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前幾天，也就是4月29號，我國從海南島的文昌發(fā)射場用一枚長征5B運(yùn)載火箭把天宮空間站的核心艙天和號送上了環(huán)繞地球的軌道。央視做了轉(zhuǎn)播，從火箭升空到空間站核心艙入軌，僅僅花了8分多鐘。這是一件大事兒，今天我們來開個(gè)番外篇，好好講講有關(guān)天宮空間站的那些事兒。
空間站的發(fā)展經(jīng)歷了好幾代，第一代是蘇聯(lián)的禮炮1號空間站。我們以前講到過，美國和蘇聯(lián)最開始想搞的是載人偵察衛(wèi)星，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的電子技術(shù)和自動化水平不高，最好是放個(gè)大活人在間諜衛(wèi)星里進(jìn)行操作。
禮炮1號 在這種競爭的環(huán)境下，雙方都在醞釀空間站計(jì)劃。但是美國主要精力花在了登月上，蘇聯(lián)因?yàn)榈窃掠玫腘1火箭連續(xù)爆炸，他們知道自己無論如何無法打敗美國人了，所以干脆另辟蹊徑，把空間站的建設(shè)提上了議事日程。最早的禮炮號空間站只有一個(gè)對接口，艙室也很狹小。宇航員乘坐聯(lián)盟飛船對接空間站以后，堅(jiān)守的時(shí)間很有限。因?yàn)榧Z食和給養(yǎng)就那么多，用不了多長時(shí)間就沒了。僅有的一個(gè)對接口被聯(lián)盟飛船占用了，即便是想用進(jìn)步號貨運(yùn)飛船送物資，也沒有對接口了。所以，第二代空間站禮炮6號和7號就解決了這個(gè)問題，對接口前邊一個(gè)后邊一個(gè)。一個(gè)用來運(yùn)人，一個(gè)用來運(yùn)貨。所以，禮炮6號和7號被算作是第二代空間站。
禮炮7號 當(dāng)時(shí)的美國人發(fā)現(xiàn)蘇聯(lián)人在空間站方面領(lǐng)先了，他們也是嚇了一跳，趕快要追上蘇聯(lián)人的進(jìn)度，最簡單的方法就是用土星5號火箭的第三級改造成空間站，用阿波羅飛船來運(yùn)送人員。這就是天空實(shí)驗(yàn)室空間站。這個(gè)空間站的最大特點(diǎn)就是寬敞，蘇聯(lián)人的空間站太憋屈了。天空實(shí)驗(yàn)室相比來講，空間比較充裕。美國人實(shí)際上是硬著頭皮上，阿波羅計(jì)劃停了，還剩下幾艘阿波羅飛船和土星5號運(yùn)載火箭。改造成空間站也是蠻劃算的事情。但是飛船可沒有幾艘了，不可能經(jīng)常來來往往。所以，當(dāng)時(shí)美國人在軌時(shí)間相對來講都比較長。后來嘛，碰上太陽發(fā)威，高層大氣體積膨脹，天空實(shí)驗(yàn)室所在的軌道上空氣阻力大大增加，結(jié)果，天空實(shí)驗(yàn)室提前墜落。這個(gè)空間站太龐大了，在大氣層里并沒有燒光，不少碎片掉在了澳大利亞。澳大利亞還給NASA開了一張400美元的單，理由是亂扔垃圾，當(dāng)然，NASA也沒搭理這一茬。
天空實(shí)驗(yàn)室 天空實(shí)驗(yàn)室別看那么寬敞，其實(shí)也屬于第一代空間站，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)對接口，無法同時(shí)接待貨運(yùn)飛船，美國人當(dāng)時(shí)也沒有貨運(yùn)飛船。但是美國人對這種寬敞的居住環(huán)境念念不忘，后來還開了不少的腦洞。這是后話了。蘇聯(lián)還是一如既往地穩(wěn)扎穩(wěn)打，受限于質(zhì)子號的運(yùn)送能力，空間站的艙段直徑也就只有4米多。內(nèi)部結(jié)構(gòu)也并不那么優(yōu)化，顯得有點(diǎn)亂。他們開始建造下一代和平號空間站，這是一個(gè)多艙段的空間站，顯然性能要比前幾代好得多，所以，和平號這種多艙室的空間站被劃分為第三代空間站。
