù)到國際空間站 。 1969年,贏得月球競賽勝利的美國宣布將于1973年建設(shè)美國的第一座空間站—— 天空實驗室 。為了在下一輪的競賽中獲得主動,決定全力以赴發(fā)展空間站計劃,并希望成為19世紀驚天動地的壯舉 。通過結(jié)合 聯(lián)盟號飛船 與阿爾馬茲空間站研究結(jié)果,蘇聯(lián)迅速制造了“長期軌道空間站”(DOS),后更名為“禮炮-1號”。該空間站于1971年4月19日在蘇聯(lián)拜科努爾發(fā)射場成功發(fā)射,成為人類歷史上首個空間站,開啟了近地軌道空間站新紀元 。 此后,蘇聯(lián)又連續(xù)發(fā)射了“禮炮-2號”至“禮炮-7號”空間站,以及人類歷史上首個第三代空間站——“和平號” 。
1973年5月14日,美國發(fā)射了自己的第一座空間站——天空實驗室,用于太空探索與研究。天空實驗室是利用阿波羅登月計劃的剩余部件建造的,1973~1979年間,天空實驗室在地球軌道上運行了6年時間,它是美國空間站技術(shù)的先驅(qū),同樣為人類載人航天事業(yè)的發(fā)展作出了重要貢獻 。、
1993年,以美國和俄羅斯為首,包括歐洲空間局11個成員國、加拿大、日本、 巴西 等總計16個國家和地區(qū)共同參與研制了 國際空間站 ,并于1998年開始在軌建設(shè),2011年,國際空間站完成在軌建造階段。國際空間站,是一個在近地軌道上運行的科研設(shè)施,也是人類歷史上第九個載人的空間站,其主要功能是作為在微重力環(huán)境下的研究實驗室,研究領(lǐng)域包括生物學(xué)、物理學(xué)、天文學(xué)、地理學(xué)、氣象學(xué)等 。 中國的空間站發(fā)展計劃于2010年批準立項,分為 空間實驗室 和空間站兩個階段:2016年前,研制并發(fā)射空間實驗室,突破和掌握航天員中期駐留等空間站關(guān)鍵技術(shù),開展一定規(guī)模的空間應(yīng)用;2020年前后,研制并發(fā)射核心艙和實驗室,在軌組裝成載人空間站,突破和掌握近地空間站組合體的建造和運營技術(shù)、近地空間長期載人飛行技術(shù),并開展較大規(guī)模的空間應(yīng)用研究 。 2016年6月24日,神舟9號與天宮一號目標飛行器實現(xiàn)受控交會對接,表明中國已經(jīng)完全具備完成手控交會對接的能力,對未來空間站的建設(shè)意義重大 。
2022年11月1日, 夢天實驗艙 成功對接于天和核心艙前向端口 ,2022年11月3日,夢天實驗艙順利完成轉(zhuǎn)位,標志著中國空間站“T”字基本構(gòu)型在軌組裝完成 。 由于NASA已在2022年2月1日宣布將國際空間站的壽命延長至2030年,此后國際空間站將受控墜毀于南太平洋,屆時,中國空間站將成為太空中最后一座在軌的空間站 。
結(jié)構(gòu)特點 空間站的總體結(jié)構(gòu)形式最初是艙段式的,后來改為多接口復(fù)合式,又向著桁架掛艙式發(fā)展。從結(jié)構(gòu)特點上來說,空間站可以分為單模塊、多模塊和一體化組合空間站三種。
單模塊空間站 單模塊空間站是指由運載器一次發(fā)射入軌即可運行的空間站,在早期的實驗性的空間站都是單模塊空間站。蘇聯(lián) “禮炮 1 號” 至 “禮炮 7 號” 、美國 “天空實驗室” 、 中國 “天宮一號” 和 “天宮二號” 都屬于單模塊空間站,一般只有 1 個艙段,可由火箭一次發(fā)射入軌, 其中 “禮炮 6 號” 和 “禮炮 7 號” 為第二代實用型 空間站,有兩個對接口,空間站壽命和航天員駐留時間較長。
多模塊空間站 多模塊組合空間站是指由運載器將各模塊逐個發(fā)射入軌并在軌組裝而成的空間站。如蘇聯(lián)的“和平”號空間站就是一個多模塊組合空間站,它由1個核心艙及5個有效載荷艙組成,分別是“量子”1號艙、“量子2號艙、“晶體”號艙、“自然”號艙、“光譜”號艙。該空間站的軸向可以對接載人飛船和貨運飛船,載人飛船負責(zé)航天員的天地往返,貨運飛船為空間站提供食物、水、氧氣、推進劑等補給品?!昂推健碧柨臻g站由“質(zhì)子”號運載火箭每次發(fā)射1個艙段(即1個模塊)入軌。
一體化組合空間站 一體化組合空間站又稱一體化綜合軌道基地,其設(shè)想首先由美國提出,后來體現(xiàn)在國際空間站設(shè)計方案中。國際空間站由美國、俄羅斯、歐空局成員國、日本、加拿大、巴西等6方16個國家合作建造。其建造過程如下:先將“曙光”號功能能源艙送入軌道,然后將團結(jié)號節(jié)點1艙送入軌道,并實現(xiàn)兩者組裝,再將 氣閘艙 、實驗艙、居住艙、大桁架等構(gòu)件發(fā)射入軌并在軌道上裝配。全站有統(tǒng)一的姿控系統(tǒng),有統(tǒng)一的服務(wù)設(shè)施,集中供電、供氣和溫度控制,以提高全站使用效率 。
發(fā)展劃代與具體型號
第一代空間站 第一代空間站包括蘇聯(lián)發(fā)射的“禮炮”1號到5號五座實驗性空間站和美國發(fā)射的“天空實驗室” 實驗性空間站。第一代空間站均為單模塊空間站,其特點是僅有一個對接口, 無法進行貨運補給, 也沒有在軌推進系統(tǒng),空間站內(nèi)所搭載的儀器設(shè)備和主要物品則均需要發(fā)射前裝入空間站內(nèi)。另外,第一代六座空間站均屬于實驗性空間站,主要目的都是初步探索性質(zhì)的。
第一代空間站的在軌時間雖然短暫, 但相比其他航天器有了較大的進步,而且這些試驗 性空間站的建造與運行為前蘇聯(lián)建造永久性空間站 積累了大量的寶貴經(jīng)驗,包括催生了空間微重力材料學(xué)學(xué)科、植物種植實驗等。
