为建设空间站积累经验——欧洲“空间实验室”项目的来龙去脉

□ 寄 声

我国将于2011年下半年发射重约8吨、设计寿命2年的天宫一号，它既是用于与神舟八号、九号、十号对接的目标飞行器，又是1个简易空间实验室，为之后建造的天宫二号、三号空间实验室作准备。那么，国外研制过空间实验室吗？

在国外载人航天的发展中，一般人只知道苏联和美国发射过质量在20吨以上的空间站，其实，也研制过质量较小的空间实验室，但它比较特殊，必须搭乘航天飞机上天并随航天飞机返回，所以这种由欧洲研制的空间实验室不仅体积和质量小，而且飞行时间短，可重复使用。它的名字就叫“空间实验室”，先后22次上天。

该计划是欧洲参加美国航天飞机计划的主要项目，也是欧洲重要的载人航天计划。为此，欧洲许多国家的科学家设计了大量的实验项目，而且完成得也相当出色，成果十分引人注目。通过“空间实验室”的研制和运行，欧空局各成员国获得了许多有益的经验。

由 来

1972年，美国开始研制航天飞机后，由于大量经费都集中到研制航天飞机上面去了，结果使许多有价值的空间科学技术研究计划难以实施。不过，美国航宇局从以往航天技术发展得到的经验感觉到，开展空间科学研究和微重力实验是未来发展的一个方向，因此应当研制能开展微重力实验和加工的轨道设施，而美国航宇局又深感自己没有这个精力，于是决定求助于欧洲盟友。

1972年～1973年，美国航宇局同欧洲空间研究组织（现叫欧空局）进行了多次接触，希望欧洲能研制一种轨道实验室，它可以作为航天飞机的1个载荷带到轨道。这个实验室能执行各种空间科学和加工研究，所获得的成果欧洲和美国共享。当时欧洲空间研究组织也在考虑制定未来的航天发展计划，但感到缺乏进行空间科学技术研究的手段，因此也很愿意同美国进行这方面的合作。1973年7月，欧洲空间研究组织正式批准了这项合作计划，这就是“空间实验室”。

“空间实验室”1号

把“空间实验室”装入航天飞机货舱内

航天员在机载“空间实验室”工作

按照计划，欧洲的“空间实验室”是可重复使用的轨道实验室，设计寿命为50次飞行任务或5年。其正常飞行任务是7天，但在设计上通过交换有效载荷的办法增加消耗品和扩大动力组件，可以使执行任务的时间延长到30天。在最初的飞行中，“空间实验室”一直固定在航天飞机货舱内，但以后它应该可以释放到轨道上成为一个自由飞行体，并由下一次航天飞机回收。然而，后者在实际飞行中没有实施。

为了集中管理，欧洲空间研究组织指定西德主要负责“空间实验室”的研制，并于1974年6月选定位于不莱梅的VFW-福克/ERNO公司为“空间实验室”的主承包商。这个计划由设在荷兰的欧洲航天研究和技术中心统一管理。

“空间实验室”头几次飞行的任务设计早在1976年就已完成，但由于美国航天飞机计划一再拖延，“空间实验室”的飞行也只能推迟。

欧空局在研制“空间实验室”的同时，和美国航宇局向全球的科学家发出了提供研究项目参加“空间实验室”实验的邀请。结果到20世纪70年代末，共有2000多名科学家表示愿意参加“空间实验室”的研究活动，并提出了自己的方案。美国航宇局和欧空局经过认真筛选，挑出了来自15个国家的222名研究人员的试验方案。这些科学家设计的项目由随同“空间实验室”飞行的有效载荷专家在轨进行，实验结果随后通报给方案的设计者。与此同时，美国航宇局也开始从来自欧洲、美国和其他国家的上万名应征者中挑选和培训有效载荷专家。训练内容包括零重力练习、操作与应急模拟、飞行计划掌握以及空间飞行内务管理等。

执行STS-47任务的航天飞机货舱内的“空间实验室”

“空间实验室”2号打造完毕

设 计

“空间实验室”飞行时搭载在航天飞机货舱内，航天员可在实验室内进行各种实验，在飞行中，航天飞机轨道器为其提供生命保障。

为了节省资金，又能完成性质全然不同的任务，“空间实验室”采用了模块化设计，可根据任务要求更换有效载荷。它主要由1个75立方米的增压舱、1个或多个U形台架（使材料和设备暴露在太空）以及1个质量880千克的连接“空间实验室”压力舱和航天飞机轨道器的隧道组成。