天和號核心艙 我們開始搭建的這個(gè)天宮空間站的核心艙天和號與和平號的核心艙多少還有點(diǎn)像，這是因?yàn)榧夹g(shù)路徑殊途同歸。核心艙的外形多少有點(diǎn)像啤酒瓶子，明顯分為兩段，一段粗一點(diǎn)，一段細(xì)一點(diǎn)。沒辦法，太陽能電池板發(fā)射的時(shí)候要折疊起來放在火箭整流罩里，核心艙的直徑上必須細(xì)一截才能流出放太陽能電池板的地方。俄羅斯人是這么處理的，我們也是這么處理的。我們來看看和平號空間站的結(jié)構(gòu)，中間是核心艙，核心艙頂端有個(gè)節(jié)點(diǎn)艙，節(jié)點(diǎn)艙帶著5個(gè)對接口，上下左右和前方，前方留著和飛船對接，剩下4個(gè)對接口各接了一個(gè)科研艙。分別是自然號、晶體號、量子2號和光譜號，俄國人喜歡用科學(xué)術(shù)語起名字，這倒也比較應(yīng)景。核心艙的屁股上接了一個(gè)小實(shí)驗(yàn)艙叫量子1號。量子1號艙可以對接進(jìn)步號貨運(yùn)飛船。
晶體號另外一頭有個(gè)節(jié)點(diǎn)艙，前面多加了一個(gè)對接艙。因?yàn)槊绹暮教祜w機(jī)要來和和平號對接，兩家的接口不通用，沒辦法，不得不多一個(gè)轉(zhuǎn)換插頭，平時(shí)就掛在晶體艙上。和平號是逐漸拼接搭建起來的，就像是樂高玩具搭積木一樣。有很多國家的宇航員都在和平號上工作過。和平號內(nèi)部空間比過去的禮炮7號大多了，但是也有缺點(diǎn)。那就是太陽能電池板太多，而且還互有重疊，效率不高。而且飛船對接也很麻煩。周圍枝枝叉叉的東西太多了，不方便。
美國人并不想走這條路，他們滿腦子想的都是永久性的空間站。也就是說艙室必須隨時(shí)能替換。如果到壽命了，那就換一個(gè)。如果是像和平號那樣的結(jié)構(gòu)，空間站再想造大一點(diǎn)是不可能的，而且哪個(gè)艙壞了，或者老化了，也無法更換。那怎么辦呢？用一系列的桁架組成個(gè)日字形，然后把各個(gè)艙室都掛在桁架上，要更換艙室也和別的艙室無關(guān)。而且太陽能電池板可以沿著桁架一字排開，沒有相互遮擋的問題了。
可是桁架式結(jié)構(gòu)運(yùn)輸和搭建都有問題。首先是桁架的體積并不小，而且完全無動力，你用火箭把一大捆腳手架發(fā)射到太空，那有什么用？完全就是廢物垃圾。這東西需要有人進(jìn)行安裝，好在美國人研發(fā)了航天飛機(jī)。這東西就是個(gè)客貨混裝的大卡車。拉上鋼筋和建材送到國際空間站，然后依靠宇航員太空行走來搭建。但是NASA內(nèi)部也是有人反對的。因?yàn)樗麄冇X得，這種構(gòu)型還是太憋屈了。他們要大，要寬敞。航天飛機(jī)的橙色燃料箱的大家看到過嗎？他們對那玩意兒感興趣。如果把這種燃料箱改一改當(dāng)做空間站艙段，那不是爽死啊，8.8米的直徑哦，可能家里的客廳也沒這么寬吧。
橙罐真是招人喜歡，直徑大嘛！ 那么好了，按照這幫激進(jìn)分子的計(jì)劃，航天飛機(jī)每次發(fā)射，本來燃料箱是要扔的，這回先不扔，帶到空間站當(dāng)建筑材料。最后，這個(gè)計(jì)劃也就沒有下文了，因?yàn)镹ASA雖然鼓勵(lì)開腦洞，但是腦洞里不能有水。你這哪兒是腦子進(jìn)水啊，這是腦子進(jìn)柴油了吧？
