航天史番外：筑夢“天宮”，中國空間站與美蘇空間站區(qū)別在哪，哪些技術(shù)領(lǐng)先？
前幾天，也就是4月29號，我國從海南島的文昌發(fā)射場用一枚長征5B運載火箭把天宮空間站的核心艙天和號送上了環(huán)繞地球的軌道。央視做了轉(zhuǎn)播，從火箭升空到空間站核心艙入軌，僅僅花了8分多鐘。這是一件大事兒，今天我們來開個番外篇，好好講講有關(guān)天宮空間站的那些事兒。
空間站的發(fā)展經(jīng)歷了好幾代，第一代是蘇聯(lián)的禮炮1號空間站。我們以前講到過，美國和蘇聯(lián)最開始想搞的是載人偵察衛(wèi)星，因為當(dāng)時的電子技術(shù)和自動化水平不高，最好是放個大活人在間諜衛(wèi)星里進行操作。禮炮1號
在這種競爭的環(huán)境下，雙方都在醞釀空間站計劃。但是美國主要精力花在了登月上，蘇聯(lián)因為登月用的N1火箭連續(xù)爆炸，他們知道自己無論如何無法打敗美國人了，所以干脆另辟蹊徑，把空間站的建設(shè)提上了議事日程。最早的禮炮號空間站只有一個對接口，艙室也很狹小。宇航員乘坐聯(lián)盟飛船對接空間站以后，堅守的時間很有限。因為糧食和給養(yǎng)就那么多，用不了多長時間就沒了。僅有的一個對接口被聯(lián)盟飛船占用了，即便是想用進步號貨運飛船送物資，也沒有對接口了。所以，第二代空間站禮炮6號和7號就解決了這個問題，對接口前邊一個后邊一個。一個用來運人，一個用來運貨。所以，禮炮6號和7號被算作是第二代空間站。禮炮7號
當(dāng)時的美國人發(fā)現(xiàn)蘇聯(lián)人在空間站方面領(lǐng)先了，他們也是嚇了一跳，趕快要追上蘇聯(lián)人的進度，最簡單的方法就是用土星5號火箭的第三級改造成空間站，用阿波羅飛船來運送人員。這就是天空實驗室空間站。這個空間站的最大特點就是寬敞，蘇聯(lián)人的空間站太憋屈了。天空實驗室相比來講，空間比較充裕。美國人實際上是硬著頭皮上，阿波羅計劃停了，還剩下幾艘阿波羅飛船和土星5號運載火箭。改造成空間站也是蠻劃算的事情。但是飛船可沒有幾艘了，不可能經(jīng)常來來往往。所以，當(dāng)時美國人在軌時間相對來講都比較長。后來嘛，碰上太陽發(fā)威，高層大氣體積膨脹，天空實驗室所在的軌道上空氣阻力大大增加，結(jié)果，天空實驗室提前墜落。這個空間站太龐大了，在大氣層里并沒有燒光，不少碎片掉在了澳大利亞。澳大利亞還給NASA開了一張400美元的單，理由是亂扔垃圾，當(dāng)然，NASA也沒搭理這一茬。天空實驗室
天空實驗室別看那么寬敞，其實也屬于第一代空間站，因為只有一個對接口，無法同時接待貨運飛船，美國人當(dāng)時也沒有貨運飛船。但是美國人對這種寬敞的居住環(huán)境念念不忘，后來還開了不少的腦洞。這是后話了。蘇聯(lián)還是一如既往地穩(wěn)扎穩(wěn)打，受限于質(zhì)子號的運送能力，空間站的艙段直徑也就只有4米多。內(nèi)部結(jié)構(gòu)也并不那么優(yōu)化，顯得有點亂。他們開始建造下一代和平號空間站，這是一個多艙段的空間站，顯然性能要比前幾代好得多，所以，和平號這種多艙室的空間站被劃分為第三代空間站。天和號核心艙
我們開始搭建的這個天宮空間站的核心艙天和號與和平號的核心艙多少還有點像，這是因為技術(shù)路徑殊途同歸。核心艙的外形多少有點像啤酒瓶子，明顯分為兩段，一段粗一點，一段細一點。沒辦法，太陽能電池板發(fā)射的時候要折疊起來放在火箭整流罩里，核心艙的直徑上必須細一截才能流出放太陽能電池板的地方。俄羅斯人是這么處理的，我們也是這么處理的。我們來看看和平號空間站的結(jié)構(gòu)，中間是核心艙，核心艙頂端有個節(jié)點艙，節(jié)點艙帶著5個對接口，上下左右和前方，前方留著和飛船對接，剩下4個對接口各接了一個科研艙。分別是自然號、晶體號、量子2號和光譜號，俄國人喜歡用科學(xué)術(shù)語起名字，這倒也比較應(yīng)景。核心艙的屁股上接了一個小實驗艙叫量子1號。量子1號艙可以對接進步號貨運飛船。