苏联的礼炮：空间站技术的最早尝试

2023-06-01

小火箭出品

作者：邢强博士

1971年4月19日，苏联“礼炮”1号空间站升空。如今，到了2016年，距离“礼炮”1号这个人类的第一个空间站升空已经过去了45年。现在，国际空间站已经运行多年，而中国也正准备将新的空间站送上太空。人类是如何决定开始发展空间站的？一个成功的空间站上面需要有哪些独特的设计？早期的空间站又给后人留下了哪些宝贵的经验教训呢？一起来和小火箭回顾这段历史吧！

浪漫又理性的计划

1961年4月12日，莫斯科时间上午9时零7分，加加林乘坐“东方”1号宇宙飞船从拜科努尔航天发射场起飞，在远地点为301千米的轨道上绕地球一周，历时1小时48分钟，于上午10时55分安全返回，降落在萨拉托夫州斯梅洛夫卡村地区，完成了世界上首次载人宇宙飞行，实现了人类进入太空的愿望。

1969年发射的阿波罗11号（Apollo11）则是美国国家航空航天局的“阿波罗”计划（ProjectApollo）中的第五次载人任务，是人类的第一次登月任务。“阿波罗”11号任务历时8天13小时18分35秒，绕行月球30周，在月球表面停留了21小时36分20秒。三位执行此任务的宇航员分别为指令长尼尔·阿姆斯特朗、指令舱驾驶员迈克尔·科林斯与登月舱驾驶员巴兹·奥尔德林。1969年7月20日，阿姆斯特朗与奥尔德林成为了第一批踏上月球的人类。

苏联第一个将人类送上了太空，美国第一个将人类送上了月球。在日益白热化的太空技术的竞赛中，两个国家都为了能够获得更多的第一而殚精竭虑。但是，一个充满了浪漫主义的设想开始逐渐成形，那就是让人类尽可能长久地在太空中生活下去。

就像鱼类离开了海洋就要开启一个由新一代的物种主宰地球陆地表面的时代一样，加加林在太空中飞行的108分钟早已点燃了人类向太空进发的激情。但是，对于星际旅行而言，以分钟或小时计的太空停留时间是远远不够的。人类应该尽早掌握在太空中长期生存和依赖太空环境进行生产和生活的技术。这样，人类才能够飞往在仰望星空时凝视的那些遥远星球。在这样的背景下，礼炮空间站计划开始付诸实施了。

礼炮计划是由苏联发起的人类第一个空间站计划。当时准备从1971年到1986年这15年间发射一系列共9个单模块（single-module）空间站。这些空间站包括6个科研实验空间站和3个军事侦察空间站，后来又推出了高度机密的“阿尔马兹”（Almaz）计划。“礼炮”计划打破了多个航天纪录，其中包括几个在太空执行任务的时间纪录和航天员第一次从一个飞船转移到另一个飞船的纪录。

与美国追求跨越式发展的方式不同，苏联的“礼炮”系列空间站从计划伊始就准备走循序渐进的路数。毕竟有关在太空中长时间停留对人体的影响和相关的生命保障系统能否长时间可靠工作的研究还没有先例可循。“礼炮”1号至5号空间站是该计划中的第一代空间站。之后的“礼炮”6号和7号再根据第一代空间站的经验实施改进。然后就可以用搭积木的方式建设大规模的轨道空间站了。

大胆而细致的设计

1971年4月19日，满载众人期望的“礼炮”1号由“质子”火箭发射升空，开启了人类探索太空的空间站时代。

“礼炮”1号由轨道舱、服务舱和对接舱三个主要舱段组成，总长约12.5米，最大直径4米，总质量18.5吨。为了实现太空对接和载人运输，“礼炮”1号空间站设有一个飞船对接口。（后期的礼炮号空间站设有一前一后两个对接口，分别用来对接联盟号载人飞船和进步号无人货运飞船。）

该空间站的设计围绕着对地观测和太空实验两大核心任务进行。在预期的载人飞行任务中，有60%的任务时长用在了对地观测上。任务载荷设计师给“礼炮”1号配备了光学探测设备和遥感装置。在“礼炮”1号绕地球飞行的过程中，这些设备能够拍摄大量的照片。人们期望这些照片能够提供有关大气、海洋和陆地植被的详细信息。