需要注意的是,在第一代空間站中,“禮炮”2號、3號、5號均為軍用空間站——隸屬于前文提到的“金剛石”計劃 。
第二代空間站 第二代空間站包括“禮炮”6號和7號。這兩座空間站要解決的問題除進一步提高安全性和可靠性外,另兩項重大的變化是長壽命和擴展應(yīng)用領(lǐng)域 。
第二代空間站的特點是:以第一代空間站經(jīng)驗為基礎(chǔ),通過改進系統(tǒng)的自動化程度提高安全性和可靠性以及減輕航天員工作強度,同時增加飛船對接口以提高空間站在軌運行壽命和擴展應(yīng)用領(lǐng)域。第二代空間站具有兩個對接口,一個用于與載人飛船對接,另一個用于與貨運飛船對接,用于軌道加油和往返運送試驗設(shè)備、試驗物品 。
第二代空間站在延長了空間站壽命和航天員在軌時間的同時,也搭載了可確保生活和科研電源供應(yīng)的多塊太陽能電池板、當時先進的多光譜望遠鏡或 X 射線探測系統(tǒng),并增加了醫(yī)療設(shè)備和鍛煉器材,從此空間站從實驗型向?qū)嵱眯娃D(zhuǎn)變 。
第二代艙段式實用性空間站外形簡單,不需復(fù)雜的在軌對接組合或裝配等過程,風(fēng)險和難度較小,、安全性較高,但空間站規(guī)模小,各種載荷安裝十分緊湊,不僅限制了有效載荷規(guī)模,也增加了故障修理的難度。另外,不同艙段太陽能電池的相互遮擋也十分嚴重??偠灾?,第二代空間站為后續(xù)的 “和平號” 和 “國際空間站” 積累了建設(shè)經(jīng)驗。
第三代空間站 在 “禮炮” 系列第一代、第二代空間站成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,蘇聯(lián)建造了第三代空間站,即長久性模塊化的 “和平號” 空間站,標志著空間站的新階段,其目的就是在太空中提供一個大型且可居住的科學(xué)實驗室。
“和平號” 空間站采用組合式積木結(jié)構(gòu),主體具有六個對接口,可以與多個艙體在空間實施模塊式對接,形成多次重復(fù)組合龐大的空間站體系,各艙體是相互獨立的。顯然,很容易按需擴展,可對接上各種科研、資源、載人生活和貨運飛船,從而也就彌補了第一、二代空間站的不足之處,使得空間站體系的功能和規(guī)模均有較大改善和提高,最終建成的“和平號”空間站具有五個試驗艙以及一個機械臂,相比以往的空間站大為豐富 。
第四代空間站 第四代空間站包括“國際空間站”,作為第四代和長期載人空間站, 國際空間站采用桁架掛艙式構(gòu)型,擁有幾十個艙段和大型構(gòu)件,主要包括航天員居住艙、實驗艙、服 務(wù)艙、對接過渡艙、桁架、太陽能電池等部分,其中以組裝式桁架為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),各種增壓艙和服務(wù)設(shè)施 掛靠在桁架上。這種結(jié)構(gòu)既可保證空間站剛度,又不影響各子系統(tǒng)、實驗設(shè)備等的工作性能,也便于設(shè)備裝配和維修。
中國空間站在建成后也將屬于第四代空間站 。
“禮炮”系列空間站 正如上文所述,“禮炮”系列1-7號空間站,完成了從第一代到第二代的跨越,因此前五座與后兩座雖然同為“禮炮”系列,但也有著較大的差異。
長度/米
直徑/米
質(zhì)量/噸
軌道高度/千米
近地點
——
遠地點
軌道傾角/度
軌道周期/分鐘
發(fā)射時間
墜毀時間
在軌時間
繞地飛行
對接飛船
禮炮
1號
13.6
4.15
18.4
200-222
51.6
88.5
1971 年
4 月 19 日
1971 年
10 月 11 日
175天
2929圈/1.19億千米
“聯(lián)盟”11號,三名宇航員工作24天
禮炮
2號
(金剛石-1號軍用空間站)
14.55
18.5
261-296
89.8
1973 年
4 月 3 日
1973 年
5 月 28 日
54天
866圈/3500萬千米
無(入軌后不久就發(fā)生了爆炸 )
禮炮
3號
(金剛石-2號軍用空間站)
18.9
219-270
89.1
1974 年
6 月 25 日
1975 年
1 月 24 日
213 天
“聯(lián)盟” 14 號,一名宇航員工作15天
禮炮
4號
15.8
18.2
1974 年
12 月 26 日
1977 年
2 月 2 日
770 天
12444圈/3.14億千米
聯(lián)盟 17 號、聯(lián)盟 18 號、聯(lián)盟20號(無人)
2批四名宇航員工作92天
禮炮
5 號
(金剛石-3號軍用空間站)
14.55
19.0
223-269
89
1976 年
6 月 22 日
1977 年
8 月 28 日
412 天
6666圈/2.7億千米
聯(lián)盟 23號、聯(lián)盟24 號
2批四名宇航員工作67天
禮炮
6號
15.8
19.8
219-275
89.1
1977 年
9 月 29 日
1982 年
7 月 29 日
1764天
28024圈/11億千米
接 19 艘 “聯(lián)盟號” 飛船、4 艘 “聯(lián) 盟 T 號” 飛船和 12 艘 “進步號” 貨運飛船
蘇聯(lián)、波蘭、東德、古巴等 9 個國家 16 批 33 名 航天員進站工作 683 天
禮炮
7號
16
19.8
219-278
89.2
1982 年
4 月 19 日
1991 年
2 月 7 日
3216天
51917天/21億千米
9 艘 “聯(lián)盟號 T” 飛船、12 艘 “進步” 號貨運 飛船和 2 個空間站艙體
蘇聯(lián)、法國和印度的 12 批 31 名航天員進入站工作 816 天
