世界最大的航天工程——“國際空間站”于5月竣工

□□經過10多年的建造，世界上投入資金最大、參與國家最多、建造周期最長、技術水平最高、應用范圍最廣的“國際空間站”（ISS），于2011年5月裝上了最后兩臺設備——阿爾法磁譜儀-2（AMS-2）和快速后勤搬運器-3（ELS-3），它標志著這座“空間大廈”正式建成。“國際空間站”包含13個增壓艙，其中8個用于科學實驗和航天員居住，1個為空間站提供初始推進、姿控、通信和儲存，4個用于對接。另外，還裝有7段桁架結構、4對巨型太陽電池陣、1個移動服務系統和多臺艙外儀器設備等。

1 國際合作的產物

“國際空間站”是由美國、俄羅斯、11個歐洲航天局成員國（法國、德國、意大利、英國、比利時、丹麥、荷蘭、挪威、西班牙、瑞典、瑞士）、日本、加拿大和巴西共16個國家聯合建造的。

在籌建該空間站的過程中，美國最初稱其為“阿爾發”,即希臘第1個字母“α”，意為世界第1座大型空間站，但俄羅斯不同意，認為俄羅斯的和平號才是世界第1座大型空間站，所以“國際空間站”至今也沒有正式名稱。

該空間站由眾多國家合作打造，其中美俄是“主力軍”，具體分工如下：

●美國研制實驗艙、節點艙和氣閘艙等各1個，以及7段桁架結構、4對太陽電池陣；

●俄羅斯研制多功能貨艙、服務艙、對接艙等各1個和研究艙2個；

●歐洲研制實驗艙、觀測艙和機械臂各1個，節點艙2個，自動轉移飛行器（ATV）多個；

●意大利研制多用途后勤艙3個；

●日本研制實驗艙1個和“H-2轉移飛行器”(HTV)多個；

●加拿大研制移動服務系統1個，該系統包括遙控機械臂——加拿大機械臂-2（Canadarm 2）、移動基座系統（MBS）、“德克斯特”專用靈巧機械手（Dextre Special Purpose Dexterous Manipulator——SPDM）；

●巴西提供一些實驗用快速托架。

值得注意的是，我國多家單位參與了“國際空間站”中阿爾法磁譜儀-2的研制。執行STS-134任務的奮進號航天飛機于2011年5月16日將阿爾法磁譜儀-2送往“國際空間站”。其質量達6.8t，壽命10年，將首次對宇宙空間的帶電粒子進行直接觀測，區分形形色色的粒子，探測宇宙中的奇異物質，包括暗物質及反物質。

上述艙體和其他設備都是由航天飛機或一次性運載火箭分多次運往“國際空間站”的，然后由站上的遙控機械臂系統和航天員艙外活動進行組裝，逐步建成了這座規模龐大、用途廣泛的空間站。

2 性能優異的構型

“國際空間站”原定采用桁架掛艙式構型，即以長達幾十米或上百米的組裝式或展開式桁架為基礎結構，然后將多個艙段和設備安裝在桁架上。由于這種空間站能運行20年以上，所以也叫永久性空間站。

這種空間站的優點是：靈活性更強，可根據實際需要組成各種不同的形狀；安裝在桁架上的各個艙段、設備、太陽電池陣的拆卸、修理和更換都很方

便；采用集中式供電和統一的指揮與控制系統，能大大提高空間站的工作效率；其結構不像艙段式空間站那樣緊湊，桁架間的寬闊空間使多種觀測儀器的安裝和太陽電池陣的增設變得容易得多。其缺點是：規模大、費用高、技術復雜，尤其是需要航天員多次出艙完成組裝工作，因此有一定風險。目前的“國際空間站”實質上是一個集積木式和桁架掛艙式構型于一體的“混血兒”，為的是充分利用成熟技術，減少建造難度、費用和風險。

“國際空間站”參與國會議

從總體上看，“國際空間站”由兩大部分立體交叉組合而成：一部分是以俄制多功能貨艙為基礎，通過對接艙段及節點艙，與俄羅斯服務艙、研究艙，以及美國、歐洲和日本的實驗艙對接，形成空間站的核心部分；另一部分是服務部分，即在美國的桁架結構上，安裝加拿大的移動服務系統、艙外儀器設備和4對大型太陽電池陣。這兩大部分垂直交叉，從而可加強空間站的剛度，且有利于各分系統和科研設備工作性能的正常發揮，航天員出艙裝配與維修也很方便，并使空間站的微重力環境與控制精度達到最佳。

