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第21章 国际空间站(4)

该空间站主体呈八棱柱形,直径约446米,高28米,发射时重4吨,回收时重32吨,两个太阳能电池帆板长度均为96米,输出功率可达3千瓦。整个平台采用模块化设计,共分8个舱,其中2个舱装载电池和计算机,其余均搭载试验设备,有效载荷占12吨以上。它运行在500千米高的轨道上,主要用于从事天文、大气物理观测(包括红外、光学、X射线和γ射线等多种手段观测)及小型材料和生命科学试验。它在太空运行几个月后,降低轨道至315千米高度与航天飞机会合。1995年12月由美国“奋进”号航天飞机将其回收。这个空间站飞行的有效载荷是未来“阿尔法”国际空间站日本试验舱的模型。另一与国际空间站相关的试验是平台上搭载一项由144块太阳能电池片串联形成的太阳能电池阵试验,它能获得250伏特以上的高压电流。

H-2火箭

此试验目的是验证空间等离子体对高压电池电路的影响。平台上还搭载了一台小型红外望远镜。该望远镜口径为15厘米,镜内载有4套红外观测仪器,可覆盖1~1000微米的红外波段,这些仪器均浸在零下271℃的液氦中,以确保它们能为测得宇宙起源等奥秘提供线索。另外,平台上还有一项二维太阳能电池阵展开试验。该阵呈六边形,边长65米,由可自动伸展的桁架支撑。此试验是为了开发高效、高可靠性、展开式大型太阳能电池帆板。在“空间飞行平台”上搭载的还有一项采用肼做燃料的等离子推进器试验。该推进器将用于星际飞行的航天器。此次,“空间飞行平台”上的材料试验搭载了3台材料处理装置,可以加工包括先进半导体材料在内的多种材料样品。引人注目的是“空间飞行平台”上也带有蝾螈产卵和发育试验。这些嵘螈上天前已受孕,并全处在冬眠状态,上天后苏醒,而后在激素作用下产下受精卵,这项试验可以获得生命科学的宝贵信息。

国际空间站业余无线电通讯计划

国际空间站业余无线电通讯计划是由美国业余无线电联盟、国际业余卫星公司、美国宇航局等共同组织和发起的一项活动,和太空微重力实验计划一样,是美国宇航局面向青少年的科技教育项目之一。这个计划给学生们提供一个利用业余无线电和国际空间站宇航员直接交流的兴奋体验。教师、家长和社会将看到业余无线电将如何激发青少年对科学、技术和知识的追求。

和国际空间站宇航员对话是一种独特的教育体验,美国联邦通讯委员会支持国际空间站业余无线电通讯计划。借助业余无线技术的帮助,美国国家宇航局希望给世界范围内的青少年提供机会。国际业余卫星公司的志愿者提供技术上操作,指导学校通讯计划。美国业余无线电联盟提供空间站业余无线电的信息,美国业余无线电联盟和美国宇航局总部编制和分配国际空间站业余电台的课程计划并向老师们提供资源,向成百上千的业余无线电操作者,包括在约翰逊太空中心、戈达德太空飞行中心和马歇尔太空飞行中心的美国航天中心的业余无线电俱乐部的幕后工作,提供技术和知识的保障,使这项教育体验成为可能。

未来空间城

事实上,国际空间站最早是作为永久型空间站而提出,但它并不是真正意义的永久型。

永久型主要是指空间站的使用寿命,而要延长空间站的运行时间,空间站本身的各项设施都必须有相应改善,整体提高,人类目前的技术水平暂时还达不到真正永久型空间站的需要,但是科学家们已预见出了发展目标,相信这并不遥远。

空间站虽具有其他飞行器无可比拟的优越性和发展前景,但它的劣势则在于巨大的资金投入,可以说资金将是空间站技术发展的大前提。就目前来看,世界上恐怕还没有一个国家可以独自承担建设未来空间站所需的巨大费用。当前欧洲各国合作组成欧空局,整体参与国际空间站计划,为世界性合作做出模式,国际空间站计划则做出了有益尝试,不仅可以各国分担研制经费,而且还可以技术互补,各展优势,使得国际空间站计划得以进行。未来的大规模航天建设也必然走合作之路,人类共同的梦想必须共同努力,才能更快实现。

