国际空间站

空间站，通俗叫太空站，是一种可供人类长期居住的航天器，作为一种微重力和太空环境中从事科研的实验室，在这儿进行生物学、人体生命学、物理、天文、气象等科学研究实验，这是地面上无法复制、无法替代的特殊科研环境。

16个国家或地区组织参与

国际空间站的前身，是NASA自由号空间站計划。最早源自里根总统的星球大战计划，后来随着老布什总统叫停该计划，同时也搁置了自由号，克林顿执政时期在副总统戈尔直接推动下，美国宇航局与俄罗斯联邦航天局共同创建一个国际共用的空间站项目——这就是国际空间站的最初计划。

关于国际空间站的命名，最初美国提议取名阿尔法（Alpha）空间站，但遭到俄罗斯反对，理由是此名暗示了这是人类史上第一个空间站，而苏联和俄罗斯先后成功运行过8个空间站。所以，最终取了个最平实的名称——国际空间站（International Space Station，简称ISS）。它是一个由6个国际主要太空机构联合推进的国际合作计划，分别是美国国家航空航天局、俄罗斯联邦航天局、欧洲航天局、日本宇宙航空研究开发机构、加拿大国家航天局和巴西航天局。参与该计划的共有16个国家或地区组织，其中欧洲航天局的成员国中参与的国家有：比利时、丹麦、法国、德国、意大利、挪威、荷兰、西班牙、瑞典、瑞士和英国。因此，它是名副其实的国际合作大项目，集结了当时全世界最先进的航天科研力量，但没有包括中国。

ISS长108.5米，宽72.8米，高20米，总面积相当于一个美式橄榄球场那么大。它的大小约是当年俄罗斯和平号空间站的4倍，是当年美国天空实验室的5倍。总质量420吨，比320辆家庭轿车加起来还要重。内部空间有1200立方米，大约相当于一幢美式六居室的房子。

由美国宇航局带头协调国际空间站的建设，国际空间站作为一个轨道实验室，用于生命、物理、地球和材料科学的实验。1998年空间站才开始组装，当时俄罗斯质子火箭将第一个模块——功能性的货舱（Zarya）送入轨道。2000年10月31日，国际空间站的首批3名宇航员从俄罗斯发射升空。宇航员们在国际空间站上待了将近5个月，启动系统并进行实验。从那时起，许多航天器已经将国际空间站的部分部件送入轨道，组装工作也陆续完成。

国际空间站大约有38个模块，至少需要44次航天飞行才能将组件送入轨道。组装和维护国际空间站需要160次太空行走，总计1920个工时。国际空间站在2011年完工，寿命为10年。

国际空间站无疑是人类历史上最昂贵的单体科研项目。根据公布的数据，截至2010年，累计投入高达1551亿美元，其中美国1311亿美元，俄罗斯120亿美元，欧空局50亿美元，日本50亿美元，加拿大20亿美元。从1998年开建一直到现在，NASA平均每年花在ISS的费用就达35亿美元，宇航员平均每人每天花费750万美元。

ISS运行轨道距离地表大约400公里，飞行速度7.67公里/秒，轨道周期是92分钟多一点，每天围绕地球飞行近16圈。目前ISS轨道衰减是每月2公里，因此每隔一段时间，就要点燃火箭助推器，维持空间站的高度，为此每年需要消耗4吨火箭燃料。

如何维持一个宜居的环境

在太空中维持一个永久的生存环境需要一些必需的东西：新鲜的空气、水、食物、舒适（和适宜居住）的气候——甚至是垃圾的清除和防火。首先是空气。我们需要氧气，国际空间站有几个提供氧气的系统。一个系统是通过宇宙飞船从地球运送氧气，这些氧气储存在外部容器中。国际空间站也有一个利用循环水制造氧气的发电机。利用电力，它把水电解成氢和氧，氢气进入太空，氧气进入国际空间站。最后，国际空间站有一个固体燃料氧气发生器，通过燃烧原料将氧气释放到国际空间站的空气中。空气循环系统使空间站舱内的空气循环，循环的空气通过各种过滤器去除颗粒和微生物，整个空间站都在不断监测和调节空气成分。

在地球上，植物吸收我们呼出的二氧化碳，而国际空间站是利用各种能吸收二氧化碳并与其他化学物质发生反应的“洗涤器”，用化学方法将空气中的二氧化碳去除。除了二氧化碳，我们还呼出水蒸气。在国际空间站上，这些多余的水蒸气凝结成液体并被回收，但这并不是唯一的水源。

和氧气一样，水也可以被送到国际空间站。事实上，我们有各种各样的方法向空间站运送补给。俄罗斯有进步号补给船，欧洲航天局有自动运载工具，日本有口碑2号或HTV2火箭。

