第二章 航天器

哥伦比亚号航天飞机

美国研制的第一架航天飞机哥伦比亚号于1981年4月12日第一此进入绕地球的轨道。航天飞机的中心部分是一个带翼的轨道飞行器，它垂直发射，但在入地球大气层后，像飞机那样下滑着陆。起飞时，用两台巨大的固体推进剂的集束式助推器和3台**推进剂的主发动机作动力。轨道飞行器设计可供100次飞行，集束式助推器可以回收并重复使用无数次，轨道飞行器有一巨大货舱，卫星及其他材料放在舱内送进太空或从太空带回。哥伦比亚号是从佛罗里达州肯尼迪航天中心起飞，这个项目已推迟了几年时间，并比20世纪70年代设想的费用多花几十亿美元。

国际空间站

由美、俄、日、加等16国合作建设的国际空间站始建于1998年，是世界航天领域最大规模的科技合作项目，也是航天史上第一个由各国合作建设的载人空间站。它结构复杂，站体庞大，预计投资总额将超过630亿美元。

国际空间站计划最早于20世纪80年代初期由美国提出，欧洲航天局、加拿大和日本后来相继加入。1993年11月1日，美国航天局与世界上惟一拥有长期航天飞行经验和向轨道运送大型物品经验的俄罗斯航天局签署协议，决定在“和平”号空间站的基础上建造一座国际空间站。1998年1月29日，15个国家的代表在美国华盛顿签署了关于建设国际空间站的一系列协定和3个双边谅解备忘录，计划用9年时间建成国际空间站，到2006年全部建设完毕。

国际空间站的总体设计采用桁架挂舱式结构，即以桁架为基本结构，增压舱和其他各种服务设施挂靠在桁架上。该结构能够加强空间站的刚度，并有利于各分系统和科学实验设备、仪器工作性能的正常发挥以及宇航员出舱装配与维修等。

国际空间站包括6个实验舱、1个居住舱、3个节点舱以及平衡系统、供电系统、服务系统和运输系统，总重量约为500吨。实验舱包括：美国1个、欧洲航天局1个、日本1个、俄罗斯3个(提供科研机柜)；在美日欧的实验舱中，共有33个国际空间站有效载荷标准机架，其中美国实验舱内有13个，日本舱内有10个，欧洲航天局舱内有10个。居住舱容积为1200立方米，有一个大气压，它包括有洗手间、卧室、厨房和医务设备。

国际空问站的指挥和控制由美俄双方分担，美国主要以航天飞机为运载工具建设空问站，俄罗斯则主要用飞船向空间站运送人员和物资。

建成后的国际空间站将是一个“太空城”，它将成为人类在太空中长期逗留的一个平台，可容纳7名宇航员同时在上面长期居住，最多时可容纳15人在上面从事考察活动，目前的国际空间站可以供3名宇航员长期工作。

国际空间站主要由两大结构呈十字状“搭”在一起而形成。其中，纵向的主干主要是一些像积木一样拼接在一起的舱体，总长度约为80米。而由总共9根“横梁”连接而成的长长桁架，将以90度角“架”在纵向主干上，这一横向桁架的翼展将达到108米。虽然总体的骨架是一个大十字，但国际空间站真正的形态远非这么简单。在纵向的各舱体上，还会在不同方向衍生出其他一些结构；而横向的桁架两端，最终也将挂起巨大的太阳能电池板、散热器等装置；另外，携带着机械臂的小车，将来也可以在横贯桁架的轨道上来回滑动。与俄罗斯“和平”号等仅仅由舱体连接而成的传统空间站相比，国际空间站的一个显著特色是增加了横向的桁架。这种“纵横交错”的结构方式，灵活性更强、工作效率更高，但安装施工的复杂性和难度也更大。

服务系统包括俄罗斯的功能货舱、加拿大移动服务系统和俄罗斯服务舱。加拿大移动服务系统的遥控机臂能运125吨货物，可沿主桁架移动，以进行空间站硬件的装配、维修和更换。俄罗斯服务舱拥有生命保障系统、推力器和居住功能(含洗手间和卫生设施)，重20吨。

运输系统包括联盟号载人飞船和进步号运货飞船等，其中后者每年为空间站运送4次推进剂。空间站的指令和控制由美俄双方分担，美国约翰逊航天中心主要负责空间站和航天飞机，俄罗斯的加里宁格勒航天中心主要负责载人飞船和运货飞船飞向空间站，以及飞船飞离空间站，它也是空间站运行的后备控制中心。

国际空间站利用地面无法提供的空间零重力状态的有利条件，可以使科学家们长期进行一系列科学试验。国际空问站的建设，意味着一个共同探索和开发宇宙空间时代的到来。它将成为新型能源、运输技术、自动化技术和下一代传感器’技术的测试基地，它的建设推动了流体力学、燃烧、生命支持系统、反辐射危害等研究的发展，对未来的太空探索产生重要影响。

