国外载人空间站发展回顾与展望

国外载人空间站发展回顾与展望

空间应用是空间构建的起点和终点。没有应用就没有空间站。然而,国外载人空间站发展的实践表明,至今空间站应用存在一系列挑战性问题,需要解决。1971年,前苏联发射了世界上第一个载人空间站礼炮1号。其后前苏联/俄罗斯相继发射了礼炮2号至礼炮7号及和平号空间站。美国在1973年发射了它唯一的“天空实验室”空间站。1998年由美国和俄罗斯牵头,欧空局、日本、加拿大和巴西参加的16国合作研制的国际空间站正式开工建造。现已进入最后阶段,有望于2010～2011年全部建成。建成后,其工作寿命预计长达10～15年。国际空间站建成后,如何充分利用,提高效果,一直是困扰航天领域许多专家的问题。国际空间站每年的运行、维护费用预计将高达数十亿美元(若仍使用航天飞机作为天地往返运输工具,每季度飞往空间站一次,则每年约需20多亿美元,加上联盟号载人飞船、进步号货运飞船的飞行,以及对空间站的日常维护和在轨服务等费用)。空间站运行维护费用之高,空间应用效费比之低,令人担心“建得起,用不起”。即使运行费用不成问题,但如何充分发挥空间站的优势,提高空间站应用效率,也是空间站长期持续运行面临的严重挑战。一、空间应用与扩大试验方案载人空间站是载人航天器发展初级阶段的重要标志。空间站的应用伴随着载人航天器的发展而发展。近地轨道载人航天器(载人飞船、航天飞机和空间站)的发展可划分为三个阶段。第一阶段,1961～1970年,研制发射单人和多人飞船,进行单飞或编队飞行,主要任务是获得和积累对太空环境条件的认识,掌握载人航天基本技术。在这一阶段通过载人飞船的太空飞行,初步了解载人航天飞行的环境和要求,掌握影响人体的有关太空环境因素,研究人体对长期航天飞行环境的适应性,设计改进环境控制和生命保障、乘员支持等功能系统,为后来载人空间站的研制和应用建立了最初的基础。1966年,美国双子星座8号载人飞船与目标航天器实现人类首次太空交会对接;1967年,前苏联宇宙186号与宇宙188号两个无人航天器首次实现自动交会对接。两个航天器在太空手动与自动交会对接的实现,为后来在近地轨道上建造100吨级的空间站奠定了基础,同时也为空间应用开辟了新的方向——在空间站上试验旨在提高航天器性能的新技术、新部件或新系统,以支持未来的载人航天任务。第二阶段,1971～1985年,研制并发射了单舱空间站,开展了多个科学技术领域的研究试验活动,初步明确了空间站应用的方向和范畴,载人航天的工程技术水平得到较大提高。在这一阶段,对太空的高真空、微重力和强辐射等环境特点有了进一步认识。这些环境对多种科学研究和技术开发具有重要价值。开始明确以科学技术研究实验作为空间站应用的主要任务。礼炮号和“天空实验室”不仅开展了医学和生物学研究试验和初步的空间材料科学实验,而且进行了对地球、行星、太阳和宇宙的观测。第三阶段,1986年至今,研制建造了和平号多舱空间站,并正在建造多舱段的、长期运行的国际空间站。该阶段通过多舱空间站的建造和应用实践,使空间站应用从试验性向业务性转化。和平号空间站是世界上第一个多舱空间站,采用化整为零,分期发射,在轨装配,逐步扩展的方式建造。其内部空间与单舱空间站相比大大扩展,应用能力显著提高。和平号开展的空间应用项目涉及了几乎所有需要“上天”开展的现代科学研究领域,包括深空观测与研究、地球和近地空间研究、空间生命活动(包括人对太空的适应性)和空间材料加工等。前苏联/俄罗斯通过和平号空间站取得的应用成果与经验,为国际空间站上的俄罗斯实验舱开展科学与技术试验活动奠定了坚实的基础。载人航天器发展三个阶段的主要特征参数如表1所示。