人類對于宇宙的觀測雖有數(shù)千年的歷史,但直到 20 世紀(jì),人類才開發(fā)出了進(jìn)入太空的航空技術(shù)。2000 年,人類首次進(jìn)入外太空的國際空間站(International Space Station,ISS),也才真正擁有了從地球以外反觀地球的空間視角。 2000 年 11 月 2 日,載有美俄三名宇航員的 “聯(lián)盟 TM-31” 號宇宙飛船與國際空間站核心艙成功對接。從此,國際空間站正式開啟至今長達(dá) 20 年的載人飛行史。

國際空間站不僅是宇航員們探索宇宙空間的高科技之家,更是一個理想 “天然實驗室”。國際空間站這個獨特的實驗室可以允許機(jī)組人員進(jìn)行許多在地球上無法進(jìn)行的實驗,探索改善人類賴以生存的地球生活的科學(xué)研究。

圖 | 國際空間站(來源:Pixabay)

ISS 不僅支持人在地球軌道長期駐留,而且該空間還擁有大量的實驗資源,為研究人員在微重力環(huán)境下開展科學(xué)實驗研究提供了實驗條件,更為太空醫(yī)學(xué)、地球和太陽研究以及微重力實驗研究提供了一個獨特的平臺。 

20 周年似乎并不是一個里程碑,對于在危險的太空環(huán)境中運行的復(fù)雜機(jī)械而言,國際空間站正接近老齡化。近年來,它也遇到了幾個問題,比如,最近俄羅斯模塊 Zvezda 發(fā)生了漏氣事件。

國際空間站的運行史已經(jīng)證明人類可以在太空中生活和工作,但上面的環(huán)境如何?是否存在著能夠威脅常駐機(jī)組人員生命健康的微生物或細(xì)菌?

對于未來的載人太空探索任務(wù),了解人們在空間站這個遙遠(yuǎn)、危險、封閉的環(huán)境中該如何繁衍生息,必然是至關(guān)重要的一點,畢竟太空旅行并非那么簡單。

(來源:NASA)

“空間站” 的科幻發(fā)源地

空間站一直被認(rèn)為是未來太空移民的實驗場,然而人類對于載人空間站或衛(wèi)星的最早構(gòu)思要追溯到 19 世紀(jì)。 1869 年 10 月至 1870 年 2 月之間,美國作家愛德華?埃弗里特?黑爾(Edward Everett Hale)的科幻小說《磚月》(Brick Moon)向讀者介紹了在地球以外生活的想法,其中描述了一個直徑 200 英尺、用磚砌成的磚月亮,它是船只導(dǎo)航的一個輔助物,然而在載人的情況下被意外帶入地球軌道。

圖 | 由于磚的耐熱性,虛構(gòu)的 “磚月亮” 是用磚建造的 (來源:NASA)

1923 年 6 月,羅馬尼亞火箭先驅(qū) Hermann Oberth 創(chuàng)造了 “空間站” 一詞。他在經(jīng)典著作《飛往星際空間的火箭》(The Rocket into interplanetory)中,設(shè)想建立一個環(huán)繞地球軌道運行的平臺,該平臺將成為執(zhí)行月球和火星任務(wù)的起點。

Oberth 的想法得到了奧地利人 Herman Noordung 的認(rèn)可,Noordung 于 1928 年發(fā)布了一張軌道前哨基地的藍(lán)圖,基地由多個模塊組成,每個模塊都有其獨特的功能。

Oberth 和 Noordung 都幻想他們的空間站將由大型火箭發(fā)射上天,而那時美德等國的火箭研究正在大力推進(jìn)。美國電視連續(xù)劇 Tomorrowland 最早向公眾展示了對輪狀空間站的設(shè)想,該軌道平臺將包括地球觀測站、微重力實驗室以及天文臺。是執(zhí)行月球和火星任務(wù)的起點,成為人類探索內(nèi)部太陽系的基石。

