劃代比拚,中國空間站VS國際空間站,後浪的力量有多強?
2021年06月22日10:00

  國際空間站是由美國、俄羅斯、歐洲宇航局、日本和加拿大等國家聯合建造的空間站。自1998年發射空間站之後,在過去二十多年里,他是人類唯一運行的在軌空間站。隨著2021年6月17日,長征2F遙十二火箭托舉神舟十二號載人飛船點火升空,曆經6小時32分鐘飛行後神舟十二號與天宮空間站完成對接,順利將三位航天員送入太空,也就標誌著20年來國際空間站壟斷地位的終結。那麼空間站有著怎樣的發展曆程?中國空間站和國際空間站又有哪些區別呢?

  空間站(space station)是一種近地軌道長時間運行,可供多名航天員尋訪、長期工作和生活的載人航天器。隨著科技的發展空間站可分為以下幾代:

  第一代空間站:特點:單模塊,一個對接口(禮炮1號、禮炮2號、禮炮3號、禮炮4號、禮炮5號)

  第二代空間站:特點:單模塊,兩個對接口(禮炮6號、禮炮7號)

  第三代空間站:特點:多模塊,積木式結構(和平號空間站)

  第四代空間站:特點:多模塊,桁架結構和積木式的混合結構(國際空間站)

  01第一代空間站

  禮炮系列空間站由前蘇聯建造,其中禮炮一號是人類的第一個空間站。這個系列的空間站在1971年到1985年間服役,期間一共發射了1至7號,分為民用的DOS(Durable Orbital Station)型和軍用的Almaz型。禮炮2號、3號和5號空間站便屬於軍事用途的Almaz型。除禮炮系列中的一號到五號空間站外,第一代空間站還包括美國天空實驗室,他們都只具有一個對接口。

  表一 第一代空間站概況

  禮炮一號

  禮炮—1號空間站是前蘇聯首個太空站,也是人類歷史上首個太空站,於1971年4月19日發射升空。蘇聯曾想借由聯盟—10號運送太空人進入禮炮1號,不過由於泊接機件問題,聯盟—10號並沒有成功。隨後,蘇聯派出第二艘太空船聯盟—11號與太空站對接,宇航員在太空站內逗留了23天。可惜,在聯盟—11號返回地球的時候,返回艙的均壓均衡閥過早開啟,3位宇航員因此而身亡。

  天空實驗室

  美國在1973年5月14日發射成功一座叫天空實驗室的空間站,它在435千米高的近圓空間軌道上運行,先後接待3批9名宇航員到站上工作,他們分別居留28天,59天和84天。除成功完成了空間站的修理工作外,宇航員們在空間站里進行了許多生物實驗,研究了植物在太空中生長與在地球上生長是否不同的問題,研究了細菌在太空的生長情況。1979年7月12日在南印度洋上空墜入大氣層燒燬。它在太空運行2249天,航程達14億多千米。

  禮炮四號

  禮炮4號空間站於1974年12月26日發射,先後與聯盟17號、聯盟18號飛船對接。聯盟20號無人飛船又與其成功對接並運送燃料,使其工作壽命延長到15個月。

  1974年12月26日,禮炮4號空間站在拜科努爾航天發射場成功發射。空間站在軌運行時,和兩艘聯盟號載人飛船進行了對接,其中聯盟17號兩名航天員進站工作30天,聯盟18號的兩名航天員進站工作63天。1975年11月17日無人駕駛的聯盟20號飛船曾給其運送燃料,從而延長了其在軌時間達768天。空間站於1977年2月2日脫離軌道重返大氣層燒燬。

  02第二代空間站

  蘇聯第二代空間站包括“禮炮6號”和“禮炮7號”。這兩座空間站要解決的問題除進一步提高安全性和可靠性外,另兩項重大的變化是長壽命和擴展應用領域。如果軌道高度保持在250千米,每年消耗推進劑為4.75噸;如果軌道提高到350千米,則推進劑消耗只有600千克。禮炮6號和7號正是採用這種的較高軌道。

  另外,為更大限度地提高軌道運行壽命,第二代空間站具有兩個對接窗口,一個用於聯盟號載人飛船對接,另一個用於貨運飛船對接,進行軌道加油和往返運送試驗設備、試驗物品。

  表二 第二代空間站概況

  禮炮六號

  禮炮6號空間站自1977年9月29日進入軌道,到1982年7月29日重返大氣層時燒燬,總共在天上運行了4年10個月。在這段時間里,它共接待了16批33名蘇聯及東歐國家的宇航員,實際有人居住的總飛行時間達到676天。在宇航員進站工作期間,完成了大量科學觀測、地球資源觀測、人體生物醫學研究和技術實驗。更具有應用意義的工作則是進行了大量半導體、晶體生長實驗和用結晶爐及合金爐進行了金屬冶煉實驗。宇航員還首次熔化了玻璃,這項工作對於製造高性能的光導纖維有重大意義。

  禮炮7號

  禮炮7號空間站,是蘇聯研製的一個技術高度成熟的空間站,也是禮炮計劃中最後一個空間站。禮炮7號空間站的構造與禮炮6號基本相同,先後共接待11批28名宇航員。宇航員們共進行了涉及各個方面的120多項實驗,拍攝了1萬張地球和天空照片,極大地豐富了空間科學寶庫。禮炮7號於1986年8月停止載入飛行,與宇宙-1686號無人貨運飛船組成“兩位一體”軌道復合體轉移到更高的軌道上飛行,並繼續自動地收集,發回站上各系統工作數據,為研製未來的宇宙復合體,軌道平台提供依據。禮炮7號空間站創造了最終工作壽命達8年之久的最高紀錄。

