太空宇航知识篇三.docx
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太空宇航知识篇三
前言
人类社会已经进入一个崭新的新世纪，科学技术正以人类意想不到的发展速度深刻地影响并改变着人类社会的生产、生活和未来。
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本书采用分级管理、分工负责的办法编写，在编写的过程中得到了国家图书馆、中国科学院图书馆、中国社会科学院图书馆、北京师范大学图书馆的大力支持和帮助，在此一并表示真诚的谢意!
在本书编写过程中，我们参考了相关领域的最新研究成果，谨向他们表示衷心的感谢!
由于编写时间仓促，加之水平有限，尽管我们尽了最大努力，书中仍难免有不妥之处，敬请广大读者批评指正。
本书编委会
2006年1月
空间站
走出地球的驿站——空间站
空间站也叫航天站，是20世纪80年代的“宠儿”，被人们喻为航天器中的一代天骄，还有人称它为巡航在太空的航天母舰。
前苏联称其为航天站，美国则称为空间站。
自从1971年前苏联发射第一个“礼炮”号航天站以来，已有10个航天站进入太空，其中前苏联8个，美国1个，西欧1个。
目前只有“和平”号航天站仍在太空中运行。
世界各国在航天站的发展过程中，各走各的路。
前苏联从飞船到航天站；美国从飞船到航天飞机，再到永久性航天站；欧洲则依靠美国“一步登天”。
前苏联的航天站至今已发展了三代，“礼炮”1～5号航天站属第一代，“礼炮”6～7号航天站属第二代，现在太空大显身手的“和平”号航天站是第三代的代表。
美国60年代末搞登月飞船，轰动全球，然而耗费巨资，实效不多。
70年代初利用登月剩余物资拼凑了一个名叫“天空实验室”的航天站。
美国现正从航天飞机转向航天站。
目前在集中精力研制长百米、重百吨的大型永久性航天站。
欧洲人虽然没有掌握返回卫星技术，也没有载人飞船，但是，他们很早就看出了航天站的实际效益和光辉前景。
航天站是人类开拓天疆的前哨基地。
人们从多年实践中积累了丰富的经验，而且在天体物理观测、生物医学、冶金、人体科学，以及对地观测等方面取得了丰硕成果，为国民经济、科学和军事部门提供了大量有价值的资料。
人们可以预见，航天站将会创造出许多地面上难以想象和无法实现的奇迹，给人类带来巨大的利益。
例如，在航天站上没有对流和沉淀；就能获得非常纯净的药物，可大量提取治疗脑血栓的尿激酶和各种抗癌药物，也可以从中草药中提取地面上难以获得的珍贵的有效成分。
β细胞是产生胰岛素的胰脏中的一种特殊细胞，在太空能很容易地将β细胞与其他细胞分离开来。
如果将β细胞移植到人体中，体内就能持续产生胰岛素，糖尿病就能得到根治。
用β细胞消灭糖尿病，对挽救人们的生命、降低医疗费用具有深远的影响。
航天站也为制造纯度极高的晶体提供了条件。
在地面生产晶体时，对流影响了纯度，破坏晶体的均匀度，这种晶体制成的集成电路块，大部分要报废。
但是，在太空失重状态下生产的晶体，没有对流的干扰，几乎是无瑕的，废品率很低。
在太空制成的晶体完美无缺，加工方便，还可以做出超大规模集成电路块，这样既能保证计算机的可靠性，又大大提高了计算机的速度，而且还为制造巨型计算机提供了基础。
光导纤维是大有前途的新产品。
制造光导纤维离不开超纯玻璃，因为玻璃越是纯净，玻璃纤维传播信号的距离就越远。
利用太空环境改进光导纤维的制造工艺，制造出优质的光导纤维，对光导通信的发展具有重要意义。
空间站的军事潜力很大，可以周而复始地对地面军事自标进行侦察，可以拍摄地面的大炮和坦克、空中的飞机、海上的军舰，其效果比侦察卫星还好。
空间站还可以进行空间攻击和作战指挥。
它可以携带各种武器参与空间战争，如摧毁敌方的卫星或导弹，或向地面发射导弹，摧毁敌方的地面战略目标等。
空间站居高临下，俯视全球，除可以直接参战或支援陆、海、空的作战之外，还可以取代被摧毁地面作战指挥中心，在太空进行作战指挥。
费用昂贵的空间飞行
美国在空间时代18年的载人空间飞行中，发射了“水星”号、“双子星座”、“阿波罗”、“天空实验室”、“阿波罗”一“联盟”对接以及1981年4月投入飞行的空间运输系统，总耗资达450亿美元。
美国宇航员的最长飞行是最后一次“天空实验室”飞行，历时84天。
前苏联在28年里一直未中断载人空间飞行，发射了“东方”、“上升”、“联盟”、“礼炮”站、“联盟T”和“联盟TM”、“进步”运输飞船（M）以及“和平”空间站。
前苏联宇航员最长飞行时间是326天。
1989年5月，前苏联空间管理总局局长亚历山大·杜巴耶夫在一次记者招待会上第一次公布前苏联载人空间飞行费用。
他说：
“自从1986年以来在空间载人计划上已耗资147亿卢布（相当235亿美元），获得60万美元的收益。
”至于1971～1986年“礼炮”系列的15年飞行的花费从无披露。
前苏联曾透露“和平”空间站6个对接口对齐需35亿卢布。
美国和前苏联既然拥有各种各样的军用卫星，为什么还不惜耗巨资进行载人空间飞行?
