28年国际空间站的前世今生.docx

1、28年国际空间站的前世今生1、襁褓卡角一声巨响，航天飞机闪亮登场。1981年4月12日，美国航天飞机“哥伦比亚号”从卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心的39号发射台腾空而起，2天后顺利返回地面，首飞圆满成功，终于将尴尬的7年载人航天空白期甩在脑后。自从1974年美国航天员从“天空实验室”撤回地球后，这是美国人头一次进入太空。国家航空和航天局（NASA）欣喜之余认为，争取经费再搞一个大项目的时机到了。NASA在媒体上宣传说，建设永久载人空间站是载人航天发展“符合逻辑的下一步”。1982年5月，NASA成立空间站任务特遣组（Space Station Task Force）研究用户的可能需求。NASA与波

2、音、麦克唐纳-道格拉斯、TRW、罗克韦尔、格鲁门、通用动力/康维尔、马丁?玛丽埃塔和洛克希德共8家公司分别签署了一份价值100万美元的合同，要求它们对空间站方案进行论证研究。“哥伦比亚号”航天飞机第一次飞向太空时的情景，中间巨大的外贮箱被涂成了白色，后来NASA为了节省成本决定不刷白漆，所以大家现在看到的航天飞机外贮箱都是“本色演出”，通体橘红色。1983年3月，各公司提交报告，提出了自己的概念设计。这8种方案五彩缤纷，各具特色，共同点是都采用多舱体设计，舱体使用航天飞机运送到预定轨道，由航天员在太空组装，电力供应采用大型太阳能电池帆板。美国人喜欢“梦”这个词，北京奥运会上美国男篮号称“梦八队

3、”，一家美国巨型公司的最新广告语是“梦想启动未来”，“美国梦”的叫法也屡屡在好莱坞电影中出现（当然，如今多出现在喜剧片中，成为鼓吹和揶揄的双重对象）。20多年前，一个美国老人也抄起了这件法宝。“我们能追随我们的梦想前往遥远的星球，在太空生活和工作，从而取得和平的、经济的和科学的收益。今晚，我命令国家航空和航天局在10年内建成一座永久的载人空间站。” 1984年1月25日，美国当时的总统罗纳德?里根在国会发表一年一度的国情咨文（有点像我国国务院总理在每年3月的全国人民代表大会上做政府工作报告），正式宣布美国将研制大型空间站。里根同时要求NASA邀请美国的“朋友和盟国”加入这个项目中来，向世界“传

4、播自由”。盟国们也真给面子，欧洲航天局、加拿大和日本都宣布参加空间站计划。1984年6月，伦敦，西方七国首脑会议，里根得意地向英国首相撒切尔夫人、日本首相中曾根康弘等展示空间站模型。既然总统已经发话了，空间站项目就由NASA的部门层面上升到国家层面。不过总统的支持来之不易，总统科学顾问和国防部长都对NASA研制空间站持反对态度。NASA向总统保证会以最小的代价达成目标。有多小呢，只要80亿美元就行了。NASA为了研制航天飞机花了124亿美元，这还不包括后来那4架航天飞机轨道器的建造费用。再看空间站的研制费用，NASA这回确实是勤俭持家。不但花钱少，而且功能多。NASA列出了空间站的8种功能：太

5、空实验室永久对地观测平台天地运输节点航天器维修保养平台航天器在轨组装工业生产平台太空仓库其他大型任务（如探测月球、火星）的中转站NASA成立了一个空间站概念发展小组分析评比前一年各大企业提交的方案，3月给出了分析报告，筛选出4个候选方案，还有1个备用方案。这5个方案分别是：约翰逊中心的“跑道”方案 带有太空拖船和卫星维修站马歇尔中心的“平面CDG”方案 非常类似1993年的国际空间站方案“三角”方案 有一座大型三角桁架，两端布置太阳能帆板和增压舱段“大T”方案 有一个T字形太阳能帆板和增压舱段，靠重力梯度稳定备用方案“纱阵”方案 外形就像一个巨大的纺轮这几种方案里哪一种能入您的法眼？、“动力塔