真實空間站發(fā)展軌跡

1969 年,美國航天局提議建立一個可容納 100 人的名為 “空間基地” 的空間站。其想法是建造一個平臺,用作支持科學(xué)研究和工業(yè)發(fā)展的微重力研究實驗室,同時可以作為核動力空間拖船的母港,以便將宇航員從月球的前哨站基地運送過來。

1971 年 4 月 19 日,蘇聯(lián)發(fā)射了人類歷史上第一個真正的太空站 “禮炮一號”,然而在飛行 5 個多月后,于 1971 年 10 月不幸墜入地球大氣層燒毀。隨后十年,蘇聯(lián)相繼在 “禮炮” 計劃中增加了 6 個空間站。 1973 年,美國發(fā)射了第一個太空站 Skylab。隨后的一年,Skylab 接待了三名機(jī)組人員,最終證明人類不僅可以在太空中生活和工作,而且還可以在大規(guī)模的軌道建設(shè)中發(fā)揮作用。

1986 年,蘇聯(lián)發(fā)射的 “和平號” 空間站是建造的首個核心站,后來又在其基礎(chǔ)上增加了其他模塊。直到 1998 年國際空間站發(fā)射首批艙體時,“和平號” 空間站仍在軌道上。在 2001 年,“和平號” 被擊落,穿過大氣層時發(fā)生解體,艙體上幸存下來的東西很可能最終被埋入太平洋底部 5000 米深的水下。

國際空間站最初的建設(shè)由美國國家航天局、俄羅斯聯(lián)邦航天局、歐洲航天局、日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)、加拿大國家航天局以及巴西航天局六個國際主要太空機(jī)構(gòu)聯(lián)合推進(jìn),來自全球 25 個太空機(jī)構(gòu)和組織參與研制。

2000 年 10 月 30 日,“遠(yuǎn)征一號(Expedition 1)” 搭乘 “聯(lián)盟號” 火箭發(fā)射升空,并與國際空間站對接。美俄三位機(jī)組人員成為第一批在軌道哨所長期生活和工作的人,人類多年的太空生活夢想得以實現(xiàn)。

圖 | 完全組裝好的國際空間站(來源:NASA)

國際空間站現(xiàn)由 16 個模塊組成,其中四個俄羅斯的,九個美國的,兩個日本的和一個歐洲的。它的大小相當(dāng)于一個擁有五間臥室大小的房子,上面最多可容納六名機(jī)組人員,他們一次可在空間站內(nèi)居住六個月。

微重力環(huán)境下的空間適應(yīng)歷程

1961 年,前蘇聯(lián)宇航員尤里 - 加加林(Yuri Gagarin)首次在繞地球軌道上航行了一周,證明了人類可以在太空生存。但想要在太空中長期生活面臨卻困難更多的困難,遠(yuǎn)比大多數(shù)科幻小說或電影中所呈現(xiàn)的要復(fù)雜得多。

當(dāng)代的空間站不會自轉(zhuǎn)來提供重力,空間站也沒有上下之分。生活在地球上,我們不斷感受到重力的牽引力,我們的身體會自動做出反應(yīng),以在向下牽引的世界中保持姿勢和運動。 而在微重力環(huán)境中,人體不會適應(yīng)這些恒定信號。宇航員在到達(dá)空間站以后,往往會需要幾天的適應(yīng)時間,以應(yīng)對身體的期望與身體的實際感覺之間存在沖突,他們每天飲水或洗漱等日�；顒�,都需要提前計劃。

圖 | 宇航員 Oleg Kononenko 在 2008 年拍攝的 Zvezda 太空艙照片,背景墻上釘著太空英雄和偶像(來源:NASA)

國際空間站的艙內(nèi)處于微重力狀態(tài),在設(shè)計之初,考慮到機(jī)組人員的工作生活,艙中安裝了充當(dāng) “重力點” 的工具,包括扶手、帶子、夾子、搭扣點等,這樣機(jī)組人員在活動的時候就可以借助他們固定身體不飄走。

國際空間站在 24 小時內(nèi),就會繞地球旋轉(zhuǎn) 16 圈,在這樣高速旋轉(zhuǎn)的空間內(nèi),想要辨別方向就顯得沒有那么容易。在俄羅斯艙內(nèi),為了幫助宇航員們更加準(zhǔn)確地定位方向,面向地球的表面(“向下”)設(shè)計成了橄欖綠色,而背向地球的墻壁和表面(“向上”)則設(shè)計成了米色。

