國際空間站：從哪里來，到哪里去？

文/ 松堂

2000年10月，第一批航天員進駐國際空間站，這也被認為是國際空間站開始運行的標志，至今已經過去整整20周年。關于這個巨大的空間設施，各路媒體從一開始就進行了密集的報道。航天愛好者們對它的參數、艙段如數家珍。所以，本文打算為人們展示國際空間站一些容易被忽視的真相。

國際空間站是怎么來的？

“地球是人類的搖籃，但人不可能永遠生活在搖籃里。”這也許是康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基（1857～1935）最著名的名言。在他1883年出版的《自由空間》一書中，就提出了一些宇宙飛船的草圖，以及幾個在失重狀態下漂浮的乘客。在他夢想的激勵下，蘇聯成為世界上第一個建成空間站的國家，也是第一個運行長期多艙段空間站的國家。

其實，阿波羅計劃之父馮·布勞恩同樣是空間站的狂熱支持者。早在1956年，他就提出了輪狀空間站，這樣的構型可以在空間站上形成人造重力。但是由于美國的國家航天資源大量投向阿波羅計劃，空間站被擱置了，直到1973年才用阿波羅計劃的剩余物資研制了軍用背景的“天空實驗室”。

到了1984年1月25日，美國的航天飛機進入成熟期。考慮到禮炮空間站給蘇聯帶來了巨大政治聲望，時任美國總統里根指示美國宇航局開發一個“永久載人空間站，并在十年內建成”。這個計劃聽起來激動人心，其實細品起來，還是為了發起一個項目，把西方盟國團結在一起，和蘇聯為首的華約集團打擂臺。

為此，美國宇航局制定了一項雄心勃勃的計劃，建立一個由3個獨立軌道平臺組成的空間站，用于進行微重力研究、地球和天體觀測。美國宇航局與歐空局和日本航空宇宙研究開發機構簽署了協議，各方提供各自的艙段。1985年4月，美國宇航局在休斯敦約翰遜航天中心設立了一個空間站項目辦公室。然而，最初的方案太復雜了，造價無法接受。在接下來的幾年里，工程師和管理人員重新設計了這座設施，并將其簡化為一個桁架結構。1988年7月，里根總統宣布軌道設施將被稱為自由號空間站，充分體現了它的冷戰意味。兩個月后，美國、日本、加拿大和歐空局簽署了一項政府間協議，建設自由號空間站。

▲ 國際空間站桁架結構示意圖

為了控制成本，自由號空間站又進行了幾次重新設計。與此同時，蘇聯從1986年開始建設和平號空間站。“和平號”是第一個真正的模塊化空間站，隨著不斷增加艙段，研究和居住能力不斷提高。

隨著1991年蘇聯解體，“和平號”及其計劃中的“和平號-2”面臨著資金斷炊的困境。為了利用俄羅斯在操作空間站和長期載人飛行上的豐富經驗，1993年，美國總統克林頓邀請俄羅斯作為正式合作伙伴加入該計劃，實質上是在自由號空間站的美國、歐洲、日本和加拿大元素中增加計劃用于“和平號-2”的模塊，并改名為國際空間站。為了準備國際空間站的運行，1995年～1998年，7名美國航天員加入俄羅斯航天員的行列，在“和平號”上長期飛行，航天飛機也參加了人員運輸和后勤補給活動。

▲ 聯盟飛船和聯盟火箭是后期國際空間站的主力天地運輸工具

▲ 進步飛船和天鵝座飛船并列在一起

1998年1月29日，來自美國、俄羅斯、日本、加拿大和歐空局參與國（比利時、丹麥、法國、德國、意大利、荷蘭、挪威、西班牙、瑞典、瑞士和英國）的代表在華盛頓特區的美國國務院舉行會議，并簽署了一份關于空間站合作的最新政府間協議。對1988年協定的修改，主要是因為決定將俄羅斯納入伙伴關系。新的政府間協議為國際空間站的設計、開發、運作和利用建立了總體合作框架，并討論了若干法律問題，包括民事和刑事管轄權、知識產權和參與伙伴的業務責任。

在1998年政府間協議簽署10個月后，俄羅斯從哈薩克斯坦的拜科努爾航天發射場發射了國際空間站在軌段的第一個單元“星辰”艙。3周后，美國的第一個艙段“團結”艙通過奮進號航天飛機抵達，國際空間站建造就此開始。

“星辰”艙于2000年7月投入使用，為航天員提供了生活空間。2000年10月31日，第一遠征隊指令長威廉·謝潑德、飛行工程師兼聯盟號指令長尤里·吉先科和飛行工程師謝爾蓋·克里卡列夫乘坐聯盟號飛船從拜科努爾起飛，兩天后與國際空間站對接。這是第一批進入國際空間站的航天員，也開啟了這個宏大空間設施的歷史。