能不能用自动化卫星取代人在空间的工作?
人在空间到底起着什么样的作用?
前苏联载人飞行得到的东西，已证明是不能用其他方法获得的。
在空间站上人机结合，能发挥极大威力。
人在空间不仅进行各种科学实验、宇宙观测，在站上还能观测气象，向地球准确地作出3天的天气预报。
美国在执行“阿波罗”登月计划时期，有些科学家反对载人空间飞行，认为费用昂贵，危险性大，完全可以用自动化卫星取代。
但坚持载人空间飞行者认为，人不仅有视力和大脑思维，而且有双手操作空间站上极复杂的装置。
就空间科学、空间加工材料、新工业产品以及空间药剂生产来说，都需要男女宇航员亲自操作。
尽管美国和日本研制出在空间站上用的高性能机器人，但出站捕捉和回收卫星、修理卫星仍需要人操作。
例如，1984年4月，美宇航局宇航员出舱乘载人机动装置作空间自由飞行，抓住了1980年发射的一颗出故障的太阳峰值观测卫星，拉到航天飞机附近，操纵遥控机械臂将其拖进运货舱内。
宇航员更换了引起姿态控制系统失灵的保险丝后，又把卫星送回原轨道。
接着，1984年11月，宇航员仍乘载人机动装置到空间，抓回两个月前发射的两颗未进入预定轨道的通信卫星（一颗印尼“统一B2”，一颗美国“西联星-6”），回收到运货舱内，带回地面修理，以备重新发射。
“国际通信卫星-6”的第二颗于1990年3月用“大力神-3”发射失败，卫星进入低轨道，国际通信卫星组织决定花1.3亿美元由航宇局于1992年2月用“奋进号”航天飞机回收，拟给卫星安装一台重9吨的固体推力器，再点火推到静止转移轨道。
航宇局正在训练宇航员如何在空间安装发动机。
此外，航宇局还拟回收出故障的“陆地卫星-4”。
以及其他卫星，这些工作只有人才能进行，高性能的智能机器人也不能取代人在空间的作用。
在空间进行各种有关军事活动，更需要军人宇航员。
从经济观点考虑，人在空间站需要地面监控站24小时轮流值班监视，一旦发生不测，可以立即得到命令返回地面。
美航宇局科学和空间应用处的罗伯特·索科洛斯基于1990年6月29日对美国《空间新闻》记者说：
“每逢人在空间站上，宇航员整个安全系统费用猛增。
”空间载人飞行费确实是昂贵的。
空间站时代的来临
人造地球卫星发射成功，是人类进入空间时代的标志，而空间站的实现，则是空间站时代的开始。
那么，什么叫空间站，什么叫空间站时代呢?
