国际空间站是由美国、俄罗斯、欧洲宇航局、日本和加拿大等国家联合建造的空间站。自1998年发射空间站之后,在过去二十多年里,他是人类唯一运行的在轨空间站。随着2021年6月17日,长征2F遥十二火箭托举神舟十二号载人飞船点火升空,历经6小时32分钟飞行后神舟十二号与天宫空间站完成对接,顺利将三位航天员送入太空,也就标志着20年来国际空间站垄断地位的终结。那么空间站有着怎样的发展历程?中国空间站和国际空间站又有哪些区别呢?

  空间站(space station)是一种近地轨道长时间运行,可供多名航天员寻访、长期工作和生活的载人航天器。随着科技的发展空间站可分为以下几代:

  第一代空间站:特点:单模块,一个对接口(礼炮1号、礼炮2号、礼炮3号、礼炮4号、礼炮5号)

  第二代空间站:特点:单模块,两个对接口(礼炮6号、礼炮7号)

  第三代空间站:特点:多模块,积木式结构(和平号空间站)

  第四代空间站:特点:多模块,桁架结构和积木式的混合结构(国际空间站)

  01第一代空间站

  礼炮系列空间站由前苏联建造,其中礼炮一号是人类的第一个空间站。这个系列的空间站在1971年到1985年间服役,期间一共发射了1至7号,分为民用的DOS(Durable Orbital Station)型和军用的Almaz型。礼炮2号、3号和5号空间站便属于军事用途的Almaz型。除礼炮系列中的一号到五号空间站外,第一代空间站还包括美国天空实验室,他们都只具有一个对接口

  一  第一代空间站概况

  礼炮一号

  礼炮—1号空间站是前苏联首个太空站,也是人类历史上首个太空站,于1971年4月19日发射升空。苏联曾想借由联盟—10号运送太空人进入礼炮1号,不过由于泊接机件问题,联盟—10号并没有成功。随后,苏联派出第二艘太空船联盟—11号与太空站对接,宇航员在太空站内逗留了23天。可惜,在联盟—11号返回地球的时候,返回舱的均压均衡阀过早开启,3位宇航员因此而身亡。

  天空实验室

  美国在1973年5月14日发射成功一座叫天空实验室的空间站,它在435千米高的近圆空间轨道上运行,先后接待3批9名宇航员到站上工作,他们分别居留28天,59天和84天。除成功完成了空间站的修理工作外,宇航员们在空间站里进行了许多生物实验,研究了植物在太空中生长与在地球上生长是否不同的问题,研究了细菌在太空的生长情况。1979年7月12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。

  礼炮四号

  礼炮4号空间站于1974年12月26日发射,先后与联盟17号、联盟18号飞船对接。联盟20号无人飞船又与其成功对接并运送燃料,使其工作寿命延长到15个月。

  1974年12月26日,礼炮4号空间站在拜科努尔航天发射场成功发射。空间站在轨运行时,和两艘联盟号载人飞船进行了对接,其中联盟17号两名航天员进站工作30天,联盟18号的两名航天员进站工作63天。1975年11月17日无人驾驶的联盟20号飞船曾给其运送燃料,从而延长了其在轨时间达768天。空间站于1977年2月2日脱离轨道重返大气层烧毁。

  02第二代空间站

  苏联第二代空间站包括“礼炮6号”和“礼炮7号”。这两座空间站要解决的问题除进一步提高安全性和可靠性外,另两项重大的变化是长寿命和扩展应用领域。如果轨道高度保持在250千米,每年消耗推进剂为4.75吨;如果轨道提高到350千米,则推进剂消耗只有600千克。礼炮6号和7号正是采用这种的较高轨道。

  另外,为更大限度地提高轨道运行寿命,第二代空间站具有两个对接窗口,一个用于联盟号载人飞船对接,另一个用于货运飞船对接,进行轨道加油和往返运送试验设备、试验物品。

  表二 第二代空间站概况

  礼炮六号

  礼炮6号空间站自1977年9月29日进入轨道,到1982年7月29日重返大气层时烧毁,总共在天上运行了4年10个月。在这段时间里,它共接待了16批33名苏联及东欧国家的宇航员,实际有人居住的总飞行时间达到676天。在宇航员进站工作期间,完成了大量科学观测、地球资源观测、人体生物医学研究和技术实验。更具有应用意义的工作则是进行了大量半导体、晶体生长实验和用结晶炉及合金炉进行了金属冶炼实验。宇航员还首次熔化了玻璃,这项工作对于制造高性能的光导纤维有重大意义。

  礼炮7号

  礼炮7号空间站,是苏联研制的一个技术高度成熟的空间站,也是礼炮计划中最后一个空间站。礼炮7号空间站的构造与礼炮6号基本相同,先后共接待11批28名宇航员。宇航员们共进行了涉及各个方面的120多项实验,拍摄了1万张地球和天空照片,极大地丰富了空间科学宝库。礼炮7号于1986年8月停止载入飞行,与宇宙-1686号无人货运飞船组成“两位一体”轨道复合体转移到更高的轨道上飞行,并继续自动地收集,发回站上各系统工作数据,为研制未来的宇宙复合体,轨道平台提供依据。礼炮7号空间站创造了最终工作寿命达8年之久的最高纪录。