目前，国际空间站的建设却陷于困境。从2001年起，美国大幅度削减了航天预算，美国航天局也宣布削减国际空间站计划，放弃两个舱体的建设。2003年的“哥伦比亚”号灾难又导致美国航天飞机被迫暂停飞行，这使空间站建设工作大受影响。而俄罗斯由于航天经费紧缺，能否完成本国建设任务也令人担忧。国际空间站能否按时完成建设，建设完毕后又能否保证7名宇航员在上面长期工作，目前尚不得而知。

国际空间站计划的实施分3个阶段进行。第一阶段是从1994．年开始的准备阶段，现已完成。这期间，美俄主要进行了一系列联合载人航天活动。美国航天飞机与俄罗斯“和平”号轨道站8次对接与共同飞行，两国宇航员一起开展了一系列科学实验和多次太空行走，特别是训练了美国宇航员在空间站上生活和工作的能力，为即将展开的国际空间站的组装工作积累了经验。

第二阶段从1998年11月开始，为空间站初期装配阶段，也是建设国际空间站的关键阶段。11月20日俄罗斯使用“质子-K”火箭把空间站主舱——功能货物舱送人了轨道。该舱重约20吨，13米长，内部容积约72立方米，是空间站的基础舱，可连接空间站的各实验室和宇航员的生活舱。它装有导航、通信、姿态控制、温度控制、气候环境调节等多种设备，可在空间站建设初期提供电源和推进动力。主舱在太空“落户”后，美国的连接舱、实验舱及俄罗斯的服务舱、“联盟”号飞船等将陆续发射升空。连接舱用于存储货物和提供电力，实验舱则可以进行各种微重力环境实验，包括材料加工与合成、生命科学、生物医学实验及流体实验等。它还担负着一些军事实验任务，因此该舱只允许美国宇航员使用。实验舱的发射和对接的完成，将标志着第二阶段的结束，那时空间站已初具规模，可供3名宇航员长期居住。

第三阶段则是要把美国的居住舱、欧洲航天局和日本制造的实验舱和加拿大的移动服务系统等送上太空。当这些舱室与空间站对接后，则标志着国际空间站装配最终完成，这时站上的宇航员可增至7人。

目前国际空间站由下列部分组成：俄罗斯“进步-M45”、“联盟-TM23”、“进步-M—CO1”飞船，俄罗斯的“晨星”号服务舱、“曙光”号工作舱，美国的“团结”号连接舱和“女神”号实验舱。整个空间站重量达140吨。

工作舱

1．“曙光”工作舱

“曙光”工作舱是国际空间站的第一个组件，由俄罗斯赫鲁尼切夫空间中心和美国波音公司共同研制而成。根据1995年8月签订的合同，赫鲁尼切夫中心负责货运舱的设计、生产和试验。赫鲁尼切夫中心于1996年11月27日，即比预定发射时间提前一年完成“曙光”号工作舱的组装工作。但由于国际空间站的其他一些部件没有完工，“曙光”号被两度推迟发射。

“曙光”号重量为24．2吨(其中包括4．5吨燃料)，长13米，内部容积约72立方米(可用面积为40平方米)。它可以在不补充燃料的情况下连续飞行430昼夜。

“曙光”号一个与和平号空间站类似的大型舱体，用作空间站的基础，能提供电源、推进、导航、通信、姿控、温控、充压的小气候环境等多种功能。它由和平号空间站上的晶体舱演变而来，设计寿命13年，电源最大功率为6千瓦，装有可接4个航天器的对接件。

1998年11月20日，俄罗斯“质子-K”号火箭把“曙光”号送入预定轨道。

“团结”号节点舱

“团结”号节点舱是美国为国际空间站建造的第一个组件，也是国际空间站的第二个组件。

“团结”号节点舱耗资3亿美元，直径5米、长6米，设有6个舱门。它的作用是充当对接口，连接未来升空的其他舱。

1998年12月4日，“团结”号随美国“奋进”号航天飞机升空。12月6日，“团结”号与“曙光”号对接。

2.“星辰”号服务舱

“星辰”号服务舱由俄罗斯承建，是国际空间站的核心舱。“星辰”号长13米，宽30米，重19吨，造价为3．2亿美元。

服务舱由过度舱、生活舱和工作舱等3个密封舱和一个用来放置燃料桶、发动机和通信天线的非密封舱组成。生活舱中设有供宇航员洗澡和睡眠的单独“房间”，舱内有带冰箱的厨房、餐桌、供宇航员锻炼身体的运动器械。舱体上设计的14个舷窗，可供宇航员眺望浩瀚的星空。

