空間站

空間站（英語：Space Station）也作「太空站」，是運行在外太空的人造船，廣義上為航天器的一種。和宇宙飛船相比，太空站並不一定會搭載着航天員發射升空，也不一定會具備推進和着陸用的設備，但太空站有適合人類長時間居住的設計，可以作為宇航員在太空停留和工作的場所。太空站能提供地面實驗設施所不能提供的低重力、宇宙環境等條件，主要被用於各種科學研究（尤其是研究長期滯留宇宙對人體的影響）。目前為止，人類的全部太空站都是建造在地球衛星軌道上，為了對太空站進行人員和物資的補給和輸送，需要其它太空飛行器配合。

人類現有的兩座在軌空間站：國際空間站（左）和天宮空間站（右）

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在軌和已退役的空間站大小對比

現在近地球軌道上有國際太空站及天宮空間站正在運作；其中，國際空間站預計將於2031年退役^[1]。而中國正在建設的天宮空間站首個艙段天和核心艙已於2021年4月發射入軌，整個空間站的一期工程已經完工，並開始投入運作。另外，美國太空總署計劃2024年在月球軌道建設太空站，而中國及俄羅斯在2021年3月亦宣佈合作在月球軌道或表面興建一個研究站。

歷史

赫爾曼·波托奇尼克的1929年著作《太空旅行的問題》中的插圖，描繪了旋輪太空站的概念。

空間站概念的提出可以追溯到1869年，當時艾德華·艾弗雷特·海爾（英語：Edward Everett Hale）為《大西洋月刊》撰寫了一則關於「用磚搭建的月球」的文章^[2]。此後，康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基和赫爾曼·奧伯特也對空間站進行過設想。1929年赫爾曼·波托奇尼克的著作《太空旅行的問題》（The Problem of Space Travel）出版並風靡了30多年。1951年沃納·馮·布勞恩在《礦工周刊（英語：Collier's）》中刊登了他帶有環狀結構的空間站設計^[2]。二戰期間德國科學家曾研究過使用太陽能的軌道兵器，即所謂的「太陽炮」。按照設想，它將是運行在高度在5,100英里（8,200公里）的地球軌道的空間站的一部分^[3]。

禮炮4號空間站結構圖

和平號空間站，拍攝於STS-91任務期間

國際空間站，拍攝於STS-133任務發現號航天飛機

阿波羅11號飛船在1969年搶先登陸月球後，前蘇聯在與美國登月的太空競賽中落敗，因此轉向了其他方向（如空間站）來展示他們的航天實力^[4]。禮炮一號於1971年成功發射升空，它是人類歷史上首個空間站。但不幸的是三名宇航員在返回時因閥門故障造成座艙失壓全部窒息死亡。美國聽聞風聲後亦緊隨其後，在1973年也學著發射了空間站「天空實驗室」，它攜帶了一系列的望遠鏡，科學家在上面做了許多關於醫藥、地質和天文等方面的科學實驗。前蘇聯在1986年發射了模組化的「和平號」空間站，並在接下來的十年間不斷對其進行擴充完善，服役至2001年。期間有包括美國在內的許多國家的航天員拜訪過這個世界著名的空間站。1998年11月國際空間站的第一個部件曙光號功能貨艙發射升空，隨後陸續發射的模塊對其逐漸進行擴充。它由多個國家分工建造、聯合運用，成為國際合作進行太空開發的標誌。自2000年11月之後，國際空間站上就保持至少三名乘員至今。

居住性

目前已有的太空站內部狹窄的密閉空間、高輻射和失重等問題讓它們在可居住性上受到很大限制。在其中生活的太空人面臨着身體不適、心理障礙和長期健康問題的挑戰。拿輻射舉例：地球的生物在范艾倫帶以下生息，受到地球磁場的保護免受太陽風的傷害，但太空站的乘員則得不到地球磁場的庇護。而長期在失重環境下生活會讓宇航員面臨肌肉流失和骨鈣質流失的問題。

構造

太空站是一個由許多相互關聯的子系統構成的複雜系統，一個功能完備的空間站通常會具備以下的模塊。

1. 主體結構
2. 電源供應系統
3. 溫度控制系統
4. 姿勢控制系統
5. 軌道操作和推進系統
6. 自動化和機器人系統
7. 計算機和通信系統
8. 環境與生命支持系統
9. 乘員生活設施
10. 乘員和貨物運輸系統

發展

空間站可分為以下幾代^[5][6]：

• 第一代空間站：特點：單艙，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、天空實驗室、天宮一號、天宮二號）
• 第二代空間站：特點：單艙，兩個對接口（禮炮6號、禮炮7號、天宮三號）
• 第三代空間站：特點：多艙，積木式結構（和平號空間站、天宮號空間站）
• 第四代空間站：特點：多艙，桁架式和積木式的「混血」結構（國際空間站）