不僅如此,顏色在空間站的其他方面也發(fā)揮著重要作用,例如顏色對于宇航員心情的重要性,Skylab 就色彩很單調(diào),宇航員甚至通過盯著用于校準(zhǔn)攝像機(jī)的彩色卡片,來打破如此單調(diào)的氛圍。

在大部分科幻電影中,空間站往往是科技感十足、干凈整潔的內(nèi)部環(huán)境,而現(xiàn)實中的國際空間站卻大相徑庭。

2012 年的一篇報道中曾提到,宇航員斯 Scott Kelly 將國際空間站的獨特香氣描述為類似于防腐劑和垃圾的混合物。

國際空間站內(nèi)臭氣熏天、噪音大,亂七八糟,到處都是脫落的皮膚細(xì)胞和碎屑,再這樣嚴(yán)峻的環(huán)境中,機(jī)組人員甚至都無法擁有一個好的睡眠。研究發(fā)現(xiàn),在國際空間站普遍存在一種被稱為 “放線菌” 的皮膚細(xì)菌,這種細(xì)菌可能使宇航員發(fā)生從食物中毒到皮膚感染等各種疾病。

圖 | 宇航員 Rick Mastracchio 在 2016 年從 “圓頂” 上俯瞰地球(來源:NASA)

但是,透過不足看美好,艙內(nèi)的圓頂模塊(Cupola module )提供了一個人類可能在任何地方都無法欣賞到的美景:向下俯視 180 度的地球全景。

新一代空間站

國際空間站的運行成本非常高,僅美國國家航空航天局一年支出的成本費用就高達(dá) 34 億美元,許多人對此提出質(zhì)疑,這么大的支出是否值得。如果沒有更多的商業(yè)投資,國際空間站可能會在 2028 年脫離軌道,并墜入海底。

人類探索太空的腳步前行不止,國際空間站的退役必將催生新一代空間站,屆時人類探索太空的棲息地又將在哪里?

由美國國家航空航天局(NASA)領(lǐng)導(dǎo)的深空探索 “Lunar Gateway” 項目,計劃在月球軌道上建設(shè)一個微型空間站,用作太陽能通信樞紐、科學(xué)實驗室、短期居住場所、漫游車以及其他機(jī)器人的存放區(qū),而 Gateway 的建設(shè)也預(yù)示著下一個階段的空間站生活很可能會轉(zhuǎn)移到繞月球的軌道上。

圖 | Gateway(來源:NASA)

這個被稱為 “Gateway” 的深空前哨站是美國 NASA “Artemis” 計劃的一個關(guān)鍵要素,Gateway 的建設(shè)基于國際空間站,但規(guī)模比國際空間站要小,計劃在未來十年內(nèi)送入月球軌道,宇航員可以在上面生活一個月的時間。

Lunar Gateway 的一項初步設(shè)計有四個可擴(kuò)展的乘員艙,可以為宇航員們提供更加寬廣的空間,但是對其他空間進(jìn)行了壓縮設(shè)計。

Gateway 的核心包括一個棲息地模塊和一個動力和推進(jìn)元件,計劃在 2023 年底一起發(fā)射,其他一些部件可能會在以后加入前哨。美國宇航局官員表示,Gateway 將作為載人和不載人的月球表面之旅的中轉(zhuǎn)站。

Artemis 計劃的目標(biāo)是在 2024 年將兩名宇航員運送到月球南極附近,但 NASA 希望到 2028 年,在月球上和周圍建立一個持久的、可持續(xù)的人類存在。

Artemis 計劃的另一個關(guān)鍵目標(biāo)是為前往火星的航空任務(wù)鋪平道路,NASA 希望在 2030 年代開始發(fā)射火星。這些最初的飛行可能會成為火星上的研究前哨,科學(xué)家們可以從這個基地尋找火星生命的跡象,并進(jìn)行一系列其他實驗。