國(guó)際空間站是現(xiàn)代工程的奇跡，但設(shè)計(jì)這個(gè)奇跡的過(guò)程卻差不多是一場(chǎng)噩夢(mèng)。
許多年來(lái)，地球軌道上的 “前哨站”來(lái)了又去，但迄今為止一直 “堅(jiān)守崗位”的只有國(guó)際空間站。其他空間站的任務(wù)時(shí)間都相對(duì)短暫，從幾個(gè)月到幾年不等，而國(guó)際空間站已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行了 20 年，上面一直有人類(lèi)在執(zhí)行任務(wù)，試圖揭開(kāi)宇宙的奧秘。在使命完成之前，國(guó)際空間站還有很多工作要做。私人公司和一些國(guó)家也開(kāi)始建立自己的軌道前哨站，意味著國(guó)際空間站可能是最后一個(gè)毫無(wú)疑義的 “空間站”(The Space Station)。它擔(dān)得起這一稱(chēng)號(hào)，也值得受到這樣的尊敬。國(guó)際空間站是一個(gè)工程奇跡，一個(gè)太空時(shí)代的圣母院，更是人類(lèi)智慧的勝利;但另一方面，設(shè)計(jì)國(guó)際空間站也是一件非常痛苦的事情。
即使是在最好的條件下，建立一個(gè)空間站也是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。然而，當(dāng)這項(xiàng)任務(wù)涉及三屆美國(guó)總統(tǒng)、15 個(gè)國(guó)家、數(shù)百名美國(guó)國(guó)會(huì)議員、數(shù)千名工程師和超過(guò) 1500 億美元的公共基金時(shí)，一切困難似乎就到了不可理喻的地步。羅馬不是一天建成的，確實(shí)如此，但羅馬很可能比國(guó)際空間站更容易建成。當(dāng)然，這看你怎么算，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)花了 30 年才建成這樣一個(gè)空間站，但即便如此，與該機(jī)構(gòu)最初的設(shè)想相比，它仍然相形見(jiàn)絀。
巴茲 · 奧爾德林和尼爾 · 阿姆斯特朗在月球上揚(yáng)起的灰塵尚未落定，NASA 就已經(jīng)開(kāi)始考慮人類(lèi)在太空中的永久存在了。NASA 想要建立一個(gè)容納 100 人的前哨站，稱(chēng)為 “太空基地”(Space Base)。這將是一個(gè)向月球基地發(fā)送宇航員和物資的跳板。毫無(wú)疑問(wèn)，這是一個(gè)雄心勃勃的項(xiàng)目，也是一個(gè)極其昂貴的項(xiàng)目。沒(méi)過(guò)多久，NASA 就意識(shí)到，用一次性火箭把物體發(fā)射到軌道上的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了建造空間站本身的成本。他們需要可重復(fù)使用的東西，比如航天飛機(jī)。
英國(guó)太空建筑師、《國(guó)際空間站：地球之外的建筑》(International space station： Architecture Beyond Earth)一書(shū)的作者大衛(wèi) · 尼克松(David Nixon)說(shuō)：“建造任何空間站的最大挑戰(zhàn)都是將硬件送入太空。直到航天飛機(jī)的出現(xiàn)，像堆積木一樣搭建起整個(gè)空間站才成為可能。”
在航天飛機(jī)發(fā)射之前，世界上最早的軌道前哨站——俄羅斯的禮炮計(jì)劃(Salyut programme，1971 年至 1986 年)和美國(guó)的天空實(shí)驗(yàn)室(Skylab，1973 年至 1979 年)——都是用火箭一次性發(fā)射的。天空實(shí)驗(yàn)室于 1973 年由土星 5 號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射升空，這枚火箭曾將阿波羅任務(wù)宇航員送上月球?；鸺牡谌?jí)被替換成一個(gè)小型圓柱形實(shí)驗(yàn)室，兼作工作區(qū)和生活空間，最多可同時(shí)容納三名宇航員。它還包括一些更小的模塊，如太陽(yáng)觀測(cè)臺(tái)。這并不新奇，但太空實(shí)驗(yàn)室對(duì)于 NASA 具有重要的意義，使該機(jī)構(gòu)知道了如何在太空中連續(xù)數(shù)周維持人類(lèi)的生存。
