太空站

天空實驗室太空站,拍攝於天空實驗室4號任務返回期間

太空站又稱作空間站,是運行在外太空的人造艙,廣義上為太空飛行器的一種。和宇宙飛船相比,太空站並不一定會搭載著航天員發射升空,也不一定會具備推進和著陸用的設備,但太空站有適合人類長時間居住的設計,可以作為太空人在太空停留和工作的場所。太空站能提供地面實驗設施所不能提供的低重力、宇宙空間環境等條件,主要被用於各種科學研究(尤其是研究長期滯留宇宙對人體的影響)。目前人類的全部太空站都是建造在地球衛星軌道上的,為了對太空站進行人員和物資的補給和輸送,需要其它太空飛行器的配合。

歷史

 
赫爾曼•波托奇尼克的1929年著作The Problem of Space Travel(太空旅行的問題)中的插圖,描繪了旋輪太空站的概念。

太空站概念的提出可以追溯到1869年,當時Everett Hale為《大西洋月刊》撰寫了一則關於「用磚搭建的月球」的文章[1]。此後,康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基赫爾曼·奧伯特也對太空站進行過設想[1]。1929年赫爾曼•波托奇尼克英語Herman Potočnik的著作The Problem of Space Travel(《太空旅行的問題》)出版並風靡了30多年。1951年沃納·馮·布勞恩在礦工周刊中刊登了他帶有環狀結構的太空站設計[1]。二戰期間德國科學家曾研究過使用太陽能的軌道兵器,即所謂的「太陽炮」。按照設想,它將是運行在高度在5,100英里(8,200公里)的地球軌道的太空站的一部分[2]

 
禮炮4號太空站結構圖
 
和平號太空站,拍攝於STS-91任務期間

阿波羅11號飛船在1969年搶先登陸月球後,前蘇聯在與美國登月的太空競賽中落敗,因此轉向了其他方向(如太空站)來展示他們的航天實力。[3]禮炮一號於1971年成功發射升空,它是人類歷史上首個太空站。但不幸的是三名太空人在返回時因閥門故障造成座艙失壓全部窒息死亡。美國緊隨其後在1973年發射了「天空實驗室」太空站,它攜帶了一系列的望遠鏡,科學家在上面做了許多關於醫藥、地質和天文等方面的科學實驗。前蘇聯在1986年發射了「和平號」太空站,並在接下來的十年間不斷對其進行擴充完善,服役至2001年。期間有包括美國在內的許多國家的航天員拜訪過這個世界著名的太空站。1998年11月國際太空站的第一個部件曙光號功能貨艙發射升空,隨後陸續發射的模塊對其逐漸進行擴充。它由多個國家分工建造、聯合運用,成為國際合作進行太空開發的標誌。自2000年11月之後,國際太空站上就保持至少三名乘員至今。

 
天宮一號太空站(左側)和神州飛船(右側)對接的示意圖

中國在2011年9月29日發射了首個小型試驗性太空站天宮一號中國也成為繼蘇聯俄羅斯)和美國後第3個能夠獨立發射太空站的國家。天宮一號將分別與隨後發射的神舟八號神舟九號神舟十號飛船對接,從而建立第一個中國空間實驗室。

居住性

目前已有的太空站內部狹窄的密閉空間、高輻射和失重等問題讓它們在可居住性上受到很大限制。在其中生活的太空人面臨著身體不適、心理障礙和長期健康問題的挑戰。拿輻射舉例:地球的生物在范艾倫帶以下生息,受到地球磁場的保護免受太陽風的傷害,但太空站的乘員則得不到地球磁場的庇護。而長期在失重環境下生活會讓太空人面臨肌肉流失和骨鈣質流失的問題。

構造

太空站是一個由許多相互關聯的子系統構成的複雜系統,一個功能完備的太空站通常會具備以下的模塊。

  1. 主體結構
  2. 電源供應系統
  3. 溫度控制系統
  4. 姿勢控制系統
  5. 軌道操作和推進系統
  6. 自動化和機器人系統
  7. 計算機和通信系統
  8. 環境與生命支持系統
  9. 乘員生活設施
  10. 乘員和貨物運輸系統

發展

太空站可分為以下幾代[4][5]