第一代禮炮空間站 “禮炮”1號-5號的設(shè)計基本相似,由一系列不同直徑的圓柱體結(jié)構(gòu)組成??臻g站主要包括四個部分:過渡艙、兩個工作艙和一段負責(zé)宇航員生理活動的區(qū)域。 禮炮1號 內(nèi)的總可居住空間為82m3,大工作艙是宇航員在軌工作的主要區(qū)域,安放有主科學(xué)儀器包(ONA),同時也設(shè)置了睡袋、鍛煉設(shè)備(以防肌肉萎縮)和小型醫(yī)學(xué)工具箱;較小的工作艙位于大工作艙和過渡艙之間,是空間站飛行控制的主要區(qū)域,也是宇航員就餐的區(qū)域。為了幫助宇航員辨別方向,空間站工作艙的墻壁被涂成了不同顏色: 前后為淺灰色、地板為暗灰色、左右兩側(cè)墻為綠色和淺黃色。
“禮炮”空間站使用KTDU-66型推進系統(tǒng),包括32個小型調(diào)姿發(fā)動機,可容納1490kg推進劑,總計能夠使用1000s??臻g站上的太陽能帆板最大能輸出2kW的總功率,但因為安裝位置固定于一側(cè),必須通過調(diào)整空間站來達到最大的發(fā)電功率,但是這一行為會使空間站肩負的天文觀測和對地觀測任務(wù)受到影響。而在飛行中的40%的時間,空間站處在地球的陰影之中,需要使用蓄電池供電。另外在對接狀態(tài)下時,空間站上的電力供應(yīng)由聯(lián)盟號飛船的太陽能帆板提供。固定式 太陽能板 發(fā)電效率不佳的問題在后來的3號空間站上得以解決。 1971年4月19日,禮炮1號發(fā)射入軌,1971年4月23日,“聯(lián)盟十號”飛船發(fā)射升空,但由于對接失敗,被迫返航,一個多月后,6月7日,“聯(lián)盟十一號”飛船與“禮炮一號”空間站終于成功對接。在禮炮一號上駐留了23天18小時后,三名宇航員多勃羅沃利斯基,帕查耶夫和沃爾科夫回到聯(lián)盟十一號。由于連接器發(fā)生故障,宇航員不得不打開電子柜,臨時搭載一根電線讓設(shè)備啟動,另外的故障導(dǎo)致 返回艙 的平衡閥在分離時提前開啟,三名宇航員返回時因缺氧而失去生命,之后,飛船內(nèi)“必須穿宇航服”以及“聯(lián)盟號飛船只能乘坐2個人”,在很長一段時間成為前蘇聯(lián)航天員血的教訓(xùn) 。但無論如何,“禮炮1號”的成功升空標志著人類進軍太空的步伐又進了一步,也證明了人可以在太空長期生存。 1972年,原本計劃中的DOS-2號空間站(DOS-1即禮炮1號的備份)發(fā)射失敗,蘇聯(lián)決定將原本為軍用計劃的OPS-1即“金剛石”-1號空間站發(fā)射入軌,并占用原本DOS-2號的名稱(即 禮炮2號 ),從而隱藏其軍用的功能。在發(fā)射后不久,可能是由于受到火箭爆炸后產(chǎn)生的碎片撞擊(正在俄羅斯的通信盲區(qū),但NASA則跟蹤到有五個碎片與其軌道發(fā)生了交叉,從而該原因最具有可能性),禮炮-2號失壓墜毀 。 禮炮3號的大體經(jīng)歷與2號相似:OPS-1項目進行的同時,由蘇聯(lián)科學(xué)院負責(zé)的DOS-3空間站也在進行中,由于OPS-1爆炸,蘇聯(lián)中央要求盡一切努力趕在美國“天空實驗室”前發(fā)射DOS-3。DOS-3相比禮炮一號,主要的改進就是將固定安裝的太陽能板改成能夠轉(zhuǎn)動的,從而使空間站能夠在不改變姿態(tài)的情況下獲得最大的發(fā)電效率。但不幸的是,由于DOS-3重量增加、控制技術(shù)的不成熟等眾多因素的影響,DOS-3在變軌時失敗,而蘇聯(lián)將其記錄為“宇宙”-557,最終,軍用空間站OPS-2再一次占用了原本定于民用的DOS-3的編號,成為了真正的“禮炮-3號”。
作為軍用空間站,禮炮 3 號裝備有 “ 瑪瑙 一 1” 型照相偵察系統(tǒng)和23毫米口徑的高速航空機關(guān)炮,航天員使用偵察系統(tǒng)上直徑1米、焦距最長6.4米的望遠鏡 ,不僅能夠看清地面上的機場、導(dǎo)彈發(fā)射場和海上的航空母艦,甚至還能看清 航母 甲板上飛機的數(shù)目和型號 。禮炮三號原計劃先后與聯(lián)盟14號和15號兩艘飛船對接,但由于自動對接系統(tǒng)失靈,“聯(lián)盟-15”號未能與禮炮3號空間站對接, 其搭載的2名航天員于發(fā)射后兩天返回地面。禮炮3號于1975年1月24日墜落在太平洋。 禮炮4號空間站是一座民用空間站,于1974年12月26日發(fā)射。1975年1月10日,聯(lián)盟17號飛船發(fā)射。在同 禮炮4號 對接后,宇航員開始進站工作,5月24日,聯(lián)盟18B載兩名宇航員進入軌道。他們在禮炮4號上工作了62天。這兩組宇航員在禮炮4號上工作生活共計90多天,進行了大量研究和實驗活動,取得了很大成功。禮炮4號于1976年2月16日墜入大氣層 。 禮炮4號墜毀4個月后,軍用型禮炮5號空間站于6月22日發(fā)射入軌。期間它只接納了兩批宇航員。2月26日,禮炮5號的回收艙分離并安全回收。它在軌道上進行了多次調(diào)整,最后于1977年8月28日再次進入大氣層。
第二代禮炮空間站 蘇聯(lián)第二代空間站包括禮炮6號和7號。這兩座空間站要解決的問題除進一步提高安全性和可靠性外,另兩項重大的變化是長壽命和擴展應(yīng)用領(lǐng)域。如果軌道高度保持在250千米,每年消耗推進劑為4.75噸;如果軌道提高到350千米,則推進劑消耗只有600千克。禮炮6號和7號正是采用這種較高的軌道 。
另外,為更大限度地提高軌道運行壽命,第二代空間站雖然仍為單模塊空間站,但具有兩個對接窗口,可與 “聯(lián)盟號” 系列載人飛船和 “進步號” 無人貨運飛船 同時對接,提高了燃料、水、食物和其他消耗品等物資的補給能力和實驗設(shè)備與物品的運輸能力,延長了空間站壽命和航天員在軌時間。同時,搭載了可確保生活和科研電源供應(yīng)的三塊太陽能電池板、當時先進的多光譜望遠鏡或 X 射線探測系統(tǒng),并增加了醫(yī)療設(shè)備和鍛煉器材。從此前蘇聯(lián)空間站從基本工程研制向?qū)嵱眯娃D(zhuǎn)變 。