在第一批航天员进驻空间站之前，就已经有火灾预警、森林监测、粮食估产等目标任务送到了“礼炮”1号的项目组那里。因此，可以说人们一开始对空间站的期望是很高的，根本没有过多考虑任务本身的风险性，而是早早地就把空间站在多个领域的应用准备工作做好了。而太空实验的任务则给空间站引入了有关微重力试验、植物培养、太空医学等领域的仪器设备。

所有这些用于观测和试验的设备将要与3名航天员共享85立方米的舱内空间，而且要在太空中停留尽量长的时间。这在当时的技术水平下，无疑是一个大胆的设计理念。

而为了万无一失地完成任务，“礼炮”1号的设计师们做了很多创新。

小火箭认为，当时的礼炮号空间的设计理念的精髓在于：设计师们认识到从空间站站内布局本身的设计上来避免失误要比培训航天员进行失误率较少的操作更为重要。于是，太空中最早的区块化控制设备的设计理念得到了大量应用。在“礼炮”1号空间站内，主要的活动区域分为3段：对接舱、小直径轨道舱和大直径轨道舱。对接舱内主要设置一些对突然失压和温度波动不敏感的设备。对接舱的一侧安装有著名的“猎户座”望远镜的控制设备。对接舱与轨道舱的连接处则放置着用于太空医学研究的设备。经过巧妙的设计，这些设备不会阻碍将来由联盟飞船运送来的航天员的进出。

向里经过一道密封舱门之后，便来到了“礼炮”1号的小直径轨道舱。在这个直径2.9米的舱段里布置有2块用于空间站导航定位的控制面板，两套系统互为备份，其中1个控制面板上还有用于操纵空间植物试验的装置。

再向里，便是礼炮1号的控制核心，中央控制仪表板了。在这里，所有的控制设备的信息会汇总显示。用于控制空间站轨道和姿态的手柄分别放置在2个驾驶座椅前面。紧凑的设计使得空间站的指令长不用移动位置就可以获得空间站飞行状态的所有信息。

而中央控制仪表区前面的导航区段既能够给指令长进一步补充详尽的观测数据，又可以当作对接舱试验区与中央控制区之间的缓冲地带，尽量降低核心控制区域在对接舱出现严重故障的时候受到影响的风险。“礼炮”1号这个直径2.9米，长3.8米的圆柱形舱段采用典型的工作区域设计。视线所及之处，仪表显眼，按钮密集。而备份和冗余的设计能够应对个别部件出现故障的情况。

向更远处飘去，穿过一个1米多长的小通道之后，航天员将会豁然开朗，进入直径4米，长度接近4.2米的大直径轨道舱。这段轨道舱除安置一些用于监测和计算的科学仪器之外，主要用于航天员的日常生活。

航天员可以在这里进餐、睡觉、洗澡。在靠近工作区的部分，还有一些健身设备。可不能小看这个简陋的太空健身房。如果航天员没有被强制进行大运动量的健身活动的话，在太空环境中，他们的骨骼钙质会迅速流失，肌肉也会逐渐萎缩。因此只想享受微重力环境带来的漂浮的美妙而忘记对身体进行锤炼的人是难以在太空中长期健康生活的。

被用作生活区的大直径轨道舱为了让航天员尽快适应，还在内饰的用色和布局上做足了功夫。生活区的舱室内壁的不同区域按照天空和大地的不同色调进行划分。这样航天员就能够找到区分上下的参考基准。这个设计的灵感既得益于联盟飞船航天员的大量经验，也与苏联飞行员们给空间站设计师们讲述的人体在超重和失重条件下容易对空间方向产生错觉的亲身体验有关。

宝贵的经验和教训

1971年4月23日，苏联发射了载有3名航天员的“联盟”10号飞船。在太空中孤零零地运行了4天的“礼炮”1号空间站终于迎来了第一批航天员“房客”。

“联盟”10号飞船在太空中精确入轨，奔向了在近地点200千米，远地点222千米，倾角为51.6°的轨道上等待他们的“礼炮”1号。在经过24小时的变轨调姿操作之后，“联盟”10号飞船与“礼炮”1号空间站成功对接！欢呼后的航天员检查了对接口的情况，确认已紧密联接后，准备进入“礼炮”1号。但是，他们却怎么也打不开舱门。在用了各种方法之后，“联盟”10号的3名航天员没辙了。只好就这样保持着对接状态眼巴巴地看着近在咫尺的“礼炮”1号，体验着“小扣柴扉久不开”的意境。5个半小时后，他们悻悻然地奉命搭乘返回舱回到了地面。

