空间站系列之四-国际空间站

目前世界上只有中国、美国、俄罗斯拥有空间站，空间站系列主要介绍：一、礼炮号系列空间站（苏联）；二、天空实验室号空间站（美国）；三、和平号空间站（俄罗斯）；四、国际空间站（美国、俄罗斯等16国）；五、天宫空间站（中国）。

前期文章有：空间站系列之一---礼炮号系列空间站，空间站系列之二---天空实验室号空间站（美国），空间站系列之三---和平号空间站。

本篇主要介绍国际空间站

国际空间站基本情况

国际空间站（International Space Station），是在轨运行最大的空间平台，是一个拥有现代化科研设备、可开展大规模、多学科基础和应用科学研究的空间实验室，为在微重力环境下开展科学实验研究提供了大量实验载荷和资源，支持人在地球轨道长期驻留。

国际空间站项目由16个国家共同建造、运行和使用，是有史以来规模最大、耗时最长且涉及国家最多的空间国际合作项目。自1998年正式建站以来，经过十多年的建设，于2010年完成建造任务转入全面使用阶段。 国际空间站主要由美国国家航空航天局、俄罗斯联邦航天局、欧洲航天局、日本宇宙航空研究开发机构、加拿大空间局共同运营。

国际空间站分为两个部分：俄罗斯轨道段（ROS）由俄罗斯运营，而美国轨道段（USOS）由美国和其他国家运营。空间站的主要功能是作为在微重力环境下的研究实验室，研究领域包括生物学、物理学、天文学、地理学、气象学等，目前由五个国家或地区合作运转，包括美国国家航空航天局、俄罗斯航天国家集团、日本宇宙航空研究开发机构、加拿大航天局和欧洲空间局（成员国英国、爱尔兰、葡萄牙、奥地利和芬兰没有参加国际空间站计划，希腊和卢森堡则是在计划开始之后加入欧洲空间局）。中国曾表达参与国际空间站建设的意向，但因美国出于政治原因反对其加入最终未能提交申请。

截止2022年4月，已有来自20国的航天员和太空游客登上国际空间站，但均为美国或俄罗斯主导的太空计划。从1998年11月15日国际空间站第一个部分曙光号功能货舱发射升空。俄罗斯质子K和联盟号火箭以及美国航天飞机发射了国际空间站的主要模块。负责空间站与地面之间运输的航天器有俄罗斯联盟号飞船、进步号以及美国的龙飞船2号等。国际空间站最多可承载七名乘员（长时间），大部分实验设施也已经投入使用。由于大气阻力和重新启动等因素的影响，国际空间站的轨道实际高度常发生漂移。

2022年1月，美国宇航局宣布计划于2031年1月令国际空间站退役使其脱离轨道，并将任何残余物引导到南太平洋的一个偏远地区。

2022年7月26日，俄罗斯方面表示将在2024年之后退出国际空间站，并开始筹备自己的空间站。

国际空间站的组成

国际空间站由各国联合制造，美国研制试验舱、离心机调节舱、居住舱、节点－1舱、气闸舱、夯架结构和太阳能电池阵。

俄罗斯研制多功能货舱、服务舱、万向对接舱、对接段、对接与储存舱、生命保障舱、科学能源平台和2个研究舱。

欧洲研制试验舱、自动转移飞行器及节点舱－2、3。

意大利研制3个多用途后勤舱。

日本研制试验舱，它由增压舱、遥控机械臂系统、暴露设施和试验后勤舱组成。

加拿大负责研制移动服务系统，该系统包括空间站遥控操作机器人系统――加拿大机械臂－2、移动基座系统和专用灵巧机械手。

巴西提供一些特殊试验设备。

1、俄罗斯部分

（1）曙光号功能货舱（Zarya）

曙光号（Zarya）功能舱为国际空间站的第一个组件，于1998年11月20日由俄罗斯“质子-K”火箭从拜科努尔航天发射场发射升空。曙光号是国际空间站的基础，能提供电源、推进、导航、通信、姿控、温控、充压的小气候环境等多种功能。它由“和平”号空间站上的“晶体”舱演变而来，寿命13年，电源最大功率为6千瓦，可对接4个航天器。曙光号重量为24.2吨（其中包括4.5吨燃料），长13米，内部容积约72立方米（可用面积为40平方米）。它可以在不补充燃料的情况下连续飞行430昼夜。

