永久性太空站

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1984年1 月25 日,美国总统里根在“国情咨文”中提出,开发宇宙是美国80 年代的4 大目标之一。美国将投资80 亿美元,另外将设法取得英、法、日等国20 亿美元的合作,在今后的10 年内建立一个永久性的轨道太空实验站。 所谓“永久性太空站”,就是在一个低偏角轨道上一直保持一个绕地运行的多功能载人实验基地。
中文名
永久性太空站
外文名
Permanent space station
开始实施
1993 年

永久性太空站前奏——天空实验室

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建立太空站对美国来说并非第一次。1972 年底“阿波罗”计划结束后,美国在第二年5 月14 日发射一个小型的载人空间站——“天空实验室”。这个“天空实验室”是用“阿波罗”计划留下的设备改造成的,全长14.63 米,直径6.5 米,是个重约80 吨的圆柱形筒体。它的内部分隔为实验工作室、指挥服务室、餐室、起居活动室、盥洗室等。由于“天空实验室”的内部容积颇大,所以几个人生活在里面比在“阿波罗”飞船上要舒服得多。
把“空间实验室”太空站发射送上地球轨道的仍然是“土星V”运载火箭。不过因为“空间实验室”仅仅作绕地球的轨道运行,不象“阿波罗”飞船那样要奔向月球,所以对运载火箭推力的要求就低得多了,只要“土星V”的第一级和第二级火箭,就能把它送到离地面435 公里的轨道了。“空间实验室”的尖端部分有对接装置,宇航员都是从“阿波罗”飞船的指挥中进入“实验室”的。
“天空实验室”的电源来自于太阳能电池翼。可是在它进入轨道后仅63 秒钟,一个太阳能电池翼便发生故障。舱内电力不足,气温升高,无法住人。
11 天后,第一批3 名宇航员乘“阿波罗”飞船进入“天空实验室”。这3 名宇航员遵照国家航空和航天局的指令,首先修复了太阳能电池翼,使这个价值2 亿美元的“天空实验室”“恢复了青春”。这以后,他们用望远镜观测太阳,检测人体在宇宙中的情况,拍摄地面照片,试验金属焊接,一共在轨道上生活了28 天才返回地面。
第二批3 名宇航员是1973 年7 月28 日进入“天空实验室”的,他们在里面生活了59 天。第三批宇航员是同年11 月16 日进入轨道的,在轨道太空站里生活了84 天。这两批宇航员继续进行天体物理学、生物学、生理医学等方面的试验,获得了7 万多米数据磁带,拍摄了数万张照片。这以后,美国没有再向这个太空站派遣宇航员。1979 年7 月11 日,绕地飞行3.4981 万圈的“天空实验室”坠毁了。

永久性太空站永久性太空站的计划

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近几年来,美国航空和航天局一直致力于设计一个理想的太空站。它既要能满足科研、工程和商业利用的需要,又要有发展余地,能随着科学技术的进步而不断更新及增加人员。
1986 年5 月14 日,美国航空和航天局正式宣布的情况表明,这个拟建的永久太空站上设4 个舱,共可提供200 立方米的居住加压空间。每个航天舱长13.4 米,直径4 米。其中的两个舱由美国自己承建;另外1 个由日本制造;欧洲航天局提供第四个舱和两个轨道平台。这4 个舱组成航天站的主体,供宇航员和工作人员生活和从事科学实验。此外,它还有两个较小的贮藏舱,和一个能停放长7 米多的飞行器的“停车场”。
航天站的动力系统由太阳能电池板和反射器构成,可以提供75 千瓦电能。这个站上将新设计一个“封闭的”环境系统,氧气和水可以循环使用,这在美国航天史上还是第一次。食物和氮气将由航天飞机每年补充四次。来往的航天飞机可以在太空站的两个舱口停留,其它宇宙飞船和平台将在构架的5 个地方停放。
据美国航空和航天局的计划,为把总重量约35 吨的太空站所有部件送上467 公里高空的轨道,航天飞机预计将飞行15 架次。宇航员在轨道上拼装太空站需要在空间“行走”672 小时;以后每年对太空站的保养需要在空间“行走”391 小时。
这项计划从1993 年起开始付诸实施,预计到1996 年完成。但从1994年年中起,永久性太空站即可住人,通常可由8 名工作人员在内工作和生活。航天飞机作为交通运输工具,每年往太空站飞行8 至10 次,接送人员,补充给养、运送实验或生产设备及物资。
这项计划公布后,人们担心宇航员是否有能力在轨道上组装和维修这个巨大的太空站,这个轨道站是否能适合工作人员的需要。这就迫使航空和航天局修改设计,并考虑是否先建一个“小得多的”太空站作试验。

