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如何设计一个空间站?

(来源:网站编辑 2020-09-23 14:09)
文章正文

国际空间站是古代工程的奇观,但设计这个奇观的历程却差没有久是一场噩梦。

良多年来,地球轨道上的 “前哨站”来了又去,但迄今为止没有时 “据守岗位”的只有国际空间站。其余空间站的义务光阴都相关于短暂,从多少个月到多少年没有等,而国际空间站已经继承运行了 20 年,上面没有时有人类在施行义务,试图揭开宇宙的神秘。在使命实现之前,国际空间站还有许多工作要做。私人公司跟一些国家也开始树破本人的轨道前哨站,意味着国际空间站可以是最后一个毫无疑义的 “空间站”(The Space Station)。它担得起这一名称,也值得受到这样的尊敬。国际空间站是一个工程奇观,一个太空时代的圣母院,更是人类智慧的胜利;但另一方面,设计国际空间站也是一件非常苦楚的事件。

即使是在最好的条件下,树破一个空间站也是一项艰难的义务。但是,当这项义务触及三届美国总统、15 个国家、数百名美国国会议员、数千名工程师跟超过 1500 亿美元的公共基金时,一切艰苦俨然就到了没有可理喻的地步。罗马没有是一天建成的,的确如此,但罗马很可以比国际空间站更等闲建成。当然,这看您怎么算,美国国家航空航天局(NASA)花了 30 年才建成这样一个空间站,但即便如此,与该机构最初的想象相比,它仍然相得益彰。

巴兹 · 奥尔德林跟尼尔 · 阿姆斯特朗在月球上扬起的灰尘尚未落定,NASA 就已经开始推敲人类在太空中的永久具备了。NASA 想要树破一个容纳 100 人的前哨站,称为 “太空基地”(Space Base)。这将是一个向月球基地发送宇航员跟物资的跳板。毫无疑问,这是一个雄心勃勃的名目,也是一个极端昂贵的名目。没过多久,NASA 就认识到,用一次性火箭把物体发射到轨道上的成本远远超过了建筑空间站自身的成本。他们需要可反复应用的货色,比喻航天飞机。

英国太空建造师、《国际空间站:地球之外的建造》(International space station: Architecture Beyond Earth)一书的作者大卫 · 尼克松(David Nixon)说:“建筑任何空间站的最大挑衅都是将硬件送入太空。直到航天飞机的涌现,像沉积木一样搭建起整个空间站才成为可以。”

在航天飞机发射之前,世界上最早的轨道前哨站——俄罗斯的礼炮计划(Salyut programme,1971 年至 1986 年)跟美国的天空实验室(Skylab,1973 年至 1979 年)——都是用火箭一次性发射的。天空实验室于 1973 年由土星 5 号运载火箭发射升空,这枚火箭曾将阿波罗义务宇航员送上月球。火箭的第三级被替换成一个小型圆柱形实验室,兼作工作区跟生活空间,最多可同时容纳三名宇航员。它还包括一些更小的模块,如太阳观测台。这并没有离奇,但太空实验室对 NASA 存在首要的意义,使该机构知晓了如何在太空中继承数周保持人类的生存。

天空实验室是美国的第一个空间站,在 1973 至 1974 年间,曾有三批宇航员到空间站内进行实验,生存光阴计较约 6 个月。上一次前往该空间站的义务是在 1974 年,到 1979 年时,天空实验室的轨道已经衰减至无奈回收的位置,它在那年夏天重新进入大气层时烧毁。没有过,天空实验室的这个小故障并不搅扰 NASA。两年后,航天飞机已经筹备就绪,NASA 的工程师们已经在推敲下一步如何让人类永久驻留在轨道上。毕竟,开发航天飞机最大的目的正在于此。1982 年终,NASA 成破了一个空间站义务小组来研究这个问题,多少个月后,NASA 向 8 家顶级航天承包商发放了资金,每家都得到了 100 万美元,请求是提出可行的空间站设计方案。

这些承包商在 1983 年终向 NASA 报告了他们的设计。只管每个空间站的概念都无独有偶,但它们也都由一些奇特的设计元素组合而成,以知足 NASA 的请求。首先,每个空间站的设计一次最多能容纳 12 名宇航员,相比 NASA 的阿波罗时代太空基地想象,这可谓是大规模的缩减。大多数提交的设计还想象空间站作为一个 “太空船坞”或 “太空港湾”,将有能力修葺在轨道上的航天器跟卫星。

但最值得注意的是,这些公司提交的每一种空间站设计都是模块化的。换句话说,它们将一块一块地组装而成,从一个小内核生长为一个宏大的轨道复合体。这是一个既实用又必要的特点。航天飞机一次只能将空间站相关于较小的部分送入轨道,意味着没有论选择哪一种空间站设计,都必须在太空中建筑。当然,这也意味着空间站可能在竣工前投入应用。推敲到大多数设计都预期数年才气实现,这是一个无比首要的考量。

1984 年,大概在承包商提交设计一年后,美国总统罗纳德 · 里根在他的国情咨文中正式唆使 NASA 建筑一个空间站。后来他将这个空间站命名为 “自由号”(Freedom),并视其为开展富强太空经济的捷径。“咱们可能和随幻想前往遥远的星球,在太空中生活跟工作,获得跟平的经济跟科学成果,”里根奉告美国人,“就像大陆为快帆船跟美国商人打开了一个新世界一样,太空在今天具有巨大的商业潜力。”

