國(guó)際空間站的蘇聯(lián)模式為何能成功，我們可以學(xué)到哪些經(jīng)驗(yàn)？
禮炮7號(hào)電影劇照
當(dāng)年美蘇太空爭(zhēng)霸時(shí)，美國(guó)率先登陸月球，蘇聯(lián)選擇了另一條道路，就是建設(shè)太空基地。在國(guó)際空間站建設(shè)上，蘇聯(lián)走在了美國(guó)的前面，“賽先生”此前回顧了這一歷史背景，如今我們?cè)俜治鲆幌聻楹翁K聯(lián)能夠成功，并且在短時(shí)間內(nèi)，將空間站進(jìn)行升級(jí)。 蘇聯(lián)當(dāng)年的經(jīng)驗(yàn)對(duì)于中國(guó)當(dāng)前建設(shè)國(guó)際空間站和載人航空有哪些幫助？
撰文 | 龐之浩（中國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專家）
責(zé)編 | 葉水送
早在1971年，蘇聯(lián)就將全球首個(gè)試驗(yàn)性空間站——禮炮一號(hào)發(fā)射升空。當(dāng)時(shí)的蘇聯(lián)掌握了國(guó)際空間站最為前沿的技術(shù)，短短數(shù)年后，蘇聯(lián)就推出了下一代空間站。
1977年、1982年，蘇聯(lián)入軌的禮炮六號(hào)、七號(hào)為第二代空間站，且由于它們具有實(shí)用性質(zhì)，所以也叫實(shí)用性空間站。其主要特點(diǎn)是均有兩個(gè)對(duì)接口，即可同時(shí)接納兩艘飛船，從而能把載人與運(yùn)貨分開，延長(zhǎng)了空間站壽命和航天員在軌時(shí)間。
禮炮六號(hào)在軌1763.71天，禮炮七號(hào)在軌3215.34天。第二代空間站比第一代空間站運(yùn)行時(shí)間大大增長(zhǎng)。
試驗(yàn)和運(yùn)行表明，第1代空間站采用低軌道，為了克服大氣阻力進(jìn)行軌道調(diào)整，必須消耗更多的推進(jìn)劑。如果其軌道高度保持在250千米，每年消耗推進(jìn)劑為4.75噸；而第二代空間站軌道提高到350千米，推進(jìn)劑消耗只需600千克。
第二代空間站的外形尺寸大體與禮炮四號(hào)相同，但也做了不少改進(jìn)。除增加1個(gè)對(duì)接口外，其他改進(jìn)之處是：
①增加了1個(gè)居住艙——中間艙，中間艙殼體焊接于工作艙后部，通過1個(gè)密封艙與工作艙連接，中間艙的另一端裝有2個(gè)對(duì)接裝置，用于停靠載人或貨運(yùn)飛船；
②更換了新的發(fā)動(dòng)機(jī)及控制系統(tǒng)。為了保證變軌、交會(huì)和對(duì)接的可靠性，站上安裝了一個(gè)先進(jìn)的綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)；
③為了進(jìn)行艙外活動(dòng)，增設(shè)了供航天員出艙用的氣閘艙和航天服，航天員可通過這個(gè)門進(jìn)入開放的太空；
④空間站內(nèi)的生命保障系統(tǒng)和廢物處理及水再生系統(tǒng)也進(jìn)一步做了標(biāo)準(zhǔn)化改造，增加了淋浴設(shè)備等，其中在禮炮七空間站上還增設(shè)了由“進(jìn)步”貨運(yùn)飛船提供飲水用的供水系統(tǒng)；
⑤服務(wù)艙變?yōu)橐粋€(gè)等直徑（4.15米）的圓柱體，同時(shí)在太陽(yáng)能電池陣的布局上也進(jìn)行了大的改變。
禮炮六號(hào)空間站與飛船復(fù)合體。