  03第三代空间站

  前苏联“和平”号属于第三代空间站,于1986年2月20日开始在太空建造,前苏联解体后由俄罗斯接管。它采用积木式或叫舱体式构型,运行了15年,所以也叫长久性空间站。“和平”号最大特点是率先升空的核心舱不仅能用于航天员生活居住,控制整个空间站正常运行,其上还有6个对接口,它先后像搭积木一样对接了5个专用实验舱(量子1号舱、量子2号舱、“晶体”舱、“光谱”舱和“自然”舱)及“联盟”系列载人飞船、“进步”系列货运飞船,形成庞大的空间复合体,总质量达100多吨。其中的“晶体”舱还对接过美国航天飞机,使其总质量达200多吨。中国空间站就是参考和平号建造的思路规划的,采用积木式构型,由核心舱、梦天实验舱、问天实验舱、载人飞船和货运飞船五个模块组成。

  04第四代空间站

  国际空间站(International Space Station),是目前在轨运行最大的空间平台,是一个拥有现代化科研设备、可开展大规模、多学科基础和应用科学研究的空间实验室,为在微重力环境下开展科学实验研究提供了大量实验载荷和资源,支持人在地球轨道长期驻留。国际空间站建设始于1998年,采用桁架结构和积木式的混合结构由16个国家共同建造、运行和使用,是有史以来规模最大、耗时最长且涉及国家最多的空间国际合作项目。自2000年以来一直保持在轨工作,性能和设备老化严重,每年维护成本高达50亿美元。按照计划,该空间站最初的服役期限为2015年,之后被延长两次,分别至2020年和2024年。目前,国际空间站主要由美国国家航空航天局、俄罗斯联邦航天局、欧洲航天局、日本宇宙航空研究开发机构、加拿大空间局共同运营。

  中国空间站与国际空间站有什么不同?

  01

  首先国际空间站是多个国家参与建设的太空计划,从1998年第一次发送组件以来,直到2009年还在组装桁架(S6桁架),这十多年里20多次发射组装诸如桁架、节点舱、装载平台的各种组件,耗资巨大,时间漫长。中国空间站的组建才刚开始,按照空间站建造任务规划,今明两年将实施11次飞行任务,包括3次空间站舱段发射、4次货运飞船以及4次载人飞船发射,2022年完成空间站在轨建造,建成国家太空实验室,进入到应用与发展阶段。

  02

  国际空间站由于是多国合作建造的大型空间站,而中国空间站则是由我国自主建造的空间站。首先在体积质量上就有所不同。国际空间站大约为1000m³,质量约为420吨,太阳能电池翼有100千瓦的功率输出,桁架长108米,舱段约74米。中国空间站约110m³,总重量可达90吨,同样100千瓦的功率输出,舱段长47米。国际空间站虽然应用了桁架结构,但其内在仍然是积木式。420吨规模中供宇航员工作生活的舱段规模仅有180吨左右,这些舱段是以积木式结构组合在一起的,而又由于参建国家不同,标准不一,以及舱段研发时代的技术局限,导致大量的空间被闲置,甚至舱体与舱体无法直接对接,需要在中间套一个转接器。而中国的天宫空间站就不存在这些问题。

  03

  国际空间站桁架式结构设计初衷,就是为了能布置大型太阳能电池翼,以规避上一代空间站的积木式空间站电池翼相互之间存在的严重的遮挡问题,进而提高发电能力,四部大型太阳能电池翼总发电功率是100千瓦,而且还必须外挂散热片才可以。

  中国的空间站没有桁架结构,也没有布置那么多数量的太阳能电池翼,为什么有相同的发电能力呢?原因是中国空间站运用了由三结砷化镓太阳能电池组成的柔性太阳电池翼,功率重量比高,光电转换效率可达 30% 以上。柔性翼双翼展开面积可达134 平方米,全部收拢后只有一本书的厚度,仅为刚性太阳翼的 1/15,大幅扩大了空间站各舱段的有效空间,提升了安装载荷能力。

  04

  空间站在近地轨道运动都会受到稀薄大气的阻力,即每个月会下降2公里左右。要长期维持近轨高度,每年国际空间站消耗的燃料高达4吨,如果要变轨(改变倾角)则要更多一些,这些燃料都是货运飞船一点点送上去的,因此在国际空间站很多舱段都有燃料舱,不仅大量占用空间,而且非常依赖货运飞船。每年国际空间站至少要发射4次货运飞船才能满足一年的轨道维持。

  中国采用的是霍尔电推力器,利用将惰性气体电离并高速喷出的方式产生推力。每年进行1次补给就可以满足全年的空间高度维持。这是人类首次将电推动力用于载人航天器,可以大大降低货运飞船发射频次,节约运营成本,缩小常规燃料箱尺寸,增大舱内可用空间。

  本来转自未来空天


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