国际空间站：航天器中的“巨无霸”

文/ 杜骏豪

▲2009年3月发现号航天飞机拍摄的国际空间站

国际空间站是有史以来人类向太空发射过的最大最重物体，它是当前除地球之外唯一有人类存在的地方，它已超期服役多年却依旧在书写着人类历史，它站在人类科技的巅峰，也立于政治的风口浪尖之上。

缘起：同一个世界，同一个空间站

人类对于空间站的探索有鲜明的发展历程——苏联发射的第一代空间站“礼炮1号”到“礼炮5号”均为单模块且只有一个对接口。美国发射的天空实验室及苏联“礼炮6号”“礼炮7号”为第二代空间站，均为单模块且有两个对接口，具有进一步的扩展能力。随后就是以和平号空间站为代表的第三代空间站，其多模块、积木式结构可以按需求进行对接与扩展。

在规划“和平号”时，苏联也曾计划建造和平2号空间站。同时期，美国的天空实验室再入大气层，航天飞机随后首飞成功，美国宇航局开始构思“自由号”空间站。这两座计划中的空间站体量庞大，均为衍架与积木混合式的第四代空间站，积木式结构与第三代空间站的构建方法大同小异，而衍架则为大型太阳能帆板、散热板等结构提供了更宽阔的面积，为空间站提供更多能源。

随着1991年苏联解体，同时美国在阿波罗登月计划结束后经费紧张，这两个项目均在推进中遇到了困难。1993年，经过数次会谈，国际空间站这一计划终于水落石出——由美国宇航局、俄罗斯联邦航空航天局牵头组建，欧洲空间局、日本宇宙航空研究开发机构和加拿大航天局共同运营，共同打造史上规模最大的国际性轨道空间站。

国际空间站主体结构由苏联的“和平2号”、美国的自由号空间站融合而来，分别衍化为由俄罗斯运营的俄罗斯轨道段（ROS）、由美国及其他国家运营的美国轨道段（USOS）。昔日太空竞赛打得不可开交的两大航天强国决定携手共建如此规模的航天器，美国宇航局局长丹尼尔·戈尔丁对此曾颇有深意地说：“同一个世界，同一个空间站。”

开工建造

国际空间站建造过程繁琐复杂，跨度冗长，大致可以把其组装建造过程分为三个阶段：第一阶段(1994~1998)，经验交会对接；第二阶段(1998~2001)，初期装配；第三阶段(2001～至今)，装配与应用同步推进。

“经验交会对接”就是获得交会对接的经验。美国宇航局为航天飞机设计了巨大的货舱，原本计划与自己的天空实验室对接，以运送新的舱段。然而遗憾的是天空实验室没能坚持到航天飞机首飞便遗憾地再入大气层了。航天飞机如何进行对接等全新技术的测试呢？在国际空间站这一任务启动时，俄罗斯的和平号空间站仍然在轨运行，这为航天飞机的测试创造了条件。1994年到1998年，在地面展开国际空间站舱段研制工作的同时，美国发射航天飞机与俄罗斯的和平号空间站进行了9次交会对接，积累了大量航天飞机交会对接的经验与数据，两国航天员一同开展了一系列科学实验，并着重训练了美国航天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宝贵的经验。

▲ 俄罗斯轨道段（ROS）示意图

▲ 美国轨道段

▲ 1995年和平号空间站与阿特兰蒂斯号航天飞机的对接组合体

1998年11月20日，由美国出资、俄罗斯建造的国际空间站首个舱段——曙光号功能货舱由俄罗斯质子号运载火箭成功发射，标志着国际空间站初期装配工作全面展开。作为空间站的第一个模块，曙光号功能货舱为空间站提供了电力、推进、导航、通信、姿控、温控等多种功能，并且具有3个对接口以供进一步的扩展。

1998年12月4日，美国团结号节点舱由奋进号航天飞机送入轨道，并于3天后与“曙光号”对接。它负责连接俄罗斯轨道段和美国轨道段，是拥有6个对接机构的枢纽，在日后的建造中多个重要舱段均由“团结号”连接。

接近两年后的2000年7月12日，第三个模块星辰号服务舱由俄罗斯质子K运载火箭发射升空。“星辰号”的基本结构框架早在上世纪80年代中期就建成了，原本用作“和平2号”空间站的核心舱。这意味着“星辰号”在布局上与和平号空间站的核心舱高度相似，其“血统”甚至可以追溯到苏联时期的礼炮空间站上。“星辰号”是航天员生活和工作的主要场所之一，生活舱中设有洗澡隔间和睡眠隔间，舱内有带冰箱的厨房及餐桌、厕所，甚至还有一辆供航天员锻炼身体的特制自行车。