從外形看，蘇聯(lián)試驗(yàn)性空間站和實(shí)用性空間站很相似，它們的主要區(qū)別是：
①前者在軌壽命通常低于5年，而后者則在5～10年或更長(zhǎng)；
②前者的規(guī)模較小，對(duì)接口也少，沒有擴(kuò)展能力，而后者有2個(gè)對(duì)接口，它們能同時(shí)對(duì)接載人運(yùn)輸器和貨物運(yùn)輸器或?qū)Ｓ脤?shí)驗(yàn)艙；
③前者的航天員一次在軌時(shí)間一般較短，大多為幾十天，而后者的航天員一次在軌時(shí)間大多為上百天；
④前者的燃料和消耗品原則上要一次帶足，而后者則是用貨運(yùn)飛船定期進(jìn)行多次補(bǔ)給；
⑤前者的有效載荷設(shè)備很少更換，而后者可多次更換和增加實(shí)驗(yàn)儀器；
⑥前者的航天員一般不進(jìn)行航天器的維修工作，只進(jìn)行試驗(yàn)、訓(xùn)練等，而后者的航天員要經(jīng)常進(jìn)行維修工作。
禮炮一號(hào)至五號(hào)主要用于技術(shù)試驗(yàn)，禮炮六號(hào)、七號(hào)則進(jìn)行了大量對(duì)地觀測(cè)、空間材料加工、生命科學(xué)、天文和地球物理學(xué)等研究。
后者新增加的專用設(shè)備主要有地球資源照相系統(tǒng)，它能夠多路實(shí)時(shí)傳送資源信息；廣角對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)；全波段大氣數(shù)據(jù)望遠(yuǎn)鏡，可應(yīng)用于氣象觀測(cè)和天文觀測(cè)。此外，還有恒星望遠(yuǎn)鏡、零重力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和生物實(shí)驗(yàn)裝置等。
蘇聯(lián)在空間站的建造方面取得了巨大成功，在空間站領(lǐng)域技高一籌，主要原因是：把發(fā)展空間站作為未來航天計(jì)劃發(fā)展的核心和一項(xiàng)國(guó)策，始終認(rèn)為只有空間站才能充分開發(fā)和利用空間資源；采取了慎重穩(wěn)妥和循序漸進(jìn)的方式，最大限度地利用了成熟技術(shù)，即首先陸續(xù)發(fā)射5座單模塊艙段式試驗(yàn)性空間站，以試驗(yàn)空間站的有關(guān)技術(shù)；取得一定經(jīng)驗(yàn)后發(fā)射單模塊艙段式實(shí)用性空間站；在這個(gè)基礎(chǔ)上最終建造出多模塊積木式長(zhǎng)久性空間站和平號(hào)。
“禮炮”系列空間站的設(shè)計(jì)原則是：簡(jiǎn)單性，以大大縮短研制時(shí)間；通用性：盡可能采用已有的且比較成熟的技術(shù)，風(fēng)險(xiǎn)較?。粷u改性: 力求使試驗(yàn)性空間站和空間站具有較大的發(fā)展?jié)摿?。它們大量?yīng)用了“聯(lián)盟”飛船的技術(shù)和成果，包括生命保障系統(tǒng)、軌道機(jī)動(dòng)和姿態(tài)保持系統(tǒng)及其動(dòng)力系統(tǒng)、軌道對(duì)接技術(shù)及控制技術(shù)、太陽(yáng)電池電源系統(tǒng)。這些基本設(shè)備和系統(tǒng)可以不必作大的改動(dòng)就可直接用于“禮炮”，因此不需要重新發(fā)展高難度的技術(shù)。