空间站实际上是一种可以住人的大型人造地球卫星。
所以，又有人称它为围绕地球旋转的“活动房子”。
“房子”里除了人造卫星常有的各种仪器设备之外，还有一系列满足人们饮食起居的生活条件。
同时人住在里面可以积极从事各种科学试验。
美国宇航局已经制订了可以供50人或100人乘坐的半永久性的大型空间站计划。
如果这个计划果真实现，它将是人类进入空间时代以来，继阿波罗登月之后的又一个里程碑。
这是因为，这样的空间站即使只有一个，它也足以完成美国、前苏联研制的各种实用卫星（即通信卫星、气象卫星、地球资源卫星、海洋卫星、军事侦察卫星、天文观测卫星等）所担负的全部使命。
如果在空间站上装配大型天文望远镜，就可以得到极为清晰的天体和星云的照片与画像，而由此所得到的天文知识，将远远超过过去5000年的地面观测所积累的全部知识，这大大有助于探索宇宙的奥妙，是多么令人欢欣鼓舞呀!
由于上述原因，前苏联很早就注意到了空间站的实用价值，并且于1971年6月发射了可以乘坐人的小型空间站“礼炮1”号，可惜在返回地面的旅途中，飞船漏气造成了无可补救的严重事故，宇航员全部丧生。
不久美国发射的“天空实验室”，破天荒地取得了巨大成功，从而揭开了真正的空间站时代。
当然，“天空实验室”的发射和旅行，也不是一帆风顺的。
1973年5月1日从“肯尼迪空间中心”发射了“土星5号”火箭。
而火箭头部的“天空实验室”，就是由第三级火箭改制而成的。
发射后10分钟，“天空实验室”进入高度为435千米，轨道倾角为50度的圆形轨道。
但是，话还得说回来，在发射后的63秒“天空实验室”发生了事故，涂有防热层的微流星防护罩，由于提前打开而被强劲的高速气流无情地撕毁了，并且每一块太阳能电池板吹到九霄云外去了，剩下的一块又被防护罩碎片紧紧地缠住，致使无法打开，结果实验室不仅丧失了一半电力，也丧失了对太阳直射的防护能力，舱内温度直线上升，竟高达55摄氏度左右。
由于大难临头，美国不得不延期发射与“天空实验室”对接的“阿波罗”飞船，而制定切实可行的救急计划。
5月，25日上午9时，阿波罗飞船飞向宇宙太空。
飞船上有三名宇航员，他们是经验丰富的指令长查尔斯·康拉尔德（他参加过阿波罗12号的登月飞行）；医生约瑟夫·克尔温和保罗·韦茨。
这艘飞船由指令舱和服务舱两部分组成。
飞船起飞后，首先进入近地点为150千米、远地点为230千米的低椭圆轨道，随后服务舱的火箭发动机点火，飞船和飞行在高轨道上的“天空实验室”靠拢、对接，于是三名宇航员立刻开始了紧张的活动。
首先宇航员从“天空实验室”的观测窗口将遮阳伞伸到窗外，伞自动打开遮挡阳光，后来又架设了遮阳的顶篷。
劳动换来了成果，5月27日，“天空实验室”内的温度，终于降了下来，宇航员可以在里面生活和居住了。
6月8日指令长勇敢地爬出舱外，用工具切除了缠绕在电池板上的防护罩碎片，使剩下的一块太阳能电池板开始工作。
至此“天空实验室”的营救工作宣告成功了。
发生事故，当然是大不幸，但它却告诉人们：
惊险而复杂的修理工作，在茫茫的太空中也是可以进行的。
三名宇航员作为“天空实验室”的第一批主人，在上面逗留了28天又50分钟，于6月23日离开“天空实验室”，乘着阿波罗飞船安全地返回了人类的故乡——地球。
接着7月28日由阿朗·比恩指令长、奥恩·加利奥特和贾克·鲁斯马组成的第二批宇航员，乘飞船顺利到达“天空实验室”，在宇宙太空生活了59天。
第三批去“天空实验室”的光荣使者，是指令长吉拉尔德·加，威利阿姆·波格和埃德瓦德·吉布逊，他们从1973年11月16日乘兴而去，至1974年2月8日凯旋归来，在宇宙太空度过了颇有意义的84天，他们还在太空迎来了新的一年。
如前所述，“天空实验室”是由“土星5号”火箭的第三级改造而成，因此它的大小也与“土星5号”火箭等量齐观，长17.8米，直径6.6米，重88吨。
当它和阿波罗飞船实现对接时，全长为36米。
