国际空间站非凡20年

彭永清

2000年10月31日，联盟-U火箭携 “联盟TM-31号”载人飞船从哈萨克斯坦拜科努尔发射场升空，11月2日与国际空间站（Internationnal Space Station，缩写为ISS）对接，这是国际空间站上长期考察组的首次飞行。当时的国际空间站已有3个大型舱段：俄罗斯“星辰号”服务舱、美国“团结号”节点舱和“曙光号”功能货舱（这是国际空间站的第一个组件）。此后至今，国际空间站又已在轨运行了20年。

美国最早提出ISS计划

1998年11月20日，“曙光号”功能货舱在“质子K号”火箭的携带下升入太空，从此拉开了建造国际空间站的序幕。国际空间站由美国、俄罗斯、加拿大、日本、欧洲11国和巴西等16国联合研制。按照计划，建成后的国际空间站重472吨，在轨道运行的平均高度为352千米，展开的面积约为10800平方米，相当于两个足球场大小，内部拥有1300立方米，相当于两架波音747飞机的容积。国际空间站的建造意义重大，人类不仅可以借此不断积累经验，还为将来远征火星甚至更远的宇宙打下基础。

作为多功能太空研究复合设施，国际空间站是世界上最大的太空计划。不过，该计划起初并非纯粹的太空研究计划，而是两个超级大国之间为了捍卫各自尊严而展开的角逐。“二战”结束后，美、苏针对将人类送入太空计划展开了激烈竞争，也使人类太空开发事业急速推进。1950年代，美国太空先驱冯？布朗提出了大型轨道空间站的构想，他设想了一个轮子形状的设施，通过缓慢旋转为数千名居住者提供人工重力。不过，在可预见的未来，这样一个轨道前哨站的构想超出了现有技术。1958年7月29日，美国国家航空航天局（NASA）成立，便开始考虑建造规模更小的空间站。

1961年，时任美国总统约翰·肯尼迪宣布登月为国家目标，在NASA实现这一目标之前，空间站计划一直处于次要地位。1969年，美国总统理查德·尼克松委托太空任务小组（STG）评估“阿波罗计划”后的太空目标，该小组提出在1970年代中期建立一个绕地球轨道运行的空间站，随后又提出了一个更大规模的太空基地项目。不过，这一雄心勃勃的计划却因美国经济现状不景气而被否决。1972年，尼克松总统批准了航天飞机项目。1973—1974年间，实验空间站“天空实验室”（SkyLab）利用剩余的阿波罗硬件进行了实验性飞行。

1980年代后，开发“永久载人空间站”的构想再次被提出，并逐渐发展为“自由号”空间站计划，也就是国际空间站的前身。1984年，美国时任总统里根在国情咨文中提出通过国际合作建立可供人类生活的太空基地计划，这也是美国率先在世界上首次提出建造国际空间站原型的计划。不过，该计划的政治意图非常明显，为的是彰显西方各国的凝聚力和与苏联抗衡。该计划规定，各国每年进入太空的宇航员人数按出资比例分配。1985年，欧洲11国加入；随后，加拿大、日本和巴西也加入，准备与NASA一道共同开发这一宏伟计划。

但是，计划的进展并不顺利。原因是NASA对空间站的估计过于乐观，“自由号”空间站的巨额费用让美国不堪重负。里根批准空间站计划时建设预算为80亿美元，而转年的双龙骨空间站方案就已经膨胀到160亿美元。1987年，NASA提出的缩小为单龙骨空间站的方案得到批准，但到1990年空间站的预算已经猛涨到370亿美元。1991年美国总审计署发布报告，认为“自由号”空间站的研制和30年运行的总费用可能达到1180亿美元。但是，由于欧洲当时出现财政危机，加上1986年“挑战者号”航天飞机爆炸事故，以及空间站在政治上的意义逐渐消失，“自由号”空间站不得不再次缩小规模，于是建造国际空间站的计划也被暂时搁置。不仅美国，欧洲、加拿大和日本的宇航员在太空滞留的时间也无法预知。另一方面，尽管苏联在成功发射的“和平号”空间站实现了载人考察，但1991年底苏联解体导致国内局势动荡和财政困难，使“和平号”空间站得不到有效维护而日渐老化。

在无法以充足财政来维持费用高昂的航天事业的状况下，美国开始拉拢俄罗斯。当时，美国希望将国际空间站计划与俄罗斯“和平2号”空间站进行整合，而俄罗斯也希望借助美国的支持来完成新型“曙光号”空间站的发射。1993年，俄罗斯决定加入美国提出的合作计划。当年年底，美国航天飞机与俄罗斯“和平号”空间站成功对接，两国开始展开紧密合作。1998年1月29日，来自美国、俄罗斯、欧洲各国、日本、加拿大和巴西等16个合作伙伴国家的代表举行会议并签署了有关空间站合作的最新协议，这标志着国际空间站的建设正式启动。不过，由于俄罗斯在国际空间站计划中具有非常强的话语权，除了美国宇航员外，长期考察的任务主要是由俄罗斯宇航员来执行。

