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方兴未艾的航天母舰
******************** 士元 ********************
今年的4月是值得纪念的一个月，这不仅是因为4月12日是世界航天第一人加加林登天40周年和世界第一架航天飞机哥伦比亚号发射20周年，而且4月19日还是世界第一座空间站礼炮1号升空30周年。这三大事件都具有里程碑的意义。空间站的问世，标志着人类大规模开发太空资源进入一个崭新的阶段。这种可供多名宇航员巡访、长期居住和工作的空间大厦能由运输器为在其上面长期生活的人员提供生活用品等。
太空堡垒
自古以来，人类就有飞出地球、探知太空奥秘和开发宇宙资源的梦想和愿望。经过不懈的努力，人类终于在20世纪飞出了自己的摇篮--地球，开辟了继陆地、海洋和大气层之后的第四个生存环境——太空，从而翻开了人类文明史上新的一页。
1961年4月12日，前苏联宇航员加加林率先乘宇宙飞船进入太空，开创了载人航天的新纪元。此后，美苏在载人航天领域展开了激烈角逐，先后研制出宇宙飞船、空间站和航天飞机这三种载人航天器，其中宇宙飞船和航天飞机主要用于天地往返运输，在太空飞行时间一般不超过20天；而空间站不返回地面，在太空长期运行，主要用于观天测地、科学研究、太空生产和在轨服务等。
由此不难看出，宇宙飞船和航天飞机是人类进入太空的交通工具，而如同一艘不落的航天母舰的空间站则是开发太空的人造“天宫”。它与宇宙飞船和航天飞机相比，具有许多特有的优势，比如规模大、电源充足；在轨运行时间长；站上实验设备可以更换和维修；宇航员能轮流分批作业；功能可以不断扩展，等等。实际上，空间站综合了人造地球卫星、宇宙飞船和航天飞机等航天器各自的优点，既能长期在轨运行，又可载人，因而一问世便受到了美苏两个航天大国的高度重视。
美苏都希望通过建立空间站来控制太空，从而控制地球。利用空间站能长期载人的优势可进一步研究地球环境和宇宙空间，并开发太阳系。通过空间站实现空间工业化生产，可获取地球上很难或根本无法得到的产品。在站上可充分发挥人类观察和判断等独有的主观能动性，组装和维修各类航天器。空间站还可作为太空中转站，把宇航员送到地外行星上去。在军事上，它是理想的军事观察站、指挥所及武器试验场……
然而，在空间站的发展模式上，美苏却采取了不同的战略方针，从而出现了差异甚大的不同结果。前苏联把发展空间站作为一项国策，采取了积极稳妥、循序渐进的方式，最大限度地利用了成熟技术，因而在空间站技术领域技高一筹，现已独立发射了8座空间站，和平号就是其代表作。美国则采取了争先跳跃式的思路；由于过多注重先进性而缺乏连续性和继承性，所以美至今只自行发射了一座空间站。
目前正在建造的阿尔法国际空间站由16个国家合作研制。它代表了当代空间站的最高水平。
两种构型
从1971年4月19日前苏联发射世界上第一座空间站礼炮1号到现在，美苏已分别把9座空间站送上了太空，目前正联合建造国际空间站。这些空间站从总体构型上大致可分为两种，即舱段式和桁架式，其中后者又称一体化组合综合轨道基地。
舱段式空间站由数个舱段组成，包括居住舱、实验舱、资源舱、对接过渡舱和气闸舱等。居住舱内有卧室、餐厅和卫生间，是宇航员生活和休息的场所。实验舱内安装各种实验设备和观测装置，是进行实验研究和对地对天观测的场所。资源舱用来安装推进系统、气瓶、水箱和电源设备等，为整个空间站提供动力和电源。对接过渡舱有多个对接口，可同时停靠多艘载人飞船或其它航天器。气闸舱是宇航员在轨道上出入太空的通道。
舱段式空间站以圆筒形压力舱作为结构基础，一般由运载火箭一次发射入轨。入轨后太阳能电池阵等部件自行展开投入工作，工作正常后再用载人飞船或航天飞机把人送到站上。它的特点是所用硬件少，压力舱容积大，可进行大量舱内实验；空间站主体对地定向，故便于对地观测。它的最主要长处是不需要宇航员出舱组装，因而较为简单。这种空间站的缺点是太死板，不够灵活，很难改变结构，尤其是在压力舱出现重大故障时，很难取下来进行修理。它的太阳能电池阵的可展开面积小，输出电力受到限制。它的控制系统设计比较复杂，需细心建立结构的数学模型和设计控制软件。