天空實(shí)驗(yàn)室是美國(guó)的第一個(gè)空間站，在 1973 至 1974 年間，曾有三批宇航員到空間站內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，生存時(shí)間總計(jì)約 6 個(gè)月。上一次前往該空間站的任務(wù)是在 1974 年，到 1979 年時(shí)，天空實(shí)驗(yàn)室的軌道已經(jīng)衰減至無(wú)法回收的位置，它在那年夏天重新進(jìn)入大氣層時(shí)燒毀。不過(guò)，天空實(shí)驗(yàn)室的這個(gè)小故障并沒(méi)有困擾 NASA。兩年后，航天飛機(jī)已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，NASA 的工程師們已經(jīng)在考慮下一步如何讓人類(lèi)永久駐留在軌道上。畢竟，開(kāi)發(fā)航天飛機(jī)最大的目的正在于此。1982 年初，NASA 成立了一個(gè)空間站任務(wù)小組來(lái)研究這個(gè)問(wèn)題，幾個(gè)月后，NASA 向 8 家頂級(jí)航天承包商發(fā)放了資金，每家都得到了 100 萬(wàn)美元，要求是提出可行的空間站設(shè)計(jì)方案。
這些承包商在 1983 年初向 NASA 報(bào)告了他們的設(shè)計(jì)。盡管每個(gè)空間站的概念都獨(dú)一無(wú)二，但它們也都由一些共同的設(shè)計(jì)元素組合而成，以滿(mǎn)足 NASA 的要求。首先，每個(gè)空間站的設(shè)計(jì)一次最多能容納 12 名宇航員，相比 NASA 的阿波羅時(shí)代太空基地設(shè)想，這堪稱(chēng)是大規(guī)模的縮減。大多數(shù)提交的設(shè)計(jì)還設(shè)想空間站作為一個(gè) “太空船塢”或 “太空港灣”，將有能力修理在軌道上的航天器和衛(wèi)星。
但最值得注意的是，這些公司提交的每一種空間站設(shè)計(jì)都是模塊化的。換句話(huà)說(shuō)，它們將一塊一塊地組裝而成，從一個(gè)小內(nèi)核成長(zhǎng)為一個(gè)龐大的軌道復(fù)合體。這是一個(gè)既實(shí)用又必要的特性。航天飛機(jī)一次只能將空間站相對(duì)較小的部分送入軌道，意味著無(wú)論選擇哪一種空間站設(shè)計(jì)，都必須在太空中建造。當(dāng)然，這也意味著空間站可以在完工前投入使用。考慮到大多數(shù)設(shè)計(jì)都預(yù)期數(shù)年才能完成，這是一個(gè)十分重要的考量。
1984 年，大約在承包商提交設(shè)計(jì)一年后，美國(guó)總統(tǒng)羅納德 · 里根在他的國(guó)情咨文中正式指示 NASA 建造一個(gè)空間站。后來(lái)他將這個(gè)空間站命名為 “自由號(hào)”(Freedom)，并視其為發(fā)展強(qiáng)大太空經(jīng)濟(jì)的捷徑。“我們可以追隨夢(mèng)想前往遙遠(yuǎn)的星球，在太空中生活和工作，獲得和平的經(jīng)濟(jì)和科學(xué)成果，”里根告訴美國(guó)人，“就像海洋為快帆船和美國(guó)商人打開(kāi)了一個(gè)新世界一樣，太空在今天擁有巨大的商業(yè)潛力。”
這個(gè)新設(shè)計(jì)俗稱(chēng) “電力塔”(Power Tower)，由 5 個(gè)模塊組成——2 個(gè)實(shí)驗(yàn)室、1 個(gè)后勤中心和 2 個(gè)船員艙——集中在一個(gè) 120 米長(zhǎng)的桁架末端。
里根的國(guó)情咨文標(biāo)志著 NASA 建立空間站的勃勃雄心進(jìn)入了一個(gè)動(dòng)蕩時(shí)期。在 1984 年到 1993 年之間，為了平衡預(yù)算和工程優(yōu)先權(quán)，自由號(hào)的官方設(shè)計(jì)經(jīng)歷了七次重大修改。在總統(tǒng)的指令下達(dá)后的幾個(gè)月里，NASA 就有了空間站的基本設(shè)計(jì)，但與承包商一年前提出的設(shè)計(jì)完全不一樣。這個(gè)新設(shè)計(jì)俗稱(chēng) “電力塔”(Power Tower)，由 5 個(gè)模塊組成——2 個(gè)實(shí)驗(yàn)室、1 個(gè)后勤中心和 2 個(gè)船員艙——集中在一個(gè) 120 米長(zhǎng)的桁架末端。模塊位于桁架的底部(也就是說(shuō)，它們離地球最近)，在桁架結(jié)構(gòu)的另一端則是一個(gè)太陽(yáng)能電池陣列和若干天線(xiàn)。