列表

  • 禮炮系列太空站(Salyut)(前蘇聯,1971年至1986年)
    • 禮炮一號(1971年,1名乘員,1次失敗對接)
    • DOS-2(1972年,無人,發射失敗)
    • 禮炮二號/Almaz(1973年,無人,發射後不久失效)
    • 宇宙557號(1973年,無人,發射11天後再入大氣層)
    • 禮炮三號/Almaz(1974年,1名乘員,1次失敗對接)
    • 禮炮四號(1975年,2名乘員,1名預定乘員無法到達軌道)
    • 禮炮五號/Almaz(1976年-1977年,2名成員,1次失敗對接)
    • 禮炮六號(1977年-1981年,16名乘員,其中5位長期停留,11位短期停留,1次失敗對接)
    • 禮炮七號(1982年-1986年,10名乘員,其中6位長期停留,4位短期停留,1次失敗對接)
禮炮系列太空站由前蘇聯建造,其中禮炮一號是人類的第一個太空站。這個系列的太空站在1971年到1985年間服役,期間一共發射了1至7號,分為民用的DOS(Durable Orbital Station)型和軍用的Almaz型[6]。禮炮2號、3號和5號太空站便屬於軍事用途的Almaz型[7]
天空實驗室是美國的太空站計劃,在1973年到1974年間一共進行了1至4號任務,除1號任務中發射的太空站核心部件外其餘皆為往返於太空站的太空船任務。
  • 和平號太空站(Mir)(前蘇聯/俄羅斯,1986年-2000年,28名乘員,全部長期停留)
和平號是前蘇聯設計建造的太空站,為上述禮炮計劃的後繼項目。它於1986年發射升空,並在接下來的十年間陸續追加了眾多功能模塊,一直被運用到2000年。蘇聯與美國在這裡進行過宇航事業合作,許多不同國家的太空人也曾到訪和平號進行工作。它被廢棄後於2001年受控再入大氣層燒毀。原本為其後繼項目和平號-2準備的星辰號服務艙隨後被合併至國際太空站的項目中。
  • 國際太空站(International Space Station, ISS)(美國/ESA/日本/俄羅斯/加拿大,2000年-至今,2011年4月為止共有27名長期停留乘員)
國際太空站是由美國國家航空暨太空總署(NASA)俄羅斯聯邦航天局(RFSA)、日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)加拿大太空局(CSA)歐洲太空總署(ESA)共同建造的太空站項目。它在1998年開始建造,各功能模塊在其後被陸續送入軌道裝配,目前它的建造還未完成。國際太空站是目前人類擁有過的規模最大的太空站。
天宮一號是中國獨立設計建造並發射運用的小型試驗性太空站,它於2011年發射升空。天宮一號計劃將與隨後發射的神舟八號至十號飛船進行對接,成為中國第一個空間實驗室。神舟八號已於2011年11月1日發射,並在11月3日和15日兩次成功與天宮一號對接[8][9]。2012年6月18日中午,神舟九號攜三名航天員和天宮一號對接成功,航天員成功進入到天宮一號內部。2013年6月13日13時18分,神舟十號攜三名航天員再次和天空一號對接成功,航天員進入到天宮一號內部,將開展為期15天的在軌生活和科研活動。2013年6月20日10時,中國女航天員王亞平在天宮一號上進行了一次50分鐘的太空授課。
  • 天宮二號(Tiangong 2)(中國,2016年9月15日至今)
天宮二號是中國獨立設計建造並發射運用的正式的中型太空站,它於2016年9月15日晚間發射升空。天宮二號計劃將與隨後發射的神舟十一號飛船進行對接,成為中國第一個正式的中型太空站。神舟十一號將於2016年10月中下旬發射,並將與天宮二號對接。
太空站 乘員
上限
發射時間 燒毀時間 運作天數 乘員
總數
訪問次數 質量
加壓艙
容積
名字 圖片 在軌 有人 載人 無人
禮炮一號
 
80px 3 1971年4月19日
01:40:00 UTC
1971年10月11日 175 24 3 2 0 18,425公斤(40,620英磅) 90 m³
(3,180 ft³)
DOS-2
 
  0 1972年7月29日
入軌失敗
1972年7月29日 0 0 0 0 0 18,000公斤(40,000英磅)[10] 90 m³
(3,180 ft³)
禮炮二號
(Almaz 1)
 
  0 1973年4月4日 1973年5月28日 54 0 0 0 0 18,500公斤(40,800英磅)[11]
宇宙557號
 
  0 1973年5月11日 1973年5月22日 11 0 0 0 0 19,400公斤(42,800英磅)[10]
天空實驗室
 
  3 1973年5月14日
17:30:00 UTC
1979年7月11日
16:37:00 UTC
2,249 171 9 3 0 77,088公斤(169,950英磅) 283 m³
(10,000 ft³)
禮炮三號
(Almaz 2)
 
