天空实验室：遗憾但辉煌的一生

文/ 杜危

▲ 天空实验室在轨期间的照片，没有参照物很难体会到它的庞大

如果是第一次看见美国天空实验室的照片，第一印象大概与一颗拥有太阳能帆板的普通卫星并无不同。但这仅仅是在太空中没有参照物造成的假象。实际上，天空实验室的尺寸比一般人想象的要大得多：长36米，主体直径6.7米，重达90.6吨，而由约20个大型模块历经数十次发射才拼接成的国际空间站总重约420吨。天空实验室一次发射的质量就超过了国际空间站的1/5。

闪亮登场

在美苏太空争霸中美国阿波罗计划大获成功，苏联不甘示弱，把目标投向空间站的建设，美国当然不可能眼睁睁看着苏联搞这个，也开始论证自己的空间站。

“阿波罗17号”成功登月后，“阿波罗18”到“20号”被取消。由此一来美国宇航局便多出3枚没有使用的土星5号运载火箭，这也使天空实验室的计划正式提上日程。登月使用的“土星5号"共有三级，发射天空实验室时则做了较大的改动——只使用两级火箭，原本第三级的位置直接装载体积庞大的天空实验室。

▲ 在天空实验室内航天员的合影

▲ 正在建造中的天空实验室地板

天空实验室设计前卫，由4个主要部分组成。半径最大的轨道工作舱是航天员工作、生活的场所，配备有科研设备、维生设备、废物回收设备等，两侧有两面巨大的主太阳能板，为实验室提供约1万瓦的主要电力。与之相邻的是气闸舱，是航天员进行出舱活动的准备场所。半径较窄的是对接舱，负责与运输航天员及补给物资的阿波罗飞船对接。拥有四面十字形小太阳能帆板的是阿波罗太阳望远镜，可以拍摄太阳的紫外光线和X射线等照片。在发射阶段，望远镜与其他舱段在同一条轴线上，入轨之后向侧面翻转，把对接口暴露出来以供阿波罗飞船对接。

美国宇航局的工程师为天空实验室设计了一层微陨石防护罩。天空实验室发射入轨后，防护罩会被16个扭力杆略微展开，让防护罩和工作站外壁间形成一个真空夹层。这层防护层既是“金钟罩”，能一定程度上降低空间陨石撞击的危害，又是“隔热服”，可以抵挡宇宙射线，为航天员营造安全舒适的温度环境。

坎坷出世

1973年5月14日，庞大的“土星5号”拖着百米长的火舌，奔向浩瀚的太空。这是传奇的“土星5号”最后一次发射任务，仅用时10分钟便把庞大的天空实验室送入了440千米高度的近地轨道。控制中心的人们都认为“土星5号”前12次发射都获得成功，这次任务也会万无一失，负责运送天空实验室机组航天员的土星IB运载火箭也计划于次日发射升空，快速与天空实验室对接并展开实验。

▲ 天空实验室结构

令人始料不及的是，这些看似完美的前期设计与准备工作却在接下来的任务中带来了不小的麻烦。天空实验室在入轨后，下行遥测信号就显示了异常：报告称微陨石防护罩过早展开。大家起初认为只是遥测信号出错了。而最大的两片太阳能帆板计划在发射后41分钟展开，但是休斯顿报告称太阳能电池帆板发出的遥测信号也不稳定，地面一次次向天空实验室发出了打开太阳能帆板的指令，但是无济于事。工程师们重新审视了发射阶段的各项数据，发现在“土星5号”发射后1分钟左右，横向加速度发生异常，这表明发生了未知的结构损坏。哪里出了幺蛾子？

除了微陨石防护罩与太阳能帆板工作异常外，工作舱的温度竟然在疯狂上升。天空实验室外部的温度传感器示数直逼82℃并且超出了量程，舱内温度计示数也上升到了40℃——这一切似乎都表明，抵挡宇宙射线辐射的微陨石防护罩不见了，这可真是糟糕透了。经过初步估计，如果不进一步加以干预，天空实验室内携带的食品大部分会变质，为航天员准备的药品也会悉数失效，更可怕的是如果温度进一步升高，天空实验室外壁绝热的聚氨酯泡沫会分解出一氧化碳和氰化氢等低浓度也会致命的危险气体。

天空实验室这个“离弦之箭”，把它搬回厂房维修是不可能了，只好紧急叫停次日运送第一批航天员的发射，以供地面工作人员寻求解决办法。规模空前的太空营救任务在不知所措、毫无准备、手忙脚乱中拉开了序幕。

头脑风暴

情况也没有想象中的那么糟糕——虽然两面主太阳能帆板无法正常工作，但是阿波罗太阳望远镜的四块较小太阳能帆板正常展开了，其提供的功率可以维持地面站与天空实验室的基本联络与简单操控。