國際空間站的地面設施

國際空間站不僅是天上的那個大家伙，更需要地球上的強大設施來支持。美國、俄羅斯、歐洲、日本、加拿大都為此建立了自己的地面設施。

美國

約翰遜航天中心（JSC）設在著名的休斯敦，是美國宇航局空間站的主控部門。JSC任務控制部負責美國在軌段（USOS）的運行，并與國際合作伙伴控制中心協調，管理整個空間站的活動。JSC是航天器設計、開發和任務集成的主要中心，也是航天員培訓的主要地點。

肯尼迪航天中心主要負責空間站相關的發射任務，包括航天飛機和獵鷹9號火箭。空間站艙段和飛船在發射前，都要送到這里做準備。

馬歇爾太空飛行中心（MSFC）設立了國際空間站的有效載荷操作與集成中心（POIC），控制著空間站上的美國實驗，也負責協調合作伙伴的實驗。MSFC還負責監督大多數環境控制和生命保障系統的開發。

美國還在全國各地的遠程科學支持中心都配備了遙控操作空間站科學設備的功能，包括馬歇爾航天飛行中心、艾姆斯研究中心（ARC）、格倫研究中心（GRC）和休斯頓的約翰遜航天中心。

俄羅斯

俄羅斯航天局負責監督俄羅斯所有的載人航天活動。莫斯科任務控制中心是俄羅斯載人航天活動的主要設施，負責空間站的俄羅斯部分。它位于莫斯科郊外的俄羅斯航天中心機械制造研究所，稱為科羅廖夫俄羅斯航天飛行控制中心。

位于莫斯科附近星城的加加林航天員培訓中心負責運行俄羅斯所有空間站艙段的全尺寸訓練器和模擬器、用于太空行走訓練的水池、模擬升空時超載的離心機以及用于天體導航的天文館。

當然，我們也不能漏掉位于哈薩克斯坦的拜科努爾航天發射中心，空間站的大量艙段和聯盟號、進步號飛船都是從這里升空的。

歐洲

位于荷蘭諾德威克的歐洲空間研究和技術中心是歐空局最大的機構，是歐洲空間活動的試驗中心。它負責歐空局空間項目的技術準備和管理。這里設有哥倫布艙控制中心和自動轉移飛行器控制中心（ATV-CC）。兩個地面控制中心負責控制和操作歐洲對空間站項目的貢獻，也就是哥倫布艙和自動轉移飛行器（ATV）。

位于德國慕尼黑附近奧伯法芬霍芬的德國航空航天中心控制和操作哥倫布艙內的實驗室，并協調其他歐洲國家實驗的運行。ATV-CC位于法國圖盧茲的法國航天局國家空間研究中心內，在ATV的飛行和對接任務階段負責運行操作。法屬圭亞那的庫魯航天中心負責發射哥倫布艙和ATV飛船。

歐洲航天員中心位于德國科隆。它成立于1990年，迄今培養了13名歐洲航天員。

歐空局各成員國都設置了空間站用戶支持和運營中心，負責使用國際空間站上的歐洲有效載荷，開展實驗，包括法國圖盧茲的奧卡德莫斯、意大利那不勒斯的奧馬爾、德國科隆、比利時布魯塞爾、西班牙馬德里、丹麥奧登塞奧達梅克、瑞士蘇黎世、荷蘭諾德維克。

日本

筑波空間中心和種子島發射設施是日本的主要國際空間站設施。筑波空間中心是擁有先進設備、測試設施和航天員培訓能力的綜合運營設施。日本實驗艙英文名為“希望”，是在筑波空間中心開發和測試的。筑波空間中心也負責“希望”艙的控制和跟蹤。種子島發射中心位于鹿兒島縣南部，用于發射H-2A和H-2IB運載火箭。

加拿大

加拿大航天局主要負責提供空間站的移動服務系統（MSS），也就是機械臂和機械手。為此，加拿大航天局在魁北克省圣休伯特市建立了綜合運行設施，包括空間運行支持中心、MSS操作和培訓系統、虛擬操作培訓環境、加拿大MSS培訓設施。

加拿大航天局還在圣休伯特建立了有效載荷遠程科學操作中心，對空間站上的加拿大有效載荷進行實時操作；在魁北克隆圭爾設立有任務控制中心。

國際空間站的未來

雖然國際空間站取得了很大的成績，但它的未來卻處在極大的不確定當中。在當初啟動計劃的時候，美國政府的預算是安排到2020年的，之后的經費從哪里來，是一個“再議”的事情。在這20多年里，圍繞美國航天發生了很多驚險復雜的故事，也讓關于國際空間站的新決策難以出臺。

2014年，奧巴馬政府總算做出決定，確定支持國際空間站的運行到2024年，考慮延長到2028年。但是奧巴馬政府結束任期之后，取而代之的特朗普政府卻打破了人們對美國政治規矩的所有認知。

