科技 新浪科技 即將退役的國際空間站,居然是個縫合怪?

即將退役的國際空間站,居然是個縫合怪?

  來源:中科院地質地球所

  2020年9月18日,俄羅斯衛星網報道國際空間站美國艙外部發現氨氣泄漏;9月30日,俄羅斯國家航天集團公司發言人表示,國際空間站俄羅斯「星辰」艙再次發現漏氣。考慮到原計劃在2020年後結束使命的情況(后又延到2024年),狀況百出的國際空間站是否真的不行了?要想了解這個問題,我們首先得知道國際空間站的前世今生。

  國際空間站( International Space Station ,  ISS)是一個在近地軌道上運行的科研設施,是人類歷史上第九個載人的空間站(人類第一個空間站是禮炮一號,這也是為什麼俄羅斯堅決反對國際空間站最初提議名稱「阿爾法Alpha」),其主要功能是作為在微重力環境下的研究實驗室,目前由 五個國家 或地區合作運轉,包括美國國家航空航天局、俄羅斯聯邦航天局、日本宇宙航空研究開發機構、加拿大航天局和歐洲空間局(英國、愛爾蘭、葡萄牙、奧地利和芬蘭沒有參加國際空間站計劃)。

聯盟11號與禮炮1號對接,但由於泊接機件問題,聯盟10號並沒有成功 圖源:維基百科聯盟11號與禮炮1號對接,但由於泊接機件問題,聯盟10號並沒有成功 圖源:維基百科

  國際空間站前身是美國航天局的自由號空間站(1984年提出),是八十年代美國戰略防禦計劃的一部分。冷戰結束后,美國航天局研發經費急劇縮減,直到1993年其他幾個國家先後加入之後,國際空間站計劃才逐漸完善。

一些最初的空間站設計一些最初的空間站設計

  按照計劃,建造整個國際空間站共需要超過50次太空飛行和組裝,其中的39次飛行需要由太空梭完成,每次約15噸左右,有大約30次飛行和裝配任務需要進步號飛船上的貨物提供支持。整個建造工作完成後,國際空間站將會有1200立方米的內部空間,總重量420噸,總輸出功率達到110千瓦,桁架長度108.4米,艙體長度74米,額定乘員6人。

目前空間站面積大約為一個橄欖球球場 
目前空間站面積大約為一個橄欖球球場 

  1998年11月15日國際空間站的第一個組件曙光號功能貨艙進入預定軌道,同年12月,由美國製造的團結號節點艙升空並與曙光號連接。

曙光號與團結號艙(兩者間需要加壓對接適配艙進行連接,PMA)曙光號與團結號艙(兩者間需要加壓對接適配艙進行連接,PMA)

  2000年7月星辰號服務艙與空間站連接,它提供生命保障系統,是「俄羅斯區」的功能中心。2000年11月2日首批航天員登上國際空間站。

星辰號前端三個介面與曙光號對接,並在後端留下了一個介面星辰號前端三個介面與曙光號對接,並在後端留下了一個介面

  接下來是桁架,Z1桁架和P6桁架及太陽能電池板被安置在了團結號的上方,上面有散熱板和提供電力的電池板,為生命系統和電力系統提供了保障。

桁架的放置意味著宇航員可以長期駐留空間站桁架的放置意味著宇航員可以長期駐留空間站

  2001年2月7日,命運號實驗艙由亞特蘭蒂斯號火箭運載,與團結號緊緊連接,成為了美國重點實驗艙。 

為保證連接順利,PMA-2被移動到命運號的另一端為保證連接順利,PMA-2被移動到命運號的另一端

  2001年3月13日,外部裝載平台1(ESP-1)作為空間站備用零件儲備庫被安裝在命運號外部。同年4月19日,移動維修系統——空間站遙控機械臂(加拿大臂2)被安裝在命運號另一端,它可以在空間站外提供輔助,減少宇航員太空外行走的必要性。

加拿大臂2具有很強的靈活性加拿大臂2具有很強的靈活性

  尋求號氣密艙(聯合氣密艙)於2001年7月12日被發射並安裝在命運號另一側,用於宇航員艙外太空作業。

  俄羅斯碼頭號對接艙正如其名,一方面用於宇航員太空行走的準備艙,另一方面也用於訪問飛船的對接艙。 

碼頭號被安裝在曙光號一端的下方碼頭號被安裝在曙光號一端的下方

  接下來就是空間站桁架架構的綜合搭建,為了配合S0桁架上的移動遠距離維修基礎系統(MBS),加拿大臂2也被移動到這個位置。

MBS能順著桁架左右移動MBS能順著桁架左右移動

  P3、P4和P5桁架及太陽能電池板被安裝在P1桁架上,同時為了保持平衡,S3、S4和S5桁架及太陽能電池板被安裝在S1桁架上,同時載入了兩個外部裝載平台(ESP3和ESP4)。

