【科普花园】《新世纪飞天梦》连载(15)为什么要建造空间站(之二)
编者按:《新世纪飞天梦》是中国科学院力学研究所的王柏懿和林烈两位研究员撰写的一部科普小书。它图文并茂,以通俗的语言、严谨的分析和详实的史实,展示了人类不懈追求升空飞天的艰辛历程,说明了各类航天飞行器的基本原理和主要功能,还介绍了航天大师钱学森。承蒙作者的盛意,他们同意以网络书的形式在本网站上发表全书内容。该书主要是为小学高年级和初中的学生们编写的,有些较为专深的相关知识则采用“小贴士”“知识链接”和“你知道吗?”等框图形式在文中给出。
为什么要建造空间站(之二)
王柏懿
4.2 漂浮在太空的实验基地
空间站是一种在近地轨道长时间运行,可供多名航天员在其中生活、工作和巡访的载人航天器。
由于航天员往往要在空间站里长时间的值班守候,所以空间站要有人类能够“舒适”生活的一切设施。2017年,美国宇航员佩吉·维特森在“国际空间站”里呆了535天,又刷新了太空生活累计时间的记录。这么长时间处于失重状态还要完成许多工作,可不是件容易的事儿啊!
就说喝水吧,饮用水总不能全是从地面上带去吧?就要有地方安装废水处理系统,把用过的废水处理好再当作饮用水使用。再说洗澡吧,飞船那么挤,根本无法摆放洗浴设施,航天员只能用湿毛巾擦擦身体。如果只是几天,那还可以忍一忍,但是一个月、三个月、半年甚至一年多,人可能会憋得“发疯”!所以空间站上一定得有洗澡装置。当然,这么多航天员,这么长时间,处理垃圾的设备、存放垃圾的地方也得准备好。还有,空间站一定要设置太空厕所的,总不能像早期飞船那样,让航天员天天在身上捆绑着一个大小便收集袋吧?
除了这些日常生活必需的物件儿外,航天员长期在太空中会造成肌肉萎缩、骨质流失、心肌减弱等问题,所以他们必须进行体育锻炼,这样就要装备训练器材。空间站还要有让航天员可以娱乐、休闲的地方和设施。是啊,尽管太空美景令人心醉,但总不能让他们365天都是看窗外的太空吧?那样的话,美景也就索然无趣了。
其实,这里提到的仅仅是和航天员生活有关的一点点事情。小朋友都会知道,航天员在太空里主要是工作,他们能开展的太空科研项目又多又广,就要求空间站在轨飞行时间长并具有多种功能,这样才能保证太空科研工作的连续性和深入性。所以,和卫星、飞船相比,我们见到的空间站,都是体积庞大、结构复杂的大家伙。这里,还要提到空间站的另一个特点,就是它们都不会再返回地球,只是在太空接纳航天员进行实验,而把接送航天员(或者运输物质)的活儿交给能在天地间往返、还可以和空间站对接的载人(或货运)飞船或航天飞机去做。这样就可以简化空间站的结构,不必增加为保证回地安全所需要的设计,从而既能降低它们自身的工程设计难度,又可减少航天费用。如果空间站不能继续工作了,怎么办呢?自行销毁呗,就像“和平号”那样溅落在南太平洋里。
为什么空间站只能有一定的生存时间呢?原来太空环境是十分恶劣的,原子氧不断侵蚀它的表面材料,太阳紫外辐射不断加速老化它的部件,微流星和轨道碎片不断撞击它的表面。所以,日久天长,空间站就会伤痕累累、不堪重负了。此外,由于空间站运行在近地轨道上,依然会受到稀薄空气的阻力而减速,因此必须周期性地添加推进燃料,来提升空间站的轨道高度,否则将导致不可避免的坠落。所以选择销毁的方式,是由于空间站结构太复杂,体积也太大,如果滞留在太空,将会成为一堆威胁性很大的太空垃圾。
到目前为止,先后上天的空间站有:苏联的“礼炮号”(1-7号),美国的“天空实验室”(1-3号),俄罗斯的“和平号”以及多国联合的“国际空间站”。现在,只有“国际空间站”还在运行,据说它将在2024年结束使命,也有人希望它能坚持到2028年。
咱们还是来具体了解一下“国际空间站”这个庞然大物吧,它可是一个漂浮在太空的实验基地啊!它是由美国国家航空航天局(NASA)、俄罗斯联邦航天局(RFSA)、日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)、加拿大太空局(CSA)和欧洲空间局(ESA)等共同建造的空间站项目,总共有16个国家参与。国际空间站从1998年开始建造,直到2011年全部完成,是目前人类拥有过的规模最大的空间站,站体总重约454吨,由挂在一个长长的桁架上的13个空间舱和仪器设备组成,常驻宇航员最多可容纳6人。它的主结构长110米、宽88米、高44米,平面尺寸如同一个标准足球场。它还有4对巨大的太阳能电池帆板安装在桁架的两端,每对帆板的翼长有72米,总面积达2419米2。所以,地面上的人可以用肉眼看到它。在夜空里,除了月亮和金星,第三颗最亮的“星星”就是国际空间站啦!