▲ 日本HTV貨運飛船抵達國際空間站

▲ 國際空間站上的日本實驗艙及附屬設備

▲ 在航天飛機能運行的日子里，空間站上最多可以載7人

不過，特朗普并沒有突破底線，依然保留了前任關于支持國際空間站運行到2024年的承諾。但是之后的運行，特朗普政府完全沒有興趣，他們的新關注點，已經是打算部署在拉格朗日點的地月軌道空間站。

在美國政府看來，地月軌道空間站無論從技術還是合作模式上，都可以看作是國際空間站的完美繼承者。它可以直接沿用國際空間站的國際協議，把空間站名字一改就可以了。而且地月軌道空間站所需要的很多技術，已經在國際空間站上得到了驗證，規模更大、水平更高。而且，美國的新一代載人飛船“獵戶座”研制正在積極推進，將成為全球“唯二”可以實現地月空間往返飛行的載人航天器（另一種是中國正在研制的新型載人飛船）。如此，地月軌道空間站就可以擺脫國際空間站那種依賴俄羅斯飛船的窘境，再振美國雄風。

然而到2024年的時候，國際空間站還沒到報廢年限。特朗普也很難說出“扔掉吧”這句話，畢竟，作為一個狹隘的美國利益維護者，國際空間站花了美國人上千億美元，他舍不得扔。那么，用推進設備把國際空間站推到地月空間再利用是不是可行呢？從動力角度，這未必做不到，但是國際空間站的防輻射系統是根據400公里高地球軌道研制的。在這個軌道之上，還有上千公里的稀薄大氣，雖然無法供人呼吸，但對于宇宙射線的遮擋能力不可忽視。如果直接把國際空間站推到月球附近，艙內輻射強度會高到讓人無法接受的程度，無法保證航天員生存。

美國宇航局為此給出的方案是將空間站商業化，即把這個空間設施交給企業去運行。不得不說這是個挺霸道的決定，畢竟國際空間站是國際合作的結晶，無論如何也要尊重其他國家的意見吧？但美國作為最大出資國，很明顯有超過合作伙伴的發言權。

▲ 公理私營空間站艙段對接在ISS上的想象圖

▲ 充氣式的畢格羅艙

美國宇航局一度選定了公理航天公司和比格羅航天公司來競爭國際空間站商業運營權。在疫情之前，比格羅公司的進度遙遙領先，所發射的充氣式艙段已經連接在國際空間站上實際使用，但是疫情讓比格羅這位旅館大亨深受打擊，他的航天公司只能含恨破產。公理航天似乎還在繼續經營，但也很長時間沒有傳出任何消息了。所以，國際空間站的未來還真是不好預測。

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我們能看見國際空間站嗎？

國際空間站飛行在距離地球400公里的軌道上，而且體積很大。所以，當它過頂的時候，小型天文望遠鏡就能清晰地觀察到這個空間設施。帶有手機接口的望遠鏡還能把它拍下來。國際空間站的運營方面也積極支持國際航天和天文愛好者跟蹤和拍攝國際空間站，還曾有攝影師因為拍到空間站處在太陽光球邊緣而得到了國際航空航天攝影大獎。

但無論觀察還是拍攝，前提都是能找到國際空間站的位置。美國宇航局特意為此開辦了一個網站，網址是：https://spotthestation.nasa.gov/sightings/index.cfm。這個網站的左側是說明文字和空間站星下點軌跡的小圖，右側是一張自由縮放的世界地圖。

在地圖的左上角有一個對話框，可以輸入自己所在的城市，就可以得到未來兩周時間內，國際空間站從這座城市上空經過的日期、時刻、可見時長、最大高度角、出現和小時的方位角。但是美國宇航局更多地服務于美國人，對于中國，只有省會以上的中心城市才能搜索出上面的結果來。除此以外，還有大量民間的愛好者網站以及手機APP也能提供國際空間站跟蹤數據。

網頁上的文字說明內容是：“約翰遜中心每周都會多次更新數據，確定全球6700個地點能夠看到國際空間站的機會。如果所在的城鎮沒有被列出，就從列表上找個附近的城鎮。在每個列出的地點上，國際空間站都有相當長的時間可視。如果打算知道國際空間站及其他數十顆衛星在任何時間、任何地點的可視情況，請使用美國宇航局的SkyWatch應用程序。”

如果決定選擇一個時刻來觀測國際空間站，那么所選擇的高度角應該越大越好。高度角太小，容易被房屋、樹木、山丘之類的地物遮擋。應該選擇清晨太陽即將升起或者黃昏太陽剛剛下山的時候來觀察，因為在這種時候，陽光是沿著觀察者所在位置的地球表面切線方向照射過來的，光線被空間站的太陽電池板和散熱器反射出來，有很大一部分是垂直射向地面，光照條件優越，非常利于觀察。

▲ 國際空間站掠過太陽的連續照片