此外，為了縮短研制時(shí)間，“禮炮”采用比較簡(jiǎn)單的外形結(jié)構(gòu)，體積也能適應(yīng)已有運(yùn)載火箭運(yùn)載能力一次發(fā)射的限制，所以比較容易實(shí)現(xiàn)，減少了難度和風(fēng)險(xiǎn)。
打造禮炮七號(hào)
“禮炮”系列空間站均采用單模塊艙段式構(gòu)型，它包括居住艙、實(shí)驗(yàn)艙、資源艙、對(duì)接過渡艙和氣閘艙等，由運(yùn)載火箭一次發(fā)射入軌，入軌后太陽(yáng)電池翼等部件自行展開投入工作，工作正常后再由載人飛船把人送往空間站。采用這種構(gòu)型使空間站外形簡(jiǎn)單，硬件少，容易實(shí)現(xiàn)，造價(jià)較低。它除了具有投入工作迅速的優(yōu)點(diǎn)外，還不需要在軌道上對(duì)接組合或裝配大型系統(tǒng)的復(fù)雜過程，風(fēng)險(xiǎn)和難度都較小，安全性較高。
但其缺點(diǎn)也很明顯，即規(guī)模小，不易擴(kuò)展，從而限制了有效載荷的規(guī)模。由于所有儀器設(shè)備只能布置在艙段內(nèi)，因此很難合理地布置站上的分系統(tǒng)和有效載荷，不同性質(zhì)的載荷不能做到相互獨(dú)立，不可避免地造成一些不利的影響。而且由于各種載荷的安裝十分緊湊，也使得出現(xiàn)重大故障時(shí)系統(tǒng)難以修理或更換。
另外，“禮炮”系列空間站只能利用在蘇聯(lián)國(guó)土內(nèi)的7個(gè)測(cè)控站和12艘測(cè)量船進(jìn)行測(cè)控和通信，每繞地球一圈，只能與地面通信15～20分鐘，因此它們的管理和使用具有較大的局限性。
禮炮七號(hào)空間站與聯(lián)盟T5飛船軌道復(fù)合體
按照設(shè)計(jì)，“禮炮”系列空間站有些系統(tǒng)的邏輯功能如供電系統(tǒng)工作方式的切換，需要由地面指令或航天員操縱來控制。在不載人運(yùn)行期間，一旦與地面失去聯(lián)系，空間站的供電系統(tǒng)便會(huì)以無法預(yù)料的方式工作，禮炮七號(hào)就曾出現(xiàn)過這類問題。當(dāng)時(shí)空間站上所有的系統(tǒng)均供電不足，站內(nèi)溫度降到零度以下，氣體組分控制系統(tǒng)停止工作，水和食品都已結(jié)冰，情況十分危急，后經(jīng)過在軌維修才恢復(fù)正常。
這次修理是一次壯舉，反映了蘇聯(lián)在空間站對(duì)接、手動(dòng)交會(huì)等方面已具有很高的能力，同時(shí)也說明蘇聯(lián)在空間救援上邁出了一大步。禮炮七號(hào)的這次事故還說明它在設(shè)計(jì)上存在較大漏洞，需要得到解決。
在太空運(yùn)行的禮炮七號(hào)空間站
第三代空間站——“和平號(hào)”多模塊積木式空間站正是在這種背景下問世的。由于運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，所以也叫長(zhǎng)久性空間站。多模塊積木式空間站是艙段式空間站的合理發(fā)展，其每個(gè)艙段都有獨(dú)立的電源及控制系統(tǒng)，因而比較靈活，具有功能強(qiáng)、使用范圍廣等特點(diǎn)，部分解決了單模塊艙段式空間站存在的問題。
因此，蘇聯(lián)從1986年開始建造多模塊積木式空間站“和平號(hào)”。它的最主要特點(diǎn)是，雖然其核心艙仍采用艙段式構(gòu)型，但有6個(gè)對(duì)接口，除用于對(duì)接飛船外，還對(duì)接了5個(gè)實(shí)驗(yàn)艙。