6、”1984年4月，在约翰逊航天中心内新成立的“空间站项目办公室”最终将波音/格鲁门的方案合并修改成“动力塔”方案作为空间站基准设计方案。“动力塔”名字来源于它的重力梯度稳定方式。空间站有一根122米长的大梁指向地球，大梁下端（也就是偏地球那头）布置航天员居住和工作的舱体以及航天飞机对接口。在大梁中间偏上的地方横着放置一根82米长的桁架，两端共布置8块大型太阳能帆板。航天器运行时的姿态控制是设计师要考虑的大问题。传统的姿态控制办法是航天器用姿态传感器感知姿态变化，如果即将超出允许的范围，则开启动力装置恢复应有的姿态。打个比方，我一不小心踩在西瓜皮上，眼看要摔跤，我闪电般移动身体瞬间把重心稳住，避

7、免了与大地的亲密接触。这种办法需要我的平衡感官正常而且全身要协调运动，即使这样事后也不免出一身冷汗。与此类似，空间站在轨道上运行时受各种干扰，姿态发生变化，严重时会影响空间站内的工作甚至危及安全。所以空间站要设立复杂的姿态感知和控制系统，用以维持正常的姿态，这会占用空间站非常宝贵的空间和质量。“动力塔”的大梁就像大钟静止下来的钟摆，重力使它始终指向地心，不需外来能源就能稳住空间站。NASA认为这种无源方案既能控制好姿态，又节省空间和质量，一举两得何乐不为。“动力塔”外形简洁，大梁指向地球的那端装有圆柱体形状的居住舱和实验舱，中部是8块大型太阳能电池帆板，最上端是天文观测等科研仪器。“动力塔”空

8、间站上的建设将分步实施，第一阶段建设2个居住舱和2个实验舱，6名航天员常驻其上，空间站运行轨道高度400千米，倾角28.5度。建设从1992年开始，在3年里，航天飞机飞行12次，将大型部件送上轨道。航天员要频繁出入太空，把这些部件组装成完整的空间站，最繁忙的时候每个航天员每周要进行18小时太空行走。到1993年4月，空间站开始具备初步工作能力。时间紧迫，1985年4月，NASA和几家承包商签订合同，开始概念研究和初步设计。1984年7月，NASA把空间站概念研究工作分成四大块，分别由下属的“四大天王”管理，它们是：约翰逊、马歇尔、戈达德和刘易斯中心。其中值得一提的是刘易斯研究中心负责的空间站能

9、源方案选择的论证，说白了就是研究空间站的电从哪里来、怎么分配等问题。摆在他们面前的是传统的太阳能光伏电池和新兴的太阳光热动力发电装置。前者的优势是技术现成，风险小，投资小，没有活动部件。后者的好处是能源转换效率比前者高，寿命长，而且质量小，面积小，这样它对航天站姿态的影响小，空气阻力也小，可以节省站上宝贵的推进剂。当然有利也有弊，太阳光热动力发电装置研发还处在初期，何时能投入工程应用还未可知，而且建设时一次性投入高，再加上有活动部件，可靠性低一些。1985年4月，NASA拨出2000万美元给刘易斯中心这个组的承包商TRW公司和洛克希德公司研究供电技术。1980年代后期，NASA又开始研究利用系

10、绳卫星切割地球磁力线发电作为空间站的辅助供电手段。闲话少说，各公司交作业的时间到了，当人们看到这些方案后不禁目瞪口呆这些设计几乎一模一样，简直是一个娘胎里蹦出来的。马丁.玛丽埃塔公司方案。罗克韦尔公司方案。TRW公司方案。请看上面三种设计，是不是如出一辙。美国一向标榜自己的创新精神，可是这些顶尖的美国空天企业居然跟商量好了似的，推出如此接近的设计，毫无创新可言。观察家们批评承包商一味保守，只知模仿基准设计，减少风险，以便赢得竞标。1987年5月，前空间站工程师奥利弗?哈伍德（Oliver Harwood）在美国参议院的一次听证会上作证说：“我国空天工业的创造精神和能力正在被橡皮图章恣意挥霍。N