永久性太空站永久性太空站有利可图

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建设永久性太空站是一项耗资巨大的计划。为此,美国除财政拨款外,还在国内外谋求合作。1984 年1 月,里根总统曾致函日本首相中曾根,邀请日本参加太空站的建设工作。同年6 月9 日,里根总统在英国伦敦举行的七国经济最高级会议上,向与会的英国、法国、联邦德国、意大利、加拿大和日本等国的领导人展示了拟议中的载人空间站模型,详细介绍了永久性空间站计划的情况,邀请他们投资参加这项计划,而且表示,投资多的国家将优先同美国一起进行空间研究。
对此,日本方面表现出了热情。
1985 年4 月12 日,日本宇宙开发委员会正式作出决定,参加美国的永久性太空站计划。日本将独立建造一个“宇宙实验室”舱,由航天飞机送上轨道。作为永久轨道站的一个组成部分,它将被安装在太空站主体下部加压舱的顶端。这个“宇宙实验室”舱是多功能的,它分3 个部分:直径8 米、长八九米的圆筒形“加压部分”,进行通讯试验和科学观察的“暴露部分”,和作为仓库使用的“补给部分”。日本将利用这个实验舱进行无重力和真空的宇宙特性试验,在医学、生命科学、宇宙通信和新材料等6 个领域完成38 个专题试验。1986 年5 月14 日,美国航空和航天局宣布,除日本外,欧洲航天局和加拿大也都表示将参加建造永久性航天站的工作。
由于经费紧张,如果建立太空站的费用全部靠航空和航天局拨款负担,计划实施肯定要受影响,所以在谋求外国合作的同时,也把寻求投资的目光转向私人公司。
1984 年8 月,里根总统又在美国《大众机械》月刊9 月号上发表文章说,虽然建造这个永久载人航天站预计要耗费80 亿美元,但是带来的经济效益将远远超过它的建造费用,再次以“有利可图”来鼓动私人企业和其他行业投资。
其实对于宇宙的商业利用,在美国的各行各业早已有了一定位置。1963年美国发射了第一颗民用通信卫星,并于1965 年正式投入商业使用以来,目前美国长途电路和数据的2/3 是通过通信卫星传输的,它不仅扩大了通讯量,提高了输送质量,而且增加了经济收入。
由私人提供资金建造卫星导航系统使金融界和银行界人士大感兴趣。这种系统可以对海上、陆地或正在空中飞行的物体进行精确定位,在坐标上的误差不会超过几英尺。它实际上可以提供最短的航线,消除航行中的偏差,避免碰撞事故,从而产生十分明显的经济效果。
远距离遥感卫星是又一种商业服务项目。使用红外线、雷达传感器等进行对地观察,具有高效、智能和费用低廉等特点,可以找到矿藏、预测农业作物收成,监视人造森林,确定海域浪高,进行世界范围的天气预报等等,都是有利可图的生意。
卫星的商业利用也可用于救援方面。现在利用飞机或地面站营救失事飞机和船只,由于受作用距离、搜索范围、营救手段等因素的限制,远不能尽如人意。有了营救卫星,就能及时定出失事飞机或船只的位置,救援人员可以有的放矢进行抢救,不仅事半功倍,而且往往能抓紧挽救人生命所需要的时间。
发射救援卫星是由美、苏、法、英、加拿大、保加利亚、芬兰、挪威、瑞典等国达成协议,于1982 年6 月30 日开始实行的。自那时候到1984 年6 月的两年时间里,两颗苏联卫星和一颗美国卫星以及一批地面接收站组成的救援网,共救起了215 人的性命。现在全世界约有20 万架普通飞机和7 千艘船只装上了一种信号发射装置。一旦遇险,就可通过装置向救援卫星发出求救信号,卫星就能通知地面接收站,就近予以抢救。