P6桁架最終也被放到了它原本設計的位置P5一側,並展開太陽能電池板。P6桁架最終也被放到了它原本設計的位置P5一側,並展開太陽能電池板。

  和諧號節點艙,也叫作2號節點艙,被安裝在命運號前端,它具有6個對介面,可以讓空間站支持更多的拓展。

  其中一個介面就連接了歐洲的哥倫布實驗艙。

  為了發揮出最大的功效,加拿大的特殊微動作機械手(Dextre)被放置在了加拿大臂2的末端。

  空間站最大的艙段是日本的希望號實驗艙(Kibo),它自帶機械臂和實驗儲藏艙,連接在和諧號的另一側介面。

  2009年3月15日,桁架的最後一部分,S6及其太陽能電池板順利歸位,空間站桁架達到對稱平衡。

  至此以後,國際空間站的大致架構搭建完成,剩下的只是一些局部修改和調整。2019年7月,日本為了研究真空中暴露實驗項目,在希望號外部載入了外部實驗平台。

  俄羅斯的探索號迷你研究艙(迷你研究艙2)與碼頭號具有異曲同工之妙,它不僅提供了多個對介面,本身也具備實驗功能。

探索號迷你研究艙外表就十分「俄式」探索號迷你研究艙外表就十分「俄式」
快速後勤運輸工具ELC-1-4被安裝在桁架上用於儲存硬體工具快速後勤運輸工具ELC-1-4被安裝在桁架上用於儲存硬體工具

  節點艙3即寧靜號,被安裝在團結號旁邊,其下端載入了一個很小的艙段,叫做穹頂艙,七扇窗戶可以用於觀察太空和地球,在不工作時段,窗戶可以關閉,減小被撞損的風險。

  在2010年5月,俄羅斯發射了另一個迷你研究艙1,即晨曦號,被安裝在曙光號上並留下了介面。

  列奧納多號貨艙和比奇洛(BEAM)充氣太空艙被掛載在寧靜號上,前者用於儲存給養和廢棄物,隨後被帶離太空站,後者用於驗證太空充氣技術是否可行。

  隨後國際太空站沒有出現新的大艙段,但陸陸續續會有因為某些項目而做的局部微調整。

  國際空間站的預算遠遠超過了美國國家航空航天局最初的預計,其建造時間表也比預定的要晚,主要原因是2003年發生哥倫比亞號太空梭失事事件之後,美國國家航空航天局停飛了所有的太空梭。在太空梭停飛的兩年半時間里,空間站的人員和物資運輸完全依賴俄羅斯的聯盟號航天器,空間站上的科學研究活動也儘可能地被壓縮了。

美國國家氣象局雷達探測到的散佈於得克薩斯和路易斯安納的哥倫比亞號殘骸,以紅色、橙色和黃色顯示美國國家氣象局雷達探測到的散佈於得克薩斯和路易斯安納的哥倫比亞號殘骸,以紅色、橙色和黃色顯示

  按照預定計劃,空間站的建設在太空梭重返太空之後將於2006年恢復,但是在2005年7月發現號太空梭的STS-114飛行任務完成後,由於太空梭隔熱材料在升空過程中脫落,美國國家航空航天局再次停飛所有太空梭,這使得國際空間站的建設時間表再次拖延。

  到2010年6月,空間站已經在軌道上環繞地球運轉了66000圈。國際空間站原計劃在2020年後結束使命,後來改為2024年。國際空間站最多可承載六名乘員(長時間),大部分實驗設施也已經投入使用。由於大氣阻力和重新啟動等因素的影響,國際空間站的軌道實際高度常發生漂移。

  2012年3月30日,俄羅斯聯邦航天局局長弗拉基米爾·波波夫金表示,聯邦航天局正在與外國夥伴討論2020年後繼續使用國際空間站的問題,並打算改變國際空間站的運作方式。波波夫金說,聯邦航天局考慮將國際空間站的使用期延長到2028年,國際空間站的作用也將改變,它將成為進行技術試驗和訓練載人登月的平台。

  然而就目前而言,空間站設備老化和技術落後等問題越來越嚴重,多次出現氣體泄露和裝置脫落等問題,空間站使用壽命是否能延長到2028年尚未可知。在國際空間站退役后,屆時中國空間站是否成為了唯一的在役空間站呢?

國際空間站(ISS)處於巴西北部之時觀察到的地球樣貌的照片 圖源:維基百科國際空間站(ISS)處於巴西北部之時觀察到的地球樣貌的照片 圖源:維基百科