“空间实验室”的增压舱又由核心舱和实验舱2段构成。核心舱直径4.06米、长2.7米，内部装有生命保障系统和数据处理设备、支援系统和工作台，外部设有光窗和观察口。实验舱的长度也是2.7米、直径4.06米，内部装有各种科学仪器，其顶部设有气闸通道，航天员可以通过这个通道进入开放的宇宙空间。核心舱可以单独执行飞行任务，而实验舱则只能组合后执行任务。通常为了方便起见，2段组合在一起的增压舱叫长增压舱，只有核心舱的增压舱叫短增压舱。

U形台架每个长2.9米、宽4.06米，上面有18块可安装各种仪器的金属板，按规定每个台架上安装仪器的总重量不得超过3吨。为了保证仪器的正常工作，台架上还有一套供电系统，它与密封增压舱之间有电缆相连，主要用于传递航天员发出的指令和台架上各种仪器获得的情报数据。台架上安装的往往都是可以暴露在空间的仪器，仪器的操作和控制由航天员在增压舱或乘员舱内遥控进行。

增压舱和U形台架的外型和尺寸都是按航天飞机载荷舱的大小严格选取的。根据飞行任务的不同，“空间实验室”各舱段可有多种组合。比较典型的有长增压舱、长增压舱加2个U形台架、短增压舱加3个U形台架、3个U形台架和5个U形台架等。由于航天飞机货舱的限制以及返回时携带载荷的限制，“空间实验室”的各种组合要求重量不得超过14.5吨，长度不得超过15米。如果在一次飞行任务中，“空间实验室”单单由U形台架组成，那么一些必须的而且不能暴露于空间的支援设备，如动力、实验控制、数据处理及通信等设备必须装在一个圆柱形的增压舱室里，它的内部具有环境控制设备。

“空间实验室”之所以设计了2种舱段，原因是每次太空科学研究任务和方式大不相同。在增压舱里一般只能进行生物医学实验，或那些不需要开放环境以及不怕有人干扰的项目。而U形台架则是为大型仪器、需要暴露在空间的研究项目、要求不受妨碍或要求视野宽阔的设备设计的。这些设备包括望远镜、天线、辐射仪和雷达等。“空间实验室”最多可由5个U形台架组成，上面安装的仪器设备可以多达5.4吨。

首 飞

机载“空间实验室”2号

美国航宇局同欧空局对“空间实验室”的首次飞行给予了高度重视。除了安排大量实验项目外，机组也配备了较强的阵容。

第1次乘航天飞机飞行的约翰·杨担任了这次飞行的指令长，机组乘员达到6人，而有效载荷专家多达4人，其中包括欧空局选派的欧洲第1位航天飞机有效载荷专家——西德科学家乌尔夫·默伯尔德。在“空间实验室”1号里，设计了来自14个国家提出的73项实验。在飞行过程中，来自欧洲、美国、加拿大和日本的一些研究人员汇集在约翰逊航天中心，通过电视和直接通话来监视和指导机上有效载荷专家的工作。

1983年11月28日上午11时，在航天飞机STS-9飞行中，“哥伦比亚”号将“空间实验室”1号发射升空。这次飞行的轨道特点加之“空间实验室”的独特能力，使实验室上观测仪器能覆盖63%以上的地球表面，占据全世界人口的90%。而美国“天空实验室”创造的最高纪录是覆盖58%的地球表面。

“空间实验室”完成的第1项实验是李希滕伯格进行的失重对淋巴细胞的影响。11月29日，红色小组进行了22项试验，其中大多数是欧洲试验，包括耳前庭实验、失重下的重量判定、投影心电图、X光谱学、带电粒子引起的现象研究、宇宙线和大气研究等。航天员作了旋转、跳跃、翻滚、电震等平衡机制试验，以了解失重状态的航天运动病和平衡功能失调的原因。在做耳内腔试验时，李希滕伯格在一只耳朵里注入热空气，在另一只注入冷空气以分析耳内腔的特性，试验证实了流体在耳内半循环通道中的循环理论。

航天员在“空间实验室”4号中

11月30日，有效载荷专家在进行法国的一项实验时获得重大成果，首次测得了80千米～100千米高的大气层中氘的浓度，这是认识地球大气的重要数据。这一天，航天员还利用日本试验型电子枪在离航天飞机100米处进行了人造北极光试验。12月2日，航天员用西德研制的米制照相机开始了对地拍照，获得了1500张地球照片。在天文观测方面，航天员利用X射线望远镜搜集了关于遥远恒星的演化和死亡情况的资料。

吊装“空间实验室”3号

材料加工实验是“空间实验室”1号的重要项目。11月30日，默伯尔德首先开始了冶金试验，在整个飞行期间试验共计38项。航天员们利用专用设备生产出了全新的高强度轻合金——锌铝合金。这种合金可用作航空器和航天器的优质结构材料；他们还得到了在地球上难以制造的晶体非金属合金。航天员还利用流体物理舱进行了零重力条件下的流体特性实验。这些实验的目标是对晶体生长、流体物理和冶金学进行初步试验，对新型设备进行验证，为今后的工作积累数据。

