國際空間站的蘇聯(lián)模式為何能成功，我們可以學到哪些經(jīng)驗？
禮炮7號電影劇照
當年美蘇太空爭霸時，美國率先登陸月球，蘇聯(lián)選擇了另一條道路，就是建設太空基地。在國際空間站建設上，蘇聯(lián)走在了美國的前面，“賽先生”此前回顧了這一歷史背景，如今我們再分析一下為何蘇聯(lián)能夠成功，并且在短時間內(nèi)，將空間站進行升級。 蘇聯(lián)當年的經(jīng)驗對于中國當前建設國際空間站和載人航空有哪些幫助？
撰文 | 龐之浩（中國空間探測技術首席科學傳播專家）
責編 | 葉水送
早在1971年，蘇聯(lián)就將全球首個試驗性空間站——禮炮一號發(fā)射升空。當時的蘇聯(lián)掌握了國際空間站最為前沿的技術，短短數(shù)年后，蘇聯(lián)就推出了下一代空間站。
1977年、1982年，蘇聯(lián)入軌的禮炮六號、七號為第二代空間站，且由于它們具有實用性質(zhì)，所以也叫實用性空間站。其主要特點是均有兩個對接口，即可同時接納兩艘飛船，從而能把載人與運貨分開，延長了空間站壽命和航天員在軌時間。
禮炮六號在軌1763.71天，禮炮七號在軌3215.34天。第二代空間站比第一代空間站運行時間大大增長。
試驗和運行表明，第1代空間站采用低軌道，為了克服大氣阻力進行軌道調(diào)整，必須消耗更多的推進劑。如果其軌道高度保持在250千米，每年消耗推進劑為4.75噸；而第二代空間站軌道提高到350千米，推進劑消耗只需600千克。
第二代空間站的外形尺寸大體與禮炮四號相同，但也做了不少改進。除增加1個對接口外，其他改進之處是：
①增加了1個居住艙——中間艙，中間艙殼體焊接于工作艙后部，通過1個密封艙與工作艙連接，中間艙的另一端裝有2個對接裝置，用于?？枯d人或貨運飛船；
②更換了新的發(fā)動機及控制系統(tǒng)。為了保證變軌、交會和對接的可靠性，站上安裝了一個先進的綜合自動控制系統(tǒng)；
③為了進行艙外活動，增設了供航天員出艙用的氣閘艙和航天服，航天員可通過這個門進入開放的太空；
④空間站內(nèi)的生命保障系統(tǒng)和廢物處理及水再生系統(tǒng)也進一步做了標準化改造，增加了淋浴設備等，其中在禮炮七空間站上還增設了由“進步”貨運飛船提供飲水用的供水系統(tǒng)；
⑤服務艙變?yōu)橐粋€等直徑（4.15米）的圓柱體，同時在太陽能電池陣的布局上也進行了大的改變。
禮炮六號空間站與飛船復合體。
從外形看，蘇聯(lián)試驗性空間站和實用性空間站很相似，它們的主要區(qū)別是：
①前者在軌壽命通常低于5年，而后者則在5～10年或更長；
②前者的規(guī)模較小，對接口也少，沒有擴展能力，而后者有2個對接口，它們能同時對接載人運輸器和貨物運輸器或?qū)Ｓ脤嶒炁摚?/span>
③前者的航天員一次在軌時間一般較短，大多為幾十天，而后者的航天員一次在軌時間大多為上百天；
④前者的燃料和消耗品原則上要一次帶足，而后者則是用貨運飛船定期進行多次補給；
⑤前者的有效載荷設備很少更換，而后者可多次更換和增加實驗儀器；
⑥前者的航天員一般不進行航天器的維修工作，只進行試驗、訓練等，而后者的航天員要經(jīng)常進行維修工作。
禮炮一號至五號主要用于技術試驗，禮炮六號、七號則進行了大量對地觀測、空間材料加工、生命科學、天文和地球物理學等研究。
后者新增加的專用設備主要有地球資源照相系統(tǒng)，它能夠多路實時傳送資源信息；廣角對地觀測系統(tǒng)；全波段大氣數(shù)據(jù)望遠鏡，可應用于氣象觀測和天文觀測。此外，還有恒星望遠鏡、零重力實驗系統(tǒng)和生物實驗裝置等。
蘇聯(lián)在空間站的建造方面取得了巨大成功，在空間站領域技高一籌，主要原因是：把發(fā)展空間站作為未來航天計劃發(fā)展的核心和一項國策，始終認為只有空間站才能充分開發(fā)和利用空間資源；采取了慎重穩(wěn)妥和循序漸進的方式，最大限度地利用了成熟技術，即首先陸續(xù)發(fā)射5座單模塊艙段式試驗性空間站，以試驗空間站的有關技術；取得一定經(jīng)驗后發(fā)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和平號。