11、ASA的设计代替了自主的、有竞争力的解决系统问题的办法。为什么8家承包商提交的方案如此相似？在真正的竞争下，每个方案都应该有鲜明的特点，不会雷同。”“动力塔” 一出笼就面临问题。首先是管理和预算办公室把1985财年预算从2.35亿美元削减至1.5亿美元，这点小小的减少使总费用增至81亿美元，按币值约合现在的114亿美元。同时，外界特别是空间站未来可能的用户强烈批评“动力塔”的设计导致空间站内微重力环境很差，在这里从事微重力试验和生产简直是噩梦。3、“双龙骨”在用户和航天员的压力下，1985年10月，NASA完全改变了空间站的基本设计。新方案最大的的特点是大梁不再指向地球而是横在太空中，成为空间

12、站的桁架，这根架子足有150米长，在它的中部是一个矩形框架，桁架和矩形框架上都可以安装舱段和必要的设施，如太阳能电池帆板、通信天线、科研设备等。有人把这个矩形框架比作空间站的龙骨，于是“双龙骨”的名字被人广泛叫起来了。“双龙骨”方案主要来源于洛克希德公司和麦克唐纳-道格拉斯公司的设计。由于在桁架中部加设了“双龙骨”，它的主结构刚性比“动力塔”高得多，因此更容易稳定，站上的微重力环境也比“动力塔”好得多。因为科学家们担心人数太少会让站上的乘员组忙于空间站的组装和日常维护，无暇顾及科学实验任务，所以乘员由6人增至8人。NASA希望第一个部件能在1993年1月发射。这张图很清楚地显示了“双龙骨”方案

13、的特点，一根主桁架横在太空中，两端分别布置了太阳能光伏电池帆板和太阳热动力集热器；中间是大型巨型框架，环抱着居住、实验舱，上方还有卫星维修码头；一架航天飞机轨道器正准备与空间站对接，远处是太空拖船，用于拖拽需要修理的卫星。空间站建设分两步进行。第一阶段先装好主桁架和部分舱段，让航天员可以在站上生活工作，需要航天飞机飞行11架次。第二阶段将把剩下的部分全部完成。 NASA声称，变更设计后，空间站的性能提升很多，但成本只需增加4亿美元，实在是价廉物美。但很多人怀疑这种说法，他们觉得这么复杂、庞大的空间站成本增加得不会只是一点半点。NASA决心用实施堵住这些讨厌鬼的嘴巴。设计师们努力在空间站的成本、

14、工程难度、安全性和用户需求之间寻找最佳平衡点。1986年3月。设计B1阶段结束，NASA将桁架结构横截面尺寸从3 x 3米提高到 5 x 5米，以提高结构刚度和强度。空间站电力输出功率提高到87.5千瓦，其中太阳能光伏电池占37.5千瓦，太阳光热动力发电装置占50千瓦。美国乘员舱由 4个砍至2个，以腾出地方给欧洲和日本的合作伙伴放置他们的舱体。为了保证居住容积不变，美国舱的长度增至13.3米。“双龙骨”空间站上的增压舱段，里面非常宽敞，3名航天员同处一室也丝毫不觉拥挤，舱段之间有增压通道相连。1986年5月，NASA空间站办公室公布了推荐基准方案作为C/D阶段的开始。为了削减成本，空间站外用于

15、科研设备的固定接口9个减到5个。2个卫星维修码头也取消了。根据计划，1993年1月第一个组建发射入轨，经过航天飞机6次运送后，到1993年8月，空间站基本具备初始的有人照料支持能力。再经过两次航天飞机飞行，到1994年1月，空间站将准备好达到初步的永久工作能力。在21次飞行后，正式具备永久工作能力。2 1次比12次，这差不多是“动力塔”方案时期的两倍。不过这还没完。在1986年1月28日挑战者号那次灾难性的事故后，为了提高安全性，危险性评估特遣组（Critical Evaluation Task Force）分析了空间站的设计，肯定了它的安全性，但是要求减小航天飞机轨道器每次运输载荷的质量，而

16、且每次飞行任务的复杂性大大提高。10 月，NASA公布了最新的组装进度安排，为达到初步工作能力，航天飞机飞行次数将增加到30次以上，而1984年的方案中只需要8-10次。约翰逊航天中心认为这意味着航天员出舱工作（EVA）也会相应增加，安全性随之下降。他们发现自己陷入了怪圈：为提高安全性执行的措施反而降低了安全性。“双骨架”方案的一些设计让很多人不太感冒，他们直言不讳地点出了不少问题，诸如维护口盖设计不好，航天员维护时难以接近；乘员居住舱向外观察的视野不佳；没有EVA设备的内部传送设施等等。航天飞机航天员戈登?福勒顿（Gordon Fullerton）批评说：组装空间站需要进行的太空行走太多太复