▲ 天空实验室发射前，一枚土星5号运载火箭（左）和一枚土星IB运载火箭（右）整装待发

▲ 天空实验室与太阳光直射以及45°斜射示意图

为了进一步降低温度、减少能耗，工程师们还关闭了天空实验室内所有的加热设施。半径较大的工作舱温度得以控制，但是另一个棘手的问题出现了——由于气闸舱半径较小，被工作舱与阿波罗太阳望远镜遮盖较多，同时内部的加热器悉数关闭，所以气闸舱内的温度持续降低，甚至接近冰点。天空实验室内一端炽热难耐，一端则是极度酷寒，冰火两重天。没错，天空实验室内的温度也不是越低越好，在气闸舱内放着价格不菲的舱外活动航天服，航天服管路内的冷却水若是结冰，可能导致管路破裂，将会对航天员生命造成严重威胁。工程师们只能每隔一段时间调整天空实验室的姿态，使气闸舱升温，不断地来回调整，消耗了不少燃料。

马歇尔航天中心内各路专家云集，群策群力，八仙过海，各显神通。在事故后几天内收集到了不少临时隔热方案。经过紧张而高效的讨论，两个可行性最高的方案被纳入最终实施流程中。

▲ 马歇尔航空中心工程师们紧急讨论遮阳方法的黑板

一种方案是通过工作舱的科学气闸部署一张遮阳伞。天空实验室在工作舱外壁设计了两个长宽各20厘米的气闸，原本是用来方便航天员不出舱即可向外太空环境中布置试验样品的，不曾想这次“无心插柳柳成荫”。这个方案的难点在于如何设计一把捆起来长宽不超过20厘米，展开后却可以铺展几十平方米，同时有强大隔热能力的伞。

▲ 正在地面水箱内接受测试的遮阳帘，航天员身前的就是两根长杆

第二种方案是设计一面遮阳帘。如果科学气闸在目前还未知的故障中也损坏了，遮阳伞无法部署怎么办？所以工程师认为可以将阿波罗太阳望远镜的支架作为固定点，工作舱尾部寻找另外两个固定点，通过这三点架起两根横杆以在天空实验室外铺展一张遮阳帘。这个方案也有实施难度，天空实验室外没有设计航天员抓握的扶手，如何将横杆固定在工作舱尾部是对航天员的重大挑战。

▲ 科学气闸

▲ 在地面进行试验的遮阳伞

两个方案相比来看，通过科学气闸部署遮阳伞是更加简单快捷的办法，所以被选定为首选方案，遮阳帘则为备选方案。

对于遮阳帘方案，因为没有过多体积限制，很快便有了成果。遮阳帘由两根17米长的杆子支撑，每根杆子可以折叠为11根短杆，由设计精巧的互锁轴承连接。做出初样后，航天员在模拟水池中成功拼接了长杆，并成功展开了暂时用渔网代替的遮阳帘，遮阳帘方案可行性得到充分的验证。下一步就是生产带有防辐射涂层的遮阳帘了。

▲ 正在加紧时间赶制遮阳伞的阿丽恩·贝克尔

遮阳伞方案在推进中遇到了不少麻烦，长宽只有20厘米的限制实在是捉襟见肘。若是追求遮阳伞体积的最小化，那么遮阳效果与材料耐久度将会大打折扣，前期设计的尼龙、聚氨酯薄膜和金属铝组成的复合材料在紫外线下有显著的变质。若是追求遮阳效果的最优化，像是遮阳帘方案在薄膜表面加一层耐辐射涂层，那么遮阳伞体积就会超出气闸限制。

同时，遮阳帘方案生产带涂层的遮阳材料时也遇到了新的问题，像油漆一样的涂层需要较长时间来干燥，这一段时间可能错过天空实验室营救的最佳时机。经过几次讨论，工程师们达成共识——遮阳伞依旧作为首选方案，第一组航天员携带无涂层的轻质遮阳伞首先部署，在短时间内解决有无的问题。在遮阳帘生产完毕后，发射第二组航天员部署带涂层的遮阳帘，彻底解决遮阳问题。

美国宇航局找来了缝纫女工阿丽恩·贝克尔，在工程师指导下连夜缝制遮阳伞，几乎是在发射前最后一刻被放入了阿波罗飞船内。

太空抢险

1973年5月25日，指令长皮特·康拉德、保罗·韦茨和约瑟夫·科尔文三人组成的天空实验室 2机组乘土星IB运载火箭从肯尼迪航天中心的LC-39B发射台发射升空。他们带着遮阳伞，也带着全体科研人员和全国民众的期盼，大约6个小时后顺利接近了天空实验室。

首先他们对天空实验室绕飞检查，发现一面主太阳能帆板完全脱落，不知所踪；另一面主太阳能帆板则被损坏的微陨石防护罩碎片缠绕，无法正常展开，与地面初期的判断相吻合。幸运的是，科学气闸没有被遮挡，也未被损坏，展开遮阳伞的计划得以正常进行。