晶體號另外一頭有個節(jié)點艙，前面多加了一個對接艙。因為美國的航天飛機要來和和平號對接，兩家的接口不通用，沒辦法，不得不多一個轉(zhuǎn)換插頭，平時就掛在晶體艙上。和平號是逐漸拼接搭建起來的，就像是樂高玩具搭積木一樣。有很多國家的宇航員都在和平號上工作過。和平號內(nèi)部空間比過去的禮炮7號大多了，但是也有缺點。那就是太陽能電池板太多，而且還互有重疊，效率不高。而且飛船對接也很麻煩。周圍枝枝叉叉的東西太多了，不方便。美國人并不想走這條路，他們滿腦子想的都是永久性的空間站。也就是說艙室必須隨時能替換。如果到壽命了，那就換一個。如果是像和平號那樣的結(jié)構(gòu)，空間站再想造大一點是不可能的，而且哪個艙壞了，或者老化了，也無法更換。那怎么辦呢？用一系列的桁架組成個日字形，然后把各個艙室都掛在桁架上，要更換艙室也和別的艙室無關(guān)。而且太陽能電池板可以沿著桁架一字排開，沒有相互遮擋的問題了。可是桁架式結(jié)構(gòu)運輸和搭建都有問題。首先是桁架的體積并不小，而且完全無動力，你用火箭把一大捆腳手架發(fā)射到太空，那有什么用？完全就是廢物垃圾。這東西需要有人進行安裝，好在美國人研發(fā)了航天飛機。這東西就是個客貨混裝的大卡車。拉上鋼筋和建材送到國際空間站，然后依靠宇航員太空行走來搭建。但是NASA內(nèi)部也是有人反對的。因為他們覺得，這種構(gòu)型還是太憋屈了。他們要大，要寬敞。航天飛機的橙色燃料箱的大家看到過嗎？他們對那玩意兒感興趣。如果把這種燃料箱改一改當(dāng)做空間站艙段，那不是爽死啊，8.8米的直徑哦，可能家里的客廳也沒這么寬吧。橙罐真是招人喜歡，直徑大嘛！
那么好了，按照這幫激進分子的計劃，航天飛機每次發(fā)射，本來燃料箱是要扔的，這回先不扔，帶到空間站當(dāng)建筑材料。最后，這個計劃也就沒有下文了，因為NASA雖然鼓勵開腦洞，但是腦洞里不能有水。你這哪兒是腦子進水啊，這是腦子進柴油了吧？
折騰了一大圈，最后，NASA的自由號空間站計劃擱置了，縮小版的弗雷德保留下來了。還是有一根桁架，不再是日字形了。這跟桁架其實起不到骨架的作用，但是可以當(dāng)做一根扁擔(dān)，把很多大型儀器和太陽能電池板一字鋪開，不再會互相遮擋?？臻g站的艙室還是用類似于和平號的方式來搭積木，和桁架構(gòu)成了一橫一豎的結(jié)構(gòu)。弗雷德項目還是命運多舛，盡管已經(jīng)縮減了預(yù)算，但是在國會那里還是反反復(fù)復(fù)的被砍，或者被恢復(fù)。這個計劃提出的時間是在蘇聯(lián)解體之后，那時候美俄關(guān)系不錯，所以這個弗雷德項目也就逐漸的轉(zhuǎn)化成了國際空間站項目。所以，有人說和平號是第三代空間站，國際空間站是第四代，因為國際空間站是桁架結(jié)構(gòu)，和第三代不一樣，其實這話說得不對。國際空間站基本上就是十字形構(gòu)架，一橫是桁架，一豎是大大小小的艙室接在一起。大致上講，這一邊的艙室都是俄羅斯的。中間這個是曙光號功能貨艙，這是國際空間站最早發(fā)射的一個艙體。前邊接的是美國人的團結(jié)艙，這個團結(jié)艙帶兩個接口是一個重要的十字路口，好幾個艙室都靠它來連接。另外一邊的就是俄羅斯的星辰艙。星塵艙是有太陽能電池板的，可以給俄國部分供電，盡管說國際空間站，很多東西還是各搞各的。俄國部分的核心節(jié)點就是星辰艙，從2019年開始，星辰艙有輕微的漏氣現(xiàn)象，大家怎么都找不到是哪里漏了。折騰了快一年，最后想出一個辦法，弄一點碎茶葉，飄在空氣中。反正空間站是失重的。然后人都走開，關(guān)死了門，通過監(jiān)控看看茶葉往哪里飄，跟著茶葉飄去的地方，果然找到了漏氣的地方。星塵艙和曙光艙之間有個節(jié)點艙，其實是可以和飛船對接的。但是這個對接口從來沒用過。萬一這個地方出了毛病，星辰艙里的人怎么辦？他們只能被困在原地，想去其他艙室都不行，干脆就不用吧。上下各放了一個過渡艙，本來相當(dāng)于是碼頭，可以接駁聯(lián)盟號，現(xiàn)在這兩個過渡艙成了小實驗室，別提多憋屈了。