太空中的“小联合国”人类入驻国际空间站15年纪

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2015年11月2日，国际空间站迎来了一个历史性的时刻，这是人类进驻国际空间站15周年纪念日。在此之前，服役期最长的是苏联/俄罗斯的“和平”号空间站，从1986年3月15日航天员进驻“和平”号算起，到2000年6月16日最后一批航天员从“和平”号返回地球，其容纳人类活动的时间满打满算只有14年零3个月。如今，国际空间站已经全面突破了“和平”号曾经描画的记录，正在太空中谱写新的辉煌。

然而，时间记录仅仅是国际空间站所取得成绩的一个侧面，作为一个注定要彪炳史册的里程碑，国际空间站还有着更加深远的意义。作为人类航天史上第一个具有“国际性”载人航天器，国际空间站由美国和俄罗斯牵头，联合加拿大、日本、欧洲航天局（包括法国、德国、意大利、英国、比利时、丹麦、荷兰、挪威、西班牙、瑞典、瑞士）等15个国家共同设计组合而成，相当于一个太空中的“小联合国”，突破了长期以来美俄两国把持载人航天事业的禁区。虽然美国总统里根在1983年就提出建设“国际性”空间站的设想，但由于当时冷战方炽，载人航天技术作为高精尖技术的极致，水平最高的美苏两巨头虽有表面上的交流，实质上互相封锁，根本无法实现合作。直到苏联解体后的1993年，美俄才达成联合建立“国际空间站”的意向。在可以预见的未来里，人类还无法摆脱千万年来形成巩固的国别界限，但由于载人航天高风险、高投入的特殊性质，展望未来的太空移民，必须集合全体人类的力量，才有望走向成功，而国际空间站的发展正是迈出了人类的这一历史性的一大步。在庆祝国际空间站15周年的声明中，美国国家航天局局长博尔登表示，空间站是全球和平合作的榜样。

肉眼可以观测的空间站

从总体上来看，国际空间站可以分为两大部分，第一部分是以长桁架为主体的服务部分，第二部分为以“曙光”号功能货舱为中心的压力舱部分。与以“和平”号空间站为代表、采用节点舱和任务舱互联扩展的传统空间站设计不同，经过多次方案修改之后，国际空间站采用了与众不同的桁架挂舱式结构，这也是其设计过程漫长的原因之一。这种创新的结构具有很多优点，例如，作为主体的长桁架提供了宽广的设备安装空间，为安装舱段和其他各种分系统提供了良好的基础，灵活性强，可根据需要调整布局，特别是由加拿大负责的大型遥控机械臂可以借助基座在长桁架上移动，为空间站的组建和维修提供了前所未有的支援能力。此外，由于桁架在运行中垂直于轨道面，因此其上安装的各种观测设备不会发生互相阻挡视野的情况，使得空间站的有效运行能力得到了质的提升。桁架结构还使得国际空间站得以安装大面积的太阳能电池翼板，提供了充足的电力供应，并采用了集中式供电系统，有利于提高工作效率。最后，桁架上还设置了巨大的散热翼板，可以更加有效的散发空间站工作时的废热，使得舱内环境适合人类生存需要。

1998年11月20日，俄罗斯“质子-K”火箭将国际空间站的第一个组件——“曙光”号功能货舱送入轨道，从而拉开了国际空间站在轨建设的序幕。如今，国际空间站已经成长为一个长72.8米，高20米，宽（桁架长度）达109米的庞然大物，在轨质量约419.5吨，太阳能电池翼板宽73米，功率84千瓦，压力舱容积约916立方米，相当于一个6个房间的公寓房、或者一架波音747的内部空间大小，可容纳6名航天员常驻工作，其轨道高度为278～460千米，倾角51.6°，运行周期92.69分钟，每天可以绕地球运转15.54圈。迄今为止，已有超过10万人不同程度的参与了国际空间站的建设工作，项目总耗资已超过1 200亿美元，空间站每飞行一个小时耗资35万美元。在视宁度良好的夜空，航天爱好者们仅凭肉眼就能观察到国际空间站从夜空中划过。

两个划时代的成果

从2000年11月2日，第一批三名航天员抵达国际空间站开始，除了继续执行空间站的组建任务之外，相关的科研活动也逐渐开始进行。到目前为止，共有来自17个国家的220名航天员在国际空间站工作、生活过，平均每个航天员的在轨时间约6个月，累计进行了1 000小时以上的舱外太空活动，完成了超过1 500项科研项目。国际空间站上的多个实验舱段可以进行最先进的微重力试验研究，约50%的资源都用于各项科学实验。