列表

空間站		乘員 上限	發射時間	燒毀時間	運作天數		訪問人次	訪問次數		質量	加壓艙 容積
名字	圖片				在軌	有人		載人	無人
禮炮一號		3	1971年4月19日 01:40:00 UTC	1971年10月11日	175	24	3	2	0	18,425公斤（40,620英磅）	90 m³ （3,180 ft³）
DOS-2		0	1972年7月29日 入軌失敗	1972年7月29日	0	0	0	0	0	18,000公斤（40,000英磅）[12]	90 m³ （3,180 ft³）
禮炮二號 （Almaz 1）		0	1973年4月4日	1973年5月28日	54	0	0	0	0	18,500公斤（40,800英磅）[13]
宇宙557號		0	1973年5月11日	1973年5月22日	11	0	0	0	0	19,400公斤（42,800英磅）[12]
天空實驗室		3	1973年5月14日 17:30:00 UTC	1979年7月11日 16:37:00 UTC	2,249	171	9	3	0	77,088公斤（169,950英磅）	283 m³ （10,000 ft³）
禮炮三號 （Almaz 2）		2	1974年6月25日 22:38:00 UTC	1975年1月24日	213	15	2	1	0	18,900公斤（41,700英磅）[7] （發射重量）	90 m³ （3,180 ft³）
禮炮四號		2	1974年12月26日 04:15:00 UTC	1977年2月3日	770	92	4	2	1	18,900公斤（41,700英磅）[7] （發射重量）	90 m³ （3,180 ft³）
禮炮五號 （Almaz 3）		2	1976年6月22日 18:04:00 UTC	1977年8月8日	412	67	4	2	0	19,000公斤（42,000英磅）[7] （發射重量）	100 m³ （3,530 ft³）
禮炮六號		3	1977年9月29日 06:50:00 UTC	1982年7月29日	1,764	683	33	16	14	19,000公斤（42,000英磅）	90 m³ （3,180 ft³）
禮炮七號		3	1982年4月19日 19:45:00 UTC	1991年2月7日	3,216	816	26	12	15	19,000公斤（42,000英磅）	90 m³ （3,180 ft³）
和平號 /		3	1986年2月19日 21:28:23 UTC	2001年3月23日 05:50:00 UTC	5,511	4,594	137	39	68	124,340公斤（274,120英磅）	350 m³（12,360 ft³）
國際空間站 / / / /		6	1998年11月20日	目前在軌	9523	8812	230	88	94	417,289公斤（919,965英磅）	907 m³（32,030 ft³）
天宮一號		3	2011年9月29日 13:16:03.507 UTC	2018年4月2日	2377	22	6	2	1	8,506公斤（18,753英磅）	40.5 m3（1,430立方英尺）
天宮二號		3	2016年9月15日 21:04:12.428 UTC+8	2019年7月19日	1037	29	2	1	1	8,506公斤（18,753英磅）	40.5 m3（1,430立方英尺）
天宮空間站		6[14]	2021年4月29日 11:23:15.613 UTC+8	目前在軌	1327	1197	18	6	8	100,000公斤（220,000英磅）[15][16]（最大構型）	340 m3（12,000立方英尺）[15]

這個部分摘自：空間站列表 § 列表[編輯]

• 禮炮系列空間站（Salyut）（蘇聯，1971年-1986年）
  • 禮炮一號（1971年，1名乘員，1次失敗對接）
  • DOS-2（1972年，無人，發射失敗）
  • 禮炮二號/Almaz（1973年，無人，發射後不久失效）
  • 宇宙557號（1973年，無人，發射11天後再入大氣層）
  • 禮炮三號/Almaz（1974年，1名乘員，1次失敗對接）
  • 禮炮四號（1975年，2名乘員，1名預定乘員無法到達軌道）
  • 禮炮五號/Almaz（1976年-1977年，2名成員，1次失敗對接）
  • 禮炮六號（1977年-1981年，16名乘員，其中5位長期停留，11位短期停留，1次失敗對接）
  • 禮炮七號（1982年-1986年，10名乘員，其中6位長期停留，4位短期停留，1次失敗對接）

  禮炮系列空間站由蘇聯建造，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^[7]。禮炮2號、3號和5號空間站便屬於軍事用途的Almaz型^[8]。

