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空間實驗室
對地觀測的載人航天實驗空間站
基本信息
| 中文名 | 空間實驗室 |
| 外文名 | Space Laboratory |
| 性質 | 一種多用途航天科學實驗空間站 |
| 設立地點 | 太空 |
| 可進行 | 對地觀測、天文觀測等 |
| 兩艙結構類型 | 采用兩艙構型：實驗艙,資源艙 |
收起
基本認識
與空間站區(qū)別
關于空間實驗室，目前還沒有明確的定義，其基本概念是：空間實驗室是為發(fā)展空間站，從載人飛船過渡到載人航天基礎設施的試驗性航天器；而空間站的概念是：可供多名航天員巡訪、長期工作和居住生活的載人航天器。
理論研究和實踐經驗都表明，研制空間實驗室是建造空間站的重要前提和技術保障，可對空間站的關鍵技術進行試驗，獲取經驗，降低風險，為建造空間站打基礎。
空間實驗室和空間站既有聯系，又有明顯區(qū)別，在任務目標、功能規(guī)模、技術指標、資金投入和研制周期等方面都存在一些不同。對此，要有明確的界定，否則會走彎路。
結構與組成
實驗艙
實驗艙前端安裝一個對接機構，以及交會對接測量和通信設備，用于支持與飛船實現交會對接。
關鍵技術
空間實驗室階段關鍵要突破飛船空間交會對接技術。空間交會對接技術難度很大，在對接過程中，如果計算不準，就可能發(fā)生飛船相撞事故。因此，需要進行大量試驗才能掌握這一技術。
兩個或兩個以上的航天器通過軌道參數的協調，在同一時間到達太空同一位置的過程稱為交會。對接是在交會的基礎上，通過專門的對接機構將兩個航天器連接成一個整體。實現兩個航天器在太空交會對接的系統(tǒng)稱為交會對接系統(tǒng)。
交會對接系統(tǒng)通常包括跟蹤測量系統(tǒng)、姿態(tài)與軌道控制系統(tǒng)、對接機構系統(tǒng)等。兩個航天器在太空進行對接，其初始條件是兩者保持對接機構的同軸接近方式和確定的縱向速度，以及在其他線坐標和角坐標上的速度為零。但兩個航天器之間的實際相對運動參數總是有偏差的。
一般情況下，兩個航天器之間的相對位置及其平動速度通常是靠主動航天器軌道控制系統(tǒng)和兩個航天器的姿態(tài)控制系統(tǒng)來維持的，前者適用于控制質心的平動運動，后者適用于控制繞質心的轉動運動。航天器的空間交會對接控制方法有兩種，一種是人工控制、另一種是自動控制。用人工控制來完成太空交會對接可以提高交會對接的成功率。自動控制交會對接可靠性高，不需考慮人員的安全和救生問題。在航天器的交會對接技術方面，未來的發(fā)展趨勢是人工控制和自動控制相結合，以提高交會對接的靈活性、可靠性和成功率。
航天員出艙技術
空間實驗室長期在太空運行，暴露在艙外的各種設備、部件等容易受到太空環(huán)境的損壞，發(fā)生老化和故障，因此需要航天員到艙外去維修或更換，進行這一工作，必須對航天員進行在失重環(huán)境下穿航天服、打開艙門、在太空環(huán)境下使用工具、在太空環(huán)境下走路等必要技術的訓練。
特性
性能與功用
國際相關發(fā)展
國際空間實驗室的發(fā)展
蘇聯-俄羅斯
蘇俄首先通過載人飛船突破載人飛行技術，然后開展空間站的研制工作。蘇聯航天工作者建造了“禮炮”號系列空間實驗室，能長期保證乘組的生命活動及工作。“禮炮”計劃從1971年到1982年，包括發(fā)射了9艘單模塊的空間實驗室(后期升級為空間站)，用于開展對人長期在軌生活以及其它生物、天文領域進行長期試驗研究，驗證地面的設計結果。
美國
美國發(fā)展空間實驗室(站)與蘇聯不同，其注重先進性，但欠缺連續(xù)性和繼承性。
美國首先研制了“天空實驗室”，于1973年5月14日發(fā)射，它有兩個目的：一是作為未來空間站計劃的過渡環(huán)節(jié)，帶有試驗性質，二是進行科學實驗。
歐洲