“禮炮”系列空間站的設計原則是：簡單性，以大大縮短研制時間；通用性：盡可能采用已有的且比較成熟的技術，風險較?。粷u改性: 力求使試驗性空間站和空間站具有較大的發(fā)展?jié)摿?。它們大量應用了“?lián)盟”飛船的技術和成果，包括生命保障系統(tǒng)、軌道機動和姿態(tài)保持系統(tǒng)及其動力系統(tǒng)、軌道對接技術及控制技術、太陽電池電源系統(tǒng)。這些基本設備和系統(tǒng)可以不必作大的改動就可直接用于“禮炮”，因此不需要重新發(fā)展高難度的技術。
此外，為了縮短研制時間，“禮炮”采用比較簡單的外形結(jié)構(gòu)，體積也能適應已有運載火箭運載能力一次發(fā)射的限制，所以比較容易實現(xiàn)，減少了難度和風險。
打造禮炮七號
“禮炮”系列空間站均采用單模塊艙段式構(gòu)型，它包括居住艙、實驗艙、資源艙、對接過渡艙和氣閘艙等，由運載火箭一次發(fā)射入軌，入軌后太陽電池翼等部件自行展開投入工作，工作正常后再由載人飛船把人送往空間站。采用這種構(gòu)型使空間站外形簡單，硬件少，容易實現(xiàn)，造價較低。它除了具有投入工作迅速的優(yōu)點外，還不需要在軌道上對接組合或裝配大型系統(tǒng)的復雜過程，風險和難度都較小，安全性較高。
但其缺點也很明顯，即規(guī)模小，不易擴展，從而限制了有效載荷的規(guī)模。由于所有儀器設備只能布置在艙段內(nèi)，因此很難合理地布置站上的分系統(tǒng)和有效載荷，不同性質(zhì)的載荷不能做到相互獨立，不可避免地造成一些不利的影響。而且由于各種載荷的安裝十分緊湊，也使得出現(xiàn)重大故障時系統(tǒng)難以修理或更換。
另外，“禮炮”系列空間站只能利用在蘇聯(lián)國土內(nèi)的7個測控站和12艘測量船進行測控和通信，每繞地球一圈，只能與地面通信15～20分鐘，因此它們的管理和使用具有較大的局限性。
禮炮七號空間站與聯(lián)盟T5飛船軌道復合體
按照設計，“禮炮”系列空間站有些系統(tǒng)的邏輯功能如供電系統(tǒng)工作方式的切換，需要由地面指令或航天員操縱來控制。在不載人運行期間，一旦與地面失去聯(lián)系，空間站的供電系統(tǒng)便會以無法預料的方式工作，禮炮七號就曾出現(xiàn)過這類問題。當時空間站上所有的系統(tǒng)均供電不足，站內(nèi)溫度降到零度以下，氣體組分控制系統(tǒng)停止工作，水和食品都已結(jié)冰，情況十分危急，后經(jīng)過在軌維修才恢復正常。
這次修理是一次壯舉，反映了蘇聯(lián)在空間站對接、手動交會等方面已具有很高的能力，同時也說明蘇聯(lián)在空間救援上邁出了一大步。禮炮七號的這次事故還說明它在設計上存在較大漏洞，需要得到解決。
在太空運行的禮炮七號空間站
第三代空間站——“和平號”多模塊積木式空間站正是在這種背景下問世的。由于運行時間長，所以也叫長久性空間站。多模塊積木式空間站是艙段式空間站的合理發(fā)展，其每個艙段都有獨立的電源及控制系統(tǒng)，因而比較靈活，具有功能強、使用范圍廣等特點，部分解決了單模塊艙段式空間站存在的問題。
因此，蘇聯(lián)從1986年開始建造多模塊積木式空間站“和平號”。它的最主要特點是，雖然其核心艙仍采用艙段式構(gòu)型，但有6個對接口，除用于對接飛船外，還對接了5個實驗艙。
由16個國家共同研制、俄羅斯主要參與的“國際空間站”是第四代空間站，采用了更先進的桁架掛艙式構(gòu)型，2011年建成，目前仍在太空運行。
實踐證明，蘇聯(lián)的循序漸進方式較好；要針對實用性空間站的要求來設計試驗性空間站，但不能要求太高；對接技術、對接口數(shù)量和貨運飛船是關鍵；航天員的居住時間需逐漸增加；適當提高空間站軌道高度可減少補給。
從1971年4月至1977年8月，蘇聯(lián)發(fā)射和運行了5座試驗性空間站，即禮炮一號至五號，建立了以試驗性空間站為主體，用“聯(lián)盟”飛船作為運人兼運貨的運輸工具的體系，目的是為后來的實用性空間站取得經(jīng)驗，并試驗載人飛船作為往返運輸系統(tǒng)的能力。