“空间实验室”1号在10天的飞行期间，全部科学研究与实验项目进行得比较圆满。此外，航天员们还进行了其他一些有政治意义的活动。12月5日，美国总统里根在华盛顿和当时正在希腊雅典参加首脑会议的西德总理科尔分别同“空间实验室”1号的航天员开了个电话会议。

随“哥伦比亚”号航天飞机执行STS-73任务的“微重力科学实验室”

“空间实验室D1”内的航天员

成 果

不知什么原因，“空间实验室”3号先于“空间实验室”2号于1985年4月29日乘“挑战者”号进入轨道。这次飞行有7名航天员，其中2名是有效载荷专家（包括美籍华裔科学家王赣骏）。“空间实验室”3号上除装有各种仪器外，还安装了价值1000万美元的零重力动物笼子，里面装有研究用的2只鼠猴和24只老鼠。7名航天员在“空间实验室”3号上进行4大类15项科学实验，内容涉及材料科学实验、流体力学实验、生命科学实验和大气及天文观测。

“空间实验室”3号完成的主要实验项目有：①在流体中生成晶体。②从蒸汽生成晶体。③碘化汞晶体生成。④液滴动力学实验（这是王赣骏设计的实验）。实验仪器是喷气推进实验室研制的价值350万美元的液滴动力学箱。这项实验是研究在零重力下用声波操纵液滴的能力。利用这个研究结果，可以探索发展无容器处理技术、改善冶金和化学过程处理法。液滴研究对于大气物理、气象学、材料科学和天体物理学都具有很大价值，有上百家公司表示对这项实验送回的数据感兴趣。⑤地球物理流体流动实验。⑥大气化学。⑦极光观测。⑧动物训养实验。⑨生命科学试验。

1985年7月29日至8月6日，“挑战者”号航天飞机将“空间实验室”2号送入太空。这次飞行的主要任务是研究太阳、探测地球高层大气和寻找有关黑洞的证据。“空间实验室”2号上装备了大量来自德国、英国、法国和美国的科学仪器。

航天员利用这些仪器进行的探测和研究活动有：观测了太阳大气中磁场的强度、结构和演变；测量了太阳中氦的分布量、紫外线放射，以获得日冕气体的温度、密度和成分的数据；研究了太阳色球层、日冕和它们之间的过渡区；测量了太阳放出的紫外线总通量的短期和长期变化；研究了自然等离子体和轨道器感应的等离子体的变化过程以及射束等离子体物理学；进行了飞行器电荷电位实验；利用轨道器推进装置多次点火排出的水蒸气引起电离层穿孔，以获得等离子体温度变化及对无线电波的影响；用4架望远镜详细观测了太阳表面剧烈的爆发效应；用X射线望远镜来成像和研究星系团的X射线源，以确定引起高温的原因和星系团的重量；用红外望远镜测量和绘制红外天体图；观测了银河系中的大尘云；研究了零重力下超流体氦的特性，以了解常态液氦和超流态氦的区别。

值得一提的是西德，它除参加欧空局的“空间实验室”计划外，还制定了自己的“空间实验室”计划，这就是“空间实验室D”系列。“空间实验室D”在轨运行期间的实验活动由西德空间操作中心指挥。这些活动既能验证西德实时控制载人空间飞行的有效载荷能力，也可以考察西德与美国航宇局控制中心的通信能力。

1985年10月30日，航天飞机在进行第22次飞行时将“空间实验室D1”送入轨道。“空间实验室D1”由改进的长增压舱加1个U形台架组成，航天员进行了76项科学实验，完成75项。实验内容涉及冶金、玻璃和陶瓷制造、晶体生长、医学生物学研究、人体生理、导航和通信等。在这次飞行中，航天员还从“空间实验室D1”里成功地释放了1颗小型卫星。

从1983年～1998年，“空间实验室”随航天飞机共进行了22次飞行（压力舱累计太空飞行244天）。其主要有效载荷包括：天体物理实验室、大气应用和科学实验室、生命科学实验室、国际微重力实验室、微重力科学实验室、美国微重力实验室和神经科学实验室。

通过“空间实验室”的研制和运行，欧空局各成员国不仅获得了许多有益的经验，其取得的不少技术成果后来也用于国际空间站上的欧洲“哥伦布”号实验舱上。可以相信，我国的空间实验室的许多成果也将在其后建造的空间站中发挥作用。

于1998年随“哥伦比亚”号航天飞机执行STS-90任务的“神经科学实验室”