水是航天飞机用来发电的燃料电池的副产品，甚至可以从宇航员的尿液中回收，尿液经过过滤和处理后可以制成饮用水、洗手用水和淋浴用水。水被储存在空间站的袋子和容器里，食物也由宇宙飞船运送到国际空间站。国际空间站有一个厨房，里面有食物准备区、食物加热器和一张供宇航员吃饭的桌子。

国际空间站上的电子设备产生的热量足以使空间站变暖。而实际要解决的问题是消除多余的热量，所以要有各种各样的方法来均匀地分配热量。温度控制系统采用电加热器、保温管和液氨管（热分配器）来控制内部温度。空间站外部的散热器有助于消除外层空间的热量。

像在地球上生活一样，国际空间站必须保持干净。这在太空中尤其重要，因为飘浮的灰尘和碎片可能构成危险。对于一般的大扫除，宇航员使用各种湿巾、洗涤剂和湿/干真空吸尘器来清洁表面、过滤器和他们自己。垃圾被收集在袋子里，装在补给船上，然后返回地球进行处理。厕所里的固体废物经过压缩、干燥和袋装处理后，也会以类似的方式处理。

火是太空中最危险的事物之一。宇航员杰里·朗格尔在和平号空间站停留期间，发生了火灾，所幸和平号空间站的工作人员扑灭了大火。国际空间站有一个火灾探测/灭火子系统，包括烟雾探测器、警报、灭火器和便携式呼吸设备。

宇航员如何生活与工作

在太空生活和工作是什么感觉？为了回答这些问题，空间站第18常驻考察组的飞行工程师桑德拉·马格努斯写了一系列国际空间站日记。她提到了一件重要的事情：宇航员的一天是由地面上的许多人提前（实际上是几年）计划好的。

“我们船上有一个日程安排，里面有我们需要知道的所有细节，来完成一天的工作。它告訴我们什么时候该睡觉，什么时候该起床，什么时候该锻炼，什么时候吃饭，什么时候以及我们需要什么信息来完成我们的任务。”虽然这听起来非常严格，但马格努斯指出，这也有一定的灵活性，不是每个任务都必须在时间表规定的确切时间内完成。

微重力是一个具有挑战性的环境。无论你是在睡觉、换衣服还是工作，除非你把它固定好，否则你周围的飘一切都会飘浮起来。即使是像早上起床穿衣服这样看似简单的事情，也不是那么简单。想象一下，打开你的衣橱，里面的东西都飞了出来。马格努斯说，“当我在早上做准备时，脱下我的睡衣，它们就会飘浮在船员舱里，直到我把它们收集起来，立即用带子之类的东西把它们固定住。”

长期处于失重状态会导致我们的身体从骨骼、肌肉组织和体液中流失钙。这些失重的影响与衰老的影响相似。因此，暴露在微重力下可能会让我们对衰老过程有新的认识。如果我们能制定出防止在微重力环境下退化的对策，也许我们就能预防衰老。

每个宇航员醒来后都有一段时间来为新的一天做准备。在这段时间，宇航员可以洗澡、吃饭、锻炼和准备工作。锻炼是非常重要的，在微重力下，骨骼会失去钙，肌肉会失去质量。因此，宇航员必须在规定的时间内锻炼。马格努斯喜欢早上第一件事就是锻炼，每天在固定自行车和跑步机之间交替。接下来，有一个上午的会议，他们与机组成员和地面控制人员讨论当天每个人的职责。会议结束后，他们开始工作。

宇航员的工作主要是进行实验或维护。和大多数上班族一样，他们也会停下来吃午饭，但他们的午休时间略有不同。国际空间站上的食物主要是冷冻的、脱水的或热稳定的，饮料也是脱水的。宇航员收集食物托盘和餐具，从储物箱中找到他们各自包装好的食物，准备好食物（如果必要的话再补水），加热食物，把它们放在托盘里然后吃。饭后，他们把用过的东西放在一个垃圾压实机里，清洗并装上餐具和托盘。

午餐后，计划好的工作继续进行，在一天的工作结束后，还会有一个晚上的会议，然后是两个小时的睡前时间，这段时间，宇航员吃晚饭，完成任何未完成的任务并放松。马格努斯说，“在这两小时的时间里有很多选择，还有像查看电子邮件、听电话、看新闻、看照片或其他活动。周五是电影之夜，有时周六也是。”

独特的科学研究环境

来自政府、工业和教育机构的研究人员可以使用国际空间站上的各种设施开展各项研究。国际空间站主要用来进行独特的微重力环境下的科学研究。引力影响地球上的许多物理过程，例如，重力改变了原子聚集成晶体的方式。在微重力下，可以形成近乎完美的晶体。这种晶体可以产生更好的半导体，用于更快的计算机或更有效的药物来对抗疾病。

重力的另一个作用是在火焰中形成对流，导致火焰不稳定。这使得燃烧的研究非常困难。然而，在微重力环境下，火焰会变得简单、稳定、燃烧缓慢。这种环境下的火焰使研究燃烧过程变得容易。由此可以更好地理解燃烧过程，并能研究出更好的燃烧装置或提高燃烧效率来减少空气污染。