“天空实验室”的主舱长15米，内部空间300多立方米，这相当于一间100平方米的会议室，作为空间站能有这样大的房间，是蔚为壮观的。
舱内又分为上下两层，上层为工作区，下层是生活区。
在上层安装着实验设备、水箱和库房，在下层有厨房、卧室、盥洗间、厕所、浴室乃至垃圾桶等，真可谓考虑周密，应有尽有。
在工作区和生活区中间有网格形地板相隔，在楼板中央开有一个洞代为楼梯。
宇航员上下楼既不用电梯，也用不着费劲地上下走动，要想上楼，只要稍一蹬足，就可以飞身而上，而用手轻轻地推一下天花板，他就能轻易地返回楼下，上楼下楼，来去自如。
三批宇航员在“天空实验室”总计长达171天的飞行中，争分夺秒地进行了多达90种的各类科学试验，其中包括太阳观测、地球资源勘察、空间技术、医学生物等许多学科。
医学实验表明，人在长期失重的条件下，依然能够正常的生活和工作，这对于人类移居太空的大胆设想，是一个有力的支持。
更为有趣的是，宇航员根据一位女大学生的建议，做了蜘蛛结网的实验，结果可爱的蜘蛛，在失重的环境里，还是结出了比较稀疏的网，这说明生物有生存于太空环境的能力。
宇航员们还按预定计划，在宇宙太空进行了新材料、新工艺的研究，利用失重和高真空的特殊条件，冶炼了高质量的单晶硅、泡沫钢和其他一些合金。
尤其使天文学家们羡慕的是，宇航员们还对75000年才能在地球上看到一次的科霍特彗星，进行了详细的观测。
1974年2月最后一批宇航员满载而归之后，“天空实验室”就停止了工作，不再接待“客人”。
从此以后，它就像无人照管的“孤儿”一样，在宇宙太空毫无目的地游荡了五年零五个月，于1979年7月1日葬身于南印度洋和澳大利亚西部，了却了它显赫的一生。
面对美国的成功，前苏联也不甘落后，奋起直追，它发射了六艘“礼炮”号空间站，其中1977年9月发射的“礼炮6”号，取得了大为可观的成果，甚至在某些方面超过了“天空实验室”。
“礼炮6”号与“天空实验室”相比，就结构和规模而言，前者可谓稍逊风骚。
“礼炮6”号长约16米，最大直径约4.2米，重量大约仅为“天空实验室”的1／5，内部空间也比较狭小，只及后者的1／3。
它的基本部分是一个工作区和生活区合二而一的工作舱。
舱内众多的科学试验设备和丰富多彩的生活设施，交错的排列在一起，整个舱内满满当当、严严实实，只在中间保留了一条很窄的通道。
“礼炮6”号由三块太阳能电池板供电，总面积60平方米，发电量为4千瓦。
空间站与地面之间的运输工具是“联盟”号飞船，船上可以乘坐两名宇航员。
“礼炮6”号自1977年9月发射，直至1979年8月，先后由15艘飞船，接送了七批共14名宇航员。
站内人数最多时达到了4人。
美国的“天空实验室”上的宇航员，所需要的氧气、食物和水诸物，都在发射时一起携带，中途不再补充，这样三名宇航员只要在上面工作半年，全部给养就会消耗个一千二净。
而“礼炮6”号与此相比，它能不断用“进步”号无人飞船运货上天，补充给养，所以宇航员能够在上面生活较长的时间。
比如1978年进站的两批宇航员，在上面分别生活了％天和140天，而1979年2月26日飞天的两名宇航员，在“礼炮6”号上生活了175天，这远远超过了美国宇航员在“天空实验室”生活84天的最高记录。
“礼炮6”号配有变轨发动机，它的作用是，当空间站在运行过程中，因空气阻力而降低了轨道时，能使空间站的轨道提高，保证长期运行，不致陨落。
据称，“礼炮6”号预计在宇宙太空工作5年，宇航员在上面生活的时间，将延长到半年。
我们当然应当密切注视着它所取得的每一项进展。
世界航天技术的发展，使人们进一步认识到太空将是人类生存的第四大自然环境。
人们通过进入太空的实地考察，更加深入地理解和亲身感知到，太空具有地球大陆、海洋和稠密大气层三大自然环境所无可比拟的微重力、高洁净、高真空、大视野的独特自然环境。
利用这个独特的自然环境从事各种实践活动，必将带动和推进各个高技术领域的迅猛发展，带来巨大的经济、社会和军事效益。