由16個(gè)國(guó)家共同研制、俄羅斯主要參與的“國(guó)際空間站”是第四代空間站，采用了更先進(jìn)的桁架掛艙式構(gòu)型，2011年建成，目前仍在太空運(yùn)行。
實(shí)踐證明，蘇聯(lián)的循序漸進(jìn)方式較好；要針對(duì)實(shí)用性空間站的要求來設(shè)計(jì)試驗(yàn)性空間站，但不能要求太高；對(duì)接技術(shù)、對(duì)接口數(shù)量和貨運(yùn)飛船是關(guān)鍵；航天員的居住時(shí)間需逐漸增加；適當(dāng)提高空間站軌道高度可減少補(bǔ)給。
從1971年4月至1977年8月，蘇聯(lián)發(fā)射和運(yùn)行了5座試驗(yàn)性空間站，即禮炮一號(hào)至五號(hào)，建立了以試驗(yàn)性空間站為主體，用“聯(lián)盟”飛船作為運(yùn)人兼運(yùn)貨的運(yùn)輸工具的體系，目的是為后來的實(shí)用性空間站取得經(jīng)驗(yàn)，并試驗(yàn)載人飛船作為往返運(yùn)輸系統(tǒng)的能力。
1976年6月～1986年5月，蘇聯(lián)發(fā)射和運(yùn)行了2座實(shí)用性空間站，即禮炮六號(hào)、七號(hào)，建成了以實(shí)用性空間站為主體，載人飛船和無人貨船為運(yùn)輸系統(tǒng)的載人系統(tǒng)航天體系，大大提高了工作效率和工作壽命，創(chuàng)造了航天員在軌連續(xù)工作237天的記錄。
加加林航天員培訓(xùn)中心的和平號(hào)模擬器廳
從1986年2月～2001年，蘇聯(lián)/俄羅斯發(fā)射和運(yùn)行了世界上首座可以在軌擴(kuò)展的長(zhǎng)久性載人空間站——“和平號(hào)”。它不僅在軌壽命長(zhǎng)（5505天），航天員駐站時(shí)間長(zhǎng)（累計(jì)4951天），駐站率高，而且實(shí)現(xiàn)了分批發(fā)射部件，然后在軌組裝成大型載人航天器的全新建造方式，還掌握了利用航天員出艙維修和貨運(yùn)飛船補(bǔ)充物資等延長(zhǎng)航天器壽命的技術(shù)。
從蘇聯(lián)空間站的發(fā)展過程可以看出，先發(fā)展試驗(yàn)性空間站是必要的。因?yàn)?，?dāng)時(shí)世界上沒有空間站運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，需要發(fā)展試驗(yàn)性空間站來探索和掌握實(shí)用性空間站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。在蘇聯(lián)的5座試驗(yàn)性空間站中，除禮炮二號(hào)因入軌后失控造成解體外，其余4座都獲得了成功。
蘇聯(lián)的5座試驗(yàn)性空間站運(yùn)行壽命都不長(zhǎng)，這主要是它們都僅有1個(gè)對(duì)接口，每次只能對(duì)接1艘人貨兩用飛船，因而站內(nèi)的科研儀器和物品均是在發(fā)射前就裝入，很難補(bǔ)給，這就限制了載人航天的時(shí)間和空間站的壽命，站上有人的時(shí)間僅占空間站在軌運(yùn)行時(shí)間的7.47%（禮炮三號(hào)）～16.26%（禮炮五號(hào)），而站內(nèi)無人時(shí)是不工作的，因而利用率低。這也表明，對(duì)試驗(yàn)性空間站不能要求太高，主要用于突破和掌握航天員中短期駐留等空間站關(guān)鍵技術(shù)，開展一定的空間應(yīng)用。
初期的和平號(hào)核心艙（飛船?？科渖希?/span>