折騰了一大圈，最后，NASA的自由號空間站計(jì)劃擱置了，縮小版的弗雷德保留下來了。還是有一根桁架，不再是日字形了。這跟桁架其實(shí)起不到骨架的作用，但是可以當(dāng)做一根扁擔(dān)，把很多大型儀器和太陽能電池板一字鋪開，不再會互相遮擋。空間站的艙室還是用類似于和平號的方式來搭積木，和桁架構(gòu)成了一橫一豎的結(jié)構(gòu)。
弗雷德項(xiàng)目還是命運(yùn)多舛，盡管已經(jīng)縮減了預(yù)算，但是在國會那里還是反反復(fù)復(fù)的被砍，或者被恢復(fù)。這個(gè)計(jì)劃提出的時(shí)間是在蘇聯(lián)解體之后，那時(shí)候美俄關(guān)系不錯(cuò)，所以這個(gè)弗雷德項(xiàng)目也就逐漸的轉(zhuǎn)化成了國際空間站項(xiàng)目。所以，有人說和平號是第三代空間站，國際空間站是第四代，因?yàn)閲H空間站是桁架結(jié)構(gòu)，和第三代不一樣，其實(shí)這話說得不對。國際空間站基本上就是十字形構(gòu)架，一橫是桁架，一豎是大大小小的艙室接在一起。
大致上講，這一邊的艙室都是俄羅斯的。中間這個(gè)是曙光號功能貨艙，這是國際空間站最早發(fā)射的一個(gè)艙體。前邊接的是美國人的團(tuán)結(jié)艙，這個(gè)團(tuán)結(jié)艙帶兩個(gè)接口是一個(gè)重要的十字路口，好幾個(gè)艙室都靠它來連接。另外一邊的就是俄羅斯的星辰艙。星塵艙是有太陽能電池板的，可以給俄國部分供電，盡管說國際空間站，很多東西還是各搞各的。俄國部分的核心節(jié)點(diǎn)就是星辰艙，從2019年開始，星辰艙有輕微的漏氣現(xiàn)象，大家怎么都找不到是哪里漏了。折騰了快一年，最后想出一個(gè)辦法，弄一點(diǎn)碎茶葉，飄在空氣中。反正空間站是失重的。然后人都走開，關(guān)死了門，通過監(jiān)控看看茶葉往哪里飄，跟著茶葉飄去的地方，果然找到了漏氣的地方。星塵艙和曙光艙之間有個(gè)節(jié)點(diǎn)艙，其實(shí)是可以和飛船對接的。但是這個(gè)對接口從來沒用過。萬一這個(gè)地方出了毛病，星辰艙里的人怎么辦？他們只能被困在原地，想去其他艙室都不行，干脆就不用吧。上下各放了一個(gè)過渡艙，本來相當(dāng)于是碼頭，可以接駁聯(lián)盟號，現(xiàn)在這兩個(gè)過渡艙成了小實(shí)驗(yàn)室，別提多憋屈了。國際空間站上這種類似情況不少，曙光艙和團(tuán)結(jié)艙之間也有個(gè)對接節(jié)點(diǎn)，這個(gè)艙室也沒多大用處，也是浪費(fèi)的。
團(tuán)結(jié)號節(jié)點(diǎn)艙兩側(cè)是尋求號氣閘艙和寧靜號節(jié)點(diǎn)艙，國際空間站節(jié)點(diǎn)艙特別多。寧靜號上接著一個(gè)列奧納多號貨艙，這是意大利造的嘛，列奧納多是達(dá)芬奇的名字。讓我們換個(gè)角度，這下看清了，這邊的艙室全是美國的了。中間這個(gè)是命運(yùn)號，是美國的核心業(yè)務(wù)艙。桁架上的那些大號太陽能板也是接到命運(yùn)號上的。命運(yùn)號前邊就是協(xié)和號節(jié)點(diǎn)艙，這個(gè)節(jié)點(diǎn)艙分兩岔，一邊是歐洲的哥倫布艙，另一邊是日本的希望號，希望號還帶個(gè)外掛的雜物間。希望號還帶有暴露平臺，也就是艙蓋是開的?？梢宰鲂枰┞对谔绽锏膶?shí)驗(yàn)。