禮炮6號1977年9月29日由質(zhì)子號運載火箭送入軌道。1982 年 7 月 29 日墜毀,在軌1764 天(58個月)?!岸Y炮6 號” 由過渡艙、工作艙和中間室等3個密封壓力艙以及科學(xué)實驗儀器艙和兩個非 密封艙 組成,并具有2個對接口、變軌發(fā)動機以及 太空燃料 補給能力等。在軌期間, “禮炮6號”先后成功對接19艘“聯(lián)盟號”飛船、4艘“聯(lián)盟T號”飛船和12艘“進步號”貨運飛船,共有前蘇聯(lián)、 波蘭 、 東德 、 古巴 等9個國家16批合計33名航天員進站工作683天, 出艙活動 3次,其中兩名航天員列奧尼德·波波夫(Leonid Popov)和瓦列里柳明(Valery Ryumin)創(chuàng)造185天飛行記錄。特別是,“禮炮6號”空間站成功對接“宇宙1267”(Kosmos1267)無人空間艙并對接飛行458天,為建設(shè)模塊式的“和平號”空間站提供了實驗依據(jù)。 禮炮6號在軌運行共達58個月。在宇航員進站工作期間,完成了大量科學(xué)觀測、地球資源觀測、人體生物醫(yī)學(xué)研究和技術(shù)實驗。更具有應(yīng)用意義的工作則是進行了大量半導(dǎo)體、晶體生長實驗和用結(jié)晶爐及合金爐進行了金屬冶煉實驗。宇航員還首次熔化了玻璃,這使蘇聯(lián)科學(xué)家十分興奮。這項工作對于制造高性能的光導(dǎo)纖維有重大意義。
“禮炮7號”空間站是典型的第二代空間站,也是前蘇聯(lián)禮炮系列的最后一個空間站,1982年4月19日發(fā)射,1991年2月7日墜毀,在軌3216天繞地51917圈,飛行距離約21億公里?!岸Y炮7號”構(gòu)造和功能與“禮炮6號”基本類似,并配備了專用維修工具?!岸Y炮7號”先后成功對接9艘“聯(lián)盟號T飛船、12艘“進步”號貨運飛船和2個空間站艙體,前蘇聯(lián)、法國和印度的12批31名航天員進入站工作816天,其中三名航天員列昂尼德?;R姆(Leonid Kizim)弗拉基米爾索洛維約夫( Vladimir Solovyov )和奧列格-阿特科夫(Oleg Atkov)創(chuàng)造了237天飛行記錄。在軌期間,航天員進行了120多項實驗,出艙活動13次,對“禮炮7號”實施了部件更換和修復(fù)工作,提高了空間站的可靠性,延長了飛行壽命。前蘇聯(lián)第二名 女航天員 斯韋特蘭娜-薩維茨卡婭 (SvetlanaSavitskaya)兩次進入“禮炮7號”,并于1984年7月成為人類第一個太空行走的女性 。
天空實驗室 天空實驗室是美國第一個空間站,也是美國歷史上唯一一次完全運營的空間站,使用“土星5號”運載火箭發(fā)射,它屬于第一代空間站,其基本參數(shù)如下 :
長度/米
直徑/米
質(zhì)量/噸
軌道高度/千米
軌道傾角/度
軌道周期/分鐘
發(fā)射時間
墜毀時間
在軌時間
運行距離
對接飛船
35(與阿波羅飛船)/
25(不參與對接)
6.6
90(與阿波羅飛船)/
76(不參與對接)
434
近地點
442
遠地點
50
93
1973年
5月14日
1979年
7月11日
2246天
繞地34981圈/
14億多千米
3艘阿波羅飛船(命名為天空實驗室-2、3、4)
三批9名宇航員,工作717天
天空實驗室是利用阿波羅登月計劃的剩余部件建造的,其主體 軌道艙 是由 土星5號運載火箭 的第三級箭體改裝而成的,分為上、下兩層,上層為工作區(qū),下層為生活區(qū),包含廚房、洗浴設(shè)施、廁所、運動器材和許多科學(xué)實驗設(shè)備。其他主要組成部分有 : 對接 接合器 (MDA): 提供與指令服務(wù)艙對接的接口,它還容納了阿波羅望遠鏡支架 (ATM) 的控制臺以及用于查看地球資源的傳感器,還有其他一些傳感器和實驗設(shè)施。 以上四部分組成了“天空實驗室”,但其指令艙位于載人的阿波羅號飛船,即與 阿波羅飛船 的指令服務(wù)艙共用,因此每艘與阿波羅飛船也被順次命名為“天空實驗室2-4號”。 自1973年5月到1974年2月,“天空實驗室”先后接納了3批宇航員員,每批3人,在站分別工作了28天、59天和84天,進行了270多項研究實驗,拍攝了18萬張?zhí)柣顒拥恼掌?萬多張地面照片,還進行了長期失重人體生理學(xué)試驗和失重下材料加工的試驗。1979年7月11日進入大氣層燒毀。
“和平號”空間站 和平號空間站 屬于第三代空間站,有蘇聯(lián)建造, 蘇聯(lián)解體 后則歸俄羅斯所有。1986年2月19日發(fā)射入軌,其軌道傾角為51.6度,高度為171×297公里。 和平號空間站各艙段的設(shè)計壽命為6年,其總質(zhì)量(不包括與其對接的運輸器)達130噸。和平號空間站是禮炮號空間站的改進型,其規(guī)模并不太大,與禮炮號相仿。其長度為13.13米,最大直徑為4.15米,密封容積90立方米。
和平號空間站核心具有六個對接口,可以與多個艙體在空間實施模塊式對接,形成多次重復(fù)組合龐大的空間站體系,各艙體是相互獨立的。顯然,很容易按需擴展,可對接上各種科研、資源、載人生活和貨運飛船,從而也就彌補了第一、二代空間站的不足之處,使得空間站體系的功能和規(guī)模均有較大改善和提高。
和平號空間站與禮炮號空間站的兩個不同點:對接過渡艙的存在是和平號技術(shù)改進的重點,其上裝有新型的對接機構(gòu),新型的“雌雄同體——周邊式”對接機構(gòu)在性能上遠遠優(yōu)于過去的對接機構(gòu),它的外形尺寸較小,但具有很大的支撐能力,對接物體的重量可達1.8到100噸。此外,增加了機械臂是和平號空間站的另一個特點。
