世界最大的航天工程——“國際空間站”于5月竣工

□□經(jīng)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(shù)水平最高、應(yīng)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(shè)備——阿爾法磁譜儀-2（AMS-2）和快速后勤搬運器-3（ELS-3），它標(biāo)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(xué)實驗和航天員居住，1個為空間站提供初始推進(jìn)、姿控、通信和儲存，4個用于對接。另外，還裝有7段桁架結(jié)構(gòu)、4對巨型太陽電池陣、1個移動服務(wù)系統(tǒng)和多臺艙外儀器設(shè)備等。

1 國際合作的產(chǎn)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(lián)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(fā)”,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(rèn)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(jié)點艙和氣閘艙等各1個，以及7段桁架結(jié)構(gòu)、4對太陽電池陣；

●俄羅斯研制多功能貨艙、服務(wù)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(jī)械臂各1個，節(jié)點艙2個，自動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移飛行器”(HTV)多個；

●加拿大研制移動服務(wù)系統(tǒng)1個，該系統(tǒng)包括遙控機(jī)械臂——加拿大機(jī)械臂-2（Canadarm 2）、移動基座系統(tǒng)（MBS）、“德克斯特”專用靈巧機(jī)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(zhí)行STS-134任務(wù)的奮進(jìn)號航天飛機(jī)于2011年5月16日將阿爾法磁譜儀-2送往“國際空間站”。其質(zhì)量達(dá)6.8t，壽命10年，將首次對宇宙空間的帶電粒子進(jìn)行直接觀測，區(qū)分形形色色的粒子，探測宇宙中的奇異物質(zhì)，包括暗物質(zhì)及反物質(zhì)。

上述艙體和其他設(shè)備都是由航天飛機(jī)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(jī)械臂系統(tǒng)和航天員艙外活動進(jìn)行組裝，逐步建成了這座規(guī)模龐大、用途廣泛的空間站。

2 性能優(yōu)異的構(gòu)型

“國際空間站”原定采用桁架掛艙式構(gòu)型，即以長達(dá)幾十米或上百米的組裝式或展開式桁架為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，然后將多個艙段和設(shè)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(yōu)點是：靈活性更強(qiáng)，可根據(jù)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(shè)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(tǒng)一的指揮與控制系統(tǒng)，能大大提高空間站的工作效率；其結(jié)構(gòu)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(shè)變得容易得多。其缺點是：規(guī)模大、費用高、技術(shù)復(fù)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(fēng)險。目前的“國際空間站”實質(zhì)上是一個集積木式和桁架掛艙式構(gòu)型于一體的“混血兒”，為的是充分利用成熟技術(shù)，減少建造難度、費用和風(fēng)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(chǔ)，通過對接艙段及節(jié)點艙，與俄羅斯服務(wù)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(wù)部分，即在美國的桁架結(jié)構(gòu)上，安裝加拿大的移動服務(wù)系統(tǒng)、艙外儀器設(shè)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(qiáng)空間站的剛度，且有利于各分系統(tǒng)和科研設(shè)備工作性能的正常發(fā)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(huán)境與控制精度達(dá)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(jìn)商業(yè)、教育以及公共宣傳等活動的開展。

3 美國的主要貢獻(xiàn)

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(jī)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(jī)送上太空。該艙增壓容積為106m3，用于微重力科學(xué)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(nèi)外通信、電源分配、熱控以及數(shù)據(jù)采集和分發(fā)。

1998年12月4日上天的團(tuán)結(jié)號節(jié)點艙-1（Unity Node 1）是一種小型圓柱形增壓艙，有2個軸向?qū)涌诤?個徑向?qū)涌凇Ｋ瑫r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(jī)所攜帶的多用途后勤艙也與它對接。團(tuán)結(jié)號節(jié)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(tuán)結(jié)號節(jié)點艙-1上。該艙由較小的乘員艙和較大的設(shè)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(chǔ)結(jié)構(gòu)，所有設(shè)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(jī)貨艙的最大允許長度（13.7m），橫截面直徑不大于4.5m，質(zhì)量不超過17t。

美國負(fù)責(zé)提供的4對可靈活展開的硅光電太陽電池陣是經(jīng)多次發(fā)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(dá)2419m2,可產(chǎn)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(qū)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(huán)境下試驗的平臺和設(shè)施，還可用于“國際空間站”備用硬件的存放，以便在航天飛機(jī)退役后仍能滿足空間站建設(shè)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(jīng)過升級的軟件，通過“終極無線鏈接”系統(tǒng)無線進(jìn)入國際互聯(lián)網(wǎng)。該系統(tǒng)能為航天員提供直接的私人通信，以提高他們的生活質(zhì)量，幫助他們消除在封閉生活環(huán)境中的孤獨感。

“國際空間站”桁架與太陽電池翼

機(jī)器人航天員-2可以舉起杠鈴

2011年2月25日，執(zhí)行STS-133任務(wù)的美國發(fā)現(xiàn)號航天飛機(jī)為“國際空間站”送去了1個常駐人員——類人型機(jī)器人，這個名為機(jī)器人航天員-2（Robonaut-2）的類人型機(jī)器人質(zhì)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(wù)。不過，這次上天的機(jī)器人航天員-2在進(jìn)入空間站后,其活動范圍目前只局限在命運號實驗艙內(nèi)。隨著技術(shù)進(jìn)步，今后它在空間站內(nèi)外活動的自由度可能增加。未來該機(jī)器人將主要完成艙外任務(wù)。

4 俄羅斯的主要貢獻(xiàn)