1971年6月6日，“联盟”11号飞船载3名航天员在拜科努尔航天基地发射升空，第二天与“礼炮”1号空间站成功对接。3名航天员依次进入了“礼炮”1号。经验丰富又风趣幽默的指令长格奥尔基·多勃罗沃利斯基惊叹道：“这么大的空间！简直是一眼望不到边啊！”他驾驶着“礼炮”1号空间站漂亮地完成了一系列变轨动作，将空间站的轨道高度提升为近地点259千米，远地点282千米。帕查耶夫和沃尔科夫合作进行了大量空间实验。帕查耶夫操纵“猎户座”望远镜进行了太空观测，使他成为了第一个在太空中使用望远镜的人。

在23天的太空生活中，3名航天员对空间站的设计赞不绝口，但是也提出了很多宝贵意见，包括吸尘器的具体设计和熨斗面板的高度设置等细节。太空观测的结果鼓舞了“礼炮”计划的整个团队。实际上，整个礼炮计划仅仅在矿产勘探领域的成功就足以说服大家在空间站领域进行投资了。

有10处稀有金属矿脉被礼炮空间站的遥感系统所发现，另有117处大型石油产区借助“礼炮”空间站的探测设备而确定了位置。而在太空中进行的材料学的研究更是催生了空间微重力材料学这个学科。在微重力环境中，原本密度差别很大的两种金属也能够融合在一起形成合金。

另外，他们对通讯时间方面的事情也有很多建议。“礼炮”1号与地面之间进行天地通话的时候，在每个90分钟的轨道周期内只能维持20分钟。这让他们感到有些苦恼。不过，当时苏联用于维持天体通话的设备只有7个地面站和12艘远洋船，很难保证当空间站飞到任何地点上空的时候都能维持和地面的联系。实际上，只有当后来的中继卫星通信技术和高增益天线技术普及之后，天地通话的时长问题才得到了根本性的解决。

6月29日，“联盟”11号飞船与“礼炮”1号空间站分离。但是，在返回地球的路上，飞船出现了突然失压的事故，3名航天员全部遇难。失压发生后4秒的时候，指令长的呼吸次数便已高达每分钟48次。后来，技术人员发现，在“联盟”飞船与礼炮1号分离的过程中，同时爆炸的12个螺栓对飞船造成了严重冲击，使得飞船提前打开了排气阀门。在此之后，“联盟”飞船在很长一段时间里都改为2人组乘员，并且规定航天员在飞船上升和返回全程一直穿着航天服。另外，“联盟”飞船和“礼炮”空间站增设了紧急加压设备，以应对突发的失压事故。

1971年10月11日，“礼炮”1号空间站因轨道高度衰减最终坠入大气层烧毁。在轨运行了175天的“礼炮”1号在环绕地球飞行了2929圈后完成了她的历史使命。

联盟28号（俄语：Союз-28) 是苏联发射的载人宇宙飞船，于1978年3月2日点火升空，是前往礼炮6号空间站的第3次任务。捷克斯洛伐克宇航员弗拉迪米尔·雷梅克成为首位来自美国和苏联之外的宇航员进入太空。

东德发行的纪念礼炮空间站的邮票

纪念礼炮空间站的首日封

礼炮6号空间站的弹载计算机，这种设计一直沿用到了礼炮7号和和平号空间站上。

礼炮4号空间站

礼炮4号空间站的地面模拟站

安纳托利与萨维茨卡娅在礼炮7号空间站中

斯维特兰娜·伊芙吉尼娜·萨维茨卡娅（Светла?на Евге?ньевна Сави?цкая）1948年8月8日生于俄罗斯莫斯科，苏联飞行员与宇航员，曾参与1982年 Soyuz T-7任务，成为继瓦莲京娜·捷列什科娃之后，世界上第二位女性宇航员。她曾参与两次礼炮7号太空站任务，在1984年，成为世界上第一位完成太空行走的女性宇航员。