歐洲采用化整為零、分布實施的模式建設空間實驗室，但由于其技術發(fā)展沒有系統(tǒng)性，許多方面依賴美國，因而沒有能力獨立發(fā)展自己的載人航天和空間站技術；但通過國際合作的方式也獲取了一部分進展。歐洲建造的空間實驗室包括“空間實驗室”和“哥倫布艙”。
日本
日本的發(fā)展模式與歐盟相近，不具備獨立研制和發(fā)射載人航天器的能力。“希望”號是日本建造的第一個空間軌道載人設施。
中國
相關規(guī)劃
根據中共中央1992年9月確定的中國載人航天“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略方針，2005年l0月中國神舟六號載人飛行任務取得了圓滿成功，標志著第一步任務目標已順利完成。
2004年12月，中央批準起動中國載人航天第二步任務，并明確第二步任務重點放在航天器交會對接和航天員空間活動等重大技術突破上。載人航天工程總體組織確定了中國載人航天二期工程第一階段的主要任務目標為：
(2)實施航天器交會對接試驗，突破和掌握載人航天器交會對接技術；
(4)為工程的進一步發(fā)展創(chuàng)造基本條件。
神舟七號飛船于2008年9月25日發(fā)射，2008年9月28日回收，承載3名航天員，突破了出艙活動技術。
為進一步掌握交會對接技術、開展空間技術和應用試驗、為空間站奠定技術基礎，工程總體決定成立空間實驗室系統(tǒng)，其主要任務有以下任務：
(1)研制目標飛行器，參與交會對接試驗；為航天員的在軌工作、生活提供必要的條件，并保證航天員安全；為開展空間應用、空間科學實驗與技術試驗提供基本條件。
(2)開展空間實驗室關鍵技術攻關和先期研制工作，為載人航天后續(xù)發(fā)展積累經驗。
(3)根據工程的進展，開展空間站實施方案的論證。
基本功能
為了滿足中國載人航天第二步第一階段任務要求，中國的空間實驗室應具備以下三類功能：自主飛行及試驗支持功能、交會對接功能、航天員駐留技術支持功能。其中，自主飛行及試驗支持功能包括了自主供電、測控通信、熱控、環(huán)境控制與生命保障、軌道與姿態(tài)控制，并具有一定的空間防護能力；交會對接功能包括了軌道相位調整、姿態(tài)保持、交會對接、支持組合體管理；航天員駐留技術支持功能包括了工作和生活空間支持、醫(yī)學和能效學支持、生活保障支持、出艙活動支持等功能。
具體任務要求為：
(1)作為交會對接目標，參與交會對接技術試驗。
(2)為航天員的在軌工作、生活提供必要的條件，并保證航天員安全。
(3)為開展空間應用、空間科學實驗與技術試驗提供基本條件。
(4)初步建立能夠在軌長期可靠運行的載人空間試驗平臺，為建造空間站積累經驗。
實驗室建設
中國首個空間實驗室的雛形“天宮一號”已于2011年9月29日成功發(fā)射。作為中國建立空間站計劃的序幕，天宮一號目標飛行器由實驗艙和資源艙組成，實驗艙是密封艙，支持3名航天員工作和休息，實驗艙后錐段與資源艙是非密封環(huán)境，安裝相關設備，包括太陽翼、發(fā)動機等。實驗艙前端框安裝1個對接機構，完成交會對接任務。
各國實驗室
前蘇聯“禮炮”空間實驗室
空間實驗室[空間實驗室]
“禮炮2號”發(fā)射到太空后由于自行解體而失敗。蘇聯發(fā)射的禮炮3、4、5號空間實驗室均獲成功，航天員進站內工作，完成多項科學實驗。
美國的“天空實驗室”
天空實驗室
1973年5月25日，7月28日和11月16日，先后由阿波羅號飛船把宇航員送上空間站工作。在載入飛行期間，宇航員用58種科學儀器進行了270多項生物醫(yī)學，空間物理，天文觀測，資源勘探和工藝技術等試驗，拍攝了大量的太陽活動照片和地球表面照片，研究了人在空間活動的各種現象。1974年2月第三批宇航員離開太空返回地面后，天空實驗室便被封閉停用，直到1979年7月12日在南印度洋上空墜入大氣層燒毀。它在太空運行2249天，航程達14億多千米。
歐洲的“空間實驗室”