“電力塔”的鐘擺式設(shè)計(jì)旨在同時(shí)提供地球、太陽(yáng)和太空的景觀。這將有助于開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)，并減少維持空間站穩(wěn)定軌道所需的推進(jìn)器點(diǎn)火次數(shù)。但隨著設(shè)計(jì)的發(fā)展，電力塔的概念遭到了想要將空間站用于其他領(lǐng)域研究的科學(xué)家的抨擊。他們認(rèn)為，居住艙應(yīng)該位于空間站的重心位置，而不是底部，以限制空間站的移動(dòng)。“電力塔有嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，”大衛(wèi) · 尼克松說(shuō)，“由于振蕩和振動(dòng)，將實(shí)驗(yàn)室模塊放在結(jié)構(gòu)底部可能是最糟糕的。”最重要的是，空間站的設(shè)計(jì)反映了用戶(hù)的需求，而用戶(hù)需要將空間站的移動(dòng)減少到最低限度。這就意味著 NASA 不得不從頭開(kāi)始。
1987 年，NASA 發(fā)布了自由號(hào)空間站的新設(shè)計(jì)，即 “修訂基準(zhǔn)構(gòu)型”(Revised Baseline Configuration)。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，我們可以看到國(guó)際空間站的雛形。這一次，模塊都集中在一個(gè)長(zhǎng)桁架的中心，其兩側(cè)是一排排的太陽(yáng)能電池板。這些模塊也得到了國(guó)際支持，歐洲和日本提供了實(shí)驗(yàn)室部件，加拿大提供了一個(gè)航天器維修中心。
“雙龍骨”的設(shè)計(jì)概念也是基于一個(gè)長(zhǎng)水平軸，但它在中心有一個(gè)大型矩形結(jié)構(gòu)——雙龍骨——可以容納航天飛機(jī)的對(duì)接口和其他后勤模塊。
修訂基準(zhǔn)構(gòu)型實(shí)際上是 NASA 自 1985 年開(kāi)始探索的 “雙龍骨”(Dual Keel)設(shè)計(jì)的一個(gè)折衷方案。盡管這個(gè)設(shè)計(jì)概念也是基于一個(gè)長(zhǎng)水平軸，但它在中心有一個(gè)大型矩形結(jié)構(gòu)——雙龍骨——可以容納航天飛機(jī)的對(duì)接口和其他后勤模塊。但據(jù)估計(jì)，這種設(shè)計(jì)的成本幾乎是 NASA 最初預(yù)計(jì)的空間站成本的兩倍。因此，雙龍骨設(shè)計(jì)被放棄，改用更便宜的修訂基準(zhǔn)構(gòu)型，但還可以選擇在以后添加雙龍骨。
盡管修訂基準(zhǔn)構(gòu)型最終成為了空間站最終設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，但 NASA 仍在不斷調(diào)整設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足不斷發(fā)展的預(yù)算限制和技術(shù)要求。一般來(lái)說(shuō)，每次設(shè)計(jì)迭代都會(huì)導(dǎo)致空間站容量下降，并導(dǎo)致發(fā)射計(jì)劃延期。1984 年里根宣布美國(guó)的空間站計(jì)劃時(shí)，第一批太空艙預(yù)計(jì)將在十年內(nèi)發(fā)射。但是到 1993 年，NASA 已經(jīng)在空間站的設(shè)計(jì)上花費(fèi)了 90 億美元，但得到的只是一大堆工程研究，證明他們確實(shí)在努力。國(guó)會(huì)受夠了這種情況，就在那一年，美國(guó)眾議院以一票之差使整個(gè)空間站計(jì)劃免于被取消。
