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空间站与航天飞机

1975年7月15日,苏联和美国先后发射了“联盟19号”和“阿波罗18号”飞船。在“联盟号”升空51小时49分钟之后,两艘飞船实现了对接。苏美两国宇航员在过渡舱里亲切握手,并联合进行了数项科学实验。这项对接活动标志着人类的航天事业由竞赛走向了联合。

随着航天技术的发展和太空竞赛意识的淡化,空间技术的应用提上了日程。从应用角度看,人造卫星、载人飞船都有其不足。卫星太小,装载仪器有限,而且没有人操控,无法进行大规模的科学实验。载人飞船大一点,也有人操控,但轨道飞行时间有限,不能进行长时间的科学实验。能够在轨道上长期停留的载人空间站,可以解决这些问题。

苏联在20世纪60年代中期同时制订了两项太空计划,一是与美国进行竞赛的载人登月计划,另一个就是载人空间站计划。载人登月计划虽然落在美国后面,但苏联发射了世界上第一个空间站——“礼炮1号”。

在载人登月竞赛中,苏联研制出了“联盟号”飞船。飞船虽然没有把苏联人送上月球,但为建立“礼炮1号”空间站积累了经验和技术基础。“礼炮1号”由3个直径不同的柱形舱组成:头部是直径2米的过渡舱,用于同“联盟号”飞船对接;中间是双圆柱体工作舱,长约9米,直径分别约为3米和4米;尾部是仪器和推进舱,装有一台主发动机。过渡舱和主发动机舱两侧均装有两个太阳能电池板。“礼炮1号”全长约14.5米,总重达18吨。与飞船相比,空间站太大了。宇航员们都说:“简直一眼望不到边。”

1971年4月19日,也就是加加林进入太空的10年之后,“礼炮1号”空间站被送上了200千米的太空,成为一座可以定期更换宇航员的太空工作站。6月6日,“联盟11号”飞船载着3名宇航员与“礼炮1号”对接,宇航员顺利进入空间站,并多次操纵改变了空间站的轨道。他们在空间站里按计划进行了多项实验,包括观测恒星、拍摄地球、种植植物和鱼类的运动实验等。3名宇航员在空间站工作到6月29日,按地面指令返回。不幸的是,在成功地与“礼炮1号”分离后,指令舱的一个压力调节阀被打开,舱内的空气泄漏,3名宇航员窒息而死。

苏联的“礼炮1号”空间站属第一代空间站,其轨道大致保持在250千米,为克服空气阻力每年需耗费4.75吨推进剂。改进后的第二代空间站,轨道升高到350千米,每年消耗的推进剂降到了600千克。第二代的改进还有,增加一个对接口用于补充燃料;在空间站外壳上增加把手,便于宇航员舱外活动;加大太阳能电池板的面积,以提供更多的电能。1984年,苏联宇航员创造了在轨道工作237天的最新纪录。

与苏联大致同时,美国也在研制自己的载人轨道空间站——“天空实验室”,但因为主要精力都投入了登月飞行,“天空实验室”计划的执行比较缓慢。阿波罗登月计划完成后,“天空实验室”计划的进展大大加快了。1973年5月14日,“天空实验室”发射升空。但不久出现了一系列的毛病。最主要的问题是流星防护罩丢失,以及太阳能电池板无法展开。5月25日,3名宇航员乘坐阿波罗飞船去修理发射不久的“天空实验室”。经过多次艰苦的努力,反复与实验室对接,终于在6月7日解决了防护罩和太阳能电池板问题。

美国发射的“天空实验室”总长达36米,规模非常庞大。顶端安装的阿波罗天文望远镜,是实验室里主要的科学仪器。第一批宇航员在上面工作了28天,于6月22日返回地面。7月28日,第二批3名宇航员给“天空实验室”带去了补给品和生物实验品。他们在上面工作了59天,曾三次到舱外活动,完成了几次修理工作。11月16日,第三批宇航员上去了,用望远镜发现了一颗新彗星,还拍摄了一次太阳耀斑爆发的全过程。