國際空間站上這種類似情況不少，曙光艙和團結(jié)艙之間也有個對接節(jié)點，這個艙室也沒多大用處，也是浪費的。團結(jié)號節(jié)點艙兩側(cè)是尋求號氣閘艙和寧靜號節(jié)點艙，國際空間站節(jié)點艙特別多。寧靜號上接著一個列奧納多號貨艙，這是意大利造的嘛，列奧納多是達芬奇的名字。讓我們換個角度，這下看清了，這邊的艙室全是美國的了。中間這個是命運號，是美國的核心業(yè)務(wù)艙。桁架上的那些大號太陽能板也是接到命運號上的。命運號前邊就是協(xié)和號節(jié)點艙，這個節(jié)點艙分兩岔，一邊是歐洲的哥倫布艙，另一邊是日本的希望號，希望號還帶個外掛的雜物間。希望號還帶有暴露平臺，也就是艙蓋是開的?？梢宰鲂枰┞对谔绽锏膶嶒灐?/section>不論是歐洲的哥倫布艙還是日本的希望號科學(xué)艙，美國人都占了不小的地盤。正前方的那個接口是和航天飛機對接的，現(xiàn)在航天飛機退役了，這個管子里被堆滿了雜物。馬斯克的龍飛船就是從這個口上對接的。
大家大致了解了國際空間站的構(gòu)造。你會發(fā)現(xiàn)，俄羅斯這邊關(guān)起門來也能過。聯(lián)盟號和進步號都可以對接在俄羅斯的幾個艙室上。美國那邊帶著歐洲日本，關(guān)起門來也能過。目前看來，國際空間站有很多設(shè)計不合理的地方，美國和俄國兩國的標(biāo)準(zhǔn)有很多地方是不統(tǒng)一的導(dǎo)致現(xiàn)在有人多的冗余和浪費。比如說，用于艙段對接的寧靜號節(jié)點艙規(guī)模就有19噸，這些重量沒有用到科學(xué)研究上。國際空間站十幾個艙段之中真正用于科研實驗的艙段也只有3個，也就是命運艙、哥倫布艙、希望號實驗艙，這些艙段加起來并不大。美國和歐洲日本能安裝的機柜也就是23個左右。俄國這邊就更少了，只有8個。相比之下，我們的設(shè)計就合理多了，我們的艙室比國際空間站少了很多，但是我們的空間站的艙室比較胖，空間利用率更高一些。所以，我們的空間站能裝的機柜達到23個，比國際空間站少不了多少。我們現(xiàn)在有了天和核心艙，兩邊的是夢天和問天兩個實驗艙。后邊是天舟貨運飛船，前邊是神舟飛船。其實神州飛船可以接兩艘，這樣可以交接班。中間這個節(jié)點艙還可以建檔氣閘艙用，這樣的話，利用率比國際空間站高多了。我們現(xiàn)在用的太陽能電池也比國際空間站的效率高。天宮兩部大型太陽能柔性電池翼應(yīng)用了“三結(jié)砷化鎵電池”，可以達到30%的轉(zhuǎn)化率，兩部電池翼加上核心艙電池翼發(fā)電功率可達100千瓦以上。國際空間站的太陽能電池板效率只有15%，這么多年也有老化，那就相差更多了。我們的空間站基本上屬于第三代，但是我們也有桁架結(jié)構(gòu)，太陽能電池板日后會裝到空間站兩端的桁架上，反正都是柔性的，張開太陽能板就像是船上掛纜升帆一樣。我們發(fā)現(xiàn)，國際空間站與不少巨大的散熱片，因為太空里沒有空氣幫助散熱，散熱反而成了難題，只能靠熱輻射散發(fā)出去。我們的空間站并不需要專門的散熱裝置，可見對能源的管理已經(jīng)是超過了國際空間站，畢竟我們是有后發(fā)優(yōu)勢的。原本我們是打算在空間站上安裝一臺巡天望遠鏡的，但是后來發(fā)現(xiàn)，空間站產(chǎn)生的振動對望遠鏡拍攝照片有干擾，那么干脆就把這臺望遠鏡做成了一臺獨立的光學(xué)艙，平時和空間站是脫離的，可以拉開一段距離共軌飛行，如果需要檢修一下，那就可以靠過來，和空間站對接，這樣宇航員們可以進去維修。這個設(shè)計還是挺巧妙的。國際空間站就快要到壽命了，NASA打算給國際空間站延壽，多撐幾年，但是這是要花錢的，國會批不批還不一定呢。未來，很可能天宮空間站會成為唯一的空間站，我們的空間站也會對全世界的各個國家開放，到那時候，各國的宇航員們首先要學(xué)習(xí)漢語。我相信，他們已經(jīng)開始這么做了。
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