空間實(shí)驗室（對地觀(guān)測的載人航天實(shí)驗空間站）
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空間實(shí)驗室
對地觀(guān)測的載人航天實(shí)驗空間站
“空間實(shí)驗室”又稱(chēng)太空實(shí)驗室（Space Laboratory）是一種可重復使用和多用途的載人航天科學(xué)實(shí)驗空間站。前蘇聯(lián)、美國和歐洲航天局已于20世紀七八十年代率先研制成功出空間實(shí)驗室。
中國空間實(shí)驗室的雛形“天宮一號”已于2011年9月29日發(fā)射升空。中國首個(gè)真正意義上的空間實(shí)驗室——天宮二號空間實(shí)驗室于2016年9月15日成功發(fā)射。
基本信息
| 中文名 | 空間實(shí)驗室 |
| 外文名 | Space Laboratory |
| 性質(zhì) | 一種多用途航天科學(xué)實(shí)驗空間站 |
| 設立地點(diǎn) | 太空 |
| 可進(jìn)行 | 對地觀(guān)測、天文觀(guān)測等 |
| 兩艙結構類(lèi)型 | 采用兩艙構型：實(shí)驗艙,資源艙 |
收起
基本認識
實(shí)驗室信息
空間實(shí)驗室1
航天員的生活必需品和工作所需的材料、設備均由飛船運送，載人飛船停靠在實(shí)驗室外邊，作為應急救生飛船。如果實(shí)驗室發(fā)生故障，可隨時(shí)載航天員返回地面，航天員工作完成后，乘飛船返回。
與空間站區別
關(guān)于空間實(shí)驗室，目前還沒(méi)有明確的定義，其基本概念是：空間實(shí)驗室是為發(fā)展空間站，從載人飛船過(guò)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(fǎng)、長(cháng)期工作和居住生活的載人航天器。
理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗都表明，研制空間實(shí)驗室是建造空間站的重要前提和技術(shù)保障，可對空間站的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行試驗，獲取經(jīng)驗，降低風(fēng)險，為建造空間站打基礎。
空間實(shí)驗室和空間站既有聯(lián)系，又有明顯區別，在任務(wù)目標、功能規模、技術(shù)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(huì )走彎路。
結構與組成
實(shí)驗艙
實(shí)驗艙前端安裝一個(gè)對接機構，以及交會(huì )對接測量和通信設備，用于支持與飛船實(shí)現交會(huì )對接。
資源艙
資源艙為軌道機動(dòng)提供動(dòng)力，為飛行提供能源。一般包括發(fā)動(dòng)機和電源裝置等，外部安置太陽(yáng)翼，用于提供軌道與姿態(tài)控制、電力能源供應、熱控環(huán)控。
關(guān)鍵技術(shù)
空間實(shí)驗室階段關(guān)鍵要突破飛船空間交會(huì )對接技術(shù)。空間交會(huì )對接技術(shù)難度很大，在對接過(guò)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(jìn)行大量試驗才能掌握這一技術(shù)。
兩個(gè)或兩個(gè)以上的航天器通過(guò)軌道參數的協(xié)調，在同一時(shí)間到達太空同一位置的過(guò)程稱(chēng)為交會(huì )。對接是在交會(huì )的基礎上，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的對接機構將兩個(gè)航天器連接成一個(gè)整體。實(shí)現兩個(gè)航天器在太空交會(huì )對接的系統稱(chēng)為交會(huì )對接系統。
交會(huì )對接系統通常包括跟蹤測量系統、姿態(tài)與軌道控制系統、對接機構系統等。兩個(gè)航天器在太空進(jìn)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(xiàn)坐標和角坐標上的速度為零。但兩個(gè)航天器之間的實(shí)際相對運動(dòng)參數總是有偏差的。