因此，在发射人造地球卫星和载人飞船以及载人登月之后，前苏联、美国、西欧等国都先后发展了这种可长期滞留太空，进行各种生产、生活和科学试验的载人空间站。
作为航天技术发展的另一种应用手段的空间站，在美国称“空间站”，而前苏联叫“轨道站”，是一种能载人的从事太空活动的巨型人造卫星体。
它是由一艘或几个舱室连接组合成的航天器，站里有保证空间航行管理所需要的仪器设备、从事各项太空实验和工业生产设施、保障宇航员正常生活的必备条件。
这种航天器不仅可以用来进行太空实验、工业生产，在国民经济建设中具有重要作用，而且可以作为空间军事基地进行作战指挥、控制、侦察、通信、反卫星、反导弹以及在空间进行维修航天器。
新一代空间站可长期在空间轨道上运行，由单个舱室发展成由核心站和若干个自由飞行的航天器组成一个宠大的“复合体”，可在站上维修更换仪器设备，由航天飞机或货运飞船及时补充工作和生活用品，轨道低了还可以自行推高。
这样，它就可以长留太空，成为“永久性空间站”。
站上工作人员也可长期正常生活和工作，成了真正的“天上人间”。
同时，空间站又可成为人类飞往月球和火星，以及其他星际旅行的中转站，为人类开发宇宙、利用宇宙创造了重要的条件。
自从1971年前苏联发射第一个“礼炮”号空间站以来，全世界已有10座空间站进入太空，其中前苏联8座（“礼炮”1-5号为第一代，6～7号为第二代，第三代是“和平”1号），美国1座（“天空实验室”1号），西欧1座（“空间实验室”1号）。
1992年只剩下一座（“和平”1号）仍在太空运行。
实际上这10座空间站因技术水平不够，还远不能称为“永久性”航天站。
在这幼年间，空间站在太空运行中进行了大量科学实验，取得了多方面的科研成果和经济、技术、军事效益，引起人们的高度重视。
有条件的国家都在进一步抓紧研究、论证、试验和研制工作。
从总体上看，这种处于极重要地位的特大型航天器，将是跨世纪的新一代“天骄”。
人造太空“小天地”
迄今为止，各国人造卫星、载人飞船和各类宇宙探测器，由于受到外廓尺寸、起飞重量、工作空间、生活条件，以及能源供应等多重条件的制约，多数只能执行短期的（几天至几个月，最多几年）、单一的（诸如通信、导航、气象、侦察和星空探测等）航天任务。
因此，30多年来世界各国只好频繁地发射，至今已成功地进行了4000多次航天发射，平均一年120次，几乎每三天就有一次成功发射。
其中有不少是属干科学试验，包括航天器本身的验证性发射、特殊任务的特殊发射和随着技术不断发展促使的应用范围扩展的发射；而另有相当大的一部分则是由于航天器本身寿命到期或航天器功能所限不得不进行多重组网的发射。
这样，就使得发射费用宠大、运载火箭坠毁、航天器本身被迫放弃，并造成太空垃圾骤然增多等多种损失，特别是经济损失巨大，使航天事业发展受到一定制约。
航天飞机的发展，虽然已部分解决了重复使用和在轨道上执行发射任务的问题，但仍没有一个可靠的长期停靠的轨道空间站可供使用。
这就需要发展一种能长期滞留轨道上、体积空间较大、可完成多重综合任务的巨型航天器。
这正是空间站产生的内在原因。
日行百万里的科学实验室
空间站比一般航天器规模宏大、容积宽阔、配置设备多、能源供应足、机动动力大，不仅可装载更多的仪器设备和更多的航天乘员，执行多种综合任务，更重要的是它的长寿命，这是一个突出的特点。
空间站能在轨道上运行5年、8年（“礼炮6”号工作了5年，“礼炮7”号工作了8年），甚至更长的10年、20年、30年。
只要能及时供应、维修、局部更新，就可以长期运行下去。
而供宇航员工作、生活的必需条件犹如在地面一样，可使宇航员较长期驻站，也可定期不定期轮换。
空间站上配置多种专用仪器设备，可供宇航员进行多种工作，一人多事，或多人一事，根据工作需要，合理搭配组合。