“國際空間站”的特點是性能高、容積大、載人多、壽命長、用途廣，可用作觀測站、實驗室、試驗臺等，還能促進商業、教育以及公共宣傳等活動的開展。

3 美國的主要貢獻

美國是“國際空間站”工程中的“老大”，其投資占整個工程費用的65%以上，包括用航天飛機為“國際空間站”送去大量部件。

在“國際空間站”的6個實驗艙中，價值14億美元的美國命運號實驗艙（USL Destiny）率先于2001年2月7日由阿特蘭蒂斯號航天飛機送上太空。該艙增壓容積為106m3，用于微重力科學實驗與研究。它也是指揮與控制“國際空間站”裝配和正常運行的核心艙，控制站內外通信、電源分配、熱控以及數據采集和分發。

1998年12月4日上天的團結號節點艙-1（Unity Node 1）是一種小型圓柱形增壓艙，有2個軸向對接口和4個徑向對接口。它同時與俄羅斯曙光號功能貨艙（Zarya Control Module或FGB）、美國命運號實驗艙對接。每次航天飛機所攜帶的多用途后勤艙也與它對接。團結號節點艙-1還與美國探索號氣閘艙（Quest Joint Airlock Module）對接。

美國研制的世界最大氣閘艙——探索號于2001年7月13日對接在團結號節點艙-1上。該艙由較小的乘員艙和較大的設備艙兩部分組成，穿美國或俄羅斯艙外航天服的航天員都能從這里出艙。

美國研制的桁架是空間站的基礎結構，所有設備都直接或間接安裝在桁架上。桁架采用六角形截面，單邊長度為3m。整個桁架有7段，每段長度不超過航天飛機貨艙的最大允許長度（13.7m），橫截面直徑不大于4.5m，質量不超過17t。

美國負責提供的4對可靈活展開的硅光電太陽電池陣是經多次發射安裝到空間站上的。每對太陽電池陣的翼展為73.2m，整個太陽電池陣總面積達2419m2,可產生76kW的功率。太陽電池陣掛在桁架上，隨時對日定向。每個太陽電池陣配備6個鎳氫蓄電池，每個電池容量為81Ah，用于空間站在陰影區的供電。

另外，美國為“國際空間站”研制了5個新型“快速后勤搬運器”（ELC），它們能為“國際空間站”提供一個在空間真空環境下試驗的平臺和設施，還可用于“國際空間站”備用硬件的存放，以便在航天飛機退役后仍能滿足空間站建設的硬件需求。

2010年1月22日，“國際空間站”上的航天員用一種經過升級的軟件，通過“終極無線鏈接”系統無線進入國際互聯網。該系統能為航天員提供直接的私人通信，以提高他們的生活質量，幫助他們消除在封閉生活環境中的孤獨感。

“國際空間站”桁架與太陽電池翼

機器人航天員-2可以舉起杠鈴

2011年2月25日，執行STS-133任務的美國發現號航天飛機為“國際空間站”送去了1個常駐人員——類人型機器人，這個名為機器人航天員-2（Robonaut-2）的類人型機器人質量為136kg。它不僅外形像人，而且可以像人一樣工作，最大的用處是可在未來成為航天員出艙活動的助手或替身，或幫助完成對人類而言過于困難或危險的任務。不過，這次上天的機器人航天員-2在進入空間站后,其活動范圍目前只局限在命運號實驗艙內。隨著技術進步，今后它在空間站內外活動的自由度可能增加。未來該機器人將主要完成艙外任務。

4 俄羅斯的主要貢獻

俄羅斯在空間站建造方面有豐富的經驗和先進的技術。1993年，俄羅斯正式加入“國際空間站”項目，使該站采用了俄羅斯在空間站方面的很多成熟技術，從而節省了費用，少走了彎路，降低了風險，縮短了時間。

由美國出錢、俄羅斯研制的曙光號功能貨艙是“國際空間站”第1個上天的艙段，1998年11月20日發射。它具有推進、導航、通信、供電、居住和推進劑儲存等功能，用于提供推進控制、燃料儲存和組裝初期的供電能力及與服務艙的交會對接能力。該艙有4個對接口，其發射標志著“國際空間站”組裝階段的開始。