此时空间站已经基本满足了航天员的生存需求。2000年11月2日，3名远征-1机组人员乘坐俄罗斯联盟TM- 31载人飞船发射升空，成功与空间站对接，启动了空间站的各项设备，国际空间站真正“活”了起来。

3名航天员在空间站停留了136天，接受了3艘航天飞机的停访和2艘进步号货运飞船的补给。3艘航天飞机分别把一对大型太阳能光伏阵列、命运号实验舱、莱昂纳多号多功能后勤舱运抵国际空间站。此后，加拿大制造的舱外机械臂、航天员进行出舱活动的气闸舱依次运抵国际空间站。这标志着国际空间站初期装配阶段圆满完成，国际空间站已经满足了航天员工作、生活、出舱活动等全部需求，转入科研成果产出与最终装配应用同步推进期。

其后，俄罗斯质子号运载火箭、联盟系列运载火箭，以及美国的3艘航天飞机进行了十余次飞行任务，不断部署新的舱段、衍架与太阳能板等模块，国际空间站的规模日益扩大。遗憾的是在2003年2月1日，建造过程被突如其来的噩耗打断了。执行非国际空间站STS-107任务的哥伦比亚号航天飞机完成任务后，再入大气层时在6万米高空发生惨烈的解体，7名机组人员全员遇难。这次灾难是航天飞机第二次发生机毁人亡的惨烈事故，直接导致所有航天飞机停飞，国际空间站的建造过程受此影响被中断两年半。其间仅通过俄罗斯的联盟系列运载火箭维持航天员轮换与货物补给。直到2005年7月26日，确认万无一失后，发现号航天飞机才被批准发射，继续执行国际空间站建造任务。

之后的十几年内，空间站的建设过程相对顺利，多个舱段、衍架与太阳能板依次部署，逐渐形成了现在人们所熟悉的国际空间站外形。目前国际空间站总质量约420吨，长73米，宽109米，内部航天员可活动的空间足足有915.6立方米，是人类有史以来当之无愧的最大航天器。

年过中旬的国际空间站还有新鲜的血液加入。2020年5月30日，太空探索技术公司的载人龙飞船首次载人发射成功，这是继2011年7月8日STS-135任务结束、航天飞机退役后，美国本土执行的第一次载人航天发射任务。此后太空探索技术公司的龙飞船将逐渐挑起空间站人员与货物运输的大旗。

俄罗斯科学号实验舱原本是曙光号功能货舱的备份，原计划改装完成后在2007年发射，然而一推再推，直到今天还躺在厂房里进行总装测试工作，被誉为航天界数一数二的“鸽王”。据最新消息，它将在2021年7月15日由俄罗斯质子M运载火箭发射升空，但是否还会继续推迟便不得而知了。

▲奋进号航天飞机拍摄的正在与曙光号功能货舱（上）对接的团结号节点舱（下）

太空生活：昨天的咖啡就是今天的咖啡

▲ 部署完成第一对大型太阳能光伏阵列的国际空间站，电能产出值提高了五倍

▲ 在发现号航天飞机有效载荷仓内等待安装的莱昂纳多号多功能后勤舱

太空中的生活是有严格规律性的，乍一看时间表与国内寄宿制中小学的作息时间有很大相似性。国际空间站以世界协调时（UTC+0）为基准，在工作日航天员们通常早上6:00起床，然后对空间站开展例行检查。吃过早餐后与地面控制中心开一个每日计划会议，在8:10左右开始工作。其间穿插着类似“课间操”的锻炼时间。一小时的午餐休息时间后，下午14:00开始进行剩余的工作与运动。19:30是晚餐和会议时间，剩余时间自由安排，直到21:30熄灯睡觉。国际空间站每天要经历16次日出和日落，因此在夜间会将舷窗遮盖起来，给航天员营造黑暗的休息环境。

太空饮食环境与地面有很大不同，失重的环境对食物的状态及进食方式有很多限制。为了降低运输成本，大部分食物都保存在密封的轻质袋子里，饮料也以脱水粉末的方式运送，航天员需要像煮咖啡一样亲自制备各种饮料，然后用吸管喝掉。在太空的调味料以液态的酱料为主，并不会使用粉末状调味料。吃面包产生的碎屑液必须要收拾干净，防止堵塞空气过滤设备。刀叉是带有磁铁的，防止锋利的餐具在空间站里乱飞惹出大麻烦……各种各样繁杂的饮食规定对于普通人来说很难习惯。