命名由来：Zarya名字源于俄语Заря́，用英语解释是dawn，Sunrise的意思。“曙光”号功能舱源于俄罗斯当年为“礼炮”号空间站所研制的TKS飞船，由美国出资，俄罗斯制造，命名为“Zarya”的含义在于此功能舱的发射标志着航天领域国际合作新时代的到来。

图1 曙光号功能货舱

（2）星辰号服务舱 （Zvezda）

星辰号（Zvezda）服务舱是国际空间站的核心，是航天员生活和工作的主要场所，星辰号服务舱由俄罗斯出资和建造，于2000年7月12日发射，7月26日与国际空间站联合体对接。星辰号长13米，重19吨，由过渡舱、生活舱和工作舱等3个密封舱，和一个用来放置燃料桶、发动机和通信天线的非密封舱组成。生活舱中设有供宇航员洗澡和睡眠的单独"房间"，舱内有带冰箱的厨房、餐桌、供航天员锻炼身体的运动器械。星辰号发射之后，对接的3个舱段和辅助设备组成了质量为73吨、运行在397千米、倾角为51.6度的轨道上的空间联合体，每90分钟环绕地球一周，使国际空间站具备了接待航天员居住和工作的基本条件。

命名由来：Zvezda 源于俄语 Звезда，用英语解释是“star”的意思。该舱基本框架结构被称为“DOS-8”，是20世纪80年代中期俄罗斯计划建造的“和平号-2”（Mir-2）空间站的核心，因此在制造过程中，“星辰”号服务舱常被称为“Mir-2”。1999年初，俄罗斯正式将其命名为“星辰”号。

莫斯科时间2021年7月29日16时29分06秒（北京时间21时29分06秒），“科学”号实验舱与国际空间站的俄罗斯“星辰”号服务舱成功对接。数据显示，空间站和实验舱各系统工作正常。

（3）码头号对接舱

码头号（Pirs）对接舱由俄罗斯"能源"火箭航天公司研制，重约4吨，体积为13立方米，于2001年9月15日发射。舱外有1mm厚的微流星防护板和多层隔热材料。共有2个对接口，1个主动对接口和1个被动对接口，主动对接口与星辰号服务舱对接，被动对接口留给联盟飞船和进步飞船等对接。对接舱的一侧还有一个隔舱，当航天员穿上宇航服，调节好隔舱中的气压后，就可以打开隔舱门进行太空行走，出舱舱门直径为1000mm。 码头号有助于增加国际空间站与地面间的货物、人员运输。

图2 码头号对接舱

（4）搜寻号小型研究模块

搜索号小型研究模块（Poisk ）于2009年11月10日发射，为舱内和舱外的基础和应用实验和研究提供支持，在停靠到星辰号服务舱后为联盟号载人飞船和进步号货运飞船等提供对接口。可作为气闸舱提供2个航天员的出舱口。在密封舱内为实验设备和货物存储提供2立方米的可用空间，它还有2个基准点用于安装舱外实验载荷及货物，在其密封舱内可储存870kg的货物。

（5）黎明号小型研究模块

黎明号小型研究模块在2010年5月由美"阿特兰蒂斯"号航天飞机运送至国际空间站。黎明号实验舱长约7米，重约7.8吨，主要用于科学实验。

（6）科学号多功能实验舱

2021年7月29日，俄罗斯国家航天公司发表声明说，俄“科学”号多功能实验舱当天与国际空间站成功对接。

图3 科学号多功能实验舱

2、美国部分

（1）团结号节点舱 （unity node module）

团结号（Unity）节点舱是国际空间站的第二个组件，也是国际空间站的第一个节点舱，于1998年12月4日由“奋进”号航天飞机送入轨道。舱体长5.49米，直径4.57米，重11612千克，用于存贮货物和调节电力供应，是国际空间站上负责连接6个舱体的主要节点舱。

命名由来：由于该舱是国际空间站的第一个节点舱，因此也常被称为“节点1”（Node 1）。根据NASA国际空间站计划主任兰迪·布林克利的解释，“Unity”这个名字代表了NASA、波音还有全世界国际空间站团队的共同努力，反映了国空间站计划中的国际合作。