  03第三代空間站

  前蘇聯“和平”號屬於第三代空間站,於1986年2月20日開始在太空建造,前蘇聯解體後由俄羅斯接管。它採用積木式或叫艙體式構型,運行了15年,所以也叫長久性空間站。“和平”號最大特點是率先升空的核心艙不僅能用於航天員生活居住,控制整個空間站正常運行,其上還有6個對接口,它先後像搭積木一樣對接了5個專用實驗艙(量子1號艙、量子2號艙、“晶體”艙、“光譜”艙和“自然”艙)及“聯盟”系列載人飛船、“進步”系列貨運飛船,形成龐大的空間復合體,總質量達100多噸。其中的“晶體”艙還對接過美國航天飛機,使其總質量達200多噸。中國空間站就是參考和平號建造的思路規劃的,採用積木式構型,由核心艙、夢天實驗艙、問天實驗艙、載人飛船和貨運飛船五個模塊組成。

  04第四代空間站

  國際空間站(International Space Station),是目前在軌運行最大的空間平台,是一個擁有現代化科研設備、可開展大規模、多學科基礎和應用科學研究的空間實驗室,為在微重力環境下開展科學實驗研究提供了大量實驗載荷和資源,支援人在地球軌道長期駐留。國際空間站建設始於1998年,其採用桁架結構和積木式的混合結構,由16個國家共同建造、運行和使用,是有史以來規模最大、耗時最長且涉及國家最多的空間國際合作項目。自2000年以來一直保持在軌工作,性能和設備老化嚴重,每年維護成本高達50億美元。按照計劃,該空間站最初的服役期限為2015年,之後被延長兩次,分別至2020年和2024年。目前,國際空間站主要由美國國家航空航天局、俄羅斯聯邦航天局、歐洲航天局、日本宇宙航空研究開發機構、加拿大空間局共同運營。

  中國空間站與國際空間站有什麼不同?

  01

  首先國際空間站是多個國家參與建設的太空計劃,從1998年第一次發送組件以來,直到2009年還在組裝桁架(S6桁架),這十多年里20多次發射組裝諸如桁架、節點艙、裝載平台的各種組件,耗資巨大,時間漫長。中國空間站的組建才剛開始,按照空間站建造任務規劃,今明兩年將實施11次飛行任務,包括3次空間站艙段發射、4次貨運飛船以及4次載人飛船發射,2022年完成空間站在軌建造,建成國家太空實驗室,進入到應用與發展階段。

  02

  國際空間站由於是多國合作建造的大型空間站,而中國空間站則是由我國自主建造的空間站。首先在體積質量上就有所不同。國際空間站大約為1000m³,質量約為420噸,太陽能電池翼有100千瓦的功率輸出,桁架長108米,艙段約74米。中國空間站約110m³,總重量可達90噸,同樣100千瓦的功率輸出,艙段長47米。國際空間站雖然應用了桁架結構,但其內在仍然是積木式。420噸規模中供宇航員工作生活的艙段規模僅有180噸左右,這些艙段是以積木式結構組合在一起的,而又由於參建國家不同,標準不一,以及艙段研發時代的技術局限,導致大量的空間被閑置,甚至艙體與艙體無法直接對接,需要在中間套一個轉接器。而中國的天宮空間站就不存在這些問題。

  03

  國際空間站桁架式結構設計初衷,就是為了能佈置大型太陽能電池翼,以規避上一代空間站的積木式空間站電池翼相互之間存在的嚴重的遮擋問題,進而提高發電能力,四部大型太陽能電池翼總發電功率是100千瓦,而且還必須外掛散熱片才可以。

  中國的空間站沒有桁架結構,也沒有佈置那麼多數量的太陽能電池翼,為什麼有相同的發電能力呢?原因是中國空間站運用了由三結砷化镓太陽能電池組成的柔性太陽電池翼,功率重量比高,光電轉換效率可達 30% 以上。柔性翼雙翼展開面積可達134 平方米,全部收攏後只有一本書的厚度,僅為剛性太陽翼的 1/15,大幅擴大了空間站各艙段的有效空間,提升了安裝載荷能力。

  04

  空間站在近地軌道運動都會受到稀薄大氣的阻力,即每個月會下降2公里左右。要長期維持近軌高度,每年國際空間站消耗的燃料高達4噸,如果要變軌(改變傾角)則要更多一些,這些燃料都是貨運飛船一點點送上去的,因此在國際空間站很多艙段都有燃料艙,不僅大量佔用空間,而且非常依賴貨運飛船。每年國際空間站至少要發射4次貨運飛船才能滿足一年的軌道維持。

  中國採用的是霍爾電推力器,利用將惰性氣體電離並高速噴出的方式產生推力。每年進行1次補給就可以滿足全年的空間高度維持。這是人類首次將電推動力用於載人航天器,可以大大降低貨運飛船發射頻次,節約運營成本,縮小常規燃料箱尺寸,增大艙內可用空間。

  本來轉自未來空天

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