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  发布者:尹传红 |  浏览(11241) 评论 (0)  | 发布时间:2013-12-06 23:19:29 最后更新时间:2013-12-07 00:07:43  
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科学传奇(7):太空站的前世今生——从《地心引力》谈开去

《北京晚报》20131129日第40-41

 

太空站的前世今生

尹传红

 

《北京晚报》编者按:正在热播的电影《地心引力》表现了科幻小说写了几十年的太空灾难求生主题。在深邃浩瀚的外层空间,蔚蓝的地球与深不见底、漆黑一片的宇宙形成鲜明对比。电影虚构了一个宇航人员因空间站被毁想尽办法返回地球的故事,那么真实的太空站是什么样子的呢?《北京晚报》特约科普作家尹传红为读者讲述太空站的前世今生。

 

 

在靠近地球的空间

摆脱地心引力的大胆设想

 

摆脱地球的束缚,向漫漫太空远航,是人类长久以来的梦想。

然而,这谈何容易?

那么,在近地轨道上,我们难道不能做些什么吗?

 
其实,早在1687年,牛顿就在其经典名著《自然哲学的数学原理》中论证过,有可能以极大的初速度抛出一颗不再落回地球的物体。这种探讨实际上表达了人造地球卫星和空间站的原理及其实现的可能性(尽管牛顿没有这样用词)。

1870年,美国作家爱德华•埃弗雷特•黑尔在《大西洋月刊》发表科学幻想小说《砖砌的月亮》,描述了一个人造的空间导航台。小说主人公称:一个容易看得见的物体在一个闭合的轨道上绕地球而旋转,对于航海者将具有很大的价值。作者设想用砖砌成一个直径为61米的砖月亮,利用一个巨大的飞轮旋转时产生的惯性力将其送入近地轨道。这被看作是人造地球卫星或载人空间站的首次构想。今天的导航人造卫星便是这篇小说中概念的实践,虽然导航人造卫星运用的是无线电技术。

 
19世纪末20世纪初,俄罗斯“宇航之父”齐奥尔科夫斯基也已萌生了人造地球卫星的思想和空间站的概念,认为人类可以利用轨道运行站作为探索太空的跳板,并在太空中从事大量有用的活动。1894年,他对未来的宇航发展过程或步骤做了大胆的想象,其中提到:建立大气层外的空间活动站(人造地球卫星);宇宙飞行员利用太阳能解决呼吸、饮食等生活问题;在地球周边建立宽广的居民点(宇宙站);在宇宙站发展工业和宇宙站数目增加,等等。

大约从1896年起,齐奥尔科夫斯基开始撰写一部名为《在地球之外》的科学幻想小说(1916年曾在一家杂志上连载),讲述20名不同国籍的科学家和工匠乘坐火箭飞船到太空旅行的故事。小说颇有预见性地叙述了飞船里种种有趣的生活情景,描绘了太空城移民社会的画面,还讲述了月亮上、小行星上和太阳系空间的种种奇妙现象。其中不少场景简直就是后来所发生的实际情节的翻版。

 
作者在书中借主人公之口,还探讨了一些很有价值的科学问题,例如:可以考虑利用大气摩擦在飞船返回时制动;应研究超重和失重对人体的影响(他甚至还考虑到了一些不可忽视的细节,如在失重的飞船上进行离心力淋浴);在太空旅行中有必要采用密闭的生态系统;设想制造出轮胎形空间住宅,以自旋产生人造动力……

 

空间站的蓝图

迪斯尼乐园率先体验太空之旅

 

发展空间站的思想,在20世纪20年代至30年代初得到了深化。

1923年,德国火箭专家赫尔曼•奥伯特在《飞向星际空间的火箭》一书中,颇为详细地描述了空间站及其用途(现在看来未免有些离奇、夸张):“空间站依靠配备其上的仪器,可以看清地球上的细节。夜间可以看见蜡烛,白天可以看到镜子反光。它能确保船舰与陆地的通信。能发现冰山,并向船只发出警告。若有空间站,就可以避免1912年的‘泰坦尼克’号灾难……”

 
1928年,奥地利一位执迷于太空旅行的军官兼工程师赫尔曼•波托奇尼克,以赫尔曼•诺丁为笔名出版了一部探讨空间站工程技术的书——《外太空旅行的问题:火箭发动机》。书中提出了“居住轮子”——旋转轮子形状的空间站设想,认为这样做可以在空间站的生活区和工作区产生人造重力。随后他又建议使用大型抛物面反射镜,把太阳光线聚焦到传统的热力发电机系统上,为空间站产生电能(那时尚未发明太阳能电池)。
 
与波托奇尼克同时代的另一个奥地利人古依多•冯•皮尔奎特则提出,可以将空间站当作太空拖船补给原料的节点;而且,可以在地球和月亮之间的不同地点使用多重空间站。

第二次世界大战结束之后,太空探索的先驱、德国著名火箭设计师冯•布劳恩被美国“接管”,从事火箭和导弹技术研究。在20世纪50年代初期,布劳恩萌生了空间站的想法,而且特别上心研究。他的一位同行回忆起他到其在洛杉矶附近的家访问:“他带了一大幅空间站的蓝图,把它在客厅的地板上展开。那才是他感兴趣的,导弹和火箭仅仅是半路上的步骤而已。”