国际空间站的空问应用项目主要包括有医学与生物学研究、生物工程空间技术、材料科学、教育活动、地球物理学以及对地观测等7个主要方面的科研应用。医学与生物学研究是国际空间站应用的重点，实际上，所有合作伙伴的应用项目都首选医学与生物学，在同一时间段进行的实验中，其中大部分为生物学实验，包括药品研究和疾病治疗等，据一份统计资料表明，在俄罗斯实验舱和美国实验舱的应用项目中，医学与生物研究分别占43%和32%。

同时，作为人类长期在轨的基地，在对地观测、研究地球环境以及天文观测、探索宇宙空间方面，国际空间站也起到了不可替代的作用。

但是，在国际空间站取得的众多成果当中，有两个成果可谓是是划时代的进展。

第一个成果，是证实了细菌确实在太空变得更易导致疾病。根据地面研究表明，一些细菌在进入太空之后可能会变得更加致命，特别是沙门氏菌，在美国，沙门氏菌感染每年可导致约15 000人送入医院，其中约400人会不幸丧生。国际空间站上的研究证实了这个设想，由于太空中的环境更有利于细菌的演化，这导致了细菌更有可能出现毒性更强、更具有感染能力的变种，这个成果为人类梦想中的深空探索、星际远航敲响了警钟。虽然通过改变细菌的生长环境能够控制这种演化突变的速度，但是考虑到未来飞向火星需要至少几年的航行时间，而更进一步的深空探索可能需要几十上百年的飞行，而人类既不可能做到灭绝载人航天器上的所有细菌，也不可能彻底控制其演化突变的速度，所以未来的载人航天防疫研究将是一个非常重要的课题。事实上，已经有研究者声称，在太空载人运行了15年之后，国际空间站可能已经成为存在对地球人类不利的细菌的场所。

第二个成果，是国际空间站对航天事业的互动和推广。事实上，在人类航天发展的历程中，一直存在着与普通爱好者、特别是青少年学生的互动，这对航天事业的推广是十分有利的。但是，在早期航天中，由于军事应用的目的最为迫切，所以这种互动和推广的力度和影响范围都是微不足道的。而国际空间站借着全球互联网发展的春风，将对航天事业的互动和推广提高到了前所未有的高度，也使得“教育”成为了国际空间站上的一个主要科研项目。据统计，到2006年，国际空间站已经完成了29项由学校和学生参与的科研项目，在相关国家航天局的支持下，在太空开展教学实验活动，例如设置虚拟课堂和虚拟演示验证课等。而到了2012年，国际空间站的“教育”项目合作伙伴来自44个国家、25 000个学校、280万名教师和4 310万名学生。这些学生通过了解航天员在国际空间站的生活，通过演示操作受到鼓励，激发他们参与相关教育计划的兴趣。据统计，在这些学生中，有170万名学生通过所谓的“探究式学习”实际参与到科学领域中来，YouTube空间实验室竞赛、学生航天飞行实验计划、零机器人技术等都是学生大规模参与探究式空间站研究的实例。在参与这些组织和计划的活动中，国际空间站每年都通过这种良好的互动，激励了成千上万的学生决定从事与数学和科学相关的职业。他们中的很多人有可能就是现今各种航空航天研究机构和公司的未来接班人。这是一项前所未有的、航天计划与数百万计学生紧密结合的伟大工程，鼓励着全世界的有志者们成为未来的航天科学家。

还能用多久？

载人运行15周年是值得庆祝的日子，但也遮掩不住国际空间站的隐忧——国际空间站老了！由于大部分组件的设计寿命是15年，从1998年底最先入轨的“曙光”号功能货舱开始，国际空间站的各个舱段和组件已经陆续到达了设计寿命，这给宇航员们带来了极大的维修压力，要知道，在“和平”号空间站超期服役的最后几年里，航天员的日常工作里有约75%是各种维修工作，以维持空间站的正常运行。国际空间站的现状虽然远没有那么糟糕，但是根据经典的浴盘曲线推断，在任何机械的使用寿命后期，都会出现故障数量和频率急剧增加的现象，国际空间站最终也逃不过这一天。