我们知道,一个空间站是由许多的系统组成的,而系统又由众多的仪器设备组成,而仪器设备的基本组成单元就是元器件。因此要想提高整个空间站的寿命当然得从最基本的方面抓起,如材料和电子元器件的性能要保证可靠,保证长寿命;尤其在太空特有的环境条件下如真空及真空冷焊、粒子辐射、温度大幅度的交变、疲劳、老化、微流星及空间碎片的撞击等都对材料和器件产生不利的影响。在设计工作中对客观事物认识的正确与否也是重要的因素,在设计中对各种方案要从长寿命入手。

简单化、可靠性、可维修性、可开拓性强,事实上这也是永久型空间站建设的基础。

目前国际空间站是向简单化发展的,即采用积木组合的方式,可以任意组合,使它的装配简单,而功能不断增加,这样对降低成本、取得最大的效益有很大的意义。

随着航天技术的发展,飞行器的可靠性已大有提高。但是未来应在原有的基础上更进一步,投入巨大的人力、物力、财力,进一步提高可靠性尤为重要。

可维修性是延长空间站使用寿命的另一重要方法。空间站的设计中,各系统、舱段间应相互独立,相互联系又互不干扰,零件、设备标准化便于维修更换,比如目前已采用的抽屉式的装配、插板式的组件、标准的设备等都是从这个角度考虑的。

空间站本身还要可变更、可增大结构、可扩大功能,从根本上解决功能单一的不足,开辟航天器功能多样化、多用途的道路。

而设法提高空间站的功能和自给自足的能力,也是一个至关重要的问题,而且包括了多方面的要求。

空间站的自主性一方面体现在空间站本身设施。进一步提高它的自动化程度,它的飞行控制,它的导航定位、交会对接,使这些工作能够达到自主、简单。而目前许多的工作还要靠地面的帮助才能完成。有效地进行故障监测甚至一般故障排除都能自己进行,使它高度自动化,首先能自己检查和发现问题,然后能够自己决定采用什么手段去解决它,减少地面及宇航员的工作量和负担是发展的方向。另一方面缩短宇航员在轨飞行时间和在站停留时间,采用人与自动化系统相结合的模式,充分发展非人因素的优势。

我们都很清楚,在空间站中,宇航员们的衣食住行等生活问题不可小觑。而事实证明,频繁的后勤补给势必会造成不必要的能源浪费。因此,减少后勤补给也是其中一个重要的方面。

为了改善这种情况,宇航员的用水及氧气向自己生产的方向发展,可以用化学反应的方法得到,或者多栽培植物产生光合作用而产生氧气等;水要达到能够回收,经过处理后再重复使用;而部分食品如蔬菜在空间站进行培育生长,可以达到自给自足的程度;甚至可以在空间站驯养一些动物作为肉食的来源,这样将大大地提高宇航员的太空生存条件,对减少对地面的依赖,降低太空生活的成本具有很大的现实意义;我们的发展目标是不仅宇航员能够在太空生活,而且一般人能够进入太空生活,同时还要在其他的星球定居,这个问题不解决是无法实现这些目标的。在这方面,不少的空间站已经进行了各种试验。

而在太空另一个比较大的问题就是失重环境,这是不管在已经发射的空间站上还是正在研制的国际空间站都没有解决的问题。人们长时间在地球引力场中生活,而到了太空的失重条件下是很不适应的,而且那种条件对人的生理各方面都会带来不利的影响,如心脏功能、血液循环、骨骼发育、肌肉以及其他功能等都会有影响,大部分的宇航员在进入轨道的前几天都会感到不适应,有的反应很强烈甚至达到基本不能做事的程度,过一段时间适应了才能消除,这种现象称为空间运动病。正因为这样,所以宇航员的挑选光从身体素质来说就是很严格的,这样一来就限制了一般人进入太空。我们说空间站是太空的地球村,总有一天一般人要进住这个村,那就必须解决失重问题,这个问题也已经被科学界所注意,想出了各种方案,如使空间站绕自身轴或者绕某个中心旋转,产生人造重力,这不是不可能的,但真正用于实际,还要进行大量的探索,也是下一步研究的内容。

发展先进而经济的天地往返运输系统,也是今后所要研究的范畴。因为发展新型运输器是从根本上降低运输费用的途径。

目前在航天飞行中起重要作用的俄罗斯“联盟”号载人飞船、美国“进步”号货运飞船和航天飞机均不是理想的天地运输器,货运飞船运载能力小,使用一次即报废,而航天飞机造价过高,它每发射一次就要花费5亿美元之多。