世界上现已发射的9座空间站均属于舱段式构型，但它们又可分为三代。
1971～1977年前苏联发射的礼炮1～5号和美国发射的天空实验室为第一代，具有试验性质，寿命都不长。这一代的主要特征是站上仅有一个对接口，所以每次只能对接一艘客货两用飞船（往返运送人员和少量物品），因而站上的科研仪器和主要物品均是在发射前就装入了空间站内，很难补给。这就限制了载人航天的时间和空间站的寿命。但这一代空间站解决了许多有关的重大科技问题。例如，它证实了在太空也和在地面一样，有必要把住房、工作场所与交通工具等按各自的特点分别建造，这样才能解决相互间的束缚，提高效率；站上宇航员可采取轮班工作的方式提高空间站的利用率。
前苏联的礼炮6号和7号空间站是第二代。它们分别于1977年和1982年入轨，属于实用型。它们的主要特点是有两个对接口，可同时接纳两艘宇宙飞船，即送人与运货可以分开，从而延长了空间站在轨寿命和宇航员在轨时间。在第一代空间站中，寿命最长的礼炮4号工作了两年多，而礼炮6号和7号分别运行了5年和9年。所以，第二代空间站又叫长寿命空间站。
第一和第二代空间站均是单模块式空间站。第三代空间站则采用多模块组合的方式，即由多个舱段在空间交会对接后像积木一样组合而成。它是舱段式空间站的合理发展。由于每个舱段都有独立的电源及控制系统，因而这代空间站比较灵活，具有功能强、使用范围广等特点，部分解决了单模块式空间站存在的问题。它的典型代表是前苏联1986年发射的和平号空间站。
和平号空间站的最大特点是有6个对接口。它们除了用于与飞船对接外，还对接了5个实验舱。它的不足之处是增加了每个舱段的复杂性；各舱之间过于紧凑，因而相互有一定影响，特别是站上的太阳能电池板很难安排，易被遮掩。
桁架式空间站可以克服舱段式空间站存在的许多问题。它的主要特征是以长达数十米或上百米的巨大桁架为骨架，各种舱段、设备、太阳能电池板等都挂接在桁架上。通常，实验舱和居住舱等位于桁架的中部，而太阳能电池板和大型抛物面天线等安装在桁架的两端。目前，美国、俄罗斯、欧空局、日本和加拿大等正在联合建造的国际空间站基本属于桁架式构型。
这种空间站灵活性更强，安装在桁架上的舱段等均可以很方便地装卸、修理和更换。它全部采用统一的服务设施，集中进行供电、供气、散热、姿态控制和交会对接，使每个组成模块的功能单一化，以大大提高全站的效率。它的结构不像舱段式空间站那样紧凑，有效载荷能方便地从对接口出入，桁架间的宽阔空间可以安装各种观测仪器和增设太阳能电池板，观测视野好，容易扩展。它所采用的三角形桁架结构刚度大，并可利用重力梯度稳定姿态，使控制系统比舱段式简单。这些都是未来大型空间结构的发展方向。
当然，桁架式空间站也不是十全十美的。它的主要缺点是太复杂，不仅需要运载火箭或航天飞机多次发射，分批将桁架结构、各舱段和太阳能电池板等运到轨道上，还需要宇航员多次出舱组装，因而费用高，风险大。另外，在使用上，它总的微重力水平不如自由飞行的单模块舱段式空间站；实验舱在站上的位置不同，微重力水平也有优劣之分。
未来的空间站将向大型化方向发展，成为空间基地。所谓空间基地就是除具有空间站的全部功能外，还可向其它航天器提供加注、维修和更换仪器等在轨服务。为此，在空间站基础上发展而成的空间基地还要配有轨道机动飞行器和轨道转移飞行器等，其中站上维修服务站是重要设施之一。基地上有移动服务系统和各种维修工具，可用来装配其它大型空间结构，充分发挥人的作用。在空间基地上还可建空间工厂，生产特殊材料和药品等，使载人航天步入真正的应用阶段。
用途广泛
理论和实践都证明，空间站是当代最适合长期载人航天的“天堂”，具有自主补给消耗品以及检修和更换设备的能力，并能变更和扩大其功能。空间站先入轨、后上人的特征，既提高了安全保障，又简化了研制过程，前景十分广阔。