2000年7月12日，俄羅斯用質子號火箭發射了星辰號服務艙(Zvezda Service Module)。它是空間站初期組裝階段的指揮與控制中心 (美國命運號實驗艙發射后，指揮與控制中心轉移到美國命運號實驗艙)。該艙由充壓的過渡艙、生活艙、工作艙這3個密封艙以及不充壓的推進服務艙組成。其球形過渡艙用作對接（有4個對接口）或出艙，生活艙和工作艙中設有供航天員洗澡和睡眠的單獨“房間”，艙內有帶冰箱的廚房、餐桌、睡袋、衛生間和運動器械等生命保障設施，可容納3名航天員居住。

組裝星辰號服務艙

2001年9月14日上天的俄羅斯碼頭號對接艙(Mooring Compartment Module或Pirs docking module）有6個對接口，具有對接和儲存兩個功能，還可供航天員出艙活動使用。

俄羅斯為“國際空間站”研制的探索號迷你研究艙-2（Search MRM-2）、黎明號迷你研究艙-1（Rassvet MRM-1）分別于2009年11月10日、2010年5月14日發射。它們可用于對接飛船和供航天員出艙，但主要用途是進行科學實驗，增加空間站內俄方科學實驗的數量。俄羅斯還擬于2012年發射多功能實驗艙（MLM），并計劃研制兩個新艙段，以用于完成被取消的科學動力供應平臺的任務。

5 歐洲的主要貢獻

歐洲對“國際空間站”的主要貢獻是提供哥倫布號實驗艙（Columbus laboratory Module）和自動轉移飛行器，另外還有和諧號節點艙-2（Harmony Node 2）、寧靜號節點艙-3（Tranquility Node-3）、瞭望號（Cupola）觀測艙、“歐洲機械臂” （ERA）和萊昂納多號多用途后勤艙（Leonardo Multi-Purpose Logistics Module——LMPLM）等。

2007年10月23日發射的和諧號節點艙-2用于對接后續送上空間站的哥倫布號實驗艙和希望號日本實驗艙（JEM）。2008年2月7日上天的歐洲哥倫布號實驗艙是一個多用途增壓實驗室，用于開展航天醫學、生物技術、新材料和基礎物理方面的研究。2010年2月8日發射的寧靜號節點艙-3是瞭望號觀測艙與“國際空間站”的連接點，并裝有先進的生命保障系統，能制造氧氣，回收廢水，也攜帶了廢物處理系統和洗手間。

2010年2月8日發射的瞭望號觀測艙呈圓頂屋形狀，設有6個周邊窗及1個天窗，能保證航天員在對外側觀測時有360°的視野。航天員從這里不僅能看到地球的美麗景象，而且可以方便地觀察空間站外的情況，對在空間站艙內指揮航天員太空行走和使用機械臂安裝設備都有很大幫助，還能用來執行對地觀測及空間科學任務。

2008年3月9日上天的首艘自動轉移飛行器凡爾納號（Verne）是大型無人貨運飛船，可向“國際空間站”運送8t的貨物。第2艘自動轉移飛行器開普勒號（Kepler）也于2011年2月18日發射，它為“國際空間站”運送補給物資。

“歐洲機械臂”于2010年5月14日送往“國際空間站”，該機械臂伸展開時總長為11m，能夠搬運最重達8t的部件。另外，其上還裝有攝像機，可準確地將執行太空行走任務的航天員送往指定區域，并能對空間站的外表面進行監測。

意大利為“國際空間站”研制了3個萊昂納多號多用途后勤艙。這些后勤艙相當于集裝箱,主要用于空間站的后勤運輸服務，向空間站運送實驗設備、后勤供給品和實驗材料等。最近，美國與意大利改裝了該艙，去除萊昂納多號多用途后勤艙中不必要的部分，并加強該艙的空間防護能力，目的是永久安裝在“國際空間站”上。改裝后的萊昂納多號已于2011年2月27日發射到“國際空間站”上進行固定安裝，并更名為“永久性多功能艙”（DMM）。

裝在航天飛機貨艙內的萊昂納多號多用途后勤艙的功能相當于1個集裝箱

2009年12月15日，歐洲航天局宣布準備向“國際空間站”發射1個 “空間冷卻原子鐘”。它在3億年的時間里才會出現1s的誤差，主要有3個作用：其一是檢驗愛因斯坦的“相對論”理論；其二，確保時標的準確性和長期穩定；其三，為測地學研究和遙感技術提供支持。“空間冷卻原子鐘”預計于2013年下半年發射升空。

