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高新科技的开发
1.3.6 太空的新居所——空间站

太空的新居所——空间站

人类并不满足于在太空作短暂的旅游,为了开发太空,需要建立长期生活和工作的基地。于是,随着航天技术的进步,在太空建立新居所的条件成熟了。

空间站简介

空间站是一种在近地轨道长时间运行,可供多名航天员在其中生活工作和巡访的载人航天器。小型的空间站可一次发射完成,较大型的可分批发射组件,并在太空中组装成为整体。在空间站中要有人能够生活的一切设施,不再返回地球。其总质量约423吨、长108米、宽(含翼展)88米,运行轨道高度为397千米,载人舱内大气压与地表面相同,可载6人,建成后总质量将达438吨,长108米。国际空间站结构复杂,规模大,由航天员居住舱、实验舱、服务舱、对接过渡舱、桁架、太阳电池等部分组成,试用期一般为5~10年。

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国际空间站的组成

结构与组成

其结构特点是体积比较大,在轨道飞行时间较长,有多种功能,能开展的太空科研项目也多而广。空间站的基本组成是以一个载人生活舱为主体,再加上有不同用途的舱段,如工作实验舱、科学仪器舱等。空间站外部必须装有太阳能电池板和对接舱口,以保证站内电能供应和实现与其他航天器的对接。

空间站的特点

空间站的特点之一是经济性。例如,空间站在太空接纳航天员进行实验,可以使载人飞船成为只运送航天员的工具,从而简化了其内部的结构和减轻其在太空飞行时所需要的物质。这样既能降低其工程设计难度,又可减少航天费用。另外,空间站在运行时可载人,也可不载人,只要航天员启动并调试后它可照常进行工作,定时检查,到时就能取得成果。这样能缩短航天员在太空的时间,减少许多消费,当空间站发生故障时可以在太空中维修、换件,延长航天器的寿命。增加使用期也能减少航天费用。因为空间站能长期(数个月或数年)的飞行,故保证了太空科研工作的连续性和深入性,这对研究的逐步深化和提高科研质量有重要作用。

空间站的发射历史

到目前为止,全世界已发射了9个空间站。其中苏联共发射8座,美国发射1座。按时间顺序,苏联是首先发射载人空间站的国家。其“礼炮”1号空间站在1971年4月发射,后在太空与“联盟”号飞船对接成功,有3名航天员进站内生活工作近24天,完成了大量的科学实验项目,但这3名航天员乘“联盟”11号飞船返回地球过程中,由于座舱漏气减压,不幸全部遇难。“礼炮”2号发射到太空后由于自行解体而失败。苏联发射的“礼炮”3、4、5号小型空间站均获成功,航天员进站内工作,完成多项科学实验。其“礼炮”6、7号空间站相对大些,也有人称它们为第二代空间站。它们各有两个对接口,可同时与两艘飞船对接,航天员在站上先后创造过210天和237天长期生活记录,还创造了首位女航天员出舱作业的纪录。苏联于1986年2月20日发射入轨的“和平”号空间站,2000年底俄罗斯宇航局因“和平”号部件老化(设计寿命10年)且缺乏维修经费,决定将其坠毁。“和平”号最终于2001年3月23日坠入地球大气层。美国在1973年5月14日发射成功一座叫天空实验室的空间站,它在435千米高的近圆空间轨道上运行,宇航员用58种科学仪器进行了270多项生物医学,空间物理,天文观测,资源勘探和工艺技术等试验,拍摄了大量的太阳活动照片和地球表面照片,研究了人在空间活动的各种现象。直到1979年7月12日在南印度洋上空坠入大气层烧毁。

我国将于2010年~2011年底发射“天宫”1号目标飞行器,“天宫”1号的重量有8吨,类似于一个小型空间实验站,在发射“天宫”1号之后的两年中,我国将相继发射“神舟”8、9、10号飞船,分别与“天宫”1号实现对接。并有望于2014年用“长征”5号火箭把中国空间站送上太空,中国最终将建设一个基本型空间站。

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“礼炮”7号空间站模型

我国首个空间站大致包括一个核心舱、一架货运飞船、一架载人飞船和两个用于实验等功能的其他舱,总重量在100吨以下。其中的核心舱需长期有人驻守,能与各种实验舱、载人飞船和货运飞船对接。具备20吨以上运载能力的火箭才有资格发射核心舱。为此,我国将在海南文昌新建第四个航天发射场,可发射大吨位空间站。

苏联“礼炮”号空间站

1971年4月19日,苏联发射了第一座空间站“礼炮”1号,从此载人太空飞行进入一个新的阶段。“礼炮”1号空间站由轨道舱,服务舱和对接舱组成,呈不规则的圆柱形,总长约12.5米,最大直径4米,总重约18.5吨。它在约200多千米高的轨道上运行,站上装有各种试验设备,照相摄影设备和科学实验设备。与“联盟”号载人飞船对接组成居住舱,容积100立方米,可住6名宇航员。“礼炮”1号空间站在太空运行6个月,相继与“联盟”10号,“联盟”11号两艘飞船对接组成轨道联合体,每艘飞船各载3名宇航员,共在空间站上停留26天。“礼炮”1号完成使命后于同年10月11日在太平洋上空坠毁。

