如何设计一个空间站？

任天

国际空间站是目前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。国际空间站是现代工程的奇迹，然而设计这个奇迹的过程却几经波折，堪比噩梦，即使是在最好的条件下。

很多科研工作和重大工程，都可以算得上人类历史上最为艰巨的任务，但当某项任务涉及三届美国总统、15个国家、数百名美国国会议员、数千名工程师和超过1500亿美元的公共基金时，其困难程度似乎就到了不可理喻的地步，国际空间站的建设就是这样一个任务。美国国家航空航天局（NASA）花了30年才建成这样一个空间站，然而它依然无法达到该机构工作人员最初的预期。

“太空基地”

早在尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林成功在月球上迈出人类的一大步之后不久，NASA就开始着手让人类在太空中永远存在了。当时他们想建立一个能容纳100人的“太空基地”，通过这个基地，可以更方便地向月球基地发送宇航员和物资。为了建造这个围绕近地轨道运行的“基地”空间站，必须从地球上把所需建造材料一件一件运到轨道，而NASA很快就意识到，用一次性火箭运输的话成本远远超过空间站本身，于是他们选择了可重复使用的运输器，比如航天飞机，从此以后，他们便可以开始像“堆积木”一样搭建空间站了。

美国的第一个空间站是“天空实验室”，曾有三批宇航员于1973年至1974年间到该空间站进行实验，三波人总共在里面生存了6个月。两年后，航天飞机准备就绪，NASA的工程师也正在考虑下一步计划——让航天员能够永久驻扎在空间站。1982年初，NASA成立了一个空间站任务小组专门研究这个问题，他们向8家顶级航天承包商发放资金，每家100万美元，要求这8家公司给出能永久住人的空间站设计方案。

1983年初，这些承包商向NASA提供了他们的设计，尽管各家的概念都独一无二，但它们都由一些共同的设计元素组合而成，以满足NASA的要求。首先，每个空间站都是一次最多能容纳12名宇航员，比起NASA最初设想的百人大基地，可谓大大缩减。大多数提交的设计还设想把空间站作为一个“太空船坞”或“太空港湾”，可以修理轨道上的航天器和卫星。

“电力塔”

1984年，大约在承包商提交设计一年后，美国总统罗纳德·里根在他的国情咨文中正式指示NASA建造一个空间站，后来他将这个空间站命名为“自由号”。

里根的国情咨文标志着NASA建立空间站的勃勃雄心进入了一个动荡时期。在1984年到1993年之间，为了平衡预算和工程优先权，自由号的官方设计经历了七次重大修改。在总统的指令下达后的几个月里，NASA就有了空间站的基本设计方案，但却与承包商一年前提出的设计完全不一样。这个新设计俗称“电力塔”，由5个模块组成——2个实验室、1个后勤中心和2个船员舱——集中在一个120米长的桁架末端。模块位于桁架的底部（离地球最近的位置），在桁架结构的另一端则是一个太阳能电池阵列和若干天线。

“电力塔”的钟摆式设计旨在能让航天员同时观察到地球、太阳和太空，这将有助于开展科学实验，并减少维持空间站稳定在轨道所需的推进器点火次数。但随着设计方案的不断完善，电力塔的概念遭到了想要将空间站用于其他领域研究的科学家的抨击。

这些科学家认为，居住舱应该位于空间站的重心所在位置，而不是底部。他们认为电力塔有严重的结构问题，由于振荡和振动，将实验室模块放在结构底部的设计可能是最糟糕的。最重要的是，空间站的设计反映了用户的需求，而用户需要将空间站的移动减少到最低限度。

这就意味着NASA不得不从头开始。

“修订基准构型”

1987年，NASA发布了自由号空间站的新设计，即“修订基准构型”，也就是如今国际空间站的雏形。在这次的方案中，所有组成空间站的模块，都集中在一个长桁架的中心，其两侧是一排排的太阳能电池板。这些模块来自于国际上的支持，欧洲和日本提供了实验室部件，加拿大提供了一個航天器维修中心。

“修订基准构型”实际上是NASA自1985年开始探索的“双龙骨”设计的一个折衷方案。尽管这个设计概念也是基于一个长水平轴，但在其中心有一个大型矩形结构，也就是“双龙骨”，这个结构可以容纳航天飞机的对接口和其他后勤模块。然而据估计，这种设计的成本几乎是NASA最初预计的空间站建造费用的两倍，因此“双龙骨”被放弃，改用更便宜的“修订基准构型”。

尽管修订基准构型后来成为了空间站最终设计的基础，但NASA仍在不断调整设计，以满足不断发展的预算限制和技术要求。一般来说，每次设计的迭代都会导致空间站容量下降，并使发射计划延期。

然而一个不争的事实是，如果太空站要成为现实，它就必须从根本上成为国际性的合作成果。美国显然没有足够的政治意愿独自完成这一任务。因此，1993年克林顿入主白宫后，正式宣布自由号计划由美国独自建造改为国际合作建造；在此之后，美国开始与盟国合作建设国际空间站。随着冷战的结束，俄罗斯也被邀请在这个前所未有的项目上与美国合作。

国际空间站的最终设计在很大程度上依赖于“修订基准构型”，后来NASA对空间站进行了充实，但采用了更简单的设计。例如，空间站的主要水平桁架采用的是预制构件，而不是由宇航员在轨道上组装。这个简化的空间站构型由一组实验室和居住舱组成，位于一个长长的水平桁架中心，两侧各有4个太阳能电池阵列。

1998年，美国向空间站发射了第一个组件——作为宇航员餐厅的“团结号”节点舱。13年后，发现号航天飞机的最后一次飞行，为空间站送来了一个多用途增压舱。至此，空间站的建设正式结束，美国国家航空航天局和世界多国航天机构的不懈努力终于有了回报，从此人类得以在太空中连续工作生活20年，从零重力的菜园到已知宇宙中最冷的冰箱，科学实验拥有了独一无二的平台。