首先，康拉德判断他们可以先把受困的太阳能帆板展开。康拉德负责操控阿波罗飞船接近天空实验室，韦茨负责使用特制的超长电缆剪破坏缠绕太阳能帆板的微陨石防护罩，科尔文负责协助韦茨站稳脚跟。韦茨尝试使用接近五米长的电缆剪剪断缠绕太阳能帆板的金属条，但是在太空中很难用上力气。同时金属条上的螺钉像铆钉般扎入太阳能帆板中，韦茨几经努力，金属条也不为所动。在用力的过程中，阿波罗飞船甚至加速飞向天空实验室，康拉德小心地开启姿控发动机保持与天空实验室的安全距离。几经试探依旧没有任何成效，他们3人也都筋疲力尽，束手无策。

▲ 损坏的微陨石防护罩和被缠绕的太阳能帆板，右侧可以清楚地看到缠绕太阳能板的金属条

▲ 艺术家保罗·菲杰德创作的“太空拔河”想象图

▲ 科学气闸清晰的照片，其周围的天空实验室外壁已经被太阳灼烧发黑

▲ 天空实验室 3的机组成员离开时拍摄的照片，可以清楚地看到两层金色的遮阳结构，下层为天空实验室 2部署的遮阳伞，上层是天空实验室 3部署的遮阳帘

康拉德只好操控飞船与天空实验室对接。航天员终于来到这座他们又爱又恨的天空实验室内，迎接他们的是“像沙漠一样干燥的热浪”。幸运的是天空实验室内并没有产生有毒气体。

航天员们迅速进入工作状态，用了两个小时组装好遮阳伞，并通过科学气闸将遮阳伞在天空实验室外展开。不一会就有了立竿见影的效果，天空实验室内的温度逐渐下降，稳定在了比较舒适的25℃左右。天空实验室也不需要继续保持45℃的倾角，可以直面太阳进行发电了。

仅仅依靠阿波罗太阳望远镜的四面小太阳能帆板还是不够的，当务之急是如何展开主太阳能帆板。通过航天员的观察以及地面工程师们的分析，花了四天时间制定并在地面成功验证了一个稍有难度的任务，简单来说就是虽然天空实验室没有设计航天员抓握的扶手，但航天员可以自行搭建扶手：使用延长的电缆剪在远处钳住缠绕的金属条，一名航天员就可以顺着电缆剪的杆子移动到太阳能帆板旁，近距离清除金属条，并且连接一根尼龙绳在太阳能帆板上，以拉开被卡住的太阳能帆板。

▲ 天空实验室 2的机组成员离开时拍摄的战果——遮阳伞与展开的太阳能帆板

在8米外使用延长的电缆剪捕捉几厘米宽的金属条很有难度，科尔文极度紧张，尝试多次依旧无法对准。他把自己绑在阿波罗太阳望远镜的衍架上，双手同时操作，几经试探终于钳住了金属条。康拉德顺着杆子小心翼翼地来到太阳能帆板旁，近距离轻易地剪断了那根可恶的金属条，太阳能帆板缓慢展开些许，但是依旧因为阻尼器卡死无法完全展开。

按照预定计划，那根绑在太阳能帆板上的尼龙绳就派上了用场，他们合作展开了一场太空拔河赛，使出全身力气，成功地使太阳能帆板完全展开！

获得大量电能的天空实验室如获新生，康拉德和科尔文本次太空行走用时3小时25分，也破了当时太空行走的世界纪录。天空实验室终于可以正常地进行科研工作了。

1973年7月28日，3名 天 空实验室 3的机组乘员升空后操作飞船与天空实验室对接，成功部署了带有涂层的遮阳帘，彻底解决了天空实验室“发烧”问题。地面工程师与天上航天员团结协作，以他们的聪明才智和毅力挽救了这个耗资25亿美元的计划。

▲ 航天员在天空实验室内收集有关长期宇宙环境对人类影响的医学数据

▲ 天空实验室再入大气层时的视频截图

曲终人散

天空实验室先后迎来了三批次共9名航天员驻留。其间开展了百余项实验，获得了大量科研成果，在物理学、生命科学、材料科学、地球观测甚至电影技术领域均有成果。其中里卡尔多·贾科尼因其对X射线天文学的研究及天空实验室上太阳辐射的研究而获得了2002年诺贝尔物理学奖。

在天空实验室4机组离去时，他们抬升了天空实验室轨道的高度，希望天空实验室能坚持到航天飞机的到来。遗憾的是由于美国宇航局当时经费紧张，航天飞机的研制进度迟缓，天空实验室的轨道高度衰减也快于预期，在近6年的孤独等待后，1979年7月11日，天空实验室再入大气层，化作一道绚丽的火光在地球大气层中熊熊燃烧，少量碎片掉落在澳大利亚西南部的无人区。

天空实验室在轨期间的研究内容极大推动了科学技术的发展。她的落幕也是令人遗憾的，在她化作流星后的第三年，1981年4月12日，美国宇航局的哥伦比亚号航天飞机首飞成功。从此开始，人类探索宇宙的历史又掀开了新的篇章。