“星辰”号配有定位和电视联系系统，可保障服务舱与俄罗斯科罗廖夫地面飞行控制中心和美国休斯敦地面飞行控制中心的直接联系。

“星辰”号共有4个对接口，可用于接待载人飞船或货运飞船。

2000年7月12日，“星辰”号由“质子-K”火箭送人太空；26日，“星辰”号服务舱与国际空间站联合体对接。

3.“命运”号实验舱

2001年2月7日，“命运”号实验舱随美国“阿特兰蒂斯”号航天飞机升空。“命运”号实验舱价值14亿美元，是国际空间站中最昂贵的组件。它由美国波音公司制造，形似圆筒，长9．3米、直径4．3米，重13．6吨，上有41．5万个零件。它不仅是未来空间站成员在接近零重力的状态下执行科学研究任务的基地，也将作为国际空间站的指挥和控制中心，是国际空间站6个实验室中最重要的实验舱之一。

4.“莱奥纳尔多”号多功能后勤舱

“莱奥纳尔多”号多功能后勤舱由意大利研制，价值1．6亿美元。它是一个由金属铝制成，长21英尺(约为6．4米)、直径为15英尺(约4．6米)的圆筒，分为16个货箱，能携带9．1吨货物。后勤舱可重复使用，其功能是为国际空间站运送必需的物资，再将空间站上的废弃物带回地面。

由加拿大研制的长约17米的巨型机械臂——“加拿大第二臂”，由美国“奋进”号航天飞机于2001年4月19日携带升空，22日被安装到国际空间站上。

5．空气阻隔舱

空气阻隔舱又称压力舱，由金属铝制造，重约6吨，造价1．64亿美元。空气阻隔舱共有两个舱室，一个供宇航员执行太空行走任务之前更换宇航服，另一个为宇航员减压和漂浮到太空的接口。舱内有4个气罐，各重540千克，用于给空气阻隔舱加压。

2001年7月15日，空气阻隔舱由美国“阿特兰蒂斯”号航天飞机和国际空间站上的宇航员联合安装到空间站。空气阻隔舱是国际空间站与太空间的通道，是航天器有压空问与太空真空环境间的缓冲地带，它的安装使空间站内的宇航员不必再等航天飞机的到来就可以进行太空行走。

6.加拿大第二臂

“加拿大第二臂”又被称为“大臂”，由高强度的金属铝、不锈钢和环氧石墨制成，长19米，重量为1．63吨。

这只长约17米的巨型机械臂的设计概念是1984年美国前总统里根提议建设“自由”空间站时产生的，其最初研制目的是，在航天飞机不能自行与空间站对接时依靠机械臂将航天飞机拉到空间站旁。与多次随航天飞机升空执行任务的小机械臂相比，它不仅比多次随航天飞机升空执行任务的“小臂”更长，也更长、更结实、更灵活。

7.“码头”多功能对接舱

“码头”多功能对接舱由俄罗斯“能源”火箭航天公司研制，重约4吨，体积为13立方米。对接舱一端与“星辰”号服务舱连接，另一端的对接装置能与“进步”系列货运飞船和“联盟”系列载人飞船对接。对接舱的一侧还有一个隔舱，当宇航员穿上宇航服，调节好隔舱中的气压后，就可以打开隔舱门进行太空行走。多功能舱对接舱有助于增加国际空间站与地面问的货物、人员运输。

“码头”多功能对接舱于2001年9月17日安装到国际空间站。

弗雷德

据俄罗斯科学院医学一生物学问题研究所的专家介绍，弗雷德是由俄罗斯航空航天局和美国航天局共同研制成功的。从外表上看，弗雷德好似一樽没有手臂和腿的人体雕像。它身长90厘米，体重43千克，其体表覆盖着人造皮肤，体内装有由特制塑料制成的骨骼、脑、甲状腺、心脏、肠和其他器官，它们的密度和韧度均与真正的人体组织器官完全相同。

在弗雷德体内的各器官中共安装着数百个宇宙辐射传感器。这些装置可以测量、记录弗雷德所受到的不同波长的宇宙射线辐射和高能粒子的作用。当弗雷德与考察组一同返回地面后，专家们将根据传感器中的记录来研究宇航员曾受到了哪些宇宙辐射，辐射剂量有多少，这些辐射剂量在人体内是如何分布的。

科学实验显示，宇宙射线和高能粒子能够对生物的生长和遗传特性产生影响。到目前为止，进入过太空的宇航员还都没有被发现因宇宙辐射而患有疾病。但是，考虑到载人航天的未来发展还面临着很多未知领域，为了防患于未然，专家们希望借助弗雷德来提前发现和解决问题。