一般情況下，兩個(gè)航天器之間的相對位置及其平動(dòng)速度通常是靠主動(dòng)航天器軌道控制系統和兩個(gè)航天器的姿態(tài)控制系統來(lái)維持的，前者適用于控制質(zhì)心的平動(dòng)運動(dòng)，后者適用于控制繞質(zhì)心的轉動(dòng)運動(dòng)。航天器的空間交會(huì )對接控制方法有兩種，一種是人工控制、另一種是自動(dòng)控制。用人工控制來(lái)完成太空交會(huì )對接可以提高交會(huì )對接的成功率。自動(dòng)控制交會(huì )對接可靠性高，不需考慮人員的安全和救生問(wèn)題。在航天器的交會(huì )對接技術(shù)方面，未來(lái)的發(fā)展趨勢是人工控制和自動(dòng)控制相結合，以提高交會(huì )對接的靈活性、可靠性和成功率。
航天員出艙技術(shù)
空間實(shí)驗室長(cháng)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(jìn)行這一工作，必須對航天員進(jìn)行在失重環(huán)境下穿航天服、打開(kāi)艙門(mén)、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(shù)的訓練。
特性
空間實(shí)驗室是試驗性的空間站，以突破和驗證空間站關(guān)鍵技術(shù)為主要任務(wù)目標，以“短期有人照料、長(cháng)期無(wú)人值守”為主要工作模式，具有相對較短壽命(1年左右)的低軌道中小型載人航天器。空間實(shí)驗室一般具有如下主要特性：
(2)一般沒(méi)有在軌補給和補加功能，壽命較短；
(3)規模小，不具有可擴展性；
從任務(wù)目標、功能、基本指標等方面看，空間實(shí)驗室與空間站均存在較大差異。
性能與功用
國際相關(guān)發(fā)展
國際空間實(shí)驗室的發(fā)展
蘇聯(lián)-俄羅斯
蘇俄首先通過(guò)載人飛船突破載人飛行技術(shù)，然后開(kāi)展空間站的研制工作。蘇聯(lián)航天工作者建造了“禮炮”號系列空間實(shí)驗室，能長(cháng)期保證乘組的生命活動(dòng)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(shí)驗室(后期升級為空間站)，用于開(kāi)展對人長(cháng)期在軌生活以及其它生物、天文領(lǐng)域進(jìn)行長(cháng)期試驗研究，驗證地面的設計結果。
美國
美國發(fā)展空間實(shí)驗室(站)與蘇聯(lián)不同，其注重先進(jìn)性，但欠缺連續性和繼承性。
美國首先研制了“天空實(shí)驗室”，于1973年5月14日發(fā)射，它有兩個(gè)目的：一是作為未來(lái)空間站計劃的過(guò)渡環(huán)節，帶有試驗性質(zhì)，二是進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗。
歐洲
歐洲采用化整為零、分布實(shí)施的模式建設空間實(shí)驗室，但由于其技術(shù)發(fā)展沒(méi)有系統性，許多方面依賴(lài)美國，因而沒(méi)有能力獨立發(fā)展自己的載人航天和空間站技術(shù)；但通過(guò)國際合作的方式也獲取了一部分進(jìn)展。歐洲建造的空間實(shí)驗室包括“空間實(shí)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(gè)空間軌道載人設施。
中國
相關(guān)規劃
根據中共中央1992年9月確定的中國載人航天“三步走”發(fā)展戰略方針，2005年l0月中國神舟六號載人飛行任務(wù)取得了圓滿(mǎn)成功，標志著(zhù)第一步任務(wù)目標已順利完成。
2004年12月，中央批準起動(dòng)中國載人航天第二步任務(wù)，并明確第二步任務(wù)重點(diǎn)放在航天器交會(huì )對接和航天員空間活動(dòng)等重大技術(shù)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(wù)目標為：
(2)實(shí)施航天器交會(huì )對接試驗，突破和掌握載人航天器交會(huì )對接技術(shù)；
(4)為工程的進(jìn)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(dòng)技術(shù)。
為進(jìn)一步掌握交會(huì )對接技術(shù)、開(kāi)展空間技術(shù)和應用試驗、為空間站奠定技術(shù)基礎，工程總體決定成立空間實(shí)驗室系統，其主要任務(wù)有以下任務(wù)：