永久性太空站永久性太空站的价值

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永久性太空站“理想境界”

不过美国的企业界对宇宙的商业利用真正产生兴趣,还是从航天飞机上天开始的。他们早就发现,宇宙这个真空、失重的自然环境,是生产某些地球上不能生产的稀有物质的理想场所。一些公司通过在航天飞机上所做的试验得出了结论。
1985 年,近10 亿颗聚苯乙烯微珠被贴上“太空制造”的标签,由美国标准局批准正式投放市场。这是一些直径为10 微米的塑料圆珠,由航天飞机带入宇宙空间生产的。这些微珠作为量具,可用来度量化学和药物制造过程中所用的过滤器,以及检验一种研究红血球等微小物质的显微镜等。此外,医学工作者还能用它来测量人体的一些微孔的大小;或注入药物由它向人体内某个特定的脏器传递药物。以往在地球上生产这种塑料微珠,由于重力作用,产品总不圆整,往往是蛋形。航天飞机在几乎零重力的轨道上制得的塑料微珠,颗粒圆整,规格统一,被认为是医学工业上的一项重大突破。
据报道,在宇宙中还能够制造一些治病的特效药品。在美国,因血栓引起肺栓塞和心力衰竭的病人约有100 万,因此病而死亡的人数每年约5 万。治疗这种疾病的特效药叫尿激酶,一剂的市场价格为1000 美元。市场每年需求约为50 万剂,总价值达5 亿美元。然而这种药放在太空生产,成本价格可下降到目前的十几分之一,仅此一项,即可节约数亿美元。
高纯度的大块晶体,如硅片、砷化镓之类的半导体晶体,是发展电子工业的好材料。在薄薄的晶片上印上电路,再切成1 至2 平方厘米的小片,就是制造电脑必不可少的元件——集成电路块。在地球上,由于冷热对流作用等原因,形成的晶体均匀度很差,使许多集成电路块失效,因此工厂产品的报废率高达50%至98%,而且纯度不足。在宇宙生产晶体不仅能避免这些毛病,还能因生产有大块晶体,而可以制造超大规模集成电路块,用以制造超级巨型电子计算机。

永久性太空站空间冶炼金属

可以得到象泡沫塑料那样多孔的金属材料,泡沫钢可以象地球上的钢那样坚硬,但重量却轻得可以浮在水面上。这种特殊钢在地球上是绝对制不出来的,因为在炼钢时,即使向钢水中充气、气体也会逃逸到钢水表面,蒸腾而去。自从通信卫星问世以来,光导纤维引起了通讯史上意义最深远的一场革命。但是光导纤维信号传播的远近与质量好坏,却与玻玻纤维的纯度有极大的关系。而在宇宙空间,就能制造出纯度极高的优质光导纤维。
但是,在航天飞机上进行这些试验,毕竟是试验。载重和容量有限的航天飞机,不可能装载大量生产设备在宇宙空间进行正规生产。所以尽管实业界人士对“宇宙材料加工”这个新的行业有浓厚兴趣,也相信它会带来巨额盈利,但事实上航天飞机不能使它付诸实现。如果建成永久空间轨道站情况就大不相同了。