事实上，早在2010年，美国国会就要求美国国家航天局论证国际空间站延长运行寿命的问题。通常情况下，平均故障间隔时间（MTBF）是常用的衡量可更换元件寿命的重要参数，但是截止到2010年的数据表明，国际空间站上很多设备的实际运行寿命远远超过了生产商预测的MTBF，这一方面表明了设备的高可靠性，另一方面也是延寿的重要参考因素。而不可更换部分（例如桁架和永久舱段）的寿命评估则更为复杂，因为涉及到了无法直接测试的主结构，在太空条件下，地面可用的许多成熟测试手段都派不上用场。最初美国国家航天局对主结构的认证寿命是15年，这意味着从2013年起，主结构将陆续到达认证寿命，为此，从2010年开始，美国国家航天局就开始分三个阶段对主结构进行延寿分析认证，第一阶段从2010年开始，对2013年到寿的结构进行分析，第二阶段从2012年开始，对2017年到寿的结构进行分析，第三阶段从2012年开始，对2020年到寿的结构进行分析。

虽然有批评者抨击这种基于非传统测试方法的分析认证对于国际空间站的继续安全运行和任务保证不能起到足够准确的作用，但美国国家航天局最终仍然给出了延寿许可。在2015年3月28日召开的新闻发布会上，俄罗斯航天局局长科马洛夫和美国国家航天局局长博尔登共同宣布，美俄双方已经就延长国际空间站使用期限的问题达成一致，同意其继续运行到2024年。有消息称，国际空间站的使用寿命很可能会延长到2028年，这也是目前美国国家航天局延寿认证的目标。博尔登表示，国际空间站最终会因到寿而停止运行，下一代空间站的相关事宜应该现在就开始探讨，而未来的更大目标是实现飞往火星的梦想。按照目前披露的信息，美国国家航天局的目标是在15年后把宇航员送上火星，而美国宇航员林格伦则如此评论国际空间站对未来火星计划的作用：“空间站是一座桥梁，我们在这里了解并研发所需的科技，确保日后能够成功执行到火星的任务。”

下一代国际空间站

国际空间站的成绩虽然显著，但由于先天条件不足，到目前已经开始迈入“老年”阶段，而其展示的不足，也正是下一代国际空间站需要努力的方向。

首先是国际空间站的技术水平已经落后，当初设计的时候，为了降低制造成本和建设难度的考虑，强调的是采用成熟技术，国际空间站的大部分系统选择了已在“和平”号空间站、航天飞机、“天空实验室”上得到验证的系统，或者是为“自由”号空间站研制试验的系统，以减少进度和成本上的风险，这导致了新世纪以来的大量先进技术无法应用到国际空间站上。

其次，是必须统一各种仪器设备接口的参数标准。事实上，在国际空间站中，俄罗斯舱段和非俄罗斯舱段采用的标准是不同的，必须通过转换才能互联互通，这不但降低了运行效率，也造成了研制、采购费用的极大浪费。例如，俄罗斯舱段的工作电压为28伏，而非俄罗斯舱段的工作电压为124伏，两个用电系统在通常情况下是互相独立的，又有各自的冗余备份，只有在必要时才能通过直流变换器互通;俄罗斯舱段的环境参数控制标准跟非俄罗斯舱段也是不一样的，当航天员们在舱段中穿梭的时候，就有可能会给环境控制系统带来额外的工作。俄罗斯之所以坚持独立系统和标准，一方面是继承苏联时代的遗产，另一方面是为了维护大国的面子，然而，在俄罗斯国力严重衰退的今天，未来国际空间站再继续采用俄罗斯标准的可能性已经不大了。

最后一个问题并非技术问题，而是政治问题。根据目前的《外层空间条约》规定，国际空间站是参与国领土的延伸，每一个国家对其在空间站的“领地”均享受法律管辖权，但在欧洲航天局的“哥伦布”号舱发射升空之后，就发现了条约的漏洞：由于欧盟的特殊性质，每个成员国都是平等的，没有一个成员国可以在欧盟的法律体系中起到核心作用，也就没有一个单独欧盟成员国的法律能够管辖和制约“哥伦布”号舱内的人类行为。在2007年初的会议上，经协商之后，欧盟法律专家确定了“哥伦布”号舱的法律管辖权：欧洲航天员在“哥伦布”号舱上发生冲突，其所属国家具有法律管辖权;如果冲突发生其他舱段，则所属国家具有法律管辖权。然而，很显然的问题是，这种规定仅仅适用于目前国际空间站参与国家较少、驻守航天员不多的情况，未来国际空间站参与国和航天员数量都会明显增加，届时其法律管辖权的混乱可能使得最高明的法官也难以分辨。也许当未来外层空间也成为人类的一个主要活动区域时，《外层空间条约》有必要拓展成为一部各国参与者共同遵守的法律，当然，这就有待于未来政治家和法律专家们的决断了。

责任编辑：王鑫邦