盡管如此，一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)是：如果太空站要成為現(xiàn)實(shí)，它就必須從根本上成為國(guó)際性的合作成果。美國(guó)顯然沒(méi)有足夠的政治意愿獨(dú)自完成這一任務(wù)。因此，1993 年克林頓入主白宮后，正式宣布自由號(hào)計(jì)劃由美國(guó)獨(dú)自建造改為國(guó)際合作建造;在此之后，美國(guó)將與盟國(guó)合作建設(shè)國(guó)際空間站。
就空間站的設(shè)計(jì)而言，從自由號(hào)到國(guó)際空間站的轉(zhuǎn)變主要是一種修辭上的策略。NASA 從一開(kāi)始就主張?jiān)谄淇臻g站上進(jìn)行國(guó)際合作，歐洲空間局和日本已經(jīng)同意為自由號(hào)空間站提供硬件。隨著冷戰(zhàn)的結(jié)束，俄羅斯也被邀請(qǐng)?jiān)谶@個(gè)前所未有的項(xiàng)目上與美國(guó)合作。大衛(wèi) · 尼克松說(shuō)：“在這個(gè)項(xiàng)目即將被取消的時(shí)候，俄羅斯提供了主要的支持。”
國(guó)際空間站的最終設(shè)計(jì)在很大程度上依賴(lài)于 “修訂基準(zhǔn)構(gòu)型”，而 NASA 在過(guò)去 6 年里又對(duì)空間站進(jìn)行了充實(shí)，但采用了更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。例如，空間站的主要水平桁架采用的是預(yù)制構(gòu)件，而不是由宇航員在軌道上組裝。這個(gè)簡(jiǎn)化的空間站構(gòu)型由一組實(shí)驗(yàn)室和居住艙組成，位于一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的水平桁架中心，兩側(cè)各有 4 個(gè)太陽(yáng)能電池陣列。“從某種意義上說(shuō)，這樣的結(jié)構(gòu)是一個(gè)混合體，結(jié)合了來(lái)自不同來(lái)源的不同觀點(diǎn)，”大衛(wèi) · 尼克松說(shuō)道。整個(gè)空間站有一個(gè)足球場(chǎng)那么長(zhǎng)，需要 30 多次航天飛機(jī)發(fā)射才能組裝完成。
1998 年，美國(guó)向空間站發(fā)射了第一個(gè)組件——作為宇航員餐廳的 “團(tuán)結(jié)號(hào)”(Unity)節(jié)點(diǎn)艙。13 年后，發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)的最后一次飛行為空間站送來(lái)了一個(gè)多用途增壓艙，空間站的建設(shè)正式結(jié)束。
對(duì)美國(guó)來(lái)說(shuō)，考慮到幾十年來(lái)與國(guó)際伙伴的角力、不穩(wěn)定的預(yù)算和好斗的總統(tǒng)政府，國(guó)際空間站堪稱(chēng)是一份難以置信的遺產(chǎn)。
美國(guó)國(guó)家航空航天局和世界多國(guó)航天機(jī)構(gòu)的不懈努力終于有了回報(bào)。多虧了國(guó)際空間站，人類(lèi)得以在太空中連續(xù) 20 年存在，而國(guó)際空間站也為突破性的科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了獨(dú)一無(wú)二的平臺(tái)。如今，從零重力的菜園到已知宇宙中最冷的冰箱，這里可以提供各種意想不到的實(shí)驗(yàn)條件。另一方面，國(guó)際空間站也開(kāi)始實(shí)現(xiàn)里根所說(shuō)的成為外星商業(yè)跳板的愿景。許多公司利用國(guó)際空間站進(jìn)行了從 “芯片上的器官”到 3D 打印等各種各樣的研究，還有些公司甚至用它作為自己建造空間站的起點(diǎn)。
對(duì)美國(guó)來(lái)說(shuō)，考慮到幾十年來(lái)與國(guó)際伙伴的角力、不穩(wěn)定的預(yù)算和好斗的總統(tǒng)政府，國(guó)際空間站堪稱(chēng)是一份難以置信的遺產(chǎn)。設(shè)計(jì)空間站可能并不便宜，也無(wú)法快速完成，但沒(méi)有人能說(shuō)進(jìn)入太空是一件容易的事。
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