如何设计一个空间站?

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2020-09-24 17:01

国际空间站是现代工程的奇迹,但设计这个奇迹的过程却差不多是一场噩梦。

许多年来,地球轨道上的 “前哨站”来了又去,但迄今为止一直 “坚守岗位”的只有国际空间站。其他空间站的任务时间都相对短暂,从几个月到几年不等,而国际空间站已经连续运行了 20 年,上面一直有人类在执行任务,试图揭开宇宙的奥秘。在使命完成之前,国际空间站还有很多工作要做。私人公司和一些国家也开始建立自己的轨道前哨站,意味着国际空间站可能是最后一个毫无疑义的 “空间站”(The Space Station)。它担得起这一称号,也值得受到这样的尊敬。国际空间站是一个工程奇迹,一个太空时代的圣母院,更是人类智慧的胜利;但另一方面,设计国际空间站也是一件非常痛苦的事情。

即使是在最好的条件下,建立一个空间站也是一项艰巨的任务。然而,当这项任务涉及三届美国总统、15 个国家、数百名美国国会议员、数千名工程师和超过 1500 亿美元的公共基金时,一切困难似乎就到了不可理喻的地步。罗马不是一天建成的,确实如此,但罗马很可能比国际空间站更容易建成。当然,这看你怎么算,美国国家航空航天局(NASA)花了 30 年才建成这样一个空间站,但即便如此,与该机构最初的设想相比,它仍然相形见绌。

巴兹 · 奥尔德林和尼尔 · 阿姆斯特朗在月球上扬起的灰尘尚未落定,NASA 就已经开始考虑人类在太空中的永久存在了。NASA 想要建立一个容纳 100 人的前哨站,称为 “太空基地”(Space Base)。这将是一个向月球基地发送宇航员和物资的跳板。毫无疑问,这是一个雄心勃勃的项目,也是一个极其昂贵的项目。没过多久,NASA 就意识到,用一次性火箭把物体发射到轨道上的成本远远超过了建造空间站本身的成本。他们需要可重复使用的东西,比如航天飞机。

英国太空建筑师、《国际空间站:地球之外的建筑》(International space station: Architecture Beyond Earth)一书的作者大卫 · 尼克松(David Nixon)说:“建造任何空间站的最大挑战都是将硬件送入太空。直到航天飞机的出现,像堆积木一样搭建起整个空间站才成为可能。”

在航天飞机发射之前,世界上最早的轨道前哨站——俄罗斯的礼炮计划(Salyut programme,1971 年至 1986 年)和美国的天空实验室(Skylab,1973 年至 1979 年)——都是用火箭一次性发射的。天空实验室于 1973 年由土星 5 号运载火箭发射升空,这枚火箭曾将阿波罗任务宇航员送上月球。火箭的第三级被替换成一个小型圆柱形实验室,兼作工作区和生活空间,最多可同时容纳三名宇航员。它还包括一些更小的模块,如太阳观测台。这并不新奇,但太空实验室对于 NASA 具有重要的意义,使该机构知道了如何在太空中连续数周维持人类的生存。

天空实验室是美国的第一个空间站,在 1973 至 1974 年间,曾有三批宇航员到空间站内进行实验,生存时间总计约 6 个月。上一次前往该空间站的任务是在 1974 年,到 1979 年时,天空实验室的轨道已经衰减至无法回收的位置,它在那年夏天重新进入大气层时烧毁。不过,天空实验室的这个小故障并没有困扰 NASA。两年后,航天飞机已经准备就绪,NASA 的工程师们已经在考虑下一步如何让人类永久驻留在轨道上。毕竟,开发航天飞机最大的目的正在于此。1982 年初,NASA 成立了一个空间站任务小组来研究这个问题,几个月后,NASA 向 8 家顶级航天承包商发放了资金,每家都得到了 100 万美元,要求是提出可行的空间站设计方案。

这些承包商在 1983 年初向 NASA 报告了他们的设计。尽管每个空间站的概念都独一无二,但它们也都由一些共同的设计元素组合而成,以满足 NASA 的要求。首先,每个空间站的设计一次最多能容纳 12 名宇航员,相比 NASA 的阿波罗时代太空基地设想,这堪称是大规模的缩减。大多数提交的设计还设想空间站作为一个 “太空船坞”或 “太空港湾”,将有能力修理在轨道上的航天器和卫星。

但最值得注意的是,这些公司提交的每一种空间站设计都是模块化的。换句话说,它们将一块一块地组装而成,从一个小内核成长为一个庞大的轨道复合体。这是一个既实用又必要的特性。航天飞机一次只能将空间站相对较小的部分送入轨道,意味着无论选择哪一种空间站设计,都必须在太空中建造。当然,这也意味着空间站可以在完工前投入使用。考虑到大多数设计都预期数年才能完成,这是一个十分重要的考量。

1984 年,大约在承包商提交设计一年后,美国总统罗纳德 · 里根在他的国情咨文中正式指示 NASA 建造一个空间站。后来他将这个空间站命名为 “自由号”(Freedom),并视其为发展强大太空经济的捷径。“我们可以追随梦想前往遥远的星球,在太空中生活和工作,获得和平的经济和科学成果,”里根告诉美国人,“就像海洋为快帆船和美国商人打开了一个新世界一样,太空在今天拥有巨大的商业潜力。”