美国宇航局宇航员进行太空行走。图片|NASA

长期处于失重状态，会导致我们的身体从骨骼、肌肉组织和体液中流失钙。这些失重的影响与衰老的影响相似（肌肉力量下降，骨质疏松）。因此，暴露在微重力下可能会让我们对衰老过程有新的认识。如果我们能制定出防止在微重力环境下退化的对策，也许我们就能预防衰老。国际空间站长期暴露在微重力环境中，这是其他航天器无法模拟的环境。

国际空间站使我们能够测试与地球相似的形成生命的生态系统。我们可以在太空中大量种植植物来制造氧气、吸收二氧化碳和提供食物。这一技术对于长期的星际旅行，如火星或木星之旅，将是非常重要的。

在环绕地球大气层的轨道上，国际空间站的工作人员配备了特殊的仪器和望远镜，可以观察和测量地球表面（植被数量、温度、水）和地球大气层（二氧化碳含量、雷击、飓风发展）。宇航员还可以用望远镜观察太阳、恒星和星系，而不受地球大气层的影响。

何时“退役”取决于维护情况

我们常听说航天器——比如一颗卫星的使用寿命是10年、20年，超过了这个时间，就说它超期服役。国际空间站已经超期服役很久了。其实超期服役对航天来说非常普遍，航天成本非常高，要是试试还能工作，不如让它发挥一些“余热”。航天器实在是工作能力到头了，就停止工作，此时如果不主动把它推离轨道、让它坠入大气烧毁，它就会长期停留在轨道上，直到逐渐速度降低脱离轨道烧毁，寿命也就终结了。

航天器离地球近的话，空气密度较大、阻力也较大，更容易减速，速度小了不能支撑圆周运动，就会在地球引力作用下下降然后烧毁在大气中。所以航天器设计的寿命也包含这个考虑。

另外，国际空间站这么庞大，太阳光压也会把它向地球推。

那么，国际空间站是因为轨道高，所以一直没掉下来吗？不是的。国际空间站的海拔高度只有400千米，属于近地轨道，而且它体型庞大，空气阻力也比较大，如果放着不管，很快就会下降脱离轨道，在与地球大气的摩擦中烧毁。在太阳活动正常的情况下，空间站的轨道每天下降的高度大约是80米至100米。

一旦遭遇大的太阳活动，有几种可能的效应使得地球大气厚度增大，相应的在国际空间站所处的轨道高度处的大气密度就会增加，使得阻力增加，加快国际空间站下降的速度。例如2005年1月的一次非常强烈的太阳活动，使得国际空间站每天下降的速度增加到160米至180米，在一周之内一共下降了1.2千米。这种情况会加快国际空间站“接近死亡”的速度，我们就需要增加对它的定期维护次数。

事实上，每次给空间站运送物资的飞船都会留点能量，给空间站往更高轨道上推一推，要不然空间站早就下来了。前面提到的2005年1月太阳活动使国际空间站下降变快，还好它在这之前刚刚结束一次8.5千米的提升。2017年11月2日，国际空间站与对接的“进步MS-06”号货运飞船的推进装置完成了轨道调整，轨道平均高度增加700米，达到大约404.6千米。有时国际空间站轨道也会调整下降，比如躲避太空垃圾碎片等。

所以，目前来说，国际空间站的“退休”不取决于它的轨道，而取决于人们是否持续维护它、是否设备到了维护的极限。而从设计上来说，国际空间站总体设计采用桁架挂舱式结构，即以桁架为基本结构，其舱室为模块式，即使发生了重大问题也应该能够进行更新替换，并且迄今为止国际空间站的各个舱并未发生过大到不可解决的故障。如此来看，国际空间站的维护也是值得信赖的，只要人们还花得起钱。

结果就是，最开始国际空间站设计的寿命是到2015年，在这之前就说要延长到2020年，而2015年美国和俄罗斯的航天部门在“国际空间站的使用寿命由2020年延长至2024年”方面达成了一致并签署了协议。目前来看，它最少要工作到2024年。

那2024年之后呢？美国的波音公司作为国际空间站的主要承包商，正在进行可行性研究，看空间站是否能够坚持到2028年。有两个需要持续关注的维护问题：（1）空间站受太阳光照一侧受热膨胀，背面却寒冷收缩，还有长期使用的机械应力问题，需要考虑这么多年的材料磨损和撕裂;（2）太阳电池板也在老化，加上空间辐射使太阳能电池的透明玻璃变黑，阻碍了阳光的进入，而且不时会有碎片掉下来，结果就是太阳能电池阵列会从开始的能产生220千瓦的电力下降到产生160千瓦（2028年）。这些都需要维护。不过波音公司对这些非常乐观，认为国际空间站再加个班到2028年也是可以的。

◎ 來源|综合微信公众号“国家空间科学中心” “天文在线” “三体引力波”