根据40多年载人航天器及其应用的发展实践,近期(2030年前)空间站的应用,应重点在以下四个方面开展研究、开发或服务:基础科学和应用科学研究;空间技术与空间产品的研发与试验;空间站应用设备和应用技术的开发和改进;空间技术的宣传普及、太空教育和其他人文科学活动。二、国际东北部企业国际航空航天局国际空间站于1998年11月发射第一个功能货舱,正式开工兴建。原计划2006年建成,但因经费、技术和计划协调等原因,进展缓慢,特别是2003年美国哥伦比亚号航天飞机失事,导致工程进度大大推迟。2006年航天飞机复飞后,进展较顺利,有望于2010～2011年建成。国际空间站由舱段、桁架、太阳翼及移动机械臂等数十个大型空间构件组成,采取“边建造,边应用”的发展模式。2000年1月首批常驻乘员组进驻国际空间站,站上俄罗斯实验舱和美国实验舱开始执行空间应用任务,开展科学与技术研究试验活动。欧洲空间局和日本的实验舱2008年才送入轨道,完成与国际空间站的组装。这两个实验舱将在今年设备全部安装调试完毕后,投入应用。进入国际空间站的航天员分为两类:一类是长期常驻乘员组,时间一般为6个月;另一类为短期访问乘员组,—般在站上工作7～10天。美国航空航天局(NASA)根据美国总统布什2004年1月14日发表的《太空探索新构想》的原则,将国际空间站美国实验舱的空间应用项目调整为:●研究长期航天飞行对航天员生理和心理健康的影响,开发航天员长期处于空间环境下的防护措施;●利用国际空间站作为试验平台,研究开发未来太空探索所需的航天员防护技术、防护系统和防护规程;●研究、开发和验证执行长期航天飞行任务的操作方法和操作规程。国际空间站的空间应用项目主要包括医学与生物学研究、生物工程、空间技术、材料科学、教育活动、地球物理学及对地观测等7个方面的科技研究性应用。早期的一些宏伟设想,如利用空间站作为卫星的回收站与维修车间、空间仓库、卫星发射基地、轨道机动飞行器的停靠港、深空探测器的中转站等服务性应用,已被无限期推迟。(1)增强基层组织支持我国安全观的能力这是国际空间站应用的重点。所有合作伙伴的应用项目都首选医学与生物学。主要内容包括研究人体对空间环境的适应性及应对措施;大量采集人体在空间环境下的生理新数据,用以改进航天员克服长期航天不利影响的防护措施,提高医学监督与医学保障系统支持载人航天的能力。从表2可看出,在俄罗斯实验舱和美国实验舱的应用项目中,医学与生物研究分别占43%和32%。表3给出了国际空间站俄罗斯实验舱2006年空间应用各项目所占的百分比。(2)生物材料的应用国际空间站应用的又一重点项目。主要研究、制备在医学、生物学和药物学方面有潜在应用价值的生物材料,如微生物、细菌、植物细胞和动物胚胎等的蛋白质晶体。(3)需要重要的技术试验和演练验证该领域主要研究改进空间站平台的功能特性,研究试验新结构、新材料、新设备、微重力保持、声学效应、辐射防护、微流星与空间碎片防护等,也为下一步载人月球探测和火星探测开展某些需要有人参与的技术试验和演示验证。(4)科学主要研究微重力条件下的流体行为、材料性质及材料加工工艺等。(5)学校与学生科研项目国际空间站截至2006年已完成了29项学校与学生的科研项目。在合作国航天局的支持下,在太空开展教学实验活动,设置虚拟课堂和虚拟演示验证课。(6)观测仪器和观测方法的改进国际空间站还适当安排主要是在卫星上开展的传统空间应用项目,利用空间站可装载大型观测设备、有人值守及可选择观测条件等优点,开展新的观测仪器和观测方法的演示验证。三、俄联邦空间技术的优势早期的单舱空间站,除了“天空实验室”容积较大以外,从礼炮1号到礼炮7号,甚至初期的和平号,都遇到站上可供空间应用的资源不足的问题,主要表现在:●容积太小。空间站内部空间狭小,外部无工作平台。