空间站上的宇航员能充分发挥人的独特功能，可根据视觉、触觉等直观观察，准确判断所需考察的各种现象，遇有意外情况也能及时正确处理。
一句话，可以发挥人的主观思维能力，完成机器不能替代的工作，在轨遣上进行各种操作，实时处理各种信息，以及与地面站及时进行通信联络，沟通情况等。
空间站的仪器设备可供长期反复使用，有了故障可及时修理、更换，充分发挥其长效作用。
空间站的运行轨道可利用自身的机动动力系统及时调整，保证在预定的或需要变动的轨道上长期运行。
空间站上工作、生活的必需品、原材料、加工的产品和考察、侦察的音像资料等各种物资，只需少量的载人（货运）飞船或航天飞机往返运输，就可以保证空间站长期运行下去。
因此，说空间站是天上人间，就意味着它应具有如下7种设施功能：
一是轨道实验室，配备完备的各种实验设备条件；二是长期观察台，具有各种光学、雷达、无线电、红外、激光等观测和侦察设备；三是物资贮藏库，能存放、周转各种物资；四是生产装配车间，具有可进行各种太空产品生产的条件；五是空间转运港，包括物资、设备、航天器和人员转运，犹如一个地面上的中转站一样；六是生活寒馆，能为宇航员提供正常的犹如地面高级宾馆一样的生活条件，不仅具备衣、食、住、行的各种条件，还有足够的活动空间和设施供宇航员休息、娱乐、锻炼身体等设施；七是空间站自身生存力，包括保持轨道运行、防护自救等设施。
如用上述条件来衡量，已经进入太空的空间站，有的部分地达到上述要求，或说基本具备；有的则相差甚远，既无法保证其长寿命，也无法提供足够的工作、生活条件。
因此，只能说是一种理想空间站的雏形，真正条件较好的唯一一座就要属“和平1号”了。
空间站的七大功用
一般说，根据空间站的功能，它具有七大用途：
一是进行科学实验，利用站上各种实验室和舱外平台等设施，可进行各种科学实验活动，包括生命科学、生物工程、天文观测、对地探测和空间环境考察等多种空间学科的研究实验；二是开发空间资源，利用空间站“得天独厚”的有利位置，可获得诸如超高空、超洁净、超真空、超无菌、超微重力以及超阳光辐射等地面所不可能具有的自然条件，进行多种生产、科研活动；三是发展空间产业，利用站上所获得的空间资源，进行特种材料加工和医药生产以及种种新产品生产；四是进行高新技术试验；利用站上的特殊环境条件，进行通信、太阳能、空间推进、对地遥感等多种技术领域的实验工作；五是在轨服务，可在站上对本体维修，还可对其他航天器进行维修，设备的更新换代，建造大型空间设备等服务活动：
六足太空驿站，可作为飞往月球、火星等各大行星的过渡站、加油站、换乘站、供应站等；七是军事作战，这是所有航天器的共同用途，但空间站有着独特的有利条件，成为外层空间的第四战场指挥中心，可从事各种军事活动，包括侦察、照相、太空兵器发射和试验、指挥控制、协调联络等，无疑可成为“天军”作战司令部。
空间站的基本结构
一般空间站的基本构架，由大型运载火箭发射人轨，本体可以载人人轨，也可先不载人，随后上人；或短期上人，长期自行工作。
根据需要，随后发射货运飞船或航天飞机把有效载荷运送人轨与之对接，采取积木式建造逐步扩展。
空间站通常由本体即中心构架、对接舱、气闸舱、轨道舱、生活舱、服务舱、专用设备舱和太阳能电池阵列板等组成。
对接舱用于停靠飞船、航天飞机和各种航天器，一般有两个以上，开始的“礼炮”1～5号只有一个对接舱口，到“礼炮”6～7号增为两个，而“和平”1号已达6个，未来的航天站将有12个至20个。
气闸舱用于密压舱段与真空空间之间的隔离段，为宇航员进出站内外提供必经的过渡通道，设有两道舱门，分别与密压舱和外壳舱相连。
一般宇航员要在气闸舱内吸纯氧至少3.5小时才能出站活动，这叫“吸氧排氮”的“人体处理”。
轨道舱用于宇航员的工作场所，包括实验室、加工室、空间站控制室和修理间。
舱内形成了和地球
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