國外空間實驗室發展研究（三）——主要國家空間實驗室發展模式

★蘇聯/俄羅斯的發展模式★

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觀點

蘇聯於20世紀60年代末開始把發展空間站作為未來航天計劃發展的核心和一項國策。其中一個原因是同美國競賽。另一個原因則是航天技術的應用。蘇聯始終認為，只有空間站才能在軌道上長期停留，從而能保證航天員在太空中長期生活和工作，完成大量人造衛星和載人飛船所不能完成的任務，充分開發和利用空間資源：空間站能長時間進行對地觀測、天文觀測、太空科學研究、微重力實驗材料加工、生物製品生產和大型空間結構組裝。另外，空間站還可以執行軍事偵察、預警、導航和通信等多種任務，這是蘇聯和美國都十分關心的問題。為了更遠期的目標，如太空工廠、太空移民等，建造近地空間站是必要的基礎步驟。

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三步曲式戰略

在具體實施上，蘇聯採取了慎重穩妥和循序漸進的方式，最大限度地利用了成熟技術，結果在空間站領域技高一籌，獲得了成功。因此，其方式很值得我們研究、參考和借鑒。

蘇聯採用三步曲的發展戰略:首先是陸續發射5個空間實驗室，主要用於試驗空間站的有關技術；取得一定經驗後發射單模塊艙段式實用性空間站；在這個基礎上最終建造出多模塊積木式長久性空間站。

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禮炮號系列空間實驗室設計原則

1)簡單性：可以大大縮短研製時間；

2)通用性：儘可能採用已有的且比較成熟的技術，風險較小；

3)漸改性:力求使空間實驗室和空間站具有較大的發展潛力。

禮炮號系列空間實驗室和空間站大量應用了聯盟號飛船的技術和成果。在20世紀60年代後期，聯盟號飛船的設計和飛行為禮炮號系列空間實驗室和空間站奠定的重要基礎有：生命保障系統、軌道機動和姿態保持系統及其動力系統、軌道對接技術及控制技術、太陽能電池電源系統。這些基本設備和系統可以不必作大的改動就可直接用於禮炮號，因此不需要重新發展高難度的技術。此外，為了縮短研製時間，禮炮號採用比較簡單的外形結構，體積也能適應已有運載火箭運載能力一次發射的限制，因此實現比較容易，減少了難度和風險。

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禮炮號系列空間實驗室的主要特徵

禮炮號系列空間實驗室的主要特徵是僅有１個對介面，每次只能對接１艘人貨兩用飛船，因而室內的科研儀器和物品均是在發射前就裝入，很難補給，這就限制了載人航天的時間和空間實驗室的壽命。

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禮炮號系列空間實驗室的主要成果

禮炮號系列空間實驗室證實了太空也和在地面一樣，有必要把住宿、工作場所與交通工具等按各自的特點分別建造，這樣才能解除相互間的束縛，獲得高效率；人在太空的人造環境中駐留較長時間，可用輪換航天員的辦法使空間實驗室和空間站的利用率提高；空間實驗室即使是短暫性的，也比其他航天器有較大進步。

★美國的發展模式★

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觀點

美國空間實驗室的設想早在1958年美國國家航空航天局成立時就已產生。當時佔主導地位的項目是空間實驗室和載人登月。由於政治因素，最終空間實驗室計劃處於次要地位。

1967年，ＮＡＳＡ馬歇爾航天中心獨立提出了一項空間實驗室計劃，把它作為「阿波羅」應用計劃的一部分。為節省資金，馬歇爾中心提出儘可能多地使用「阿波羅」計劃的部件和技術，同時也有利於加快進度。這個計劃後來演變為「天空實驗室」計劃。1972年尼克松總統宣布優先發展可重複使用的太空梭，所以使ＮＡＳＡ只能在將大部分人力和財力投入到太空梭的情況下，發展花錢不多的「天空實驗室」。

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跳躍式戰略

上述觀點使美國採取爭先跳躍的方式來發展空間實驗室和空間站，即注重先進性而缺乏連續性和繼承性，實踐證明這種戰略是失敗的，至今美國只獨立發射過1個空間實驗室。

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研製目的

美國研製「天空實驗室」有兩個目的：一是作為未來空間站計劃的過渡環節，它帶有試驗性質；二是「阿波羅」計劃從科學研究上看，並沒有取得滿意的結果，因此，「天空實驗室」計劃被賦予4項基本任務：太陽觀測；生物醫學研究；地球資源勘測；工程技術試驗。