无论是安装科研设备,还是存放备用部件和消耗品,可供利用的地方都很有限。航天员操作仪器、转身移动的空间,更是捉襟见肘。●运输能力不足。从地面向空间站运送补给物资(设备、部件和消耗品)及从空间站向地面送回空间应用成果,所需的天地往返运输能力不足。●电力不够。空间站上分配给科学技术研究实验仪器设备的电力不敷应用。●空间应用所需的控制和通信信道太少。为了解决空间站上资源供不应求的问题,俄罗斯发展了以和平号为代表的多舱式空间站和其他创新性空间技术,缓解了资源不足的矛盾;更重要的是,为后来国际空间站的建造和应用创造了有利条件,积累了大量经验。这些创新性空间技术是:1.测试及操作问题空间站由单舱发展为多舱,不仅扩展了可供安装科学技术研究试验设备、存放部件和消耗品及航天员执行应用操作的空间,而且增加了可供安装太阳能电池翼的位置,扩大了太阳能电池阵面积,提高了发电能力。2.在两次飞行中发生重大损伤和重大损伤,都有重大损伤,都有重大损伤空间站上的系统、设备或部件出现故障时,可通过航天员在舱内维修或出舱进行维护或更换,恢复功能。例如,在1973年“天空实验室”SL-2和SL-3的两次飞行,1985年联盟T-13和礼炮7号的交会对接,俄美合作的3次航天飞机与和平号的交会对接等飞行任务中,均出现了重大的故障或损伤,都是通过航天员的在轨检查、维修和更换,排除故障,转危为安,保证了空间站继续正常运行和开展应用。3.和平号的运行情况俄罗斯进步号货运飞船的研制和发射,不仅有效解决了空间站长期运营所需的物资补给,而且提高了空间站应用计划的灵活性和适应性,便于根据空间站环境条件的变化对应用计划进行相应的调整。在礼炮6号在轨运行的大约5年内,进步号货运飞船为其共运送了22吨物资;在和平号运行的15年中,进步号的运输量达到150吨;在国际空间站建造的头5年中,进步号已经运去了68吨物资,为国际空间站的建造做出了重大贡献。美国研制的航天飞机是一种运输能力大、人货兼容、部分重复使用的天地往返运输系统。其初衷不是为空间站配套服务的,但它却成为建造国际空间站不可或缺的基础设施,是唯一能运送大型构件的主力运输器。4.优化区域间科研试验设备使用程序,提高效率和平号空间站根据航天员在空间站上驻留时间的长短,分别制订长期常驻乘员组任务计划和短期访问乘员组任务计划,因而便于有计划地安排空间站应用的任务,合理调度站上科研试验设备的使用程序,提高了空间站应用效率。四、考虑到空间应用的挑战尽管发展了多舱式空间站、货运飞船和航天员在轨服务等一系列新技术,但是国际空间站的应用仍面临诸多问题。1.国际私家车室的功能变化空间站上航天员用于执行应用任务的人数和时间的乘积,称为“空间应用人时”。空间站应用人时不足是单舱式和多舱式空间站共同面临的最大挑战。按照航天系统的设计原则,为了确保空间站在轨安全可靠地运行,必须随时监测、判断、评估和排除站上各系统、设备可能出现的故障因素。因此在分配航天员任务时,毫不犹豫地将站务管理放在所有任务的首位,大量的人时用于执行居住环境的监控与维护。为空间应用安排的计划人时本来就比站务管理人时少得多,而在实际执行过程中,又往往冒出突发性的站务管理工作,不得不进一步压缩应用人时。例如,国际空间站按计划要求空间应用每周(星期)不少于20人时。但是,以2006年10月第13长期乘员组为例,从事空间应用活动的人时平均每周只有13～14人时,也就是平均每天2人时,或人均不到40分钟。站上的空间应用科研设备随着空间站建设进展不断增加,但是对空间应用投入的人时,不但不增加,反而减少。据统计,在2001～2006年期间,国际空间站上的科研设备增加了大约3.2倍,但科研活动的人时只增加了20%,空间应用设备的使用率明显降低。