国际空间站载人运行20周年,未来的太空探索栖息地在哪里?

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国际空间站载人运行20周年,未来的太空探索栖息地在哪里?

编者按:本文来自微信公众号“学术头条”(ID:SciTouTiao),作者:XT。

人类对于宇宙的观测虽有数千年的历史,但直到 20 世纪,人类才开发出了进入太空的航空技术。2000 年,人类首次进入外太空的国际空间站(International Space Station,ISS),也才真正拥有了从地球以外反观地球的空间视角。

2000 年 11 月 2 日,载有美俄三名宇航员的 “联盟 TM-31” 号宇宙飞船与国际空间站核心舱成功对接。从此,国际空间站正式开启至今长达 20 年的载人飞行史。

国际空间站不仅是宇航员们探索宇宙空间的高科技之家,更是一个理想 “天然实验室”。国际空间站这个独特的实验室可以允许机组人员进行许多在地球上无法进行的实验,探索改善人类赖以生存的地球生活的科学研究。

图 | 国际空间站(来源:Pixabay)

ISS 不仅支持人在地球轨道长期驻留,而且该空间还拥有大量的实验资源,为研究人员在微重力环境下开展科学实验研究提供了实验条件,更为太空医学、地球和太阳研究以及微重力实验研究提供了一个独特的平台。 

20 周年似乎并不是一个里程碑,对于在危险的太空环境中运行的复杂机械而言,国际空间站正接近老龄化。近年来,它也遇到了几个问题,比如,最近俄罗斯模块 Zvezda 发生了漏气事件。

国际空间站的运行史已经证明人类可以在太空中生活和工作,但上面的环境如何?是否存在着能够威胁常驻机组人员生命健康的微生物或细菌?

对于未来的载人太空探索任务,了解人们在空间站这个遥远、危险、封闭的环境中该如何繁衍生息,必然是至关重要的一点,毕竟太空旅行并非那么简单。

(来源:NASA)

“空间站” 的科幻发源地

空间站一直被认为是未来太空移民的实验场,然而人类对于载人空间站或卫星的最早构思要追溯到 19 世纪。

1869 年 10 月至 1870 年 2 月之间,美国作家爱德华・埃弗里特・黑尔(Edward Everett Hale)的科幻小说《砖月》(Brick Moon)向读者介绍了在地球以外生活的想法,其中描述了一个直径 200 英尺、用砖砌成的砖月亮,它是船只导航的一个辅助物,然而在载人的情况下被意外带入地球轨道。

图 | 由于砖的耐热性,虚构的 “砖月亮” 是用砖建造的 (来源:NASA)

1923 年 6 月,罗马尼亚火箭先驱 Hermann Oberth 创造了 “空间站” 一词。他在经典著作《飞往星际空间的火箭》(The Rocket into interplanetory)中,设想建立一个环绕地球轨道运行的平台,该平台将成为执行月球和火星任务的起点。

Oberth 的想法得到了奥地利人 Herman Noordung 的认可,Noordung 于 1928 年发布了一张轨道前哨基地的蓝图,基地由多个模块组成,每个模块都有其独特的功能。

Oberth 和 Noordung 都幻想他们的空间站将由大型火箭发射上天,而那时美德等国的火箭研究正在大力推进。美国电视连续剧 Tomorrowland 最早向公众展示了对轮状空间站的设想,该轨道平台将包括地球观测站、微重力实验室以及天文台。是执行月球和火星任务的起点,成为人类探索内部太阳系的基石。

真实空间站发展轨迹

1969 年,美国航天局提议建立一个可容纳 100 人的名为 “空间基地” 的空间站。其想法是建造一个平台,用作支持科学研究和工业发展的微重力研究实验室,同时可以作为核动力空间拖船的母港,以便将宇航员从月球的前哨站基地运送过来。

1971 年 4 月 19 日,苏联发射了人类历史上第一个真正的太空站 “礼炮一号”,然而在飞行 5 个多月后,于 1971 年 10 月不幸坠入地球大气层烧毁。随后十年,苏联相继在 “礼炮” 计划中增加了 6 个空间站。

1973 年,美国发射了第一个太空站 Skylab。随后的一年,Skylab 接待了三名机组人员,最终证明人类不仅可以在太空中生活和工作,而且还可以在大规模的轨道建设中发挥作用。

1986 年,苏联发射的 “和平号” 空间站是建造的首个核心站,后来又在其基础上增加了其他模块。直到 1998 年国际空间站发射首批舱体时,“和平号” 空间站仍在轨道上。在 2001 年,“和平号” 被击落,穿过大气层时发生解体,舱体上幸存下来的东西很可能最终被埋入太平洋底部 5000 米深的水下。

国际空间站最初的建设由美国国家航天局、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、加拿大国家航天局以及巴西航天局六个国际主要太空机构联合推进,来自全球 25 个太空机构和组织参与研制。

2000 年 10 月 30 日,“远征一号(Expedition 1)” 搭乘 “联盟号” 火箭发射升空,并与国际空间站对接。美俄三位机组人员成为第一批在轨道哨所长期生活和工作的人,人类多年的太空生活梦想得以实现。

图 | 完全组装好的国际空间站(来源:NASA)

国际空间站现由 16 个模块组成,其中四个俄罗斯的,九个美国的,两个日本的和一个欧洲的。它的大小相当于一个拥有五间卧室大小的房子,上面最多可容纳六名机组人员,他们一次可在空间站内居住六个月。