質(zhì)量、構(gòu)型與禮炮一號(hào)至五號(hào)很相似的禮炮六號(hào)、七號(hào)僅增加了1個(gè)對(duì)接口和使用了貨運(yùn)飛船，就大大延長(zhǎng)了空間站的運(yùn)行壽命和航天員的工作時(shí)間，擴(kuò)展了用途。這一經(jīng)驗(yàn)極為重要。試驗(yàn)性空間站主要用于技術(shù)試驗(yàn)，實(shí)用性空間站則進(jìn)行了大量對(duì)地觀測(cè)、空間材料加工、生命科學(xué)、天文和地球物理學(xué)等研究。
在蘇聯(lián)試驗(yàn)性空間站運(yùn)行期間，蘇聯(lián)共發(fā)射了11艘飛船準(zhǔn)備與“禮炮”系列試驗(yàn)性空間站對(duì)接，而發(fā)生重大故障的飛船達(dá)5艘，故障率高達(dá)45.5%。因此，應(yīng)對(duì)交會(huì)對(duì)接技術(shù)的復(fù)雜性和難度引起足夠的重視。
禮炮一號(hào)只接待過1批共3名航天員，他們居住了24天。到禮炮四號(hào)，則接待過2批共4名航天員，他們共居住了90天。從禮炮六號(hào)開始，航天員在空間站上的居住時(shí)間進(jìn)一步增加，最長(zhǎng)達(dá)上百天。而且，航天員們開始互相交換乘坐的飛船。
例如，聯(lián)盟二十六號(hào)的航天員，返回時(shí)乘坐聯(lián)盟二十七號(hào)。交換飛船是為了延長(zhǎng)聯(lián)盟二十六號(hào)航天員在禮炮六號(hào)上的生活時(shí)間，同時(shí)使聯(lián)盟二十七號(hào)有足夠的卸貨時(shí)間。以上數(shù)據(jù)說明，航天員在試驗(yàn)性空間站上的駐留時(shí)間是逐漸延長(zhǎng)的，這與航天技術(shù)的不斷發(fā)展和任務(wù)的日益擴(kuò)大密切相關(guān)。
和平號(hào)空間站全貌
“禮炮”系列試驗(yàn)性空間站的軌道高度在200～300千米之間。根據(jù)軌道動(dòng)力學(xué)理論推算，它們?cè)诖髿庾枇ψ饔孟?，軌道高度每天下?千米左右，為了維持軌道高度，每天需要花費(fèi)15千克燃料，2個(gè)月需要900千克。后來的禮炮六號(hào)、七號(hào)分別進(jìn)入了349千米和475千米高的軌道，使用壽命大大延長(zhǎng)。研究表明：若將軌道高度提高到500千米左右，則每天只需消耗0.35千克的燃料，就可以維持軌道高度。所以，空間站的軌道高度不宜太低。
航天員在空間站上每人每天需要氧氣0.8千克，食物（干）0.7千克，水8.5千克（其中3千克為飲用水），共計(jì)10千克。如果空間站上的洗滌水重復(fù)回收使用，那么每人每天只需5千克。
在和平號(hào)空間站核心艙睡位上航天員拉上睡袋拉鏈準(zhǔn)備睡眠
通過分析和推算可知，“禮炮”系列空間站上的補(bǔ)給量大部分用于軌道維持。此外，“禮炮”上的洗滌水也沒有很好回收復(fù)用，從而加重了后勤補(bǔ)給任務(wù)。如果空間站采用提升軌道高度和廢水復(fù)用技術(shù)以后，且3名航天員在空間站內(nèi)長(zhǎng)期生活，后勤補(bǔ)給飛船只需每隔3個(gè)月發(fā)射1次，每次運(yùn)輸2噸左右的補(bǔ)給物資即能滿足需要。
第三代空間站“和平號(hào)”也存在一些不足：總體構(gòu)型設(shè)計(jì)有問題，電力供應(yīng)嚴(yán)重短缺，天地往返運(yùn)輸能力低，站上儀器設(shè)備的可靠性差，這些直接影響了空間站的正常運(yùn)轉(zhuǎn)、有效使用和航天員的生活。