1976年6月～1986年5月，蘇聯(lián)發(fā)射和運行了2座實用性空間站，即禮炮六號、七號，建成了以實用性空間站為主體，載人飛船和無人貨船為運輸系統(tǒng)的載人系統(tǒng)航天體系，大大提高了工作效率和工作壽命，創(chuàng)造了航天員在軌連續(xù)工作237天的記錄。
加加林航天員培訓中心的和平號模擬器廳
從1986年2月～2001年，蘇聯(lián)/俄羅斯發(fā)射和運行了世界上首座可以在軌擴展的長久性載人空間站——“和平號”。它不僅在軌壽命長（5505天），航天員駐站時間長（累計4951天），駐站率高，而且實現(xiàn)了分批發(fā)射部件，然后在軌組裝成大型載人航天器的全新建造方式，還掌握了利用航天員出艙維修和貨運飛船補充物資等延長航天器壽命的技術。
從蘇聯(lián)空間站的發(fā)展過程可以看出，先發(fā)展試驗性空間站是必要的。因為，當時世界上沒有空間站運行的經(jīng)驗可供借鑒，需要發(fā)展試驗性空間站來探索和掌握實用性空間站的運行經(jīng)驗和技術。在蘇聯(lián)的5座試驗性空間站中，除禮炮二號因入軌后失控造成解體外，其余4座都獲得了成功。
蘇聯(lián)的5座試驗性空間站運行壽命都不長，這主要是它們都僅有1個對接口，每次只能對接1艘人貨兩用飛船，因而站內(nèi)的科研儀器和物品均是在發(fā)射前就裝入，很難補給，這就限制了載人航天的時間和空間站的壽命，站上有人的時間僅占空間站在軌運行時間的7.47%（禮炮三號）～16.26%（禮炮五號），而站內(nèi)無人時是不工作的，因而利用率低。這也表明，對試驗性空間站不能要求太高，主要用于突破和掌握航天員中短期駐留等空間站關鍵技術，開展一定的空間應用。
初期的和平號核心艙（飛船?？科渖希?/span>
質(zhì)量、構(gòu)型與禮炮一號至五號很相似的禮炮六號、七號僅增加了1個對接口和使用了貨運飛船，就大大延長了空間站的運行壽命和航天員的工作時間，擴展了用途。這一經(jīng)驗極為重要。試驗性空間站主要用于技術試驗，實用性空間站則進行了大量對地觀測、空間材料加工、生命科學、天文和地球物理學等研究。
在蘇聯(lián)試驗性空間站運行期間，蘇聯(lián)共發(fā)射了11艘飛船準備與“禮炮”系列試驗性空間站對接，而發(fā)生重大故障的飛船達5艘，故障率高達45.5%。因此，應對交會對接技術的復雜性和難度引起足夠的重視。
禮炮一號只接待過1批共3名航天員，他們居住了24天。到禮炮四號，則接待過2批共4名航天員，他們共居住了90天。從禮炮六號開始，航天員在空間站上的居住時間進一步增加，最長達上百天。而且，航天員們開始互相交換乘坐的飛船。
例如，聯(lián)盟二十六號的航天員，返回時乘坐聯(lián)盟二十七號。交換飛船是為了延長聯(lián)盟二十六號航天員在禮炮六號上的生活時間，同時使聯(lián)盟二十七號有足夠的卸貨時間。以上數(shù)據(jù)說明，航天員在試驗性空間站上的駐留時間是逐漸延長的，這與航天技術的不斷發(fā)展和任務的日益擴大密切相關。
和平號空間站全貌
“禮炮”系列試驗性空間站的軌道高度在200～300千米之間。根據(jù)軌道動力學理論推算，它們在大氣阻力作用下，軌道高度每天下降3千米左右，為了維持軌道高度，每天需要花費15千克燃料，2個月需要900千克。后來的禮炮六號、七號分別進入了349千米和475千米高的軌道，使用壽命大大延長。研究表明：若將軌道高度提高到500千米左右，則每天只需消耗0.35千克的燃料，就可以維持軌道高度。所以，空間站的軌道高度不宜太低。
航天員在空間站上每人每天需要氧氣0.8千克，食物（干）0.7千克，水8.5千克（其中3千克為飲用水），共計10千克。如果空間站上的洗滌水重復回收使用，那么每人每天只需5千克。
在和平號空間站核心艙睡位上航天員拉上睡袋拉鏈準備睡眠
通過分析和推算可知，“禮炮”系列空間站上的補給量大部分用于軌道維持。此外，“禮炮”上的洗滌水也沒有很好回收復用，從而加重了后勤補給任務。如果空間站采用提升軌道高度和廢水復用技術以后，且3名航天員在空間站內(nèi)長期生活，后勤補給飛船只需每隔3個月發(fā)射1次，每次運輸2噸左右的補給物資即能滿足需要。
第三代空間站“和平號”也存在一些不足：總體構(gòu)型設計有問題，電力供應嚴重短缺，天地往返運輸能力低，站上儀器設備的可靠性差，這些直接影響了空間站的正常運轉(zhuǎn)、有效使用和航天員的生活。