 
1951年,布劳恩与太空画家邦艾斯泰合作,设计了一艘飞向火星的试验飞船,上面有可以重复使用的太空探测器、一个空间站和一架轨道望远镜。布劳恩自小就为太空旅行的伟大梦想而着迷,在成为美国太空计划的领军人物之后,他总喜欢跟人阐述,很多太空旅行的障碍都只是想象的。他曾对一位记者讲:

“一位火箭推进专家会说,要解决推进问题不是什么困难的事,但医学方面的问题可是个障碍;医生却会说,从医学上讲太空旅行不是不可能的,但推进方面的技术困难,可没那么容易解决。其实,很多这类困难都会慢慢地被克服,就像是(被克服了的)音障和热极限一样。”

 
1952年秋天起,布劳恩开始为在《科利尔》杂志上出现的幻想太空旅行的系列文章提供技术支持,对空间站的构想做了到那时为止最为全面的技术处理。这些文章引起了娱乐业大亨沃尔特•迪斯尼的注意,不久之后迪斯尼就与布劳恩见了面,并合作开发了3集电视系列节目,向美国公众描绘太空旅行之梦。受布劳恩的影响,当迪斯尼乐园主题公园1955年夏天在加利福尼亚州南部开业时,“明日世界”部分专门设了一个X—空间站展厅和一个乘坐火箭到月球的模拟体验,备受关注和欢迎。

 

进入“航天时代”

从太空争霸到国际合作

 

陆、海、空、天是人类活动的四大疆域。两千多年前,人类开始向海洋进军;100多年前,人类开始进入天空;半个多世纪以前,人类开始跨进第四疆域——太空,迎来了真正的“航天时代”。 

这一天值得铭记:1957104日夜晚,在苏联的拜科努尔发射场,探照灯光把夜空照得如同白昼,发射架上竖立着一枚银光闪闪的巨型火箭。莫斯科时间222834秒,伴随着“点火”令的发出,火箭在震耳欲聋的吼声中拔地升起,直冲天穹。世界上第一颗人造地球卫星——“卫星1号”被送到了外层空间。这是人类第一次冲破重力的束缚,自由自在地探测宇宙空间。

 
1961412日,世界上第一艘载人宇宙飞船“东方”号在苏联发射升空并绕地球飞行成功,尤里•加加林成为第一个进入太空的人。

苏美太空竞赛的第一个回合决出了胜者,在美国简直引发了一场“卫星地震”,在美国人当中唤起了一种强烈而复杂的感受,许多人都认为,国家蒙受了“羞辱”。美国朝野也为之震惊,“山姆大叔”终于坐不住了。就在加加林首次进入太空之后不到两个月,1961525日,美国总统肯尼迪在国会上提出了要在20世纪60年代末把人送到月球上的“阿波罗月球探测计划”。该计划的任务包括为载人月球飞行做准备,并进行载人月球飞行。

 
不出10年,1969720日,美国人终于登上月球,算是报了一箭之仇。接下来,被泛称为“逻辑的下一步”——空间站计划,被美国国家航空航天局提上了日程。当时从理性观点出发,认为为登月而准备的推力巨大的火箭,可以使人类在地球低轨道建立一个永久性空间站。该局当时的构想是,航天飞机与空间站的计划同步施行,待航天飞机飞行时,则可马上组装空间站。

但是,登月计划耗资巨大,加上陷入越战泥潭,美国财政吃紧,国会只能在航天飞机或空间站二者之间,支持一项计划。在别无选择的情况下,美国国家航空航天局只得先发展航天飞机。

这一下,又让老对手苏联在空间站方面抢了先。

 
1971419日,苏联成功发射世界上第一个空间站礼炮1号。两年后,1973514日,美国才发射成功一个叫天空实验室的空间站。

不管是礼炮1号还是天空实验室,都稍显简陋。按照专家们的设想,空间站是一种在近地轨道长时间运行,可供多名航天员巡访、长期工作和生活的载人航天器。

 
1993年,时任美国总统克林顿提出将自由号空间站改为国际合作建设。这一年的111日,美国宇航局与俄罗斯宇航局签署协议,决定在和平号轨道站的基础上建造国际空间站。1998129日,来自美、俄、日、加及欧洲航天局的11个成员国——比利时、丹麦、法国、德国、意大利、荷兰、挪威、西班牙、瑞典、瑞士和英国的代表在华盛顿签署建设国际空间站协定,国际空间站计划正式启动。80%资金由美国负担,工作语言英语,并由美国宇航局牵头,协调实施。