17、杂，结构和管线不易维修和更换，EVA用于空间站维护的时间过多。美国舱段2+2变成 1+1，没有地方增加淋浴间、盥洗室或者航天员避险“安全屋”。修正设计失误也许是不可能了，但愿意外的失败不会发生1986年夏天，空间站计划一度停摆，因为NASA陷入了一场严重争吵。事情源自NASA试图将部分居住舱任务从约翰逊中心划给马歇尔中心，约翰逊中心不干，两个中心的头头和NASA更高的头头爆发了争吵。直到9月份这事才平息下来，两个中心和NASA高层达成妥协，各退一步。从这个事例也可以窥视出NASA华丽光鲜外表之下的内部问题之一斑。NASA毕竟是个官僚组织，而且是头拥有十几个中心、实验室、研究所和数万雇员的庞然大

18、物，内部各小集团利益有时互相交错，有时严重冲突，一旦产生内耗，后果不容小视挑战者号事故可不是偶然发生的。经过艰苦的讨价还价，国会终于通过了NASA空间站 1987财年的预算：4.2亿美元。要拿到这些钱就要满足国会老爷们的苛刻要求，比如空间站输出功率至少要达到37.5千瓦；航天飞机第六次组装飞行后，微重力实验室应该投入使用。甚至外国合作者也受到影响，国会要求必须在发射完美国舱段后才能发射外国的舱段，而且要限制欧洲航天局哥伦布舱进行生命科学实验。这些要求实际上迫使NASA对空间站设计进行重大修改。修改的方向竟然来自NASA的内部约翰逊中心。NASA早先在国会作证时，拍胸脯说没有一分钱用于空间站的其

19、他任何一种设计。没想到下面的人竟然瞒着NASA的高层“反叛”。约翰逊中心命令它这组的主承包商罗克韦尔公司和麦克唐纳-道格拉斯公司审查一种更小、更紧凑的空间站设计。当然，干这活时必须绝对保密，要瞒着NASA总部那帮官僚老爷。NASA的头儿们就这样被自己人敲了一闷棍，生疼。这事曝光后，NASA内部流行一句笑话：谁能告诉我，休斯敦和华盛顿，哪个是我们的头？解释一下，约翰逊中心位于德克萨斯州休斯敦，NASA总部在华盛顿。转眼来到了1987年。2月NASA公布了一份详细的空间站计划成本清单。这份文件显示，按1984年币值计算，“双骨架”空间站计划至少要耗资145 亿美元，相当于现在的210亿美元。这个巨

20、大的数字立刻在国会引发纷纷议论，政客们开始利用这个机会表达对空间站计划的怀疑。NASA极力维护这个能给它们带来巨大收益的项目，经过沟通，在春光明媚的3月，里根政府官员和NASA达成妥协，白宫允许NASA继续推进空间站计划，但是必须修改设计方案，把庞大的双龙骨结构和一半太阳光热动力发电装置从设计中去掉，这样可以省掉大笔美元，只需要122亿就能造出人类史上前所未有的太空建筑。嗯，当然，前提是NASA能改掉一贯超支这一著名“恶习”。注释：NASA 是National Aeronautics and Space Administration的缩写，翻译为中文是美国国家航空和航天局，也有人翻译为“美国宇

21、航局”、“美国航宇局”、“美国国家航宇局”、“美国太空总署”或“美国航太总署”。Aeronautics是航空学之意，Space有太空、航天之意，笔者认为从简洁和准确的角度出发，中文简称不妨翻译成“美国空天局”。NASA是美国联邦政府管理民用航空和航天项目的机构，成立于1958年10月1日。NASA1975年到1992年使用的LOGO。 这个名单几乎把美国最有实力的航天防务企业一网打尽。波音不仅造喷气式运输机，而且在航天领域也很有实力，不过它最拿手的看家本领是吞并竞争对手，1997年它把另一家老牌空天企业麦克唐纳-道格拉斯公司吞并了。麦克唐纳-道格拉斯可能叫它的简称“麦道”更为人熟悉，它研制生产