從這些任務來看，建造「天空實驗室」主要是從科學和技術利益著眼，而不像「阿波羅」計劃那樣帶有很大的政治冒險性。

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設計原則

「天空實驗室」在設計思想上強調儘可能利用已有的硬體和技術，而一反過去投入高額資金。這說明美國在20世紀70年代初航天政策已調整到比較現實，不純粹為政治服務。

在得知蘇聯禮炮-1於1971年升空後，美國趕緊用「阿波羅」載人登月工程的剩餘材料和部件研製了 「天空實驗室」，並於1973年發射入軌。

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主要特徵

「天空實驗室」帶有試驗性質，加之為了簡化設計，所以它沒有安裝軌道機動系統，這一點同蘇聯的空間實驗室截然不同。因此，「天空實驗室」本身不能進行軌道調整，只有當阿波羅號飛船同它對接後，才能利用飛船的發動機改變組合體的軌道。因此「天空實驗室」本身靈活性較差，壽命也較短。

「天空實驗室」各段組合在一起總長為36m，加上飛船總重90.6t，內部有效容積達247m3，包括太陽能電池翼在內最大寬度達27m。其規模比蘇聯的禮炮-6、7空間站及和平號的核心艙都大。

它還有1個特點是裝有氣閘艙，使航天員可以多次出艙進行維修工作，而蘇聯的禮炮號系列空間實驗室都沒有氣閘艙。美國「天空實驗室」的氣閘艙，大大方便了航天員出艙維修，使「天空實驗室」轉危為安。

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主要成果

美國「天空實驗室」取得了預期的4方面成果：鑒定了人在太空失重條件下的生理反應和工作能力；考察了航天員手控操作、維修安裝和進行各種實驗操作的能力和靈活性；進行地球和太陽觀測，了解近地環境，研究銀河系的宇宙天體；進行空間材料加工試驗，如金屬合金、複合材料試驗和晶體生長實驗。

美國科學家認為，其最重要的貢獻是證明了人在空間的重要作用，特別是人具有本來沒有安排的空間維修任務的能力。

★歐洲的發展模式★

歐洲航天局曾根據其「增強歐洲技術、工業能力，掌握所有航天應用技術，到21世紀初與其他空間大國保持同等水平」的戰略目標 ，在發展了由太空梭運載的「空間實驗室」之後，決定建造哥倫布號空間站。

20世紀80年代初，西歐和美國合作相繼研製出機載「空間實驗室」和「太空梭平台衛星」（SPAS），前者是一種載人的空間實驗裝置，後者是無人的。它們均能重複使用，但本身不具備自主性，需要依賴太空梭。

歐洲研製機載「空間實驗室」的目的是為發展獨立的載人航天器做準備。在機載「空間實驗室」研製結束時，西德和義大利於1983年7月聯合向歐洲航天局建議發展哥倫布號空間站，並強調它能廣泛借鑒機載「空間實驗室」和「太空梭平台衛星」的技術和經驗，風險較小。

空間實驗室總體技術特點分析

與空間站相比，儘管空間實驗室一般沒有氣閘艙，對介面少，航天員在軌工作時間短，電功率和有效載荷小，投資少，研製周期短，但還是要攻克長壽命壓力艙、柔性太陽能電池翼、長壽命鎳氫電池和高解析度對地觀測設備等關鍵技術。其中空間實驗室環境控制和生命保障系統的關鍵技術是液/氣分離技術、氧分壓和總壓的控制、轉動機械、CO2凈化和污染控制、廢物處理系統等。

設計長壽命壓力艙可為今後的長壽命空間站打下基礎。如何保證壓力艙的密封材料和密封結構形式在空間能夠長期有效地工作，是一個關係到能否保障航天員生命安全的問題。除了需要研究密封材料和靜、動密封結構形式外，還需要對檢漏技術、檢漏裝置和空間應急堵漏技術進行研究。

太陽能電池翼可採用柔性薄膜作為太陽能電池翼基板。其面密度和收攏後體積比剛性和半剛性電池翼小，但展開機構比剛性和半剛性太陽能電池翼複雜，而且質量也大。「國際空間站」採用的是折迭式柔性太陽能電池翼，以提供大的輸出功率。

這種結構和機構目前可供借鑒的經驗不多，尤其是在地面模擬零重力條件下，柔性太陽能電池翼的展開是一個難問題。

文/張蕊、王霄

編輯/楊璐茜

中國載人航天ID：zairenhangtian

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