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（之四）

王柏懿

4.4 大开脑洞，设想一下你怎样来设计空间站

　　人类探索太空的脚步从未停歇，空间站是实现新世纪飞天梦的重要帮手，因为它可以作为未来深空探测的中转基地，也可以作为太空产品开发、高新技术验证、太空旅游的基地。所以，希望热爱航天的小朋友们大开脑洞，想一想你会怎样来设计新一代的空间站。我们热切地等待着你们的作品啊！

　　那么该如何起步呢？也许咱们先要搞清楚未来的目标，同时也要搞清楚目前的问题。这里不妨说一说现在的航天人是怎样议论的，可能会对小朋友们开动脑筋、设计新方案有一定启发作用。

　　首先，现在的空间站都是在近地轨道上飞行，和地球的距离不过几百千米。但是，最近的天体——月球距离地球是38万千米，而最近的行星——火星距离地球是5500万千米。所以，如果是做深空探测的“中转站”，是不是应该比现在的近地轨道空间站更进入深空一些呢？这个想法很符合逻辑的。所以，美国航天局曾计划把空间站建在地-月体系的“拉格朗日点”上。

　　哈哈，小朋友马上要问：什么是拉格朗日点啊？其实，它的学名叫“平动点”，是十八世纪的数学家欧拉和拉格朗日推算出来的。两位数学家证明了：在两个大天体（例如，地球和月球，太阳和地球）的引力作用下，在空间中一定有5个特别的位置点；在这些点上(L_1—L₅)，一个质量可以忽略的小物体（如人造卫星、空间站）相对于这两个大天体基本保持静止。如果把空间站设置在地-月体系的L₂点，到月球的距离只有6.5万千米左右，更便于控制月球背面月球车的运行和航天员月面取样返回，在此处放置射电望远镜时可以避免来自地球的电磁波干扰，可以更方便探测近地小行星、火星及其卫星，而且可以为宇航员和航天工程师积累深空操作的经验。

　　其次，我们知道航天发射是非常昂贵的，而且空间站舱段的重量和体积都要受到火箭推力和尺寸的限制。所以，国际空间站在经过4年的准备工作之后，从1998年11月发射第一个舱段“曙光号”开始，到2011年基本建成，到2014年4月最后一个舱段“科学号”升空，跨越了15年以上的时间，运用了50余次太空飞行和组装。这真是一场旷日持久的战斗啊！

　　怎样利用有限的运载容积获得尽可能大的使用空间？对于运输代价高昂的载人深空探测意义非常重大。于是，有人就另辟蹊跷，想出了一条“折叠运输、充气展开”的路子。美国的毕格罗公司发明了一种充气舱，目前实验样机的重量只有1.4吨，发射时体积只有3.6立方米。等到它进入太空轨道后经过充气，可以在短时间内“长大”4倍多，变成一个长4.01米、直径3.23米、容积16立方米的“大帐篷”。但是，面对高真空、强辐射的低温太空环境，特别是神出鬼没的流星体和空间碎片撞击，这个看似有点魔幻的“大帐篷”是不是靠谱呢？

　　为了这种充气舱，航天工程师专门研制了合成纤维、液晶聚合物、陶瓷纤维等新材料，他们采用了多达20余层的材料，自外向内为提供了五级防护结构：温度防护层、碎片防护层、形状保持与强度加强层、密封气囊层、内部防护层（防刮、防刺等）。经地面试验表明，它的密封、保温、抗撞击和防辐射效果还不错。为了证明它真的靠谱，美国航天局还在2016年发射了一个实验舱BEAM上天。

　　尽管BEAM和国际空间站对接后没有成功展开，但是航天工程师们不会放弃的，相信他们一定会解决展开问题的。那时，他们将可能发射小体重、大空间的太空舱BA330了。正式的太空舱每个重20吨，充气后可提供330立方米的空间。小朋友们要知道，国际空间站看上去那么大，可是它内部的加压空间只有916立方米，而总重量有420吨，但是采用BA330，只要3个就够了，总重量才60吨。所以，不用再解释了，小朋友一眼就能明白充气太空舱为什么会节约成本啦。

　　最后，我们还知道在轨道上飞行着的空间站，是一种微重力环境。航天员在空间站“失重”状态下，会遇到一些“空间运动病”引起的麻烦（如头晕、目眩、恶心、呕吐、出冷汗和空间定向障碍等）；会对人体的心血管、前庭、视觉、运动协调等机能产生影响，造成人体机能水平的降低和空间工作能力的退化。如果是长期在空间站工作，还在会发生骨质流失和肌肉萎缩的现象，可能产生严重的心理障碍（如厌烦、焦虑、不安、抑郁、愤怒、失眠等）。所以，航天员上天之前，一般都要进行严格的训练。那么小朋友们想一想，能不能避免这些问题发生呢？于是，一种人造重力环境的设想就出现了。

　　其实，这种思想很早就有的，美国航天局在1969年就给出了一种空间站的设计：四个舱段建造在两个长长的向外伸展的手臂上，两个手臂又连接在中间圆柱体上，并不停地环绕中央轴旋转。这样就可以产生人造重力。让宇航员拥有更自然或者更熟悉的重力环境，确保他们的健康。但是怎样在太空里搭建这种空间站的技术没有成熟，所以现有的空间站都是处于微重力环境的。

　　近年来，由于深空探测的行程十分漫长，失重环境对航天员身体的影响更为严重，所以人造重力的问题又被提出来了。例如，美国宇航局的专家们就提出了一个名为“鹦鹉螺X”的空间站设计。“鹦鹉螺X”的中央结构很像一个面包圈，它是通过旋转来产生人造重力的。看起来，要建造这个空间站，目前这种依靠一个个舱段拼接的方式还是有可能的。此外，美国有一家名叫“联合太空结构”的公司，它也计划建造一座新型空间站。在设计上，这种新型空间站呈蘑菇形，将环绕垂直轴旋转，每分钟旋转4.22周，用这种方法产生人造重力，让里面的人员获得与地球上一样的重力感受。他们设想，完工后的“太空蘑菇”直径将达到100米左右，而长度大约400米，它的空间将是国际空间站的289万倍。尽管有航天专家认为“太空蘑菇”是个有发展前途的想法，但目前“太空蘑菇”仍旧还是一个白日梦。首先它也得解决如何搭建起来的问题，也许我们的小朋友在那一天会找到恰当的方法呢！

　　上面提到的这些未来空间站的设想，是航天专家们已经考虑过的了。它们只是为了帮助你们这些航天爱好者学会去思考而已。你们只要大开脑洞，一定会设想出更多更好的方案来，未来是属于你们新一代的！

（未完待续）