空间站只是人类迈向太空的一小步。

1977年,美国普林斯顿大学的物理学家杰勒德•奥尼尔出版《开拓空间》一书,提出了在空间殖民的主张。他建议就近建造空间站。这空间站可以作为宇航中转站,也可以作为建造和发射太空飞船的基地,或作为太空中的科学实验站,当然也可以作为人在太空中的居所。奥尼尔设想的供人类长期居住的空间站,实际上是一座在太空中兴建的城市。

 
空间殖民地绝非人类的简单扩张,关键是它们在多大程度上接近于完全独立的人造环境的理想。答案是:十分接近。殖民地的缓慢旋转将为其中的居民提供与引力相等的离心力;镜子将把阳光反射到土壤上;土壤上生长的将是精选的植物;水、氧气和大部分矿物原料可以取自月球岩石,而由地球输入的材料可以再循环利用。

不过,制造这样的太空城市耗资巨大,至少在可以预见的将来还难以实现。

 

 

(相关链接)

 

世界空间站巡礼

 

    1971419日,苏联成功发射世界上第一个空间站礼炮1号,至1983年底共发射7个礼炮空间站。    

    礼炮1号空间站后来在太空与联盟号飞船对接成功,有3名航天员进站内生活工作近24天,完成了大量的科学实验项目。不幸的是,这3名航天员乘联盟11号飞船返回地球过程中,由于座舱漏气减压,不幸全部遇难。  

    礼炮2号发射到太空后由于自行解体而失败。苏联发射的礼炮345号小型空间站均获成功,航天员进站内工作,完成多项科学实验。

苏联的空间站自上天以来,一直与联盟号系列载人飞船和进步号系列货运飞船一起,共同组成轨道联合体执行载入航天飞行任务。作为作为空间站的载人工具,联盟号系列载人飞船已更换三代。从联盟10号开始,到1993年底共有30艘联盟号,14艘联盟T号,17艘联盟TM号飞船载人到空间站上开展太空科学考察活动。

    1973514日,美国发射成功天空实验室空间站,它在435千米高的近圆空间轨道上运行,先后接待39名宇航员到站上工作。这9名宇航员到站上工作。这9名宇航员在站上分别居留28天,59天和84天。

    天空实验室全长36米,其最大直径6.7米,总重77.5吨,由轨道舱、过渡舱和对接舱组成,提供了360立方米工作场所。在载入飞行期间,天空实验室上的宇航员用58种科学仪器进行了270多项生物医学、空间物理、天文观测、资源勘探和工艺技术等试验,拍摄了大量的照片,还研究了人在空间活动的各种现象。

    19742月第三批宇航员离开太空返回地面后,天空实验室便被封闭停用,直到1979712日在南印度洋上空坠入大气层烧毁。它在太空运行2249天,航程达14亿多千米。

    19831128日,欧洲空间局研制的“Spacelab”由哥伦比亚号航天飞机送入轨道。

    1986220日,苏联和平号空间站发射入轨,先后有12个国家的100多位宇航员登上和平号空间站,其中外国宇航员就有62个,在运行了15年后,于2001323日陨落。

    1984年,美国的国际自由号空间站计划得到时任总统里根的批准,但计划没有取得进展。  

    1993年,时任美国总统克林顿提出将自由号空间站改为国际合作建设。这一的年111日,美国宇航局与俄罗斯宇航局签署协议,决定在和平号轨道站的基础上建造国际空间站。

    1998129日,来自美、俄、日、加及欧洲航天局的11个成员国——比利时、丹麦、法国、德国、意大利、荷兰、挪威、西班牙、瑞典、瑞士和英国的代表在华盛顿签署建设国际空间站协定,国际空间站计划正式启动。80%资金由美国负担,工作语言英语,并由美国宇航局牵头,协调实施。

    空间站计划分三个阶段,总工期10年,最终由6个实验舱、1个居住舱(有洗手间、卧室、厨房和医务设备)、2个结点舱和服务系统及运输系统所组成。总重量430吨,主桁架长88米,4个太阳电池阵宽110米,能提供110千瓦电功率,其中用户使用功率46千瓦。居住舱为1200立方米,空间站的运行高度平均为397米。

201192921163秒,中国第一个目标飞行器和空间实验室天宫一号,于在酒泉卫星发射中心发射。飞行器全长10.4米,最大直径3.35米,由实验舱和资源舱构成。它的发射标志着中国迈入中国航天“三步走”战略的第二步第二阶段。

    2011113日凌晨,天宫一号实现与神舟八号飞船的对接任务;     2012618日下午,天宫一号与神舟九号对接成功;20136131318分,神舟十号飞船与天宫一号完成自动交会对接。  

 

 


1996年9月24日的俄罗斯和平号空间站
 

美国独自建造的唯一一座空间站“天空实验室”在轨飞行
 

苏联礼炮1号试验性空间站
 

2011年5月建成的永久性国际空间站
 

美国宇航员斯蒂芬·罗宾逊出舱执行任务
 

杰勒德•奥尼尔设想的近地太空站
 

半人马座空间站(太空美术),(美)罗伯特•麦考尔绘于1976年。
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