这个新设计俗称 “电力塔”(Power Tower),由 5 个模块组成——2 个实验室、1 个后懒核心跟 2 个船员舱——集中在一个 120 米长的桁架末端。

里根的国情咨文标志着 NASA 树破空间站的勃勃雄心进入了一个动荡时期。在 1984 年到 1993 年之间,为了平衡预算跟工程优先权,自由号的官方设计阅历了七次重大改动。在总统的指令下达后的多少个月里,NASA 就有了空间站的基础设计,但与承包商一年前提出的设计完全没有一样。这个新设计俗称 “电力塔”(Power Tower),由 5 个模块组成——2 个实验室、1 个后懒核心跟 2 个船员舱——集中在一个 120 米长的桁架末端。模块位于桁架的底部(也就是说,它们离地球最近),在桁架结构的另一端则是一个太阳能电池阵列跟若干天线。

“电力塔”的钟摆式设计旨在同时供给地球、太阳跟太空的景观。这将有助于发展科学实验,并减少保持空间站波动轨道所需的推进器点火次数。但和着设计的开展,电力塔的概念遭到了想要将空间站用于其余范围研究的科学家的抨击。他们觉得,寓居舱应该位于空间站的重心位置,而没有是底部,以限度空间站的挪动。“电力塔有严酷的结构问题,”大卫 · 尼克松说,“由于振荡跟振动,将实验室模块放在结构底部可以是最糟糕的。”最首要的是,空间站的设计反响了用户的须要,而用户需要将空间站的挪动减少到最低制约。这就意味着 NASA 没有得没有从头开始。

1987 年,NASA 发布了自由号空间站的新设计,即 “修订基准构型”(Revised Baseline Configuration)。在这个设计中,咱们可能看到国际空间站的雏形。这一次,模块都集中在一个长桁架的核心,其两侧是一排排的太阳能电池板。这些模块也得到了国际支持,欧洲跟日本供给了实验室部件,加拿大供给了一个航天器维修核心。

“双龙骨”的设计概念也是基于一个长水平轴,但它在核心有一个大型矩形结构——双龙骨——可能容纳航天飞机的关于接口跟其余后懒模块。

修订基准构型实践上是 NASA 自 1985 年开始探索的 “双龙骨”(Dual Keel)设计的一个调跟方案。只管这个设计概念也是基于一个长水平轴,但它在核心有一个大型矩形结构——双龙骨——可能容纳航天飞机的关于接口跟其余后懒模块。但据估计,这种设计的成本多少乎是 NASA 最初预计的空间站成本的两倍。因此,双龙骨设计被放弃,改用更低价的修订基准构型,但还可能选择在以后增加双龙骨。

只管修订基准构型最终成为了空间站最终设计的根底,但 NASA 仍在一直调剂设计,以知足一直开展的预算限度跟技巧请求。普通来说,每次设计迭代都会导致空间站容量下降,并导致发射计划延期。1984 年里根宣布美国的空间站计划时,第一批太空舱预计将在十年内发射。然而到 1993 年,NASA 已经在空间站的设计上立费了 90 亿美元,但得到的只是一大堆工程研究,证明他们的确在努力。国会受够了这种情况,就在那一年,美国众议院以一票之差使整个空间站计划免于被吊销。

只管如此,一个没有争的现实是:如果太空站要成为事实,它就必须从基本上成为国际性的配合成果。美国显然不足够的政治意愿径自实现这一义务。因此,1993 年克林顿入主白宫后,正式宣布自由号计划由美国径自建筑改为国际配合建筑;在此之后,美国将与盟国配合建设国际空间站。

就空间站的设计而言,从自由号到国际空间站的改变主要是一种修辞上的策略。NASA 从一开始就主张在其空间站出息行国际配合,欧洲空间局跟日本已经赞成为自由号空间站供给硬件。和着冷战的完毕,俄罗斯也被邀请在这个史无前例的名目上与美国配合。大卫 · 尼克松说:“在这个名目即将被吊销的时分,俄罗斯供给了主要的支持。”

国际空间站的最终设计在很大程度上依赖于 “修订基准构型”,而 NASA 在从前 6 年里又关于空间站进行了充实,但采纳了更简单的设计。例如,空间站的主要水平桁架采纳的是预制构件,而没有是由宇航员在轨道上组装。这个简化的空间站构型由一组实验室跟寓居舱组成,位于一个长长的水平桁架核心,两侧各有 4 个太阳能电池阵列。“从某种意义上说,这样的结构是一个混杂体,结合了来自没有同根源的没有同观念,”大卫 · 尼克松说道。整个空间站有一个足球场那么长,需要 30 多次航天飞机发射才气组装实现。

1998 年,美国向空间站发射了第一个组件——作为宇航员餐厅的 “团结号”(Unity)节点舱。13 年后,觉察号航天飞机的最后一次飞行径空间站送来了一个多用途增压舱,空间站的建设正式完毕。

关于美国来说,推敲到多少十年来与国际搭档的角力、没有波动的预算跟好斗的总统政府,国际空间站可谓是一份难以置信的遗产。

美国国家航空航天局跟世界多国航天机构的没有懈努力终于有了报答。多亏了国际空间站,人类得以在太空中继承 20 年具备,而国际空间站也为突立性的科学实验供给了无独有偶的平台。当初,从零重力的菜园到已知宇宙中最冷的冰箱,这里可能供给各种意想没有到的实验条件。另一方面,国际空间站也开始完成里根所说的成为外星商业跳板的愿景。良多公司使用国际空间站进行了从 “芯片上的器官”到 3D 打印等各种各样的研究,还有些公司甚至用它作为本人建筑空间站的动身点。

关于美国来说,推敲到多少十年来与国际搭档的角力、没有波动的预算跟好斗的总统政府,国际空间站可谓是一份难以置信的遗产。设计空间站可以并没有低价,也无奈神速实现,但不人能说进入太空是一件等闲的事。

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