  2 1974年6月25日
22:38:00 UTC
1975年1月24日 213 15 2 1 0 18,900公斤(41,700英磅)[6]
(發射重量)
90 m³(3,180 ft³)
禮炮四號
 
  2 1974年12月26日
04:15:00 UTC
1977年2月3日 770 92 4 2 1 18,900公斤(41,700英磅)[6]
(發射重量)
90 m³
(3,180 ft³)
禮炮五號
(Almaz 3)
 
  2 1976年6月22日
18:04:00 UTC
1977年8月8日 412 67 4 2 0 19,000公斤(42,000英磅)[6]
(發射重量)
100 m³
(3,530 ft³)
禮炮六號
 
80px 3 1977年9月29日
06:50:00 UTC
1982年7月29日 1,764 683 33 16 14 19,000公斤(42,000英磅) 90 m³
(3,180 ft³)
禮炮七號
 
80px 3 1982年4月19日
19:45:00 UTC
1991年2月7日 3,216 816 26 12 15 19,000公斤(42,000英磅) 90 m³
(3,180 ft³)
和平號
  /  
  3 1986年2月19日
21:28:23 UTC
2001年3月23日
05:50:00 UTC
5,511 4,594 137 39 68 124,340公斤(274,120英磅) 350 m³(12,360 ft³)
國際太空站
  /   / ESA /   /  
  6 1998年11月20日 目前在軌 6662 5951 216 64 52 417,289公斤(919,965英磅) 907 m³(32,030 ft³)
天宮一號
 
  3 2011年9月29日
13:16:03.507 UTC
目前在軌(已失控,即將墜落) 1966 20 6 2 1 8,506公斤(18,753英磅) 15 m³(530 ft³)
天宮二號
 
  3 2016年9月15日
21:04:12.428 UTC+8
目前在軌 153 22 7 2 1 9,635公斤(21,242英磅) 22 m³(844 ft³)

年表

Tiangong 1Genesis IIGenesis I國際太空站和平號太空站禮炮七號禮炮六號禮炮五號禮炮四號禮炮三號天空實驗室計劃宇宙557號禮炮二號DOS-2禮炮一號 

前景

目前為止的太空站皆屬於公共組織所有,多用於科研用途,而現在有不少組織開始籌劃商用的太空站項目,提供太空旅館、可出租的實驗室等服務。[12]為了解決上述章節里提及的可居住性問題,研究人員提出了許多設想。輻射問題可以通過更厚的艙壁來提供更好的保護。空間不足問題可以通過建造空間更大的艙體改善。而針對失重問題,國際太空站原本預定會帶有一個可以旋轉的艙體,用離心力來製造人工重力,但這個計劃最終被取消了。目前的太空站皆為剛體結構,笨重因而發射費用過於高昂,上述設想短期內都將無法實現。因此自2000年起NASA和畢格羅宇航等組織開始研究柔性艙壁的膨脹型艙體。[13]俄羅斯正在推進的OPSEK項目將包含一個軌道組裝廠,用來在軌道上建造那些若在地面建造發射會過大過重的部件。[14]

永久性太空站

在極端氣候下,地球人類可能無法在地球生存,所以人類必需在太空中建立一個永久性太空站,包括能源及糧食空氣水都能自給自足的太空站,裡面可以生存人類。

參見

參考文獻

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Boy's Life September 1989 The First Space Station
  2. ^ Science: Sun Gun. Time Magazine. July 9, 1945. 
  3. ^ Ivanovich, p.5
  4. ^ 天宮一號須進行3次「天宮之吻」
  5. ^ 太空站:人造的「天宮」
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 6.3 D.S.F. Portree. Mir Hardware Heritage (PDF). NASA. 1995 [30 November 2010]. 
  7. ^ Russian Space Stations (Wikisource)
  8. ^ 中國神舟八號成功對接天宮一號. BBC. [2011-11-03] (中文(繁體)‎). 
  9. ^ 天宮一號與神舟八號第二次交會對接成功 (組圖). 新浪網. 2011-11-14 [2011-11-14] (中文(簡體)‎). 
  10. ^ 10.0 10.1 Salyut. Encyclopedia Astronautica. [30 November 2010]. 
  11. ^ Saylut 2. NASA. [30 November 2010]. 
  12. ^ Bigelow Aerospace — Next-Generation Commercial Space Stations: Orbital Complex Construction, Bigelow Aerospace, accessed 2011-01-10.
  13. ^ David Shiga. NASA sets sights on inflatable space stations. New Scientist. 2010-02-23 [2010-02-24]. 
  14. ^ Russia could build orbital assembly complex after 2020 - Energiacorporation. Interfax. 2009-08-18 [2009-08-18].