▲ 正在与国际空间站对接的载人龙飞船

在太空中解决卫生问题就更加麻烦了。国际空间站上有两个常备厕所，均为俄罗斯设计，分别位于“星辰号”和“宁静号”。方便时航天员首先将自己固定在马桶座圈上，马桶座圈装有弹簧约束装置，以确保良好的密封性。大功率风扇产生的气流可以把废物吸走，固体废物收集在单独的袋子中，液体废物通过马桶前部的软管收集并转移到水回收系统中，并净化为饮用水，航天员常调侃说“昨天的咖啡就是今天的咖啡”。国际空间站里并不能愉悦地洗澡，飞翔的小水珠对空间站各种设备是巨大的威胁。航天员只能用湿毛巾擦拭身体，尽量避免产生水珠。为了节水，国际空间站还为航天员们提供了免冲洗洗发露和可食用牙膏，诚然，它们并没有正常的洗发水与牙膏好用。

▲ STS-116任务的航天员进行太空行走，安装衍架有关设备

在周末及节假日，航天员可以自由安排娱乐活动。他们可以通过看电影、听音乐、看书、打牌等常规娱乐活动来消遣时光。当然在太空中，最与众不同的休闲方式便是望向窗外——那里有最惊艳绝美的景色。国际空间站最佳观景地点是穹顶舱，七面大玻璃组成了绝妙的全景观景窗，在太空中观察地球表面细腻的纹理、流动的云朵和碧蓝的海洋是最令人流连忘返的。适当的娱乐活动为封闭空间站内的生活增色不少，有利于改善航天员的心理状态，并提高他们的工作效率。

▲ （左）正在聚餐的航天员们；（中）为了减缓太空中肌肉萎缩等症状；（右）适当的锻炼是必要的

科研任务：最接近宇宙真谛的实验室

航天员的主要工作就是进行科学研究。国际空间站是极好的科研平台，研究的主要领域包括物理学、材料科学、生命科学、太空医学、天文学和气象学等，研究仪器不但分布在国际空间站各大实验舱内，舱外也有专用的仪器部署，因为舱外提供了地球不具有的高能宇宙辐射环境。

太空中失重的环境可以进行很多地面无法实现的实验。例如受重力影响，蛋白质晶体在地面生长时往往会产生缺陷。而在国际空间站微重力环境下可以培育出结构近乎完美的大尺寸蛋白质结晶，这种蛋白质晶体能够帮助地面科学家进行更精确的表征测定，在药物设计、疾病治疗领域大有用处。

▲ 仍在研制的科学号实验舱

▲ 在失重条件下的水珠因表面张力呈球状

▲ 航天员在穹顶舱可以欣赏地球每一处山川河流

▲ 地面的火苗与国际空间站的火苗对比

▲ 暴露在外的α电磁光谱仪

α电磁光谱仪是国际空间站最广为人知的仪器之一。它重达7吨，能耗和通信带宽巨大，每秒钟产生的数据量有1 GB之多，使它无法部署在常规的卫星平台上，只有国际空间站才“养”得起这样一个大设备。1976年诺贝尔物理学奖获得者，美籍华人丁肇中是α电磁光谱仪的设计者与首席研究者，他在1995年提出该项目并被美国宇航局采纳，来自16个国家56个机构的500多名科学家耗资20亿美元推进了该项目。α电磁光谱仪可以探测反物质的有关线索，从而帮助人类寻找暗物质存在的证据，并探寻宇宙的起源。2013年3月，丁肇中团队发表了初步的研究结果，α电磁光谱仪成功观测到超过40万个正电子，期待它进一步的研究能带给人类关于宇宙起源的关键信息。

对于人体的研究也是国际空间站的研究热点。国际空间站曾经研究过长期的太空失重生活对人体的影响，发现航天员在太空生活几个月后出现了肌肉萎缩、骨质流失和体液移位等情况。这些数据对日后长时间的太空旅行和太空殖民活动的规划有借鉴意义。比如按照现有技术前往火星需要6个月的时间，航天员登陆火星后可能面临更加容易骨折等重大风险。

国际空间站上开展多项科学研究对推动科学技术的发展与应用起到了不可替代的作用。半导体晶体制造、石化工业催化剂甚至胰岛素治疗糖尿病等深入到社会各行各业的革新技术，都有国际空间站的功劳。

国际空间站是有史以来人类建造过最昂贵的单件物品，总成本接近2000亿美元，但它对于人类科技进步的贡献却是无价的。