(1)研制目標飛行器，參與交會(huì )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(kāi)展空間應用、空間科學(xué)實(shí)驗與技術(shù)試驗提供基本條件。
(2)開(kāi)展空間實(shí)驗室關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和先期研制工作，為載人航天后續發(fā)展積累經(jīng)驗。
(3)根據工程的進(jìn)展，開(kāi)展空間站實(shí)施方案的論證。
基本功能
為了滿(mǎn)足中國載人航天第二步第一階段任務(wù)要求，中國的空間實(shí)驗室應具備以下三類(lèi)功能：自主飛行及試驗支持功能、交會(huì )對接功能、航天員駐留技術(shù)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(huì )對接功能包括了軌道相位調整、姿態(tài)保持、交會(huì )對接、支持組合體管理；航天員駐留技術(shù)支持功能包括了工作和生活空間支持、醫學(xué)和能效學(xué)支持、生活保障支持、出艙活動(dòng)支持等功能。
具體任務(wù)要求為：
(1)作為交會(huì )對接目標，參與交會(huì )對接技術(shù)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(kāi)展空間應用、空間科學(xué)實(shí)驗與技術(shù)試驗提供基本條件。
(4)初步建立能夠在軌長(cháng)期可靠運行的載人空間試驗平臺，為建造空間站積累經(jīng)驗。
實(shí)驗室建設
中國首個(gè)空間實(shí)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(shí)驗艙和資源艙組成，實(shí)驗艙是密封艙，支持3名航天員工作和休息，實(shí)驗艙后錐段與資源艙是非密封環(huán)境，安裝相關(guān)設備，包括太陽(yáng)翼、發(fā)動(dòng)機等。實(shí)驗艙前端框安裝1個(gè)對接機構，完成交會(huì )對接任務(wù)。
中國首個(gè)正真意義上的空間實(shí)驗室天宮二號于2016年9月15日成功發(fā)射。而后，搭載2名航天員的神舟十一號飛船、天舟一號貨運飛船將與天宮二號空間實(shí)驗室完成交會(huì )對接。在此之前，全新研制的長(cháng)征七號運載火箭已經(jīng)在海南文昌發(fā)射場(chǎng)完成首飛。
各國實(shí)驗室
前蘇聯(lián)“禮炮”空間實(shí)驗室
空間實(shí)驗室[空間實(shí)驗室]
“禮炮2號”發(fā)射到太空后由于自行解體而失敗。蘇聯(lián)發(fā)射的禮炮3、4、5號空間實(shí)驗室均獲成功，航天員進(jìn)站內工作，完成多項科學(xué)實(shí)驗。
美國的“天空實(shí)驗室”
天空實(shí)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(xué)儀器進(jìn)行了270多項生物醫學(xué)，空間物理，天文觀(guān)測，資源勘探和工藝技術(shù)等試驗，拍攝了大量的太陽(yáng)活動(dòng)照片和地球表面照片，研究了人在空間活動(dòng)的各種現象。1974年2月第三批宇航員離開(kāi)太空返回地面后，天空實(shí)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(shí)驗室”
“空間實(shí)驗室”是歐洲研制的第一種載人航天設備，由密封科學(xué)實(shí)驗艙和托盤(pán)兩種標準構件組成。長(cháng)度分別為7米和3米，寬4米。這種空間站自身沒(méi)有動(dòng)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(wù)后，再隨航天飛機返回地面。
空間實(shí)驗室內部
中國的“天宮”系列實(shí)驗室
天宮一號是中國首個(gè)空間實(shí)驗室的名稱(chēng)，于2011年9月29日成功發(fā)射。“天宮一號”的目標飛行器已經(jīng)分別與神舟八號、神舟九號飛船對接成功，并將與神舟十號飛船對接，從而建立第一個(gè)中國空間實(shí)驗室。
中國在研的空間實(shí)驗室采用兩艙結構，分別為實(shí)驗艙和資源艙。實(shí)驗艙可保證艙壓、溫濕度、氣體成分等航天員生存條件。
天宮二號空間實(shí)驗室于2016年9月15日成功發(fā)射，將主要開(kāi)展地球觀(guān)測和空間地球系統科學(xué)、空間應用新技術(shù)、空間技術(shù)和航天醫學(xué)等領(lǐng)域的應用和試驗。