俄羅斯在空間站建造方面有豐富的經(jīng)驗和先進(jìn)的技術(shù)。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(shù)，從而節(jié)省了費用，少走了彎路，降低了風(fēng)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(fā)射。它具有推進(jìn)、導(dǎo)航、通信、供電、居住和推進(jìn)劑儲存等功能，用于提供推進(jìn)控制、燃料儲存和組裝初期的供電能力及與服務(wù)艙的交會對接能力。該艙有4個對接口，其發(fā)射標(biāo)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(zhì)子號火箭發(fā)射了星辰號服務(wù)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(fā)射后，指揮與控制中心轉(zhuǎn)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(jìn)服務(wù)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(shè)有供航天員洗澡和睡眠的單獨“房間”，艙內(nèi)有帶冰箱的廚房、餐桌、睡袋、衛(wèi)生間和運動器械等生命保障設(shè)施，可容納3名航天員居住。

組裝星辰號服務(wù)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(fā)射。它們可用于對接飛船和供航天員出艙，但主要用途是進(jìn)行科學(xué)實驗，增加空間站內(nèi)俄方科學(xué)實驗的數(shù)量。俄羅斯還擬于2012年發(fā)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(xué)動力供應(yīng)平臺的任務(wù)。

5 歐洲的主要貢獻(xiàn)

歐洲對“國際空間站”的主要貢獻(xiàn)是提供哥倫布號實驗艙（Columbus laboratory Module）和自動轉(zhuǎn)移飛行器，另外還有和諧號節(jié)點艙-2（Harmony Node 2）、寧靜號節(jié)點艙-3（Tranquility Node-3）、瞭望號（Cupola）觀測艙、“歐洲機(jī)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(fā)射的和諧號節(jié)點艙-2用于對接后續(xù)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(yī)學(xué)、生物技術(shù)、新材料和基礎(chǔ)物理方面的研究。2010年2月8日發(fā)射的寧靜號節(jié)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(jìn)的生命保障系統(tǒng)，能制造氧氣，回收廢水，也攜帶了廢物處理系統(tǒng)和洗手間。

2010年2月8日發(fā)射的瞭望號觀測艙呈圓頂屋形狀，設(shè)有6個周邊窗及1個天窗，能保證航天員在對外側(cè)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(nèi)指揮航天員太空行走和使用機(jī)械臂安裝設(shè)備都有很大幫助，還能用來執(zhí)行對地觀測及空間科學(xué)任務(wù)。

2008年3月9日上天的首艘自動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移飛行器開普勒號（Kepler）也于2011年2月18日發(fā)射，它為“國際空間站”運送補(bǔ)給物資。

“歐洲機(jī)械臂”于2010年5月14日送往“國際空間站”，該機(jī)械臂伸展開時總長為11m，能夠搬運最重達(dá)8t的部件。另外，其上還裝有攝像機(jī)，可準(zhǔn)確地將執(zhí)行太空行走任務(wù)的航天員送往指定區(qū)域，并能對空間站的外表面進(jìn)行監(jiān)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(dāng)于集裝箱,主要用于空間站的后勤運輸服務(wù)，向空間站運送實驗設(shè)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(qiáng)該艙的空間防護(hù)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(fā)射到“國際空間站”上進(jìn)行固定安裝，并更名為“永久性多功能艙”（DMM）。

裝在航天飛機(jī)貨艙內(nèi)的萊昂納多號多用途后勤艙的功能相當(dāng)于1個集裝箱

2009年12月15日，歐洲航天局宣布準(zhǔn)備向“國際空間站”發(fā)射1個 “空間冷卻原子鐘”。它在3億年的時間里才會出現(xiàn)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(biāo)的準(zhǔn)確性和長期穩(wěn)定；其三，為測地學(xué)研究和遙感技術(shù)提供支持。“空間冷卻原子鐘”預(yù)計于2013年下半年發(fā)射升空。

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

6 日本的主要貢獻(xiàn)

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

在2008-2009年用航天飛機(jī)分3次發(fā)射上天的希望號日本實驗艙是“國際空間站”最龐大、最復(fù)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(nèi)徑4.2m，質(zhì)量152t，耗資380億日元。它由增壓艙（PM）、遙控機(jī)械臂（RMS）、暴露設(shè)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(yī)藥、生物、材料加工、蛋白質(zhì)晶體生長和流體動力學(xué)為主。遙控機(jī)械臂用于把實驗設(shè)備和有效載荷移進(jìn)或移出增壓艙，以及在暴露設(shè)施上移動和定位有效載荷。暴露設(shè)施用于為科學(xué)家提供一個暴露在空間環(huán)境中的研究平臺，可進(jìn)行科學(xué)觀測、對地觀測、通信以及需要在暴露環(huán)境下進(jìn)行的航天技術(shù)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(shè)施儲備和提供物資。它可供4名航天員進(jìn)行新材料和生物技術(shù)等各種科學(xué)技術(shù)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(jù)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(fā)射了第1艘“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”。該貨運飛船1次能搭載6t的水、食品和實驗設(shè)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(zhuǎn)移飛行器”名為“白鶴”（寓意幸福和快樂），它于2011年1月22日發(fā)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(jìn)行品種改良實驗)，物資總質(zhì)量約為5.3t。

7 加拿大的主要貢獻(xiàn)

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

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

8 結(jié)語

“國際空間站”的建造分準(zhǔn)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(chǔ)之上，但后一階段又都比前一階段有所突破、有所創(chuàng)新。“國際空間站”成員國現(xiàn)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(jīng)建成，開始進(jìn)入全面應(yīng)用階段，所以如何提高“國際空間站”的應(yīng)用效率，讓它發(fā)揮最佳的作用是今后要考慮的首要問題。■