國際空間站

空間站，通俗叫太空站，是一種可供人類長期居住的航天器，作為一種微重力和太空環境中從事科研的實驗室，在這兒進行生物學、人體生命學、物理、天文、氣象等科學研究實驗，這是地面上無法復制、無法替代的特殊科研環境。

16個國家或地區組織參與

國際空間站的前身，是NASA自由號空間站計劃。最早源自里根總統的星球大戰計劃，后來隨著老布什總統叫停該計劃，同時也擱置了自由號，克林頓執政時期在副總統戈爾直接推動下，美國宇航局與俄羅斯聯邦航天局共同創建一個國際共用的空間站項目——這就是國際空間站的最初計劃。

關于國際空間站的命名，最初美國提議取名阿爾法（Alpha）空間站，但遭到俄羅斯反對，理由是此名暗示了這是人類史上第一個空間站，而蘇聯和俄羅斯先后成功運行過8個空間站。所以，最終取了個最平實的名稱——國際空間站（International Space Station，簡稱ISS）。它是一個由6個國際主要太空機構聯合推進的國際合作計劃，分別是美國國家航空航天局、俄羅斯聯邦航天局、歐洲航天局、日本宇宙航空研究開發機構、加拿大國家航天局和巴西航天局。參與該計劃的共有16個國家或地區組織，其中歐洲航天局的成員國中參與的國家有：比利時、丹麥、法國、德國、意大利、挪威、荷蘭、西班牙、瑞典、瑞士和英國。因此，它是名副其實的國際合作大項目，集結了當時全世界最先進的航天科研力量，但沒有包括中國。

ISS長108.5米，寬72.8米，高20米，總面積相當于一個美式橄欖球場那么大。它的大小約是當年俄羅斯和平號空間站的4倍，是當年美國天空實驗室的5倍。總質量420噸，比320輛家庭轎車加起來還要重。內部空間有1200立方米，大約相當于一幢美式六居室的房子。

由美國宇航局帶頭協調國際空間站的建設，國際空間站作為一個軌道實驗室，用于生命、物理、地球和材料科學的實驗。1998年空間站才開始組裝，當時俄羅斯質子火箭將第一個模塊——功能性的貨艙（Zarya）送入軌道。2000年10月31日，國際空間站的首批3名宇航員從俄羅斯發射升空。宇航員們在國際空間站上待了將近5個月，啟動系統并進行實驗。從那時起，許多航天器已經將國際空間站的部分部件送入軌道，組裝工作也陸續完成。

國際空間站大約有38個模塊，至少需要44次航天飛行才能將組件送入軌道。組裝和維護國際空間站需要160次太空行走，總計1920個工時。國際空間站在2011年完工，壽命為10年。

國際空間站無疑是人類歷史上最昂貴的單體科研項目。根據公布的數據，截至2010年，累計投入高達1551億美元，其中美國1311億美元，俄羅斯120億美元，歐空局50億美元，日本50億美元，加拿大20億美元。從1998年開建一直到現在，NASA平均每年花在ISS的費用就達35億美元，宇航員平均每人每天花費750萬美元。

ISS運行軌道距離地表大約400公里，飛行速度7.67公里/秒，軌道周期是92分鐘多一點，每天圍繞地球飛行近16圈。目前ISS軌道衰減是每月2公里，因此每隔一段時間，就要點燃火箭助推器，維持空間站的高度，為此每年需要消耗4噸火箭燃料。

如何維持一個宜居的環境

在太空中維持一個永久的生存環境需要一些必需的東西：新鮮的空氣、水、食物、舒適（和適宜居住）的氣候——甚至是垃圾的清除和防火。首先是空氣。我們需要氧氣，國際空間站有幾個提供氧氣的系統。一個系統是通過宇宙飛船從地球運送氧氣，這些氧氣儲存在外部容器中。國際空間站也有一個利用循環水制造氧氣的發電機。利用電力，它把水電解成氫和氧，氫氣進入太空，氧氣進入國際空間站。最后，國際空間站有一個固體燃料氧氣發生器，通過燃燒原料將氧氣釋放到國際空間站的空氣中。空氣循環系統使空間站艙內的空氣循環，循環的空氣通過各種過濾器去除顆粒和微生物，整個空間站都在不斷監測和調節空氣成分。

在地球上，植物吸收我們呼出的二氧化碳，而國際空間站是利用各種能吸收二氧化碳并與其他化學物質發生反應的“洗滌器”，用化學方法將空氣中的二氧化碳去除。除了二氧化碳，我們還呼出水蒸氣。在國際空間站上，這些多余的水蒸氣凝結成液體并被回收，但這并不是唯一的水源。

和氧氣一樣，水也可以被送到國際空間站。事實上，我們有各種各樣的方法向空間站運送補給。俄羅斯有進步號補給船，歐洲航天局有自動運載工具，日本有口碑2號或HTV2火箭。