永久性太空站空间维修业务

1984 年4 月,“挑战者”号航天飞机在进行美国航天飞机的第十一次飞行期间,就完成了修复一颗失效已3 年的卫星。这颗以探测太阳为主要任务的卫星是1980 年2 月发射的,曾发回了不少有关太阳的资料。可是它在运行十个月后,一个控制装置烧坏,一个电子仪器箱失灵,卫星失去效用。于是航空和航天局决定把这颗卫星“捕捉”到航天飞机货舱里,修复后再置放入轨道。
4 月8 日上午约10 点左右,经过两昼夜飞行的“挑战者”号逐渐靠近了这颗太阳探测卫星。负责捕捉卫星的宇航员乔治·纳尔逊用机械手两次捕捉这颗卫星,都没有成功。4 月9 日晚间,马里兰州戈达德宇航中心的工程师们经过研究,用无线电讯号稳住了卫星,直到第二天早晨,“挑战者”号航天飞机上的宇航员才用机械手捕捉到这颗卫星,修理专家范霍夫坦和纳尔逊在货舱里仅用3 个多小时更换了两个出故障的部件,于当天又将它送回轨道了。这颗失效三年的卫星又恢复了功能,可以对太阳进行科学观察了。
同年11 月,“发现”号航天飞机在轨道上完成了回收两颗卫星的任务。“发现”号航天飞机上的宇航员加德纳海军中校,和物理学家艾伦是专门负责回收这两颗卫星的。11 月12 日,他们花了将近5 个小时,收回了直径2.8 米、重量694 公斤的“帕拉帕”卫星。14 日,他们又“抓获”了第二颗约0.5 吨重的失效卫星“西联星”中继站。这两次回收卫星,被视为是航天技术上的一大突破。此外它也带来了巨大的经济利益。

永久性太空站回收卫星

上述两个空间维修业务例子是在航天飞机上进行的,产生的巨大经济效益是不言而喻的。然而这些业务如果放在太空站上来进行,费用还能降低,盈利也会大得多,因为空间站上可以设置一个专门修理卫星的车间,从事专业化服务。

永久性太空站储存备用卫星

一旦某个卫星发生故障或失效,立刻将备用卫星发射出去,可保证通讯或其他工作正常进行。然后再回收或修复失效卫星。
建立空间站的另一个主要用途自然在科学研究上。它除了可以进行现在飞行器上所能从事的所有科研项目外,还能作为一个中继站,为行星探索和进军宇宙深处服务。
计算机及微电子技术、信息、材料、生物工程和空间技术是当前高技术、新技术的几个重要领域,是第三次技术革命的基础。而太空站的建立,对上述五项技术都能起重要的推动作用,带来巨大的经济效益。

永久性太空站利用在殡葬上

由佛罗里达州塞莱斯蒂斯集团和休斯敦一家太空服务公司联合提出的“天葬”计划,已获美国有关方面的正式批准,也许在1986 年底或1987 年即可付诸实施。现代“天葬”事实上就是开辟宇宙“殡仪馆”。这个殡仪馆是个航天器,计划重136 公斤,里面能装入1.0330 万支钛制圆柱形小瓶,每个小瓶如妇女用的唇膏般大小。死者由普通火葬场火化后,这家公司将对参加“天葬”的死者的骨灰进行“精炼”,然后注入钛制圆柱形小瓶。当这个“殡仪馆”的1 万多“位置”“客满”后,将被发射上轨道。它会以每秒8 公里的速度昼夜不停地绕地球飞行。死者的亲属可以在规定时间内,用望远镜观察这个飞行器,以寄托“哀思”。据说这种“太空殡仪馆”能在轨道上飞行6300 万年。雄心勃勃建立永久性太空站是一个很庞大的计划,用美国航空和航天局官员的话来说,是60 年代执行“阿波罗”计划以来最大的一项航天计划,所以各方面的力量正在被动员起来,成千上万个技术难题将由科学家和工程师们去攻克。

永久性太空站永久性太空站的具体设想

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1985 年4 月,美国航空和航天局就拟议中的永久太空站再次与宇航工业界进行合作,确定方案和从事初步设计工作。波音公司和马丁·玛丽埃塔公司负责设计、研制加压舱。通用电气公司和美国无线电公司设计自动控制维修平台。
汤普森—拉莫—伍德里奇公司,和罗克韦尔国际公司的一家子公司,将负责设计发电和电力储存系统。由于轨道上的太空站不象地球有大气层保护,会因强烈的太阳光照射而产生很高的气温,所以这两家公司还要研制一套散热系统。