在和平號年久失修的情況下, 2001年3月23日,和平號成功墜毀于南太平洋指定海域。和平號空間站自發(fā)射以來,科學(xué)家用它進行了內(nèi)容廣泛、成果豐碩的空間科學(xué)和技術(shù)試驗,其中包括為建造國際空間站做準備工作。
“和平”號空間站有5個試驗艙:
(1) 天文物理艙
量子1號(Kvant-1)也稱為和平號空間站的天文物理艙,1987年3月31日發(fā)射,4月9日與和平號空間站對接,1988年8月25日拋掉了服務(wù)艙,使之再入返回。其主要功用是用于載人/自動天文觀測,擴展和平號實驗設(shè)施。天文物理艙的組成包括了實驗室艙和傳送艙,它們是密封艙,其容積為40立方米,還有非加壓后載荷艙。全長為5.8米,最大直徑為4.5米。與和平號空間站對接飛行時,其重量為11050公斤(其中包括了1.5噸的科學(xué)儀器、2.6噸的和平號設(shè)備,如太陽能電池板等)。
(2) 量子2號艙
量子2號(Kvant-2)是和平號空間站的第一個徑向艙。其主要功用是擴展和平號空間站,并作為艙外活動的通道和出入口。它于1989年11月26日從邱拉坦航天中心發(fā)射; 12月8日,在機械臂的幫助下,從前軸向?qū)涌谵D(zhuǎn)移到徑向?qū)涌谔幣c之對接。至此,和平號空間站復(fù)合體成了“L”形在軌道上運行。量子2號艙由三個主要部分組成主體結(jié)構(gòu):氣閘艙、科學(xué) 設(shè)備艙 和服務(wù)存貯艙。 (3) “晶體號”艙
晶體號于1990年5月31日從邱拉坦航天中心發(fā)射, 6月11日,在機械臂的幫助下,與量子2號相對應(yīng)的對接口處實現(xiàn)了對接。晶體艙由兩個密封艙組成:儀器載荷艙和儀表對接艙。全長為11.9米,最大直徑為4.35米,艙內(nèi)的密封總?cè)莘e為60.8立方米,總重量為19.64噸(其中含有7噸貨載)。
晶體號是和平號空間站的第二個徑向艙,其主要功用是在空間飛行條件下,獲得特殊性能的結(jié)構(gòu)材料、電子器件、生物制劑和植物栽培工藝;增強地球資源勘察和天體物理實驗的能力;作為航天飛機的??康摹按a頭”。顯然,更增大了和平號空間站,為長期性載人飛行帶來了更加有利的條件。
(4)光學(xué)艙
1995年5月20日,由SL-13“質(zhì)子”號火箭發(fā)射,總質(zhì)量約200噸。主要用于研究大氣物理,還可用于研究生物醫(yī)學(xué)等。1997年6月25日,俄“進步”型貨運飛船與“和平”號對接時發(fā)生碰撞,將光學(xué)艙撞壞并導(dǎo)致空間站外殼損傷,致使光學(xué)艙段被迫關(guān)閉,部分氧氣泄漏,動力系統(tǒng)也受到影響。該艙的遙感設(shè)備專用于大氣研究,規(guī)劃有兩年的壽命期。光學(xué)艙還安裝有一個小型的外部操縱器,這個機械臂還可以用于部署小型衛(wèi)星。
(5)自然艙
1996年4月27日升空,長約13米,總質(zhì)量19.7噸。自然艙又稱為環(huán)境監(jiān)測艙,其上裝有多光譜、微波和紅外掃描器、 激光雷達 、臭氧敏感器和其他環(huán)境監(jiān)測敏感器。主要用于陸地、海洋和大氣層遙感探測及材料科學(xué)、生命科學(xué)和生物技術(shù)研究。 隨著蘇聯(lián)的解體和太空競賽的結(jié)束,擁有豐富載人航天和空間站建設(shè)及運行經(jīng)驗的俄羅斯和擁有強大經(jīng)濟與科技實力的美國于 1993 年推出了 “和平號——航天飛機” 計劃 (Shuttle-MirProgram), “和平號” 空間站也成為兩國第一次大規(guī)模太空技術(shù)合作交流的舞臺。作為美俄國際空間站合作計劃的一部分,美國航天飛機與和平號空間站實施了九次交會對接,1995年2月6日發(fā)現(xiàn)號航天飛機與和平號在太空對接,期間進行了設(shè)備和航天員的交換。在“和平號”的服役生涯中,除3次短期無人駐留外,前蘇聯(lián)/俄羅斯、美國、英國、法國、德國、日本等12個國家、104名航天員(其中11人女性,1名日本太空記者)、137人次進站,實施了80次太空行走,完成了24個國際性科研計劃和約22000次科學(xué)實驗可俄羅斯航天員瓦列里波利雅科夫(Valeri Polyakov)創(chuàng)造了太空連續(xù)駐留438天的世界紀錄,謝爾蓋·阿夫杰耶夫(Sergei Avdeyev)先后3次進入“和平號”累計駐留748天,美國女航天員香農(nóng), 露西德 (Shannon Lucid)創(chuàng)造女性太空飛行188天的最高記錄。 俄羅斯和美國間以和平號為基礎(chǔ)展開的太空合作為建造和運營國際空間站積累了經(jīng)驗。和平號作為當時體積最大、應(yīng)用技術(shù)最先進、設(shè)施最完善、在軌時間最長的空間站,在生物學(xué)、人類生物學(xué)、物理學(xué)、天文學(xué)、氣象學(xué)和航天器系統(tǒng)等方面中進行了大量科學(xué)實驗和許多有益探索,取得了大量數(shù)據(jù)和具有重大實用價值的成果,為太空探索積累了豐富的經(jīng)驗。