根据航天员的回顾与分析,空间站上站务管理的实际人时往往超过计划人时,其主要原因为:①对站务管理的复杂性和不确定性估计不足。空间站在轨运行过程中,经常会出现一些计划外的站务管理任务,例如,早期的“天空实验室”,计划分配给站务管理的时间是每人每天0.75小时,实际花费1.1小时,加上排除太阳能电池翼故障和铺设遮阳篷等计划外维修任务,每人每天用于站务管理的时间达到了4小时。和平号空间站也出现过类似的情况:为了完成计划外的站务管理任务,航天员不得不挤掉空间应用时间、休息时间甚至睡眠时间。通常只有前后两批乘员组同时在站上交接任务,航天员人数增加时,才能抽出人员从事空间应用的活动。国际空间站的短期访问乘员组,每隔半年一次。到来时,站内人数由2～3人增加到5～6人。在访问乘员组的协助下,将常驻乘员组6个月的科学与技术研究任务在一星期内突击完成。②空间站的各项任务排得很满,分配给每项任务的人时又很紧,没有相互调剂余地。在国际空间站上各类任务人时的分配中,空间应用所占比例不到1/5。参见表4。就空间应用任务自身而言,每个科研项目的操作程序比较复杂,劳动强度较大,计划安排的人时又很少。不同项目之间也难以实现互调互补,参见表5。为了在十分有限的时间里完成空间应用的各项科研任务,必须提高研究设备的工效学,简化接口关系和操作程序,减少研究试验装置的维护工作,并尽可能提高研究设备的自动化水平。但是,如今国际空间站的技术状态和管理水平,木已成舟,一时难以更改,唯一切实可行、立竿见影的办法是增加乘员组人数,常驻乘员组的人数应不少于6。今年,国际空间站开始能提供6名航天员常驻的条件。2.旅客基本事件按照1996年制订的计划,国际空间站应在5年后,即2001年发射首个实验舱,供由3名航天员组成的常驻乘员组居住工作,后来又要求能住6人。实际情况是,由于经费不到位及合作国之间的协调,特别是2003年哥伦比亚号航天飞机失事,进度大大推迟。2006年航天飞机复飞执行STS-121飞行任务时,国际空间站上只有两名航天员。建造计划的推迟,常驻乘员的减少,使空间站应用不可避免地受到严重影响。3.平台优先国外评论员返运输系统空间站的有效载荷一科学与技术研究试验设备,是开展空间站应用的基础与条件。无有效载荷,则无应用可言。为了提高空间站应用的效果,必须有一定数量的有效载荷。但是国际空间站在“边建造,边应用”的过程中,天地往返运输系统(航天飞机和货运飞船)向空间站的运输能力有限,运输的物资首先得保证建造用的舱段、部件和保障设备,如各种舱段结构、桁架、太阳能电池阵及平台的供配电、姿态与轨道控制、推进、环境控制与生命保障、热控制、通信与测控、乘员支持等服务系统及其设备。在“平台优先”的指导思想下,有效载荷的运送往往是见缝插针,适当安排。有效载荷不能按计划及时如数到位,空间站应用任务也就难以保证。4.折返时间性强国际空间站上空间应用取得的成果(如录像带,胶卷,电子数据载体,技术试验成品,医学与生物学、生物工程的试验样品及其容器等)返回地面,起初完全靠航天飞机。一些“时间性强”的实验结果,需要在最短的时间里返回地面。所谓“时间性强”是指物品在空间站上放置的时间受到严格限制,不能耽搁,时间长会引起物品失效。这类物品一般指医学、生物学和生物工程的研究试验结果,后来又增添了纳米技术实验成果。在2003～2006年航天飞机中断飞行期间,需送回地面的物品只能靠联盟TM载人飞船返回时捎带一些。为了能多带一些物品返回地面,联盟TMA飞船的储存区及相应的支持设备经过多次扩展和改进,但除了3名航天员外,最多只能捎带50千克的返回物品。彻底解决返回运输能力不足的问题,有待研制新的可重复使用的载人飞船,使其具有同时携带3名航天员和500千克物品的返回能力。