空间站作为一个悬浮在太空轨道的实验室,是人类进行科学研究和开发太空资源的重要手段。自从国际空间站形成了居住、工作条件后,航天员就开始了微重力和其它空间环境对人类影响效应的研究。随着空间站规模的逐步扩大、设施的陆续到位,研究的领域和深度也不断增加。据统计,到2013年3月为止,在国际空间站上开展的研究项目有1502项,参与研究的国家和人员分别为69个和1667人,运送到空间站的物质有48835千克,返回到地面的物质有11320千克,乘员的累计操作时间为19623小时。特别要说明的是,国际空间站还是全球教育的大课堂,在美国有几千万名学生和上万名教师参加了国际空间站的科学活动。国际空间站也安排了一些学生设计的实验,其中还包括了中国学生设计的“蚕在太空吐丝结茧”实验。
要知道,空间站在太空轨道上飞行,避免了地面以及地球大气层的各种干扰,为观测提供了十分优越的条件。此外,空间站的微重力环境比卫星、飞船和航天飞机都要好,给研究航天医学、生命科学、生物技术、材料科学、流体物理、燃烧科学等提供十分优越的条件,直接促进这些学科的进步。特别是,空间站里长期有人参与各项实验与观测,可以及时调整仪器的参数,还可随时维修故障,甚至可以通过航天飞机或飞船更换仪器设备。所以,国际空间站不愧为漂浮在太空的实验基地。
小朋友不禁要问:国际空间站到底进行了哪些科学研究呢?
第一是对地观测,例如地球上发生地震、海啸或火山喷发等灾害事件时,空间站均给予了及时报告;对于地球海岸线的变化,进行了长期监测及预报;还发现了南极冰山破裂和漂移情况;等等。国际空间站已经提供了32.5万幅的照片,为世界各国科学家和政府部门使用。
第二是对地球大气质量、陆地海洋资源进行监测,因而为气候变化长期预报、陆地资源开发、海洋资源利用等提供了重要信息。例如,空间站上有一个“农业摄像机”,专门对地球的农作物生长和病虫害情况以及生态环境进行监测,并把所拍摄的图像传到地面,对规模化农业产业很有意义。
第三是天文观测,空间站在太空的活动范围大并具有多方向性,还可以采用机动的观察测定方法,因而为天文学家提供了大量有关宇宙奥秘的重要信息,而且还能对影响地球环境的天文事件(如太阳耀斑等)做出快速反应,及时保护地球。
第四是生命科学和生物技术研究,例如判断重力对航天员身体(包括大脑、神经和骨骼及肌肉等)影响的航天医学研究;进行植物在微重力环境下生长规律的研究;开展蛋白质单晶生长、细胞/组织培养、疫苗开发、药物微封装技术、遥感医学诊治的研究;等等。这些研究结果都可以用于改善人类的生活质量。
第五是材料科学和高新技术的研究,对于太空产品开发、地面材料制备技术的改进,进行了多方面的技术验证。例如合金半导体的晶体生长、材料表面处理技术、节能减排技术、喷雾灭火技术、铸造技术,以及新型原子钟的研制,等等。
最后,要告诉小朋友的是,国际空间站的建成和应用,也是人类向着建造太空工厂、太空发电站,进行太空旅游,建立永久性居住区(太空城堡),向太空其他星球移民等载人航天的远期目标接近了一步。这就是人类要建造空间站的缘由吧!
(未完待续)