1998年11月，国际空间站第一个组件——“曙光号”功能货舱在质子火箭的搭载下，从哈萨克斯坦的拜科努尔航天基地发射升空，经过9分48秒的飞行，“曙光号”货舱进入预定轨道。14分11秒后，货舱左右两端的太阳能电池板正常打开并开始工作。“曙光号”货舱为长13米、直径3～4米的圆筒形状，重约20吨，担任物资储存库的任务，其外部的燃料箱可以使用至国际空间站退役；此外，该货舱还具有控制国际空间站轨道高度和姿态的功能，在国际空间站建设初期，它还为之后进入太空的模块提供电力和燃料，并在与地面保持通联方面发挥重要作用。

1998年12月4日，“团结号”节点舱随美国 “奋进号”航天飞机升空；6日，“团结号”与“曙光号”对接。“团结号”节点舱是国际空间站的第二个组件，由一个圆柱形的外壳和6个能便利地与其他舱室连接的通用接驳装置组成，设有6个舱门，由波音公司马歇尔空间飞行中心里的工厂为NASA制造，耗资约3亿美元。

2000年7月26日，“星辰号”服务舱连接在“曙光号”功能货舱的后端，成为国际空间站的第三个组成部分。7月下旬，“曙光号”上的计算机向“星辰号”上的计算机传递了国际空间站的指令。9月11日，执行STS-106任务的航天飞机上的两名宇航员——美籍华裔宇航员卢杰和俄罗斯宇航员尤里·马连琴科，经过6小时14分的舱外作业，连接了9根 “星辰号”和 “曙光号”之间的电缆。第二天， STS-106的宇航员第一次飘浮进“星辰号”舱内。

“星辰号”服务舱装备了早期的生活区域以及生命维持系统、通讯系统、电子能量分配装置、数据处理系统、飞行控制系统和推进系统；舱上的两个主引擎能用于提升空间站的轨道高度。

2000年11月2日，俄罗斯“联盟TM-31号”载人飞船与国际空间站成功对接，3名宇航员开始执行太空滞留任务。从20世纪最后一年各国宇航员们开始执行长期考察任务至今，国际空间站经过了20年漫长而艰辛的历程，但一直保持着正常运行。

国际空间站建设的准备工作

头顶的起重机将10吨重的模块精准而优雅地移动到预定的位置，然后工作人员开始行动，爬上构造物，用手动或电动工具将各构造物用螺栓固定……这种景象几乎在任何建筑现场都能看到。但是，国际空间站的建设却是在距离地球250英里（约400公里）的上空——没有空气的宇宙空间。在那里，宇航员们要在每隔1小时就会出现的冰冻与灼热的温度交替的恶劣环境下工作——目的就是建造国际空间站这座“摩天大楼”。

从1998年至2011年，在组装重达472吨的国际空间站的十几年间，绕地轨道成了建造场所，人类以前所未有的规模开始远离地球。自载人飞行开始以来，宇航员们进行舱外作业的次数比以往多出2倍以上。他们利用尺蠖一样的机械臂、像人的双手一样的机械臂，以及可在国际空间站周围自由飞行的机器眼，进行舱外组装活动。在国际空间站组装完成之前，共发射了3种火箭46次，将100多个组装配件送入太空。这些配件或被螺丝固定，或被锁扣固定，或通过导线和导管相互连接在一起，使国际空间站成为一个庞大的整体。

组装国际空间站是一项复杂程度难以想象且无法预料事态发展变化的工作。为了应对这一挑战，技术人员和宇航员们从10年前就通过舱外活动的试验，对组装程序进行了细致的练习，如准备工具、试验设备等，积累了丰富的经验。从1998年至2004年，为了进行国际空间站的配件组装、设备安装和研究，NASA共执行了37次航天飞机任务，宇航员们在约160天里合计进行了960小时、1920人次以上的舱外活动，这大大多于1964年美国首位进行太空漫步的宇航员艾德·怀特的舱外活动时间。可见，国际空间站在几年间的组装速度相当快，包括欧洲航天局“哥伦布”实验舱和日本“希望号”实验舱在内的舱段数量也不断增加。

作为准备工作的一环，从1991年开始，NASA在执行航天飞机任务时进行了12次以上的舱外活动，并且通过哈勃太空望远镜的两次任务，为建设国际空间站不可缺少的复杂工作做好了准备。当然，许多有过舱外活动经验的宇航员也在绕地轨道上组装国际空间站的过程中学到了一些新的知识。

在得克萨斯州休斯顿NASA约翰逊航天中心附近的桑尼卡特，有一个1997年建成的中性浮力实验室。该实验室内有一个大型游泳池 （水池长62米，宽31米，深12.34米，可容纳650万加仑的水），以及国际空间站的全尺寸实物模型、有效载荷和巡航车，此前这里还有一个原型的航天飞机有效载荷舱，航天飞机退役后它就被撤出了。宇航员可以在这里模拟将要执行的舱外活动任务。