22、的DC-8、9、 10和F-15、F/A-18、德尔塔运载火箭如今都成了波音的当家产品。TRW公司可能知道的人少一些，它的强项是研制地面武器和侦察卫星、罗克韦尔的名牌产品是航天飞机、阿波罗指令舱和B-1战略轰炸机，格鲁门生产海军舰载飞机，如F-14、A-6、E-2等，在航天领域，13个阿波罗登月舱都是它的 “孩子”，1994年它同诺斯洛普公司合并成为诺斯洛普?格鲁门公司。康维尔是通用动力的子公司，通用动力公司曾是美国最大防务承包商，产品上至卫星、火箭，战斗机，下至坦克、火炮、核潜艇，无所不包。不过，在近年的竞争中，它落在了波音和洛克希德的后面。U-2、SR-71、F-104和大力神火箭都是洛克

23、希德的骄傲。自从1995年与马丁?玛丽埃塔公司合并后，宇宙神火箭加入，公司在航天领域也能和其他豪强掰腕子，而且常掰赢。在美国新一代载人航天器 “猎户座”乘员探索飞行器(CEV)竞标中，洛?马公司再次得胜。NASA有很多下属机构，主要有：埃姆斯研究中心（NASA- ARC）、德莱顿飞行研究中心（NASA-DFRC）、格伦研究中心（NASA-GRC）（1999年由刘易斯研究中心更名而来）、戈达德空间科学研究所（NASA-GISS）、戈达德航天飞行中心（NASA-GSFC）、独立认证与鉴定研究所（NASA-IVVF）、喷气推进实验室（NASA- JPL）、肯尼迪航天中心（NASA-KSC）、兰利研究

24、中心（NASA-LRC）、约翰逊航天中心（NASA-JSC）、马歇尔航天飞行中心（NASA-MSFC）、斯坦尼斯航天中心（NASA-SSC）、沃罗普斯发射场（NASA-WFF）和白沙试验场（NASA-WSTF）等。这些机构各有分工，实力雄厚，如大家很感兴趣的火星探测计划由喷气推进实验室负责，约翰逊航天中心负责载人航天飞行的指挥控制。4、“自由”1988年6月，里根将新方案命名为“自由号”空间站（Space Station Freedom）。虽然是减量缩水版，“自由号”空间站依然是头吞金巨兽。按照NASA的如意算盘，1988财年拿到7.67亿美元预算；1989和 1990财年，预算14亿美元；然

25、后是19911993财年每年23亿美元。1994财年降回14亿美元，当年3月，航天飞机将空间站第一个部件，1995年4月达到可永久载人的水平，1997年3月全部建成。NASA试图减少航天飞机飞行次数，按照这个计划，一共需要航天飞机飞行17次。画家在1989年创作的“自由号”空间站想象图，已经看不到“双龙骨”了。不过这样就比NASA先前的进度安排落后了6到9个月，国会很不高兴，敦促NASA加快进度。科学家们同样不高兴，与“双龙骨”相比，“自由号”的科研仪器外部泊位由5个砍至2个，一下少了60%。他们也对空间站进度的滞后不耐烦，许多科学家呼吁先用重型火箭发射一个类似“天空实验室”那样但尺寸小一些的

26、单舱入轨，这样他们就可以早早开始科学试验，不用等到航天飞机一点一点把部件送上天。这时外界对空间站项目如此依赖航天飞机已经感到一丝隐隐的不安。科学家之间也没闲着。生物科学家抱怨材料科学占用了过多研究机会，站上缺乏可变重力离心机（variable-gravity centrifuge）、动物饲养设施和专用生命科学实验室。倒是国会对科学家们很照顾。“自由号”空间站原本在第一阶段只安装2块太阳能电池帆板，但是国会要求再增加1对，以保障科研实验。和1986年夏天相似，空间站项目此时再次陷入争吵，不过这次不是来自内部而是来自大西洋对岸的伙伴。欧洲航天局（ESA）和NASA在前者的角色问题上无法达成一致。前