这个新设计俗称 “电力塔”(Power Tower),由 5 个模块组成——2 个实验室、1 个后勤中心和 2 个船员舱——集中在一个 120 米长的桁架末端。

里根的国情咨文标志着 NASA 建立空间站的勃勃雄心进入了一个动荡时期。在 1984 年到 1993 年之间,为了平衡预算和工程优先权,自由号的官方设计经历了七次重大修改。在总统的指令下达后的几个月里,NASA 就有了空间站的基本设计,但与承包商一年前提出的设计完全不一样。这个新设计俗称 “电力塔”(Power Tower),由 5 个模块组成——2 个实验室、1 个后勤中心和 2 个船员舱——集中在一个 120 米长的桁架末端。模块位于桁架的底部(也就是说,它们离地球最近),在桁架结构的另一端则是一个太阳能电池阵列和若干天线。

“电力塔”的钟摆式设计旨在同时提供地球、太阳和太空的景观。这将有助于开展科学实验,并减少维持空间站稳定轨道所需的推进器点火次数。但随着设计的发展,电力塔的概念遭到了想要将空间站用于其他领域研究的科学家的抨击。他们认为,居住舱应该位于空间站的重心位置,而不是底部,以限制空间站的移动。“电力塔有严重的结构问题,”大卫 · 尼克松说,“由于振荡和振动,将实验室模块放在结构底部可能是最糟糕的。”最重要的是,空间站的设计反映了用户的需求,而用户需要将空间站的移动减少到最低限度。这就意味着 NASA 不得不从头开始。

1987 年,NASA 发布了自由号空间站的新设计,即 “修订基准构型”(Revised Baseline Configuration)。在这个设计中,我们可以看到国际空间站的雏形。这一次,模块都集中在一个长桁架的中心,其两侧是一排排的太阳能电池板。这些模块也得到了国际支持,欧洲和日本提供了实验室部件,加拿大提供了一个航天器维修中心。

“双龙骨”的设计概念也是基于一个长水平轴,但它在中心有一个大型矩形结构——双龙骨——可以容纳航天飞机的对接口和其他后勤模块。

修订基准构型实际上是 NASA 自 1985 年开始探索的 “双龙骨”(Dual Keel)设计的一个折衷方案。尽管这个设计概念也是基于一个长水平轴,但它在中心有一个大型矩形结构——双龙骨——可以容纳航天飞机的对接口和其他后勤模块。但据估计,这种设计的成本几乎是 NASA 最初预计的空间站成本的两倍。因此,双龙骨设计被放弃,改用更便宜的修订基准构型,但还可以选择在以后添加双龙骨。

尽管修订基准构型最终成为了空间站最终设计的基础,但 NASA 仍在不断调整设计,以满足不断发展的预算限制和技术要求。一般来说,每次设计迭代都会导致空间站容量下降,并导致发射计划延期。1984 年里根宣布美国的空间站计划时,第一批太空舱预计将在十年内发射。但是到 1993 年,NASA 已经在空间站的设计上花费了 90 亿美元,但得到的只是一大堆工程研究,证明他们确实在努力。国会受够了这种情况,就在那一年,美国众议院以一票之差使整个空间站计划免于被取消。

尽管如此,一个不争的事实是:如果太空站要成为现实,它就必须从根本上成为国际性的合作成果。美国显然没有足够的政治意愿独自完成这一任务。因此,1993 年克林顿入主白宫后,正式宣布自由号计划由美国独自建造改为国际合作建造;在此之后,美国将与盟国合作建设国际空间站。

就空间站的设计而言,从自由号到国际空间站的转变主要是一种修辞上的策略。NASA 从一开始就主张在其空间站上进行国际合作,欧洲空间局和日本已经同意为自由号空间站提供硬件。随着冷战的结束,俄罗斯也被邀请在这个前所未有的项目上与美国合作。大卫 · 尼克松说:“在这个项目即将被取消的时候,俄罗斯提供了主要的支持。”

国际空间站的最终设计在很大程度上依赖于 “修订基准构型”,而 NASA 在过去 6 年里又对空间站进行了充实,但采用了更简单的设计。例如,空间站的主要水平桁架采用的是预制构件,而不是由宇航员在轨道上组装。这个简化的空间站构型由一组实验室和居住舱组成,位于一个长长的水平桁架中心,两侧各有 4 个太阳能电池阵列。“从某种意义上说,这样的结构是一个混合体,结合了来自不同来源的不同观点,”大卫 · 尼克松说道。整个空间站有一个足球场那么长,需要 30 多次航天飞机发射才能组装完成。

1998 年,美国向空间站发射了第一个组件——作为宇航员餐厅的 “团结号”(Unity)节点舱。13 年后,发现号航天飞机的最后一次飞行为空间站送来了一个多用途增压舱,空间站的建设正式结束。

对美国来说,考虑到几十年来与国际伙伴的角力、不稳定的预算和好斗的总统政府,国际空间站堪称是一份难以置信的遗产。

美国国家航空航天局和世界多国航天机构的不懈努力终于有了回报。多亏了国际空间站,人类得以在太空中连续 20 年存在,而国际空间站也为突破性的科学实验提供了独一无二的平台。如今,从零重力的菜园到已知宇宙中最冷的冰箱,这里可以提供各种意想不到的实验条件。另一方面,国际空间站也开始实现里根所说的成为外星商业跳板的愿景。许多公司利用国际空间站进行了从 “芯片上的器官”到 3D 打印等各种各样的研究,还有些公司甚至用它作为自己建造空间站的起点。

对美国来说,考虑到几十年来与国际伙伴的角力、不稳定的预算和好斗的总统政府,国际空间站堪称是一份难以置信的遗产。设计空间站可能并不便宜,也无法快速完成,但没有人能说进入太空是一件容易的事。

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