5.太阳能电池阵观测试电力不足一直是影响空间站应用的主要因素之一,其原因不在于太阳能电池阵设计的面积不够大,设计产生的功率不够高,而是实际输出功率低于设计值。空间站一般都安装多个太阳能电池阵,太阳阵展开后面积很大,相互之间不可避免会产生遮挡,造成输出功率下降,低于设计值。究其原因是,设计时对在轨运行时太阳能电池阵相互遮挡的严重性估计不足,地面进行的分析和仿真试验不充分,以致在轨运行时才发现问题。以和平号为例,太阳阵设计输出功率为30千瓦,实际输出始终没有达到。国际空间站美国实验舱的4对太阳能电池翼展开后,也出现类似的遮挡。2007年,美国和俄罗斯两个实验舱可供有效载荷的电力都没有超过1.5千瓦,远低于空间站应用项目所需的电力。6.空间需分区设置国际空间站采取“边建造,边应用”的模式,其有效载荷(科学研究试验设备与备件、消耗品等)不像早期单舱空间站那样,在发射前就全部安装到位,而是随着建造的进展,分批运来,逐步安装。这一过程长达十几年。空间站建成后,工作寿命预计为15年。在将近30年的漫长时间里,空间应用的项目与要求不可能原封不动,势必会与时俱进,更新换代,增加新的科研设备与科研器材。空间站的容积有限。一般的大型设备安装好以后不可能再拆除。新增添的设备与已安装的设备之间如何合理分布、协调配置是个问题。随着时间的推移,空间站的储藏室或库房里堆积起各种用过的或废弃的设备和器材,形同垃圾,既不允许抛入太空产生空间碎片,也没有必要和能力将它们带回地面。据和平号空间站的航天员回忆,站上由于大量的设备、器材无序地堆积在一起,有时为了寻找一件急用的设备或器材,需花费很大的精力和时间。为了解决因设备、器材堆积造成工作面狭窄、影响空间应用开展的问题,国际空间站的美国实验舱和俄罗斯实验舱已推广使用一种“可更换有效载荷”的通用工作平台。7.考虑不同的空间应用任务,保证建筑和建造的协同发展国际空间站之类超大型航天器不可能在地面造好后,整体发射入太空,必须而且只能采取化整为零,边建造、边应用的发展模式。这种建造模式符合螺旋式发展的规律,有利于筹措资金,化解难点,但它必须把建造和应用两个目的和要求不同的任务综合考虑,统筹安排,尽量减少相互间的矛盾和干扰,使应用与建造同步协调发展:一方面要根据建造过程中空间站的配置和环境的改变,预先规划、安排空间应用任务,保证科学与技术研究的持续进行,不因繁重的装配建造任务受到过大的影响;另一方面,要根据不同的空间应用任务对空间站的配置和状态提出不同要求,保证必要的应用条件。例如,天文学观测要求空间站相对于太阳、月球或某个天体目标具有特定的位置和姿态;对地观测要求空间站的飞行轨道经过某地区上空及观测地区有良好的光照和气象条件;材料科学、纳米科学和生物工程等科学实验要求保持严格的微重力环境;有的科研实验必须安排在特定的时刻或要求周期性重复进行;有的对时间窗口有一定的要求。为此,必须建立包括空间站的物理配置、功能特性、技术性能、人员操作及天地控制大回路等因素的多任务、多目标规划的数学模型,利用数学模型设计、分析、编制和评估满足空间应用要求的综合规划和协调程序。8.空间应用风险的控制设备故障和人为操作失误是长期性空间站等大型航天器在所难免的。站务管理的主要任务之一就是对有效载荷设备的故障与失误进行检测、诊断、评估、排除及系统重构。早期,和平号空间站上空间应用设备故障和操作失误时有发生,影响空间站应用的效果。国际空间站俄罗斯实验舱在2001～2006年间空间应用方面发生的故障统计见表6。因此,在编制空间站的应用方案时,应针对建造过程中的每一阶段或每一时期制订与站务管理操作程序相容的“空间应用操作程序表”(简称“日程表”),严格按照“日程表”执行应用任务,尽