宇宙飞船的压力舱容积只有数立方米，电功率通常仅为数千瓦，飞行时间也很短，所以在其上很难开展大型科学实验，更不要说进行空间生产了。航天飞机也存在同样问题。而空间站则是航天发展中合乎逻辑的一步。它能长期载人和活动空间大等一系列优越性，不仅使无人的卫星望尘莫及，而且让只能短期留轨的宇宙飞船和航天飞机也相形见绌。
由于规模大，在发射空间站时可携带足够多的气体和推进剂，必要时还可在轨补给，所以空间站在轨工作寿命很长，通常为5～10年，甚至更长。站内仪器和设备可根据任务需要由宇航员随时更换。仪器出现故障时，也可就地维修。站内宇航员一般每隔90天轮换一次，由飞船或航天飞机接送。大型实验或空间装配任务可由几批宇航员连续完成。它还可广泛用于军事，进行侦察与监视等。
冷战时期，美苏曾为夺取制天权在空间站领域开展过激烈的争夺，其目的之一就是为军事服务。前苏联礼炮2号、3号和5号均为军用空间站，而礼炮1号则是军民两用站。军用和民用空间站除了在通信制式和频段等方面不同外，主要区别有两点：一是军用空间站运行轨道较低，为260～270千米，以便进行军事侦察，但需定期进行轨道修正；二是军用空间站飞行周期短，且需要定期弹射回侦察密封舱。另外，军用空间站上大多装有高分辨率摄像机，站上所有宇航员和飞行工程师都是军人。前苏联礼炮7号也进行过用空间站来支援陆、海、空军事行动的评定试验以及侦察和监视活动。大名鼎鼎的和平号则在1991年的海湾战争中异常活跃，获取了大量情报。
实践证明，空间站可更有效地完成侦察和监视地面目标的任务；能部署和修理军事卫星；可拦截和摧毁卫星、导弹；能建立既安全、视野又广的指挥中心；可作为特殊武器试验场，甚至轨道兵站或攻击站，使战争更加立体化。
虽然冷战已经结束，但空间站的地位并未下降，16国合建国际空间站就是例证。目前的航天产业还是一个高投入、高风险的行业，主要体现在当代航天器功能单一、寿命短、种类和数目繁多，导致发射频率高；大多数航天器不能在轨维修、加注和补给，影响了寿命；无人航天器不能在轨组装，使许多巨型科研和生产设备无法在太空落脚，导致不少高效益的研究和生产不能进行。用空间站则可使这些问题迎刃而解。
太空资源有三种：一是轨道资源，由航天器在轨运行自然产生；二是环境资源，如丰富的太阳能、高洁净和高真空环境等；三是物质资源，如月球上的氦3等矿藏。目前的航天器主要是用来开发轨道资源，即利用高远位置，如通信卫星、遥感卫星和导航卫星等。由于它们获取、加工、传输和存贮的大多为信息，在现有条件下可全部自动化，发展起来比较容易，不需人的直接参与。比较起来，太空其它资源的开发利用难度更大。例如在航天器上建工厂和试验基地等，由于获取、加工、运输和存贮的是物质或能源，因此采用的方法和过程以及所需的设备和仪器往往要庞大和复杂得多，在现在和可预见的将来，还很难做到大部分自动化，需要有人在现场参与工作，以解决那些靠机器不能解决、难以解决或解决起来代价过高的各种问题。空间站则是发挥人的主观能动性的最佳载人航天器。
人类现已完成了试验性空间站的发展阶段。国际空间站的建造，标志着永久性空间站的发展阶段已经开始。它将使载人航天的意义更加明朗。总的来讲，空间站的用途有以下几个方面：
（1）对地观测 人在空间站上通过目视观察，或用便携式相机和多种仪器综合观测地面，可收到很好的观测效果。尤其是有时宇航员可用肉眼看清海底的一些东西，而用仪器则“视而不见”，有关人员现正在研究这一奇特现象。空间站上可安装大型观测设备，从而提高分辨率和综合观测效果。站上宇航员可避开云雾拍照，并能拍摄到许多意外发生或偶遇的重要事件。
（2）空间生命科学和航天医学 生命在太空微重力和强辐照环境下的延续与在地面环境下有很大差别。在空间站上种养动植物，进行空间生物学研究，能揭开生命的奥秘，培育出许多新的生物品种，为农业科学开辟新的途径。我国曾多次用返回式卫星进行太空育种，在太空飞行仅10多天的种子在地面生长中就出现明显变异，青椒、西瓜等均高产，质优，口味好，抗病力强。若在空间站上长期育种，效果则会更好。在空间站上进行充分的航天医学研究，对未来人类移居外空具有重要意义。