对国际空间站舱外活动机器的飞行實验，是从“挑战者号”爆炸事故后航天飞机重返太空开始的。1991年4月5日—11日，NASA实施了STS-37航天任务，宇航员杰里·罗斯和杰伊·阿卜托完成了太空行走，主要目的是为大型轨道天文台计划中价值高达5亿美元的第2颗康普顿伽马射线观测卫星打开出现故障的天线，对运送人员和机器设备的手推车进行试验，以及对身着重约170公斤宇航服的宇航员在国际空间站外进行活动时可能增加的重量进行测定等；罗斯在舱外活动时还对新拴绳、舱外活动工具、脚架、喷气式背夹、宇航服以及大宗物品的移动操作等进行了功能方面的强化。

组装国际空间站

为准备正式组装国际空间站，NASA于1996年8月宣布由罗斯和吉姆·纽曼两位宇航员作为最先进行舱外活动的组员，执行STS-88次航天飞行任务。1997年6月，NASA又指定5名以上的宇航员执行国际空间站的舱外组装任务。至此，最初6次舱外组装任务的组员全部到位。提前定下乘组人员名单，可以让被指定的宇航员们有充足的时间来针对组装国际空间站这项复杂而关键的任务进行专门训练。

最初的国际空间站组装任务，需要借助航天飞机与空间站对接后才能实施，但之后宇航员们则通过俄罗斯服务舱借来宇航服进行舱外组装工作。NASA的第9次航天飞机组装任务（STS-104）中，是将“寻求号”气密舱（Quest Joint Airlock）与国际空间站对接后进行的。该气密舱由两个部分组成，一个是从国际空间站到舱外进行组装工作的气密舱，另一部分是器械舱。器械舱可供没有出舱活动的宇航员临时度过一夜，也是为了让在舱外活动的宇航员回到气密舱后能充分释放体内残留的氮，防止患上减压症。

除了服务于空间站建设的新设备、工具和想法以外，舱外活动还需使用功能增强了的宇航服。宇航员专用宇航服，从技术上讲就是被称为“舱外移动装置”的宇航服，最多可用于25次舱外活动。虽然在飞行前后可由技术娴熟的专家对尺寸大小进行调整和完善，但国际空间站的宇航员们遇到尺寸不合身的宇航服时，却无法立即进行调整，而是要回收到地面后再对其进一步完善，使宇航员穿着更舒适。此外，在国际空间站的组装作业中，宇航员进行舱外活动要比通过航天飞机进行舱外活动承受更寒冷的气温，因此为保持适当的温度，以最好的角度摄取阳光，宇航员不能随意改变姿势。

为建造和维护国际空间站，在舱外活动的宇航员们要与太空机器人一起作业。航天飞机的机械臂和国际空间站新装备的机械臂，成了精确移动大型模块和组件的起重机。另外，它还是一个移动升降台，帮助宇航员轻松地由一个工作地点移动至另一个工作地点。航天飞机上加拿大制造的机械臂安装了功能更强大的空间视觉系统，进行舱外活动的宇航员可以通过该系统全景察看国际空间站的情况。在过去的航天飞机飞行任务（STS-74、STS-80、STS-85）试验中，宇航员就是通过膝上型电脑所显示的视频和一连串的标注来操纵机械臂的。

由加拿大开发的被称为“空间站远程操纵系统”的新型机械臂臂长约16.7米，像尺蠖那样可以在国际空间站外部总长约107米的桁架上灵活移动，移动范围几乎覆盖了整个国际空间站。加拿大还开发出特殊用途的机械臂，由两个小型机械臂组成，安装在主机械臂的最前端，可以进行更为复杂的维护作业。此外，国际空间站还安装了可以自由飞行的摄像机——一款用于检查国际空间站外部状况的自律型舱外活动机器人AERCam。

国际空间站用途改变

自2011年建成以来，国际空间站已经服役了整整10年。在此期间，国际空间站进行了超过1760次科学实验和研究，范围涵盖生物学、地球宇宙科学、教育学和物理学等领域，取得了大量珍贵的科学数据，为人类太空开发事业作出了巨大贡献。按照原计划，国际空间站的服役期至2016年，但参与开发的各国均同意延期使用至2024年，也有的国家称可以延期至2030年。不过，美国天体物理学家乔纳森·麦克道尔说，由于美国和俄罗斯舱段已经非常老化，2024年后可能故障频频，无法正常运行，因此延期至2030年不太现实。

考虑到国际空间站服役将满以及运营经费问题，各参与国近年来更多地主张将之转为民间运营为主，进一步推进国际空间站步入商业用途。2019年6月，NASA發表了将国际空间站向民间企业开放的商业利用方针，意将国际空间站的使用权转卖给民间企业。2020年11月15日晚7时27分，55岁的日本宇航员野口聪一与NASA宇航员迈克·霍普金斯、维克多·吉弗尔、夏农·沃克共4人一起乘坐SpaceX公司研发的新型“恢复力号”龙飞船，由猎鹰9号火箭从佛罗里达州的肯尼迪太空中心39-A发射台发射后进入国际空间站轨道，并于16日中午11时成功抵达国际空间站。这标志着由民间企业为主体开发的载人飞船开始正式投入运营，也标志着任何人都可以圆梦太空的“太空旅行时代”即将开启。

英雄暮年，国际空间站行将谢幕，但是，人类探索太空的脚步永远都不会停下！