國際空間站 20世紀90年代隨著太空競賽的結(jié)束,1998年美國國家航空航天局(NASA)、 俄羅斯聯(lián)邦航天局 (Roscosmos)、 日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu) (JAXA)、加拿大國家航天局( CSA )、 歐洲航天局 (ESA)和 巴西航天局 (AEB)等6家空間機構(gòu)啟動“國際空間站”合作,美國、俄羅斯聯(lián)合歐洲航天局11個國家(德國、法國、意大利、西班牙、荷蘭、 比利時 、丹麥、 挪威 、瑞典、 瑞士 和英國)以及日本、加拿大和巴西等16個國家聯(lián)合分工建設(shè)“國際空間站”。 國際空間站有史以來規(guī)模最大、耗時最長且涉及國家最多的空間國際合作項目。 “國際空間站” 設(shè)計壽命為10 至15 年,指揮和控制由美國和俄羅斯雙方分擔,1998 年 11 月 20 日主體核心艙發(fā)射,2011 年12月完成所有組件安裝。 該空間站是一個微重力和空間環(huán)境下的實驗室,主要面向生物學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、地球與空間科學(xué)、材料科學(xué)、基礎(chǔ)物理等領(lǐng)域展開科學(xué)研究。
國際空間站的總體設(shè)計采用桁架掛艙式結(jié)構(gòu),以集成桁架結(jié)構(gòu)(ITS)為核心結(jié)構(gòu),用來安裝各艙段、 太陽能電池板 陣列、熱輻射器、移動服務(wù)系統(tǒng)及站外暴露試驗設(shè)施等。 其基本信息如下 :
英文名稱
質(zhì)量
長度
寬度(太陽能電池板寬度)
軌道周期
平均速度
軌道參數(shù)
International Space Station(簡稱ISS)
419噸
73米
109米
93分鐘
約28000千米/小時
近地點400.2千米,遠地點409.5千米,
軌道傾角51.64°
組成國際空間站各艙段的發(fā)射時間、與空間站的對接時間,及其負責(zé)國家與發(fā)射工具如下表所示 :
發(fā)射時間
在軌對接時間
制造國家
發(fā)射工具
曙光號功能貨艙
1998-11-20
-
俄羅斯
“質(zhì)子-K”運載火箭
團結(jié)號節(jié)點艙
1998-12-04
1998-12-07
美國
“奮進號”航天飛機
星辰號服務(wù)艙
2000-07-12
2000-07-26
(至此完成初期建設(shè))
俄羅斯
“質(zhì)子-K”運載火箭
命運號實驗艙
2001-02-08
2001-02-10
美國
“亞特蘭蒂斯”航天飛機
尋求號氣閘艙
2001-07-12
2001-07-15
美國
“亞特蘭蒂斯”航天飛機
碼頭號對接艙
2001-09-15
2001-09-17
俄羅斯
“聯(lián)盟M”運載火箭
和諧號節(jié)點艙
2007-10-23
2007-10-26
意大利(歐空局)
“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機
哥倫布號實驗艙
2008-02-07
2008-02-12
意大利(歐空局)
“亞特蘭蒂斯”航天飛機
希望號實驗艙
2008-03-11(貨運模塊)
2008-03-14
日本
“奮進號”航天飛機
2008-06-01(加壓模塊)
2008-06-03
“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機
2009-07-15(艙外平臺)
2009-07-18
“奮進號”航天飛機
探索號小型研究模塊
2009-11-10
2009-11-12
俄羅斯
“聯(lián)盟M”運載火箭
寧靜號節(jié)點艙
2010-02-08
2010-02-12
意大利(歐空局)
“奮進號”航天飛機
穹頂號觀測艙
2010-02-15
黎明號小型研究模塊
2010-05-14
2010-05-18
俄羅斯
“亞特蘭蒂斯”航天飛機
萊奧納爾多號多功能后勤艙
2011-02-24
2011-03-01(從此轉(zhuǎn)入在軌應(yīng)用與維護階段)
意大利(歐空局)
“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機
”畢格羅“可拓展活動模塊
2016-04-08
2016-04-16
美國
“龍”貨運飛船
科學(xué)號無人多功能實驗艙
2021-07-21
2021-07-29
俄羅斯
“質(zhì)子M”運載火箭
碼頭號節(jié)點艙(上文中碼頭號對接艙已退役并燒毀,這是新的同名艙段)
2021-11-24
2021-11-26
俄羅斯
“聯(lián)盟-2.1b”運載火箭
自從2000年11月,宇航員首次抵達國際空間站時起,國際空間站內(nèi)始終保持有宇航員駐站,截至2022年底,國際空間站的累計在軌工作時間已經(jīng)超過8100天,有來自20個國家的263名宇航員抵達了國際空間站。
2022年2月1日,美國國家航空航天局(以下簡稱NASA)宣布,將國際空間站的壽命延長至2030年,屆時國際空間站將受控重返大氣層,經(jīng)過燒蝕之后墜入南太平洋的 尼莫點 (是地表上距離各大陸最遠的位置,又稱“衛(wèi)星墳?zāi)埂保?/span>
天宮空間站 2010年9月中國空間發(fā)展計劃一《載人空間站工程實施方案》正式獲批, 中國空間站計劃 (CimaSpace Station Plan)正式啟動實施,其中明確中國空間站工程的戰(zhàn)略目標是:在2020年前后,建成和運營近地空間站,使中國成為獨立掌握近地空間長期載人飛行技術(shù),具備長期開展近地空間有人參與科學(xué)技術(shù)實驗和綜合開發(fā)利用太空資源能力的國家。
“天宮一號”目標飛行器 2011年9月29日中國第一個目標飛行器“天宮一號”發(fā)射,在軌飛行2376天,其中有人駐留20天,于2018年4月2日墜毀。