27、面说了，美国国会限制甚至禁止ESA在“哥伦布号”上进行科研工作。欧洲人理所当然地坚决反对，道理很简单我们出钱造的东西我们反而不能用，太欺负人了吧。他们坚持要在自己的舱段上从事材料科学和生命科学研究。而且ESA还认为，空间站项目的合作伙伴完全按照“按资分配”的原则确定收益是不妥当的，应该按照一致同意的原则确定合作协定。麻烦还没有结束。1987年4月，美国国防部又插进一杠子。以“冷战斗士”著称的国防部长卡斯珀温伯格（Caspar Weinberger）宣称，美国有在“自由号”上进行军事研究的完全权限。这下可炸了锅，NASA和外国伙伴站在一起反对嚣张的国防部。就这样，自己人和自己人、自己人和外国人之

28、间的矛盾让空间站计划步履蹒跚。经过艰苦谈判，1988年9月，美国与加拿大、欧洲航天局，1989年3月与日本分别达成协议。协议规定，美国建设2个舱，加拿大贡献机动服务系统（注八），欧洲航天局建造“哥伦布号”实验舱，日本建造“希望号”实验舱。美国实验舱97%的使用权归NASA，3%归加拿大航天局。欧洲和日本的实验舱 51%归自己，46%归美国，3%归日本。空间站有8名航天员常驻，6人来自美国，2人来自其他成员国。原本计划每个乘员组在空间站驻留90天，然后航天飞机将下一批乘员送上来，完成任务的乘员组乘坐这架航天飞机回到地球。这就像很多单位用交通车接送职工上下班，只不过这接送一次成本可高了去了。NAS

29、A 想方设法要把航天飞机用于空间站任务的飞行次数从每年8次降到56次（除了接送乘员组外航天飞机还要运输空间站部件、仪器设备和补给）。受“挑战者号” 失事的影响，人们要求NASA评估研制一种货运重型火箭和载人航天器的可能性，如果航天飞机再出点啥事，有这两样东西就可以保证空间站任务不受影响。当然说归说，NASA得到的那点预算都堆在空间站上还嫌不够呢，怎么可能开辟新战场浪费自己的银子。这不，国会把NASA申请的7.67亿美元的1988财年空间站项目预算砍到了5.25亿美元。到了1989财年，国会批准拨付的资金达到了9亿美元，表面上好像比上一年多了，实际上比NASA要求的14亿美元差了不少。从技术上讲

30、，1987年的基准设计上依然有“双龙骨”的位置，但是国会没答应为它拨预算，所以NASA的官员私下对“双龙骨”的命运感到怀疑。载人行星探测计划的鼓吹者们更是对这一前景感到失落，如果真的取消“双龙骨”，缩小空间站规模，那么当初NASA将空间站作为飞行器的组装、检修、中转站，便于人类远征火星等遥远天体的承诺就变成了一句空话。好在这时候空间站遇见贵人了。1989年7月20日，新当选的美国总统乔治布什（George Bush，俗称老布什）在阿波罗11号登上月球20周年纪念活动上满怀豪情地宣布，美国将重返月球，20012005年间在月球建立基地，2018年远征火星。他说：1961年，我们曾遭遇危机（指美国

31、未能抢先将航天员送入太空），但危机使我们加快前行。今天，我们没有“危”，有一个“机”。我不是打算提出像阿波罗那样的10年计划，而是提出一个长期的、不间断的承诺。首先我们要在下一个10年建成“自由号“空间站，然后我们要返回月球，未来，我们将派人登上火星。空间站是支撑载人空间探索必要的第一步，我要求副总统领导国家航天委员会研究下一轮航天探索的需求，委员会将直接向我报告工作。”“自由号”空间站在这项宏大的计划中占有重要地位。这样一来，“双龙骨”结构就有用武之地了。NASA算了一笔账，为了实现布什的登月计划，建设登月航天器支援设施、新增的电力供应设施、1416名航天员的居住舱至少需要投资10亿美元。“双龙骨”又看到了一线希望。不过国会没给新总统面子，把NASA申请的空间站1990财年预算从20.5亿美元削减到17.5亿美元。NASA内部非常恼火：国会也太狠了，一砍就是 3亿。但表面上又不能得罪那帮国会议员，于是NASA告诉国会，由于预算不足，“自由号”空间站的第一次发射将从原计划的1994年推迟到1995年3 月，具备永久载人能力则要推迟到1997年6月，全部完成要到