水是航天飛機用來發電的燃料電池的副產品，甚至可以從宇航員的尿液中回收，尿液經過過濾和處理后可以制成飲用水、洗手用水和淋浴用水。水被儲存在空間站的袋子和容器里，食物也由宇宙飛船運送到國際空間站。國際空間站有一個廚房，里面有食物準備區、食物加熱器和一張供宇航員吃飯的桌子。

國際空間站上的電子設備產生的熱量足以使空間站變暖。而實際要解決的問題是消除多余的熱量，所以要有各種各樣的方法來均勻地分配熱量。溫度控制系統采用電加熱器、保溫管和液氨管（熱分配器）來控制內部溫度。空間站外部的散熱器有助于消除外層空間的熱量。

像在地球上生活一樣，國際空間站必須保持干凈。這在太空中尤其重要，因為飄浮的灰塵和碎片可能構成危險。對于一般的大掃除，宇航員使用各種濕巾、洗滌劑和濕/干真空吸塵器來清潔表面、過濾器和他們自己。垃圾被收集在袋子里，裝在補給船上，然后返回地球進行處理。廁所里的固體廢物經過壓縮、干燥和袋裝處理后，也會以類似的方式處理。

火是太空中最危險的事物之一。宇航員杰里·朗格爾在和平號空間站停留期間，發生了火災，所幸和平號空間站的工作人員撲滅了大火。國際空間站有一個火災探測/滅火子系統，包括煙霧探測器、警報、滅火器和便攜式呼吸設備。

宇航員如何生活與工作

在太空生活和工作是什么感覺？為了回答這些問題，空間站第18常駐考察組的飛行工程師桑德拉·馬格努斯寫了一系列國際空間站日記。她提到了一件重要的事情：宇航員的一天是由地面上的許多人提前（實際上是幾年）計劃好的。

“我們船上有一個日程安排，里面有我們需要知道的所有細節，來完成一天的工作。它告訴我們什么時候該睡覺，什么時候該起床，什么時候該鍛煉，什么時候吃飯，什么時候以及我們需要什么信息來完成我們的任務。”雖然這聽起來非常嚴格，但馬格努斯指出，這也有一定的靈活性，不是每個任務都必須在時間表規定的確切時間內完成。

微重力是一個具有挑戰性的環境。無論你是在睡覺、換衣服還是工作，除非你把它固定好，否則你周圍的飄一切都會飄浮起來。即使是像早上起床穿衣服這樣看似簡單的事情，也不是那么簡單。想象一下，打開你的衣櫥，里面的東西都飛了出來。馬格努斯說，“當我在早上做準備時，脫下我的睡衣，它們就會飄浮在船員艙里，直到我把它們收集起來，立即用帶子之類的東西把它們固定住。”

長期處于失重狀態會導致我們的身體從骨骼、肌肉組織和體液中流失鈣。這些失重的影響與衰老的影響相似。因此，暴露在微重力下可能會讓我們對衰老過程有新的認識。如果我們能制定出防止在微重力環境下退化的對策，也許我們就能預防衰老。

每個宇航員醒來后都有一段時間來為新的一天做準備。在這段時間，宇航員可以洗澡、吃飯、鍛煉和準備工作。鍛煉是非常重要的，在微重力下，骨骼會失去鈣，肌肉會失去質量。因此，宇航員必須在規定的時間內鍛煉。馬格努斯喜歡早上第一件事就是鍛煉，每天在固定自行車和跑步機之間交替。接下來，有一個上午的會議，他們與機組成員和地面控制人員討論當天每個人的職責。會議結束后，他們開始工作。

宇航員的工作主要是進行實驗或維護。和大多數上班族一樣，他們也會停下來吃午飯，但他們的午休時間略有不同。國際空間站上的食物主要是冷凍的、脫水的或熱穩定的，飲料也是脫水的。宇航員收集食物托盤和餐具，從儲物箱中找到他們各自包裝好的食物，準備好食物（如果必要的話再補水），加熱食物，把它們放在托盤里然后吃。飯后，他們把用過的東西放在一個垃圾壓實機里，清洗并裝上餐具和托盤。

午餐后，計劃好的工作繼續進行，在一天的工作結束后，還會有一個晚上的會議，然后是兩個小時的睡前時間，這段時間，宇航員吃晚飯，完成任何未完成的任務并放松。馬格努斯說，“在這兩小時的時間里有很多選擇，還有像查看電子郵件、聽電話、看新聞、看照片或其他活動。周五是電影之夜，有時周六也是。”

獨特的科學研究環境

來自政府、工業和教育機構的研究人員可以使用國際空間站上的各種設施開展各項研究。國際空間站主要用來進行獨特的微重力環境下的科學研究。引力影響地球上的許多物理過程，例如，重力改變了原子聚集成晶體的方式。在微重力下，可以形成近乎完美的晶體。這種晶體可以產生更好的半導體，用于更快的計算機或更有效的藥物來對抗疾病。

重力的另一個作用是在火焰中形成對流，導致火焰不穩定。這使得燃燒的研究非常困難。然而，在微重力環境下，火焰會變得簡單、穩定、燃燒緩慢。這種環境下的火焰使研究燃燒過程變得容易。由此可以更好地理解燃燒過程，并能研究出更好的燃燒裝置或提高燃燒效率來減少空氣污染。