“空間實驗室”是歐洲研制的第一種載人航天設備，由密封科學實驗艙和托盤兩種標準構件組成。長度分別為7米和3米，寬4米。這種空間站自身沒有動力裝置，不能自主飛行，只能裝在航天飛機的貨艙中，隨航天飛機一起升空，完成預定任務后，再隨航天飛機返回地面。
空間實驗室內部
中國的“天宮”系列實驗室
中國在研的空間實驗室采用兩艙結構，分別為實驗艙和資源艙。實驗艙可保證艙壓、溫濕度、氣體成分等航天員生存條件。
各國研制模式
蘇聯的模式
蘇聯/俄羅斯把發(fā)展空間實驗室作為國策，采取了慎重穩(wěn)妥的方式，最大限度地利用成熟技術。其采用三步走發(fā)展戰(zhàn)略：先是陸續(xù)發(fā)射5個“禮炮”系列空間實驗室用來試驗空間站的有關技術；取得一定經驗后進一步發(fā)射單模塊艙段式“禮炮”系列實用性空間站；在此基礎上再建造多模塊積木式長久性空間站“和平號”。蘇聯解體后，俄羅斯參與了“國際空間站”工程。
其路線圖是：衛(wèi)星式載人飛船→空間實驗室（也叫試驗性空間站）→實用性空間站→積木式長久性空間站→桁架掛艙式永久性空間站（國際合作）。
“禮炮”系列空間實驗室的設計原則是：①簡單性：可大大縮短研制時間；②通用性：盡可能采用已有的且比較成熟的技術，以減小風險較小；③漸改性: 力求使空間實驗室具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>
它們大量應用了聯盟號飛船的技術和成果，因此不需要重新發(fā)展高難度的技術。為了縮短研制時間，采用了比較簡單的艙段式構型，因而具有外形簡單、硬件數少、容易實現和造價較低等優(yōu)點，體積也能適應已有運載火箭運載能力一次發(fā)射的限制，尤其是由于不需要在軌道上對接組合或裝配大型系統(tǒng)的復雜過程，所以風險和難度都較小，安全性較高。
美國的模式
美國采取跨越的發(fā)展方式，但至今只發(fā)射過1個空間實驗室——“天空實驗室”。其在設計思想上強調盡可能利用已有的硬件和技術。它利用“阿波羅”載人登月工程的剩余材料和部件研制，于1973年發(fā)射入軌。它帶有試驗性質，加之為了簡化設計，所以沒有安裝軌道機動系統(tǒng)，這一點與蘇聯截然不同。因此，其本身不能進行軌道調整，只有當“阿波羅號”飛船同它對接后，才能利用飛船的發(fā)動機改變其軌道。另外，其專用氣閘過渡艙多次供航天員出艙活動。
此后，美國曾與歐洲、日本聯合研制“自由號”（freedom）純桁架掛艙式永久性空間站，但中途下馬，改為吸收俄羅斯參加，聯合研制與“自由號”不同的“國際空間站”。
其路線圖是：衛(wèi)星式載人飛船→登月式載人飛船→空間實驗室→航天飛機→桁架掛艙式永久性空間站（國際合作）。
歐日的模式
由于多種原因，歐洲采取了國際合作的方式，即多次利用美國航天飛機搭載歐洲研制的“空間實驗室”，它包括：天體物理實驗室、大氣應用和科學實驗室、生命科學實驗室、國際微重力實驗室、微重力科學實驗室、美國微重力實驗室和神經科學實驗室。此后，歐洲和日本均參與了“國際空間站”工程。
與空間站區(qū)別
空間實驗室與空間站不同之處
項目名稱 | 空間實驗室 | 空間站 |
設計主導思想 | 短期有人照料、環(huán)境適宜生活、工作，并研究長期駐留的技術。 | 支持長期駐留。配置長期支持生活的設施，以航天員為主導設計主導開展駐留期間的工作。 |
主要任務 | 驗證空間站技術。 | 空間應用為主，可開展各類空間技術試驗。 |
工作模式 | 長期自主飛行，短期有人照料。 | 長期有人照料。 |
規(guī)模 | 單艙，只有1個對接口，原則上不可擴展。 | 多艙段，至少2個對接口，可擴展。 |
在軌壽命 | 1年左右。 | 5～l0年或更長。 |
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參考資料
[1]
"天宮二號"露出真容 成功發(fā)射升空 · 網易[引用日期2016-09-15]
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作者