苏联在20世纪80年代推出了第三代空间站——“和平号”空间站计划。“和平号”空间站的对接窗口增加到了6个,太阳能电池板面积更大、效率更高。由于采用了积木结构,它还可以与5个大型的专用轨道舱对接,使实验规模和范围更大,可开展多用途的工作。1986年2月20日,“和平号”空间站成功发射升空,进入350千米的高空。25天后即3月13日,第一批2名宇航员进入空间站。1987年3月31日,内装天文物理仪器的第一个专业实验舱“量子1号”升空,4月12日与“和平号”空间站成功对接。此后,1989年11月组装了“量子2号”,1990年6月组装了“量子3号”,1995年6月组装了“量子4号”。这期间,俄罗斯宇航员波利亚科夫创造了留空438天的纪录。1995年6月29日,美国“亚特兰蒂斯号”航天飞机与“和平号”对接成功,使轨道空间站一下子成了一个庞然大物:联盟TM飞船-量子1号-和平号-量子2号-量子4号-量子3号-航天飞机。自1971年以来,苏联再也没有发生过宇航员遇难的事故。即使在几次发射、对接失败和飞船发生故障时,宇航员也都安全脱险。

自从航天领域的政治竞赛气氛淡化之后,美国取消了载人火星登陆计划,改而发展航天飞机,强调航天技术的社会效益和经济效益。航天飞机之前的航天器,差不多都由三个部分构成:第一部分是提供飞离地球引力的大推力多级火箭,第二部分是进行太空作业的仪器设备,第三部分是保证宇航员飞回地面的舱体设施。通常完成一次航天飞行,前两部分都丢失了,整个飞船无法重复利用,浪费很大,很不经济。设计航天飞机的目标是使航天器能够重复利用,使升空和太空活动变得更加容易。

航天飞机的设计难度可想而知。根据齐奥尔科夫斯基的质量比定律,为了使整个航天器获得最大速度离开地面,(最终消耗掉的)燃料占全部航天器总质量的比重越大越好,也就是在上升过程中留下来的部分越小越好。等到进入轨道之后再返回,同样的定律起作用了,也是回来的部分越小越好。航天飞机的目标在于,使航天器的主体均能返回并重复使用,这样折算回去,发射时就得携带巨大数量的燃料。

1973年,研制工作正式开始。基本方案是“三位一体”,即航天飞机由轨道器、外贮箱和两个固体助推器组成,其中后两部分不能回收。能够回收的轨道器外形像飞机一样,有机头、机尾和机翼,除主发动机外,在轨道器的多个部位装有46台火箭发动机,用于在主发动机停止工作后变轨、返回制动和姿态控制。1977年,第一架航天飞机“企业号”在波音747飞机的背驮下进行了空域飞行,检验了轨道器的气动性能。1981年4月12日,正是加加林首飞太空20周年的纪念日,第二架航天飞机“哥伦比亚号”在肯尼迪航天发射中心顺利发射升空。这次飞行持续了54小时,绕地球36圈,最后在加州的爱德华兹空军基地降落。此后一年,“哥伦比亚号”又进行了3次试验飞行,均获圆满成功。1982年,“哥伦比亚号”投入商业使用,将两颗通信卫星送上了轨道。

1983年,美国的第三架航天飞机“挑战者号”也进行了6次轨道飞行,发射了几颗商业卫星。宇航员还练习了舱外作业。但两年来的航天飞机试营运表明,每次升空的费用还是太高,耗资1.5~2亿美元,而从商业发射中得到的补偿远远不够发射成本。这意味着航天飞机并未达到大大降低成本的预期目标。1986年1月28日,“挑战者号”第10次发射升空,73秒后发生爆炸,包括一名中学女教师在内的7名宇航员全部遇难,成了航天史上最大的灾难性事件。整个美国沉浸在一片悲痛之中,航天飞机事业被罩上了一团阴影。

“挑战者号”遇难之后,美国加紧调查事故原因,并着手对现有航天飞机进行改进。两年后的1988年9月29日,“发现者号”航天飞机再次成功升空。1992年,代替“挑战者号”的“奋进号”航天飞机成功地发射升空。这次飞行中,宇航员4次出舱对一颗国际通信卫星进行了空间修理,作业时间长达8.5小时。

未来的航天技术将会朝着什么方向发展?按照发展主义的逻辑,作为工业化的一部分,实现工业化生产将会是航天事业的下一步目标。人类在实现了脱离地球的主体意志之后,向外层空间移民、向星球移民,均是合乎逻辑的必然要求。有人确实设计了向月球和火星移民的方案。方案通常分三步走:第一步,对月球或火星进行实地科学探测;第二步,改造月球或火星的生态环境,使之像地球一样适合人类居住;第三步,大规模移民。

20世纪90年代以来,航天事业处在某种低迷状态。耗费太大、经济上不划算是直接原因,而确立下一步的航天目标也是难题。地球上的问题越来越多,环境恶化、生态退化愈演愈烈。如果我们有能力在外星球上重造优美生态,从而向那里大规模移民,为什么我们不用这些力量将地球治理好呢?如果连地球都治理不好,我们怎么能期望在外星球上建立一个适合人类生存的环境?

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