“天宮一號”是中國首個簡易空間實驗室,只有1個交會對接口,屬于第一代空間站。該站由實驗艙和資源艙構(gòu)成,全長10.4米,最大直徑3.35米,重約8.5噸。實驗艙由密封艙和裝有對地遙感設(shè)備的非密封后錐段組成,其中密封艙是飛行器的控制艙,也是航天員的工作艙和生活艙,實驗艙前端裝有可與載人飛船交會對接的裝置。資源艙為非密封艙,主要為軌道機動提供動力、燃料和電能等,艙外裝有一對太陽電池翼及中繼衛(wèi)星天線,其尾部裝有2臺490N軌控發(fā)動機。
在軌期間,“天宮一號”先后和1艘無人飛船(2011年11月1日“神舟八號”)、2艘載人飛船(2012年6月18日“神舟九號”、2013年6月13日“神舟十號”)完成了4次自動和2次航天員手控交會對接,2批6名航天員進入“天宮一號”,航天員短期 在軌駐留 ,并開展了對地遙感應(yīng)用、空間物理與環(huán)境探測和空間材料等實驗,獲取了大量有價值的數(shù)據(jù)信息和十分豐顧的應(yīng)用成果,作為中國首個試驗空間實驗室,“天宮一號”完成了航天器組合體控制與管理、航天員在軌駐留保障、航天員在軌維修操作等一系列技術(shù)試驗驗證,為中國載人空間站研制建設(shè)和運營管理積累了十分寶貴的經(jīng)驗。
“天宮二號”空間實驗室 2016年9月15日“天宮二號”發(fā)射,在軌飛行1037天,2019年7月19日以受控方式離軌重返大氣層。
“天宮二號”在外形、結(jié)構(gòu)、尺寸、質(zhì)量上與“天宮一號”基本一致,由實驗艙和資源艙組成。在結(jié)構(gòu)上也屬于第一代空間站,只有1個交會對接口,但采用模塊化艙內(nèi)設(shè)備設(shè)計,增加了推進劑補加系統(tǒng),配備在軌維修技術(shù)驗證和機械臂維修操作驗證系統(tǒng),從功能上看相比歷史上美、蘇的第一代空間站是有所超越的,介于一、二代之間。
在軌期間,“天宮二號”于2016年10月19日與“神舟十一號”載人飛船自動交會對接形成組合體,航天員 景海鵬 和 陳冬 進入空間實驗室完成30天的中期在軌駐留任務(wù),并進行了較大規(guī)模的地球觀測、航天醫(yī)學(xué)、空間應(yīng)用新技術(shù)、植物培育、釋放伴飛小衛(wèi)星、首次太空腦機交互等實驗或試驗?!疤鞂m二號”于2017年與“天舟一號”無人貨運飛船先后完成了3次自主快速交會對接試驗(4月22日、6月19日、9月12日)、3次推進劑在軌補加試驗(4月27日、6月15日、9月16日),繞飛試驗(6月19日)、在軌釋放 立方星 (8月1日)等實驗或試驗。 “天宮二號”完成了航天員中期駐留,考核和驗證了面向長期飛行的乘員生活、健康和工作保障等相關(guān)技術(shù)、推進劑在軌補加技術(shù)等,為未來空間站建成并運行奠定了重要基礎(chǔ)。因此,“天宮二號”是中國空間站建設(shè)的最后一次全面技術(shù)驗證,標志著中國全而進入空間實驗室任務(wù)實施階段。
中國空間站(天宮空間站) 2021年4月29日,中國文昌航天發(fā)射場, 長征五號B遙二運載火箭 成功將天和號核心艙送入高度340-450公里的近地軌道,這是中國空間站第一個,也是最重要的一個艙段——核心艙,中國空間站的在軌組裝建造正式開始。 中國載人航天工程總設(shè)計師 周建平 介紹,空間站基本構(gòu)型有3個艙段,1個核心艙,2個實驗艙。每個艙都是20噸級,三艙組合體質(zhì)量約66噸??臻g站整體呈T字構(gòu)型,核心艙居中,實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ分別連接于兩側(cè)。其中,核心艙用來控制整個空間站組合體,兩個實驗艙分別用于生物、材料、微重力流體、基礎(chǔ)物理等方面的科學(xué)實驗。 2022年7月25日3時13分,問天實驗艙成功對接于天和核心艙前向端口,這是中國兩個20噸級航天器首次在軌實現(xiàn)交會對接,也是空間站有航天員在軌駐留期間首次進行空間交會對接 。2022年9月30日12時44分,經(jīng)過約1小時的天地協(xié)同,問天實驗艙完成轉(zhuǎn)位。
2022年11月1日4時27分,夢天實驗艙成功對接于天和核心艙前向端口 。2022年11月3日9時32分,空間站夢天實驗艙順利完成轉(zhuǎn)位,標志著中國空間站“T”字基本構(gòu)型在軌組裝完成,向著建成空間站的目標邁出了關(guān)鍵一步。按計劃,后續(xù)將開展空間站組合體基本功能測試和評估。
中國空間站核心艙命名為“天和”,全長16.6米,最大直徑4.2米,發(fā)射質(zhì)量22.5噸,可支持3名航天員長期在軌駐留。它既是空間站的管理和控制中心,也是航天員生活的主要場所,還能支持開展少量的空間科學(xué)實驗和技術(shù)試驗。核心艙供航天員工作生活的空間約50立方米,加上兩個實驗艙后,航天員活動空間整體達到110立方米。核心艙又包括節(jié)點艙、生活控制艙和資源艙三部分,有3個對接口和2個停泊口。停泊口用于連接兩個實驗艙,一起與核心艙組裝形成空間站組合體。對接口用于載人飛船、貨運飛船及其他飛行器訪問空間站,另有一個出艙口供航天員出艙活動。其中,核心艙前端的兩個對接口接納載人飛船對接停靠,后端的一個對接口接納貨運飛船??垦a給。對接口可以支持其它飛行器短期??浚⒔蛹{新的艙段對接,擴展空間站規(guī)模。
實驗艙Ⅰ名為“問天”,主要任務(wù)是開展艙內(nèi)和艙外空間科學(xué)實驗和技術(shù)試驗,也是航天員的工作生活場所和應(yīng)急避難場所。實驗艙Ⅰ配備了航天員出艙活動專用氣閘艙,支持航天員出艙活動,配置了小型機械臂,可進行艙外載荷自動安裝操作。實驗艙Ⅰ有著核心艙部分關(guān)鍵平臺功能,這意味著在需要的時候,它可以執(zhí)行對空間站的整個管理和控制。實驗艙Ⅱ名為“夢天”,具備和實驗艙Ⅰ類似的功能。實驗艙Ⅱ還配置有貨物專用氣閘艙,在航天員和機械臂的輔助下,支持貨物、載荷自動進出艙。