• 天空實驗室空間站（Skylab）（美國，1973年-1974年，3名乘員）

  天空實驗室是美國的空間站計劃，在1973年到1974年間一共進行了1至4號任務，除1號任務中發射的空間站核心部件外其餘皆為往返於空間站的太空船任務。

• 和平號空間站（Mir）（前蘇聯/俄羅斯，1986年-2000年，28名乘員，全部長期停留）

  和平號是前蘇聯設計建造的空間站，為上述禮炮計劃的後繼項目。它於1986年發射升空，並在接下來的十年間陸續追加了眾多功能模塊，一直被運用到2000年。蘇聯與美國在這裡進行過宇航事業合作，許多不同國家的宇航員也曾到訪和平號進行工作。它被廢棄後於2001年受控再入大氣層燒毀。原本為其後繼項目和平號-2準備的星辰號服務艙隨後被合併至國際空間站的項目中。

• 國際空間站（International Space Station, ISS）（美國/歐盟/日本/俄羅斯/加拿大，2000年-至今，2011年4月為止共有27名長期停留乘員）

  國際空間站是由美國國家航空航天局（NASA）、俄羅斯聯邦航天局（RFSA）、日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）、加拿大太空局（CSA）和歐洲空間局（ESA）共同建造的空間站項目。它在1998年開始建造，各功能模塊在其後被陸續送入軌道裝配，目前它的建造還未完成。國際空間站是目前人類擁有過的規模最大的空間站。

• 天宮系列太空站
  • 天宮一號（Tiangong 1）（中國，2011年-2017年）

    天宮一號目標飛行器是中國建造並發射運用的小型試驗性空間站，它於2011年發射升空。天宮一號計劃將與隨後發射的神舟八號至十號飛船進行對接，成為中國第一個空間實驗室。神舟八號已於2011年11月1日發射，並在11月3日和15日兩次成功與天宮一號對接^[9][10]。2012年6月18日中午，神舟九號攜三名航天員和天宮一號對接成功，航天員成功進入到天宮一號內部。2013年6月13日13時18分，神舟十號攜三名航天員再次和天空一號對接成功，航天員進入到天宮一號內部，將開展為期15天的在軌生活和科研活動。2013年6月20日10時，中國女航天員王亞平在天宮一號上進行了一次50分鐘的太空授課。2016年3月21日，中國載人航天工程辦公室宣告其完成任務。天宮一號已於2018年4月2日上午8時15分墜入大氣層銷毀。

  • 天宮二號（Tiangong 2）（中國，2016年9月15日-2019年7月19日）

    天宮二號空間實驗室是中國設計建造並發射運用的正式的中型空間站，它於2016年9月15日晚間發射升空。天宮二號與隨後發射的神舟十一號飛船進行對接，成為中國第一個正式的空間實驗室。神舟十一號於2016年10月中下旬發射，並與天宮二號對接。2018年9月15日完成在軌兩年的任務目標，2019年7月19日21時06分，受控離軌再入大氣層銷毀，少量殘骸落入南太平洋。

  • 天宮空間站（中國，2021年4月29日-至今）

    中國設計建造的第三個、也是中國第一個第三代模塊化空間站，核心艙段天和核心艙於2021年4月29日發射升空，並分別於2022年7月、10月分別發射了兩個實驗艙段（問天實驗艙、夢天實驗艙），目前「T」字基本構型已在軌組裝完成^[11]。神舟載人飛船與天舟貨運飛船被用於運輸航天員和貨運補給，目前將繼續進行空間站建造和開展太空實驗工作。

年表

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空間站發展時間軸，原型機以*標記。

  中國

  蘇聯/俄羅斯

  美國

  多國合作

長期工作人員

前景

目前為止的太空站皆屬於公共組織所有，多用於科研用途，而現在有不少組織開始籌劃商用的太空站項目，提供太空旅館、可出租的實驗室等服務。^[17]為了解決上述章節里提及的可居住性問題，研究人員提出了許多設想。輻射問題可以通過更厚的艙壁來提供更好的保護。空間不足問題可以通過建造空間更大的艙體改善。而針對失重問題，國際太空站原本預定會帶有一個可以旋轉的艙體，用離心力來製造人工重力，但這個計劃最終被取消了。目前的太空站皆為剛體結構，笨重因而發射費用過於高昂，上述設想短期內都將無法實現。因此自2000年起NASA和畢格羅宇航等組織開始研究柔性艙壁的膨脹型艙體。^[18]俄羅斯正在推進的OPSEK項目將包含一個軌道組裝廠，用來在軌道上建造那些若在地面建造發射會過大過重的部件。^[19]

參見

• 航天主題

• 宇宙殖民地
• 旋輪太空站
• 太陽系探索時間線
• 太空電梯

參考文獻

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