永久性太空站太空站的电源

关于太空站的电源,计划是建一个面积2000 平方米的太阳能电池翼,供应75 千瓦电力。航空和航天局并已设计出一种镓砷化物太阳能电池,功率可比以前使用的硅光电池大一倍,能满足太空站65 至100 千瓦的电力需求。早在1983 年,国家航空和航天局就和能源部、国防高等研究计划局签订了一项联合研制太空核电站的协议,这个太空核反应堆有三个基本设计方案,一个是热电转换锂冷却快速反应堆;一个是热离子反应堆系统;另一个是研制装有斯特林发动机的锂冷却快速粒子反应堆。消息透露,将在1991 年建成一个100 千瓦的小型太空核电站,可供永久性航天站电力,也可在“星球大战”计划中为轨道上的激光发生器或粒子束发生器提供充足的能量,以击落敌方的洲际弹道导弹。

永久性太空站产生电力的方法

此外,一种新的产生电力的方法也在设计研究之中。它是利用抛物镜面聚焦产生蒸汽来发电的太阳能蒸汽发电系统。最终永久性太空站上将使用哪一种方法来获得电力,也许将视各项研究的进度、成果产生的利弊而定。

永久性太空站太空站的基本骨架

太空站的基本骨架——桁架构件,由约翰逊宇航中心负责提出要求,由设在圣路易的麦克唐奈·道格拉斯公司具体设计制造。在这方面,美国已有相当经验。通讯设施是永久太空站的一个主要项目。太空站上的宇航员要同派出去的人员联络,要和飞来的人通话,还要和地面、月面、轨道上的通信卫星联系,所以必须有许多大大小小的天线,保证十分复杂的线路始终畅通。太空站的通讯和跟踪系统由美国无线电公司负责。此外,霍尼韦尔公司将提供稳定和自动化控制系统,国际商用机器公司将提供计算机和飞行日期系统。

永久性太空站“太空温室”运行系统

随着空间站计划的提出,美国航空和航天局已设计了一个“太空温室”运行系统。它可以部分地向生活在太空站的工作人员提供植物。据有关人员介绍,这种“太空温室”不仅可以节约许多费用,还能丰富空间轨道站上工作人员的餐桌。为了加强计划管理工作,有助于太空站计划的实施和缩减经费。美国航空和航天局局长詹姆斯·弗莱彻于1986 年月30 日宣布,任命克利夫兰航天局刘易斯研究中心主任安德鲁·斯托潘为太空站计划办事处负责人,这个办事处将在太空站计划负责人、航空和航天局副局长约翰·霍奇的直接领导下,管理整个永久太空站计划的系统工程工作。在这之前,太空站计划的指挥工作是集中在休斯敦约翰逊宇航中心的,现在这个中心将继续在这项计划中发挥重要作用。

永久性太空站建立“前哨站”

在着手永久性太空站计划的同时,美国航空和航天局还在考虑下一步的活动。即在月球上设立一个永久性基地的计划。这个计划不仅是为了开采月球上的富氧岩石和其他资源,而且是为了建立一个“前哨站”,以便进一步探索和扩大人类在太阳系的活动,特别是在火星和邻近地球的小行星上的活动。
这项计划表明美国要重新回到月球上去,月球的开发已提到议事日程上来了。科学家们的一致意见是:航空和航天局应当在月面建立一个有人管理的永久基地,把它作为开发月球,向月球移民,以及在21 世纪开发和认识宇宙深处的前哨基地。国家航空和航天局负责人表示,美国大约到2010 年,将在月球建立第一个居民区,以后逐步扩展,全面开展商业利用活动。
为此,美国的科学家和工程师们为人类进军月球作了初步的设计工作。在月球的靠近极角处的陨石坑或火山口里,可能会有积冰,这些积冰融化后便可解决月球居民的用水问题。月球表面的富氧岩石,可能提供人类呼吸所需要的氧气。