（2）命运号实验舱 （destiny laboratory module）

命运号实验舱（Destiny）是NASA在1974年2月“空间实验室”（Skylab）退役后的第一个永久性运作的在轨实验室，由美国波音公司制造，形似圆筒，长9.3米、直径4.3米，重13.6吨。于2001年2月与团结号节点舱顺利对接。命运号实验舱是美国进行微重力科学与研究的场所，包括材料加工、生命科学、生物医学实验、流体试验和地球科学等。

图4 命运号实验舱

（3）寻求号气密舱（Quest）

寻求号（Quest）气闸舱是国际空间站主要的气闸舱，由美国于2001年7月14日发射升空的。气闸舱的作用是为航天员提供出舱活动前穿戴航天服的场所。寻求号被连接到空间站之前，俄罗斯航天员只能在星辰号服务舱内穿戴航天服，美国航天员只有在有航天飞机停靠的情况下，在航天飞机里穿戴航天服。寻求号气闸舱能同时兼容美国和俄罗斯航天员穿戴使用航天服。

图5 寻求号气密舱

（4）和谐号节点舱（Harmony）

和谐号（Harmony）节点舱是国际空间站3个节点舱中的第2个，于2007年10月23日由“发现”号航天飞机发射升空。在国际空间站所起的作用是把美国“命运”号实验舱和后来送入太空的欧洲航天局“哥伦布”号空间实验舱、日本“希望”号空间实验舱连接在一起。

命名由来：之前被称为“节点2”舱，2007年3月15日更名为“和谐”号。这个名字源自于一个名叫“节点2挑战”的校园竞赛，来自全美32个州的2200多名高中生参加了这个竞赛。这个竞赛要求参与学生学习国际空间站知识，制作比例模型，并解释自己所取名字的含义。最后六个不同的学校提交了“Harmony”这个名字。由NASA教员、工程师、科学家和高级管理人员组成的评选小组选定这个名字，并解释称这个名字不仅体现了国际空间站国际合作的精神，还形象地表现出“和谐”号节点舱在国际空间中所担负的把各合作伙伴的实验舱连接在一起的职责。

（5）宁静号节点舱（Tranquility）

宁静号（Tranquility）节点舱是国际空间站的第3个节点舱，由意大利泰利斯阿莱尼亚航天公司为NASA建造，长约7米，直径约4.5米，在轨重量约18,160千克。宁静号能够为国际空间站上的航天员，以及包括氧气生成器、水循环系统、废物清理-卫生维护系统和“科尔贝尔”跑步机等在内的许多生命支持和环境控制系统提供额外的空间。与宁静号节点舱相连的“瞭望塔”观测舱是国际空间站机械臂的控制站，长约1.5米，直径约2.96米，在轨重量约1882千克。观测舱四周有6个窗口，顶部有1个窗口，能够帮助航天员以一个全景的角度观察地球、宇宙星体以及与国际空间站对接的飞船，窗口能抵御空间碎片的撞击。“宁静”号节点舱和“瞭望塔”观测舱于2010年2月8日随“奋进”号航天飞机被运往国际空间站。

命名由来：宁静号节点舱在2009年4月之前一直被称作“节点3”，名字源自于NASA所举办的征名活动——“帮节点3取名”。活动期间，公众可登陆NASA官网参与活动，可选择NASA提供的4个名字中的其一，也可以建议自己认为合适的名字。2009年3月20日活动截止时，NASA收到数千个提议，“Tranquility”是建议次数最多的前十名之一。在经过评选之后，曾经作为国际空间站第14和第15远征考察团成员的女宇航员苏尼塔·威廉姆斯在一档晚间电视节目中宣布“节点3舱”被命名为“宁静”（Tranquility）。NASA空间运行部副主任比尔·格斯登迈尔表示选取“Tranquility”这个名字与纪念“阿波罗”—11有关。40年前的7月，“阿波罗”—11飞船在月球上的静海（Sea of Tranquility）登陆，“Tranquility”与探索和月球有关，同时“Tranquility”也象征了空间站的国际合作精神。

图6 宁静号节点舱

（6）穹顶号观测舱（穹顶舱）

该舱由ESA研制但属于NASA，它为机械臂操作提供直接视角，并可看到航天飞机有效载荷设备区域。 [14]