各國研制模式
蘇聯(lián)的模式
蘇聯(lián)/俄羅斯把發(fā)展空間實(shí)驗室作為國策，采取了慎重穩妥的方式，最大限度地利用成熟技術(shù)。其采用三步走發(fā)展戰略：先是陸續發(fā)射5個(gè)“禮炮”系列空間實(shí)驗室用來(lái)試驗空間站的有關(guān)技術(shù)；取得一定經(jīng)驗后進(jìn)一步發(fā)射單模塊艙段式“禮炮”系列實(shí)用性空間站；在此基礎上再建造多模塊積木式長(cháng)久性空間站“和平號”。蘇聯(lián)解體后，俄羅斯參與了“國際空間站”工程。
其路線(xiàn)圖是：衛星式載人飛船→空間實(shí)驗室（也叫試驗性空間站）→實(shí)用性空間站→積木式長(cháng)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(shí)驗室的設計原則是：①簡(jiǎn)單性：可大大縮短研制時(shí)間；②通用性：盡可能采用已有的且比較成熟的技術(shù)，以減小風(fēng)險較小；③漸改性: 力求使空間實(shí)驗室具有較大的發(fā)展潛力。
它們大量應用了聯(lián)盟號飛船的技術(shù)和成果，因此不需要重新發(fā)展高難度的技術(shù)。為了縮短研制時(shí)間，采用了比較簡(jiǎn)單的艙段式構型，因而具有外形簡(jiǎn)單、硬件數少、容易實(shí)現和造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)，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的復雜過(guò)程，所以風(fēng)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(guò)1個(gè)空間實(shí)驗室——“天空實(shí)驗室”。其在設計思想上強調盡可能利用已有的硬件和技術(shù)。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(zhì)，加之為了簡(jiǎn)化設計，所以沒(méi)有安裝軌道機動(dòng)系統，這一點(diǎn)與蘇聯(lián)截然不同。因此，其本身不能進(jìn)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(dòng)機改變其軌道。另外，其專(zhuān)用氣閘過(guò)渡艙多次供航天員出艙活動(dòng)。
此后，美國曾與歐洲、日本聯(lián)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(lián)合研制與“自由號”不同的“國際空間站”。
其路線(xiàn)圖是：衛星式載人飛船→登月式載人飛船→空間實(shí)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(shí)驗室”，它包括：天體物理實(shí)驗室、大氣應用和科學(xué)實(shí)驗室、生命科學(xué)實(shí)驗室、國際微重力實(shí)驗室、微重力科學(xué)實(shí)驗室、美國微重力實(shí)驗室和神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗室。此后，歐洲和日本均參與了“國際空間站”工程。
與空間站區別
空間實(shí)驗室與空間站不同之處
項目名稱(chēng) | 空間實(shí)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(cháng)期駐留的技術(shù)。 | 支持長(cháng)期駐留。配置長(cháng)期支持生活的設施，以航天員為主導設計主導開(kāi)展駐留期間的工作。 |
主要任務(wù) | 驗證空間站技術(shù)。 | 空間應用為主，可開(kāi)展各類(lèi)空間技術(shù)試驗。 |
工作模式 | 長(cháng)期自主飛行，短期有人照料。 | 長(cháng)期有人照料。 |
規模 | 單艙，只有1個(gè)對接口，原則上不可擴展。 | 多艙段，至少2個(gè)對接口，可擴展。 |
在軌壽命 | 1年左右。 | 5～l0年或更長(cháng)。 |
展開(kāi)表格
參考資料
[1]
"天宮二號"露出真容 成功發(fā)射升空 · 網(wǎng)易[引用日期2016-09-15]
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
作者