不論是歐洲的哥倫布艙還是日本的希望號科學(xué)艙，美國人都占了不小的地盤。正前方的那個(gè)接口是和航天飛機(jī)對接的，現(xiàn)在航天飛機(jī)退役了，這個(gè)管子里被堆滿了雜物。馬斯克的龍飛船就是從這個(gè)口上對接的。 大家大致了解了國際空間站的構(gòu)造。你會發(fā)現(xiàn)，俄羅斯這邊關(guān)起門來也能過。聯(lián)盟號和進(jìn)步號都可以對接在俄羅斯的幾個(gè)艙室上。美國那邊帶著歐洲日本，關(guān)起門來也能過。目前看來，國際空間站有很多設(shè)計(jì)不合理的地方，美國和俄國兩國的標(biāo)準(zhǔn)有很多地方是不統(tǒng)一的導(dǎo)致現(xiàn)在有人多的冗余和浪費(fèi)。比如說，用于艙段對接的寧靜號節(jié)點(diǎn)艙規(guī)模就有19噸，這些重量沒有用到科學(xué)研究上。國際空間站十幾個(gè)艙段之中真正用于科研實(shí)驗(yàn)的艙段也只有3個(gè)，也就是命運(yùn)艙、哥倫布艙、希望號實(shí)驗(yàn)艙，這些艙段加起來并不大。美國和歐洲日本能安裝的機(jī)柜也就是23個(gè)左右。俄國這邊就更少了，只有8個(gè)。
相比之下，我們的設(shè)計(jì)就合理多了，我們的艙室比國際空間站少了很多，但是我們的空間站的艙室比較胖，空間利用率更高一些。所以，我們的空間站能裝的機(jī)柜達(dá)到23個(gè)，比國際空間站少不了多少。我們現(xiàn)在有了天和核心艙，兩邊的是夢天和問天兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙。后邊是天舟貨運(yùn)飛船，前邊是神舟飛船。其實(shí)神州飛船可以接兩艘，這樣可以交接班。中間這個(gè)節(jié)點(diǎn)艙還可以建檔氣閘艙用，這樣的話，利用率比國際空間站高多了。我們現(xiàn)在用的太陽能電池也比國際空間站的效率高。天宮兩部大型太陽能柔性電池翼應(yīng)用了“三結(jié)砷化鎵電池”，可以達(dá)到30%的轉(zhuǎn)化率，兩部電池翼加上核心艙電池翼發(fā)電功率可達(dá)100千瓦以上。國際空間站的太陽能電池板效率只有15%，這么多年也有老化，那就相差更多了。我們的空間站基本上屬于第三代，但是我們也有桁架結(jié)構(gòu)，太陽能電池板日后會裝到空間站兩端的桁架上，反正都是柔性的，張開太陽能板就像是船上掛纜升帆一樣。我們發(fā)現(xiàn)，國際空間站與不少巨大的散熱片，因?yàn)樘绽餂]有空氣幫助散熱，散熱反而成了難題，只能靠熱輻射散發(fā)出去。我們的空間站并不需要專門的散熱裝置，可見對能源的管理已經(jīng)是超過了國際空間站，畢竟我們是有后發(fā)優(yōu)勢的。
原本我們是打算在空間站上安裝一臺巡天望遠(yuǎn)鏡的，但是后來發(fā)現(xiàn)，空間站產(chǎn)生的振動對望遠(yuǎn)鏡拍攝照片有干擾，那么干脆就把這臺望遠(yuǎn)鏡做成了一臺獨(dú)立的光學(xué)艙，平時(shí)和空間站是脫離的，可以拉開一段距離共軌飛行，如果需要檢修一下，那就可以靠過來，和空間站對接，這樣宇航員們可以進(jìn)去維修。這個(gè)設(shè)計(jì)還是挺巧妙的。國際空間站就快要到壽命了，NASA打算給國際空間站延壽，多撐幾年，但是這是要花錢的，國會批不批還不一定呢。未來，很可能天宮空間站會成為唯一的空間站，我們的空間站也會對全世界的各個(gè)國家開放，到那時(shí)候，各國的宇航員們首先要學(xué)習(xí)漢語。我相信，他們已經(jīng)開始這么做了。
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