苏联一共发射了7座“礼炮”号空间站,前5座只有一个对接口,即只能与一艘飞船对接飞行。因站上携带的食品,氧气,燃料等储备有限,在太空寿命都不很长。经过改进的“礼炮”6号和7号空间站,增加了一个对接口,除接待“联盟”号载人飞船外,还可与“进步”号货运飞船对接,用以补给宇航员生活所需的各种用品。1977年9月29日发射上天的“礼炮”6号空间站,在太空飞行近5年,共接待18艘“联盟”号和“联盟”T号载人飞船。有16批33名宇航员到站上工作,累计载人飞行176天。其中1980年宇航员波波夫和柳明创造了在空间站飞行185天的纪录。1982年4月19日“礼炮”7号空间站进入轨道飞行,接待了“联盟”T号飞船的11批28名宇航员,其中包括第一位进行太空行走的女宇航员萨维茨卡娅。特别是1984年3名宇航员基齐姆,索洛维约夫和阿季科夫在空间站创造了237天的飞行纪录。“礼炮”7号空间站载人飞行累计达800多天,直到1986年8月才停止载人飞行。

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苏联和“平号”空间站

苏联“和平”号空间站

苏联于1986年2月20日发射入轨的“和平”号空间站。“和平”号是一阶梯形圆柱体,全长13.13米,最大直径4.2米,重21吨,预计寿命10年。它由工作舱,过渡舱,非密封舱三个部分组成,共有6个对接口。和平号作为一个基本舱,可与载人飞船,货运飞船,4个工艺专用舱组成一个大型轨道联合体,从而扩大了它的科学实验范围。4个专业舱都有生命保障系统和动力装置,可独立完成在太空机动飞行。其中一个是工艺生产实验舱,一个是天体物理实验舱,一个是生物学科研究舱,一个是医药试制舱。这几个实验舱可根据任务需要更换设备,成为另一种新的实验舱。自“和平”号空间站上天以来,至1993年底,已经接待了一艘“联盟”T号和17艘“联盟”TM号载人飞船,并先后与“进步”号,“进步”M号货运飞船和“量子”号,“晶体”号专用工艺舱对接组成轨道联合体。宇航员们进行了天体物理、生物医学、材料工艺试验和地球资源勘测等科学考察活动。最大的轨道联合体总长达350米,总重70吨,俨然像一座太空列车,绕地球轨道不停地飞驰。1987年12月29日,宇航员罗曼年科返回地面时,已经在“和平”号上生活了326个昼夜。1988年12月21日从“和平”号上归来的两名宇航员季托夫和马纳罗夫,创造了在太空飞行整整一年的新纪录。

“和平”号由多个模块在轨道上组装而成:核心舱,“量子”1号天文物理舱、“量子”2号气闸舱、“晶体”号实验舱、“光谱”号遥感舱、“自然”号地球观测舱。美国为其提供了一个专门用于与航天飞机对接用的对接舱。美国航天飞机共拜访空间站11次,和闰号首个模块于1986年2月19日发射升空其后至1996年的十年时间之间,其他多个模块相继升空。

2000年底俄罗斯宇航局因“和平”号部件老化(设计寿命10年)且缺乏维修经费,决定将其坠毁。“和平”号最终于2001年3月23日坠入地球大气层,碎片落入南太平海域中,“和平”号的研究任务今后由国际太空站所取代。

美国天空实验室

美国在1973年5月14日发射成功一座叫天空实验室的空间站,它在435千米高的近圆空间轨道上运行,先后接待3批9名宇航员到站上工作。这9名宇航员在站上分别居留28天,59天和84天。天空实验室全长36米,最大直径6.7米,总重77.5吨,由轨道舱,过渡舱和对接舱组成,可提供360立方米的工作场所。1973年5月25日,7月28日和11月16日,先后由“阿波罗”号飞船把宇航员送上空间站工作。在载人飞行期间,宇航员用58种科学仪器进行了270多项生物医学、空间物理、天文观测、资源勘探和工艺技术等试验,拍摄了大量的太阳活动照片和地球表面照片,研究了人在空间活动的各种现象。1974年2月第三批宇航员离开太空返回地面后,天空实验室便被封闭停用,直到1979年7月12日在南印度洋上空坠入大气层烧毁。它在太空运行2249天,航程达14亿多千米。

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美国的天空实验室空间站

“联盟”号载人飞船

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俄“联盟”号载人飞船发射升空

苏联的空间站上天以来,一直与“联盟”号系列载人飞船和“进步”号系列货运飞船一起,共同组成轨道联合体执行载人航天飞行任务。

“联盟”号系列载人飞船已更换三代,作为空间站的载人工具。从“联盟”10号开始,到1993年底共有30艘“联盟”号,14艘“联盟”T号,17艘“联盟”TM号飞船载人到空间站上开展太空科学考察活动。第一代“联盟”号,主要用于试验载人飞船与空间站的交会、对接和机动飞行,为载人到空间站活动打下了坚实基础;第二代“联盟”T号,改进了座舱设施,提高了生命保障系统的可靠性和生活环境的舒适性;第三代“联盟”TM号,又改进了会合、对接、通信、紧急救援和降落伞系统,增加了有效载荷。经过改进的“联盟”TM号飞船总重7吨,长约7米,翼展10.6米,载3名宇航员和250千克货物最大改进是对接系统,可以在任何姿态下与和“平号”空间站对接,无需空间站做机动飞行和调整姿态。

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“进步”号货运飞船升空

“进步”号货运飞船

“进步”号系列货运飞船执行向空间站定期补给食品、货物、燃料和仪器设备等任务。到1993年底,已发展两代,共发射“进步”号42艘,进步M号20艘。它与空间站对接完成装卸任务后即自行进入大气层烧毁。这种飞船由仪器舱、燃料舱和货舱组成,货舱容积6.6立方米,可运送1.3吨货物,燃料舱带1吨燃料。它可自行飞行4天,与空间站对接飞行可达2个月。