空間站工程也包括天地往返運輸系統(tǒng)和貨物運輸系統(tǒng)。天地往返運輸系統(tǒng)由神舟載人飛船和 長征二號F運載火箭 組成,用于航天員和部分物資往返空間站。神舟載人飛船可支持3名航天員實現(xiàn)天地往返,在空間站??科陂g也作為救生船,用于航天員應(yīng)急救生和返回。貨物運輸系統(tǒng)則由 天舟貨運飛船 和 長征七號運載火箭 組成。貨運飛船為空間站運送航天員生活物資、推進劑、載荷設(shè)備等補給物資。 中國的空間站未來還有一個重要計劃,在空間站建造完成后,會單獨發(fā)射一個十幾噸的光學(xué)艙,與空間站保持共軌飛行狀態(tài)。光學(xué)艙命名為“巡天”,具備自主飛行能力,正常任務(wù)時與空間站共軌飛行,進行高分辨率天文觀測,開展天體物理和空間天文學(xué)研究。需要燃料補給和設(shè)備維修時,光學(xué)艙可與空間站對接,進行推進劑補加和設(shè)備維修維護,提高自身壽命和工作性能。
未來發(fā)展
中國 根據(jù)中國第五部航天白皮書——《2021中國的航天》規(guī)劃,在未來五年內(nèi),中國在載人航天方面將繼續(xù)實施載人航天工程,發(fā)射“問天”實驗艙(已發(fā)射,參上)、“夢天”實驗艙(已發(fā)射,參上)、“巡天”空間望遠鏡以及“神舟”載人飛船和“天舟”貨運飛船,全面建成并運營中國空間站,打造國家太空實驗室,開展航天員長期駐留、大規(guī)??臻g科學(xué)實驗、空間站平臺維護等工作。 中國空間站完成在軌建造以后,將轉(zhuǎn)入為期10年以上的應(yīng)用與發(fā)展階段。航天員將長期在軌駐留,開展更加深入的空間科學(xué)研究和 宇宙空間 探索。 中國首個大型“巡天”空間望遠鏡則計劃于2023年發(fā)射,開展廣域巡天觀測,將在 宇宙結(jié)構(gòu) 形成和演化、暗物質(zhì)和暗能量、系外行星與 太陽系 天體等方面開展前沿科學(xué)研究 。 首批國際合作項目載荷也將于2023年進入中國空間站,這些載荷屬于 中國載人航天工程辦公室 與聯(lián)合國外空司、歐洲空間局共同遴選的多個空間科學(xué)應(yīng)用項目。其他國家的宇航員也將在未來進入中國空間站 。 此外,中俄還將牽頭聯(lián)合建設(shè) 月球軌道空間站 ,未來邀請各國科學(xué)家開展探測數(shù)據(jù)及月球樣品的聯(lián)合研究,推動人類對月球及宇宙的認知。計劃中的 國際月球科研站 將開展多學(xué)科、多目標的科研活動,包括月球自身探索和利用、月基觀測、基礎(chǔ)科學(xué)實驗和技術(shù)驗證等,長期無人自主運行,遠景有人參與。
俄羅斯 俄羅斯副總理 鮑里索夫 18日宣稱,國際空間站已經(jīng)嚴重老化,俄方計劃在空間站運營合約2024年結(jié)束后退出該項目,并開始建造自己的空間站 。 新型俄羅斯軌道空間站計劃至少包括5個艙:核心艙;專用生產(chǎn)艙;后勤物流艙;用于組裝、發(fā)射、接收和維修航天器的平臺艙;一個可容納4名游客的商業(yè)艙。該站采用開放式架構(gòu)設(shè)計,由于更換了模塊,因此使用壽命不受限制。按照該計劃,新的俄羅斯空間站的規(guī)模將比“和平”號更大,將在高度400公里、傾角98度的軌道上飛行,這將有可能監(jiān)測整個地球表面 。
但俄方這次空間站規(guī)劃某種程度上是一種政治層面的表態(tài),后續(xù)是否有足夠資金來研制新一代的空間站還存在較大變數(shù)。
美國 2022年2月1日,美國國家航空航天局(以下簡稱NASA)宣布,將國際空間站的壽命延長至2030年,屆時國際空間站將受控重返大氣層,經(jīng)過燒蝕之后墜入南太平洋的 尼莫點 (是地表上距離各大陸最遠的位置,又稱“衛(wèi)星墳?zāi)埂保?/span> 美國的未來空間站發(fā)展將朝著深空化和商業(yè)化發(fā)展,其中近地軌道運行的空間站可能交給商業(yè)航天公司,美國宇航局已經(jīng)將國際空間站物資補給和載人飛行交給了商業(yè)航天企業(yè),經(jīng)驗和技術(shù)都滿足要求。
在商業(yè)化近地軌道空間站方面,NASA提出“商業(yè)近地軌道目的地”(CLD)項目,2021年12月2日,NASA向三個太空合同撥款4.156億美元,其中藍色起源公司獲得1.3億美元,納諾拉克斯公司獲得1.6億美元,諾斯羅普·格魯曼公司獲得1.256億美元。該項目兩個階段的第一階段,預(yù)計將于2025年結(jié)束。在第二階段,NASA將選擇其最喜歡的解決方案,供NASA宇航員使用,并購買一套初始服務(wù)。
除了CLD項目外,NASA還向航天公司Axiom Space授予了價值1.4億美元的合同,為國際空間站建造艙段。當國際空間站退役后,Axiom計劃將其模塊分離,將其改造為能夠獨立飛行的空間站。
深空方向,2020年9月21日,NASA正式發(fā)布“阿爾忒彌斯”月球探索計劃,其中計劃利用“門戶”月球軌道空間站作為月球表面探測器的通信中繼和物資中轉(zhuǎn)站?!伴T戶”空間站的規(guī)劃為:主要結(jié)構(gòu)包括居住艙、動力與推進單元、貨運艙、氣閘艙、獵戶座飛船Orion等,除了動力與推進艙具有動力系統(tǒng)可以由商業(yè)火箭發(fā)射,其它模塊將主要由 SLS 發(fā)射。
其他 印度計劃完成首次載人航天飛行任務(wù)后從2022年開始著手建設(shè)該國首個空間站,建成后可供宇航員在其上停留工作15至20天。