（3）天文观测 从空间站上进行天文观测，可以摆脱地球大气的遮挡，改变坐地观天的局面，开创全波天文的时代，因而很早就被列为空间站的主要任务之一，并已取得显著成效。利用空间站精确测定天体的运动和方位，可扩展人类的视野，发现新的宇宙奥秘。
（4）空间生产 利用太空微重力、高真空、高洁净等环境资源，可生产高纯度药品，提炼无缺陷晶体，制造无泡沫合金等。空间站具有长寿命、大空间、有人操作等一系列特点，是建立空间工厂的理想场所。空间商业化生产将为全球经济创造新的增长点。美国已打算通过国际空间站的部分商业化，每年创收几亿美元。
（5）新技术试验 空间通信的关键是研制大尺寸的轻型天线，而空间站上有足够的时间进行人工操作和精密装配，并提供发展空间通信和微波通信的实际工作环境。发展激光雷达、微波遥感器等技术，需要进行各种试验，而空间站正是最适宜的对地观测技术实验室。利用空间站作基地，可在太空装配和试验巨型太阳能电站。在空间站上还能利用太空的特殊天然环境，试验空间推进技术以及定向能武器等新式武器（大多数激光束和粒子束易被大气衰减，所以此类武器试验最好在外空进行）。站上还能验证空间探索技术。
（6）在轨服务 空间站可成为一个操作中心为其它航天器服务，包括修理卫星、更换仪器、加注燃料和组装大型空间设施等。
空间站的应用现已经历了实验探索时期，并开始进入在轨服务时期，今后还将作为人类在空间长期生活的基地。人类可以在地球同步轨道，甚至在日地间的拉格朗日平动点上建立巨大无比的永久性空间站，作为长期生活、生产和飞往地外星球的基地。
空间站不仅可反映出一个国家航天技术的发展水平，而且还是衡量一国经济、科技和军事力量以及综合国力的一个重要标志。俄罗斯就是一个典型的例证。该国曾在空间站方面风光多年，但现在因经济每况愈下，结果不得不放弃大名鼎鼎的和平号空间站。国际空间站的建设进度也因俄财政拮据而一推再推。
太空生活不是梦
空间站价值连城，建成后需要能长期工作。未来的空间站都将是永久性的，可通过补给、维修和替换来延长寿命。
以航天器群方式运行将是未来空间站的另一显著特点。所谓航天器群就是由空间站、空间平台和轨道间飞行器等组成以空间站为核心的空间站系统。人们在多年的实践中发现，有些项目在空间站上会受到宇航员的扰动和环境污染的影响，故应在与空间站主体分开，但又由空间站主体加以管理和照料的自由飞行器上进行。它们一般是空间平台。轨道间飞行器则是来往于空间站和空间平台之间的载人或无人机动运输器。它停靠在空间站上，可用于更换和修理空间平台上的设备，补给消耗品和从平台上取回数据资料及产品。这种空间站系统能大大提高太空开发效益，扩大空间站的应用范围。
要完成上述任务，需解决一系列技术问题。例如，永久性空间站及其分系统需采用高可靠性设计。太空特殊环境会带来诸多不利因素，如太空原子氧对结构材料的腐蚀、微流星体撞击、活动部件产生的冷焊、温控涂层老化和电子器件受辐射而失效等，为此应研制出能在空间深冷、强辐照和腐蚀条件下长期工作的电子器件、温控涂层和结构材料等。为便于维修和更换部件，永久性空间站应采用标准化在轨更换单元和先进的在轨维修技术。
目前的空间站对地面依赖很大，因而已出现空间站“放”得起却“养”不起的局面（和平号是一个典型）。为此，未来的空间站将提高自主性，为此需开发一些新技术，如研制再生式生命保障系统，使宇航员呼出的二氧化碳和解出的小便及其它废水变成有用的氧气、饮用水和卫生用水，供宇航员复用，形成循环过程。还可在空间站上栽种植物和饲养动物，解决食物自给，并形成氧气的自然循环，等等。
为了使人能长期在站上生活和工作，克服太空环境给宇航员带来的心血管异常、骨质疏松等不利影响，减少宇航员轮换次数，提高效率，未来的空间站将既具有微重力环境（用于科研和生产），又具有为宇航员创造的人造重力环境（现已有多种方案）。
此外，未来空间站的建造还将遇到大型结构件展开、能防空间粒子辐射且灵活方便的特殊航天服、效率更高的大功率电源、像轮船救生艇一样方便可靠的救生设备和微型载人机动装置等一系列技术难关。
克服了这些艰难险阻，人类将开辟出更加美好的空间文明时代。
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