（7）莱奥纳尔多号多功能后勤舱

莱奥纳尔多号多功能后勤舱由意大利研制，价值1．6亿美元。它是一个由金属铝制成，长21英尺（约为6.4米）、直径为15英尺（约4.6米）的圆筒，分为16个货箱，能携带9.1吨货物。后勤舱可重复使用，其功能是为国际空间站运送必需的物资，再将空间站上的废弃物带回地面。莱昂纳多后勤舱于2001年进行了首次太空飞行。意大利航天局根据与NASA的协议建造了前三个“莱昂纳多”服务后勤舱。2010年3月，“发现”号航天飞机将携带莱昂纳多后勤舱执行最后一次货运任务。返回地面后，莱昂纳多后勤舱进行了改装，具备了更好的碎片防护功能，并能使航天员更容易使用其内部的设备，并更名为“永久性多功能舱”。

命名由来：该舱是由意大利制造的多用途后勤舱（MPLM），以意大利文艺复兴三杰之一莱昂纳多·达芬奇（Leonardo Di Ser Piero Da Vinci）命名。

（8）毕格罗可充气活动模块（BEAM）

BEAM由美国内华达州拉斯维加斯毕格罗航天公司生产。该模块由柔软的、可折叠的适应太空严酷环境的纤维构成，重达1.4吨。由铝和可折叠的特殊面料制成，在飞行时会被压缩起来，形成一个长2.4米、直径2.36米的“大包裹”。与空间站对接后，长度和直径分别会增加到3.7米和3.2米，内部空间将从3.6立方米扩展到16立方米，与一间小型卧室大小相当。

与金属制成的传统太空舱相比，充气式太空舱的优势是体积小、重量轻、造价也更为便宜。由于在运输的过程中可大幅缩小体积，这种太空舱能为火箭省出大量的空间，这也意味着可以节省燃料和降低发射成本。按照计划，BEAM将会在空间站上停留两年，在此期间，宇航员每年会进入其中数次，安装仪器设备、收集数据并对其状态做出评估，但不会在这个充气舱内居住。

3、欧洲部分

哥伦布实验舱

哥伦布实验舱是继美国命运号之后的第二个国际空间站实验舱，它由欧洲10个国家的40家公司共同参与制造，是欧空局最大的国际空间站项目。“哥伦布”实验舱装备有多种实验设备，能开展细胞生物学、外空生物学、流体和材料科学、人类生理学、天文学和基础物理学等多方面的实验，其使用寿命至少10年。

4、日本部分

希望号实验舱

日本实验舱 (Japanese Experiment Module，JEM)，命名为“希望”号，日语为Kibō(Hope)，意为希望。“希望”号实验舱是日本对国际太空站的贡献，由JAXA于2001年9月制造完成，也是国际太空站上最大的舱组。“希望”号实验舱是日本有史以来第一座连接到空间站上的载人太空舱，是日本的载人航天器。

“希望”号实验舱是日本首个载人航天设施，最多可容纳4人。它由舱内保管室、舱内实验室、舱外实验平台、舱外集装架、机械臂和通信系统6大部分组成。舱内保管室主要作为保管仓库使用，室内有实验设备、维修工具、实验材料以及万一仪器出现故障时供替换的设备。舱内实验室是一个外径4.4米、内径4.2米、长11.2米的圆筒状设备。

实验室内的气体成分和地表大气几乎相同，保持着1个标准大气压以及便于宇航员活动的温度和湿度，所以宇航员可以身穿普通衣服在实验室内工作。舱外实验平台可利用宇宙微重力、高真空等特殊条件进行地球观测、通信、材料实验等研究。 舱外集装架是向舱外实验平台运送以及回收实验设备的过渡平台。机械臂分主臂和子臂两大部分，主臂可抓起7吨重物。宇航员可在舱内实验室里利用监视器，通过操纵台控制机械臂工作。

希望号实验舱在日本设计和组装完毕之后被运送到美国国家航空航天局(NASA)， 然后其各部件由美国航天飞机分3次运往国际空间站，并在太空完成组装。实验舱的第一部分——保管室于2008年3月11日由美国“奋进”号航天飞机携载先期运往国际空间站。

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