微重力环境下的空间适应历程

1961 年,前苏联宇航员尤里 – 加加林(Yuri Gagarin)首次在绕地球轨道上航行了一周,证明了人类可以在太空生存。但想要在太空中长期生活面临却困难更多的困难,远比大多数科幻小说或电影中所呈现的要复杂得多。

当代的空间站不会自转来提供重力,空间站也没有上下之分。生活在地球上,我们不断感受到重力的牵引力,我们的身体会自动做出反应,以在向下牵引的世界中保持姿势和运动。

而在微重力环境中,人体不会适应这些恒定信号。宇航员在到达空间站以后,往往会需要几天的适应时间,以应对身体的期望与身体的实际感觉之间存在冲突,他们每天饮水或洗漱等日常活动,都需要提前计划。

图 | 宇航员 Oleg Kononenko 在 2008 年拍摄的 Zvezda 太空舱照片,背景墙上钉着太空英雄和偶像(来源:NASA)

国际空间站的舱内处于微重力状态,在设计之初,考虑到机组人员的工作生活,舱中安装了充当 “重力点” 的工具,包括扶手、带子、夹子、搭扣点等,这样机组人员在活动的时候就可以借助他们固定身体不飘走。

国际空间站在 24 小时内,就会绕地球旋转 16 圈,在这样高速旋转的空间内,想要辨别方向就显得没有那么容易。在俄罗斯舱内,为了帮助宇航员们更加准确地定位方向,面向地球的表面(“向下”)设计成了橄榄绿色,而背向地球的墙壁和表面(“向上”)则设计成了米色。

不仅如此,颜色在空间站的其他方面也发挥着重要作用,例如颜色对于宇航员心情的重要性,Skylab 就色彩很单调,宇航员甚至通过盯着用于校准摄像机的彩色卡片,来打破如此单调的氛围。

在大部分科幻电影中,空间站往往是科技感十足、干净整洁的内部环境,而现实中的国际空间站却大相径庭。

2012 年的一篇报道中曾提到,宇航员斯 Scott Kelly 将国际空间站的独特香气描述为类似于防腐剂和垃圾的混合物。

国际空间站内臭气熏天、噪音大,乱七八糟,到处都是脱落的皮肤细胞和碎屑,再这样严峻的环境中,机组人员甚至都无法拥有一个好的睡眠。研究发现,在国际空间站普遍存在一种被称为 “放线菌” 的皮肤细菌,这种细菌可能使宇航员发生从食物中毒到皮肤感染等各种疾病。

图 | 宇航员 Rick Mastracchio 在 2016 年从 “圆顶” 上俯瞰地球(来源:NASA)

但是,透过不足看美好,舱内的圆顶模块(Cupola module )提供了一个人类可能在任何地方都无法欣赏到的美景:向下俯视 180 度的地球全景。

新一代空间站

国际空间站的运行成本非常高,仅美国国家航空航天局一年支出的成本费用就高达 34 亿美元,许多人对此提出质疑,这么大的支出是否值得。如果没有更多的商业投资,国际空间站可能会在 2028 年脱离轨道,并坠入海底。

人类探索太空的脚步前行不止,国际空间站的退役必将催生新一代空间站,届时人类探索太空的栖息地又将在哪里?

由美国国家航空航天局(NASA)领导的深空探索 “Lunar Gateway” 项目,计划在月球轨道上建设一个微型空间站,用作太阳能通信枢纽、科学实验室、短期居住场所、漫游车以及其他机器人的存放区,而 Gateway 的建设也预示着下一个阶段的空间站生活很可能会转移到绕月球的轨道上。

图 | Gateway(来源:NASA)

这个被称为 “Gateway” 的深空前哨站是美国 NASA “Artemis” 计划的一个关键要素,Gateway 的建设基于国际空间站,但规模比国际空间站要小,计划在未来十年内送入月球轨道,宇航员可以在上面生活一个月的时间。

Lunar Gateway 的一项初步设计有四个可扩展的乘员舱,可以为宇航员们提供更加宽广的空间,但是对其他空间进行了压缩设计。

Gateway 的核心包括一个栖息地模块和一个动力和推进元件,计划在 2023 年底一起发射,其他一些部件可能会在以后加入前哨。美国宇航局官员表示,Gateway 将作为载人和不载人的月球表面之旅的中转站。

Artemis 计划的目标是在 2024 年将两名宇航员运送到月球南极附近,但 NASA 希望到 2028 年,在月球上和周围建立一个持久的、可持续的人类存在。

Artemis 计划的另一个关键目标是为前往火星的航空任务铺平道路,NASA 希望在 2030 年代开始发射火星。这些最初的飞行可能会成为火星上的研究前哨,科学家们可以从这个基地寻找火星生命的迹象,并进行一系列其他实验。

参考资料:

https://theconversation.com/how-to-live-in-space-what-weve-learned-from-20-years-of-the-international-space-station-144851

https://astronomy.com/news/2020/11/the-international-space-station-serves-as-a-template-for-the-future

https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-019-0666-x

https://www.popsci.com/brief-history-space-stations-before-iss/

https://theconversation.com/space-invasions-what-to-do-when-stuff-falls-from-the-sky-4961

https://www.space.com/international-space-station-future-off-earth-outposts

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