永久性太空站建立居民点

要在月球上建立居民点,当然要解决住房问题。目前,美国研究月面建筑材料已取得初步成果。最初,航空和航天局曾考虑用铅、玻璃、陶瓷、组合材料等作为月球建材,并为此进行了长期研究。1981 年,结构学家林铜柱提出用月球岩土来制造月球混凝土,作为月球基地建筑材料的意见。它的最大优点是就地取材。估计月面基地需要1.2 万吨混凝土,其绝大部分原料可以取自月球,地球只要供应54 吨氢气即成,这就为航空和航天局节省了千百万美元。此外,它还具有强度高、耐高温、抗高放射线、抗磨损、耐真空等特性。

永久性太空站研究月球土

林铜柱的设想得到航空和航天局的重视。1984 年底,航空和航天局月球物质管理处拨出微量月球土供他研究,试验结果令人满意。1986 年3 月,航空和航天局再次给他40 克灰褐色的、比盐粒略大的月球土供进一步试验用。林铜柱在芝加哥建筑技术实验室用它和矾土、水泥粉和水搀和在一起,形成胶泥状的湿粘土;过24 小时后它硬化成混凝土块;再用6 天的时间进行硬度处理,最后制成了一个1 立方英寸的正方体混凝土块,和口香糖大小的混凝土薄片。经过抗拉和抗压强度试验,它比地球上高强度的混凝土的强度还要高5%。
为实施月球计划,美国的一些公司也进行了研制工作。据说洛克希德公司已成功地研制成了一种新式自动装配系统,只要两天时间,就能在太空装成一个面积有3 个足球场般大的太空平台。

永久性太空站发现氦-3

1986 年6 月15 日美国《芝加哥论坛报》刊发一篇报道,161指出在月球上开采氦的一种稀有同位素氦—3,会带来很大经济利益。“阿波罗”宇宙飞船登月时,科学家已发现月球上有大量的氦—3,而这是地球上所没有的。当时并不知道它有什么价值。经过约15 年的不懈努力,美国科学家现在提出了一个新理论,用氦—3 作为核聚变的原料,可以建成最最安全的核电厂。在地球上,氢原料的聚变将比裂变发电厂安全1000 倍,而使用氦—3 聚变,则更安全。此外,这种能源产生的能量也更大。威斯康星大学的核工程师们肯定,如果用航天飞机那么大的一艘飞船,可以从月球运回20 吨液化氦—3,用以发电,所产生的电力足够令美国使用一年。
按照美国航空和航天局的设想,人类在月球扎根大致分两步,第一步在2007 年建立月球基地,第二步建立太空城。

永久性太空站月球基地的蓝图

是:占地8361.5 平方米的圆形三层建筑,直径64 米。每层高4.57 米。屋顶由混凝土制造,上面覆盖76 至254 毫米厚的月球土。墙壁分内外两层,外墙厚152 毫米,内墙厚254 毫米,两层墙的中间夹76毫米厚的月球土。这样的建筑物要求能防宇宙射线、太阳风、陨石撞击、大气外泄等等。此外,这个建筑物的中央还建有一个圆形的“临时庇护所”,一旦建筑物受损或有什么变故,人可以入内暂时避难。对如何建立月球基地,美国已有一个初步计划。它将以永久性太空站为基地,用航天飞机进行12 次登月飞行,完成建站过程。

永久性太空站永久性载人太空站计划

20世纪80年代初美国航天局研制成功 航天飞机 以后,开始永久性载人 太空站 的概念研究。1984年美国政府批准永久性载人太空站计划。这个计划已发展成美国、欧空局、日本和加拿大参加的国际合作计划。国际永久性太空站建成以后,可以进行太空材料生产,太空维修、装配、对地观测和天文观察,以及在太空发射卫星等。国际永久性载人太空站采用桁架结构。太空站的大部件由美国航天飞机多次发射入轨,然后由航天员在轨道上组装完成。整个工程计划分两期完成。第一期工程的基本构架是一条长达150米的桁架 ,重要舱段有美国的居住舱、实验舱、资源过渡舱、乘员气闸舱,欧空局的压力舱,日本的实验舱和加拿大的移动机械臂等。第一期工程计划在90年代中期完成,已命名为自由号太空站。其总重约200吨,可容纳8名航天员,总电力75千瓦,微重力等级达10 -5 克.
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