美國宇航局宇航員進行太空行走。圖片|NASA

長期處于失重狀態，會導致我們的身體從骨骼、肌肉組織和體液中流失鈣。這些失重的影響與衰老的影響相似（肌肉力量下降，骨質疏松）。因此，暴露在微重力下可能會讓我們對衰老過程有新的認識。如果我們能制定出防止在微重力環境下退化的對策，也許我們就能預防衰老。國際空間站長期暴露在微重力環境中，這是其他航天器無法模擬的環境。

國際空間站使我們能夠測試與地球相似的形成生命的生態系統。我們可以在太空中大量種植植物來制造氧氣、吸收二氧化碳和提供食物。這一技術對于長期的星際旅行，如火星或木星之旅，將是非常重要的。

在環繞地球大氣層的軌道上，國際空間站的工作人員配備了特殊的儀器和望遠鏡，可以觀察和測量地球表面（植被數量、溫度、水）和地球大氣層（二氧化碳含量、雷擊、颶風發展）。宇航員還可以用望遠鏡觀察太陽、恒星和星系，而不受地球大氣層的影響。

何時“退役”取決于維護情況

我們常聽說航天器——比如一顆衛星的使用壽命是10年、20年，超過了這個時間，就說它超期服役。國際空間站已經超期服役很久了。其實超期服役對航天來說非常普遍，航天成本非常高，要是試試還能工作，不如讓它發揮一些“余熱”。航天器實在是工作能力到頭了，就停止工作，此時如果不主動把它推離軌道、讓它墜入大氣燒毀，它就會長期停留在軌道上，直到逐漸速度降低脫離軌道燒毀，壽命也就終結了。

航天器離地球近的話，空氣密度較大、阻力也較大，更容易減速，速度小了不能支撐圓周運動，就會在地球引力作用下下降然后燒毀在大氣中。所以航天器設計的壽命也包含這個考慮。

另外，國際空間站這么龐大，太陽光壓也會把它向地球推。

那么，國際空間站是因為軌道高，所以一直沒掉下來嗎？不是的。國際空間站的海拔高度只有400千米，屬于近地軌道，而且它體型龐大，空氣阻力也比較大，如果放著不管，很快就會下降脫離軌道，在與地球大氣的摩擦中燒毀。在太陽活動正常的情況下，空間站的軌道每天下降的高度大約是80米至100米。

一旦遭遇大的太陽活動，有幾種可能的效應使得地球大氣厚度增大，相應的在國際空間站所處的軌道高度處的大氣密度就會增加，使得阻力增加，加快國際空間站下降的速度。例如2005年1月的一次非常強烈的太陽活動，使得國際空間站每天下降的速度增加到160米至180米，在一周之內一共下降了1.2千米。這種情況會加快國際空間站“接近死亡”的速度，我們就需要增加對它的定期維護次數。

事實上，每次給空間站運送物資的飛船都會留點能量，給空間站往更高軌道上推一推，要不然空間站早就下來了。前面提到的2005年1月太陽活動使國際空間站下降變快，還好它在這之前剛剛結束一次8.5千米的提升。2017年11月2日，國際空間站與對接的“進步MS-06”號貨運飛船的推進裝置完成了軌道調整，軌道平均高度增加700米，達到大約404.6千米。有時國際空間站軌道也會調整下降，比如躲避太空垃圾碎片等。

所以，目前來說，國際空間站的“退休”不取決于它的軌道，而取決于人們是否持續維護它、是否設備到了維護的極限。而從設計上來說，國際空間站總體設計采用桁架掛艙式結構，即以桁架為基本結構，其艙室為模塊式，即使發生了重大問題也應該能夠進行更新替換，并且迄今為止國際空間站的各個艙并未發生過大到不可解決的故障。如此來看，國際空間站的維護也是值得信賴的，只要人們還花得起錢。

結果就是，最開始國際空間站設計的壽命是到2015年，在這之前就說要延長到2020年，而2015年美國和俄羅斯的航天部門在“國際空間站的使用壽命由2020年延長至2024年”方面達成了一致并簽署了協議。目前來看，它最少要工作到2024年。

那2024年之后呢？美國的波音公司作為國際空間站的主要承包商，正在進行可行性研究，看空間站是否能夠堅持到2028年。有兩個需要持續關注的維護問題：（1）空間站受太陽光照一側受熱膨脹，背面卻寒冷收縮，還有長期使用的機械應力問題，需要考慮這么多年的材料磨損和撕裂;（2）太陽電池板也在老化，加上空間輻射使太陽能電池的透明玻璃變黑，阻礙了陽光的進入，而且不時會有碎片掉下來，結果就是太陽能電池陣列會從開始的能產生220千瓦的電力下降到產生160千瓦（2028年）。這些都需要維護。不過波音公司對這些非常樂觀，認為國際空間站再加個班到2028年也是可以的。

◎ 來源|綜合微信公眾號“國家空間科學中心” “天文在線” “三體引力波”