另外，歐洲航天局為空間站航天員設計了頭戴式計算機——“頭戴式增強現實”（WEAR）儀，旨在幫助航天員簡化生活。

6 日本的主要貢獻

日本對“國際空間站” 的主要貢獻是提供希望號日本實驗艙和“H-2轉移飛行器” 。

在2008-2009年用航天飛機分3次發射上天的希望號日本實驗艙是“國際空間站”最龐大、最復雜的艙段，使用鋁合金制作而成，呈圓桶形，全長11.2m，外徑4.4m，內徑4.2m，質量152t，耗資380億日元。它由增壓艙（PM）、遙控機械臂（RMS）、暴露設施（EF）、實驗后勤艙（ELM）4部分組成，其中實驗后勤艙又包括實驗后勤艙-增壓段（ELM-PS）和實驗后勤艙-暴露段（ELM-ES）兩部分。增壓艙以研究微重力下的醫藥、生物、材料加工、蛋白質晶體生長和流體動力學為主。遙控機械臂用于把實驗設備和有效載荷移進或移出增壓艙，以及在暴露設施上移動和定位有效載荷。暴露設施用于為科學家提供一個暴露在空間環境中的研究平臺，可進行科學觀測、對地觀測、通信以及需要在暴露環境下進行的航天技術研究。實驗后勤艙-增壓段用于為增壓艙運輸和儲存各種物品，還可作為增壓艙的附加實驗室或安全救生容器。實驗后勤艙-暴露段可容納3個有效載荷，用于為暴露設施儲備和提供物資。它可供4名航天員進行新材料和生物技術等各種科學技術實驗研究活動。不過，由于希望號日本實驗艙太大，日本用不了，所以打算出租一部分艙段的空間。

打造實驗后勤艙-增壓段

據韓國《朝鮮日報》2011年1月18日報道，日本決定將希望號日本實驗艙免費向韓國等亞洲國家開放。日本計劃2013年將韓國的實驗器材送往希望號日本實驗艙,韓日兩國將共同利用該器材。

2009年9月11日，日本用H-2B火箭發射了第1艘“H-2轉移飛行器”。該貨運飛船1次能搭載6t的水、食品和實驗設備等物資。由于它與空間站的接口較寬，所以可以運送其他貨運飛船無法運送的大型裝置。日本第2艘“H-2轉移飛行器”名為“白鶴”（寓意幸福和快樂），它于2011年1月22日發射， 向“國際空間站”送去了食物、生活用品、80kg飲用水，以及馬來西亞、印尼、泰國和越南等提供的辣椒、番茄等植物種子(進行品種改良實驗)，物資總質量約為5.3t。

7 加拿大的主要貢獻

研制太空機械臂是加拿大的拿手好戲，航天飛機上的機械臂就是加拿大研制的，“國際空間站”上的機械臂也不例外。

加拿大為“國際空間站”提供了1個移動服務系統及有關地面設備。該移動服務系統包括世界最大的太空機械臂——加拿大機械臂-2（2001年4月19日發射）、移動基座系統（2002年6月5日發射）和“德克斯特”專用靈巧機械手（2008年3月11日發射），大大減輕了航天員的艙外工作負擔。加拿大機械臂-2比航天飛機上的機械臂更長，也更結實、更靈活、更多才多藝。移動基座是巨型遙控機械臂的工作平臺。“德克斯特”是一個雙臂機器手，有時會安裝到加拿大機械臂-2的末端，有時也能自行“騎”到空間站機械臂的軌道上滑動獨立完成操作任務，已承擔了不少原來由航天員出艙完成的維修和裝配任務。

8 結語

“國際空間站”的建造分準備、初裝、完成3個階段，每一個階段都建立在前一個階段的基礎之上，但后一階段又都比前一階段有所突破、有所創新。“國際空間站”成員國現已同意將“國際空間站”的退役時間從2015年推遲到2020年以后，并擬邀請中國等參加。由于“國際空間站”已經建成，開始進入全面應用階段，所以如何提高“國際空間站”的應用效率，讓它發揮最佳的作用是今后要考慮的首要問題。■