而未来的运输飞行器首先要克服这些不足,一是具有较大的运载功能,二是可重复使用,三是造价低廉,而后则要速度更快,可以超远飞行。

目前,美、日等国已有许多人构想出了未来的飞行器,除了采用大量先进技术,单从外表就可以看出它们与已有航天器的很大不同。

我们知道,人们研究太空的最终目的就是要利用太空资源。所以,人们对于资源无限的太空应尽可能地合理开发利用。空间站作为开发太空的前哨基地,要充分发挥其作用。空间站上可配备更多、更广、更先进的各种试验设备,开展大量空间试验,并将试验成果尽早应用于太空生产,以期尽快形成空间材料加工、农业生产、太阳能发电等太空产业,真正益于人类生产生活。

面对日渐枯竭的地球资源,人类把发展方向转向了太空。在太空开展人类的产业,将是一个收益甚佳的空间项目,人们已认识到了太空工业的巨大潜力。太空失重及无污染的状态,对材料加工有很大好处,尤其是电子产品、光学、生物制品等,在太空加工会很容易获得高质量高纯度产品。而太空农业也已投入试验,它将是人类未来太空生活的基本保证,是重点研究项目。空间太阳能发电技术,可以说将是对人类贡献最大的空间技术。面对能源需求不断增长,环境污染日益严重,地球资源有限等现实,研究开发和应用可再生洁净能源势在必行。人们把目光投向了太阳,洁净、无污染、取之不尽、用之不竭的太阳能将是人类摆脱能源危机的最佳新能源。

除能源危机之外,当今全球还面临一系列其他重大问题,如物种灭绝、沙漠和土质退化、气候异常、南北极臭氧空洞、人口增长过快导致人口爆炸……

当今全球所面临的问题——沙漠化

人类解决上述危机的出路不外乎两条:①加强治理,保护环境,控制人口,②去茫茫的宇宙寻找和开辟新的生存天地,去建设我们的太空家园。载人空间基地就是我们的未来家园的雏形。

未来的载人空间基地

由最初的“礼炮”号空间站,到运行十几年的“和平”号,再到现今的国际空间站,人类的太空探索已经逐渐起步,可以预见,能够长期飞行的永久型空间站离我们并不遥远,它的真正实现将会使空间技术发展迈上一个新的台阶。踏上这个台阶,人类将登得更高,去实现新的未来计划——载人空间基地计划。

效用整体大幅提高的永久型空间站的出现,将是空间科学技术的一大进步,它将使空间资源得到更进一步的开发。它已被列为可行的未来发展阶段。

那么,什么是载人空间基地呢?我们一般把具有对其他航天器有在轨服务能力的空间站称为空间基地。也就是说,空间基地是可以在太空为其他航天器提供服务,而不仅仅是被动接受外来服务。这也是它与空间站的根本区别。

载人空间基地的作用可以形象地比喻为一个太空中转站。航天器从地球发射到空间基地上,可以在那接受一系列服务,而后或是在站继续工作,或是被发往更远的轨道。

另外,载人空间基地可以提供能量能源补给服务。我们知道,各种飞行器所携带的能量都有一定限度,人类今天的航天飞机之所以还不能飞向更遥远的外太空,没有充足的补给是重要原因之一。而实现载人空间基地后,飞行器可以只携带部分能量,发射到基地接受补给,再继续飞行。这个过程就好像汽车到加油站去加油一样,只不过飞行器是在天上,它加注的也不会是汽油,也许是电能、热能,或者是更为实用的太阳能。

现在趋势表明,人类未来的航天器将会向着大规模发展,对于不能一次发射升空的飞行器,可以经由多次发射,在基地重新组装,再整体送入太空。因为太空是失重环境,同样大的东西,在太空移动会比在地球上容易得多,所以在空间基地只需设计一些会飞的“托运船”就可以轻而易举地移动那些组合起来的庞然大物,把它们送到轨道上。

而对于高投入、高风险的太空作业,最重要的就是可靠性。当航天器被发射升空后,可以先进入空间基地,接受检测,进行维护,这样可以使得航天器有更为良好的状态投入使用,保证了其安全可靠性;对于在太空出现故障的航天器,也可以及时返回基地进行检修,而不必等到地面做出处理,这也使得故障得以及时排除,以减少损失;而航天器在运行一段时间之后,会有必然的损耗,空间基地便于随时维护,则更有益于延长使用寿命,这对于昂贵的空间设施是极为重要的。

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