国际空间站漏气日益严峻，宇航员被要求采取应对措施以备紧急撤离之需，国际空间站怎么了？能「安全退役」吗？
2024-11-19 阅读 69
更新于 2024年11月21日
国际空间站已经很老了，至少有四处裂缝，还有五百多个部件超期服役。不过，美国宇航局并不认为这构成这问题发布时所称的“严重危机”。目前的情况不影响国际空间站在 2030 年末停止运行、在 2031 年初按计划退役。
有兴趣的读者可以自己看美国宇航局的相关报告：
https://oig.nasa.gov/wp-content/uploads/2024/09/ig-24-020.pdf
这问题发布时将“正准备紧急撤离”放在标题里，不明真相的读者看了大概以为美国宇航局正计划在近期内将美国航天员都弄下来。后来，这问题被编辑为更准确的形式。
实际情况是，2024 年 7 月，美国宇航局授予 SpaceX 一份价值 266000 美元的合同，用于制订让乘坐俄罗斯联盟飞船前往国际空间站的美国航天员在必要时乘坐 SpaceX 载人龙飞船返回地球的应急计划——结果是在载人龙飞船里临时增加了一个座位。
在相关英文新闻的评论里，一些美国网民重申了自己对国际空间站应该早日退役的见解。
美国宇航局正在关注国际空间站上的 4 处裂缝和其他 50 处“值得关注”的区域。这 4 处裂缝可能是老化的焊缝，其他区域可能主要是并不危险的划痕。目前，俄罗斯航天员用密封剂和胶带覆盖了上述 4 处裂缝。国际空间站的泄漏已持续约五年。美俄在合作处理这些问题，俄罗斯航天员已同意只在进行关键操作期间打开泄漏点附近的舱门，在航天员休息期间保持舱门关闭。https://oig.nasa.gov/wp-content/uploads/2024/09/ig-24-020.pdf在舱门打开期间，美国航天员将留在国际空间站的美国一侧，靠近他们的逃生飞行器，以备在必要时疏散。2024 年夏，国际空间站的尿液处理系统缺少可供替换的泵，航天员采取了“非正常储存尿液”的方法，直到下个月运来部件。2024 年 9 月下旬，美国宇航局确定国际空间站上有 588 个部件的运行时间超过了其计划的使用寿命。一些部件已经找不到适当的供应商。2024 年，美国宇航局官员多次强调，当前泄漏不会对航天员的生命安全构成直接威胁。他们在 2024 年 9 月 27 日的直播简报中指出，俄罗斯航天员进行的维修工作已经将泄漏量从 2024 年 4 月观测到的每天 3.7 磅（约 1.678 千克）减少了约三分之一。
如果上述泄漏继续恶化，那么国际空间站可能永久关闭相关舱段。这会减少可用的货物运输通道、让国际空间站需要额外推进剂进行姿态控制和轨道维持。
美国东部时间 2024 年 11 月 8 日 12 时 50 分，SpaceX 龙飞船首次为国际空间站进行轨道提升，Draco 发动机点火约 12 分 30 秒，将国际空间站的远地点提升了 112 米、近地点提升了 1126 米。关于国际空间站受到的来自稀薄大气的阻力，可以看看我回答过的：
国际空间站、天宫空间站受到的空气阻力大约有多大？
这时候再看某知名喉舌的发言，令人忍俊不禁：结果现在“拖累整个空间站”的成了俄罗斯舱段部分。前有科学号失控喷光RCS，后有星辰号四处漏气，太伟大了Roscosmos
占个坑看看，如果有人想要就写点和ISS相关的东西（最主要是我想反驳这人）。
还挺多的，那开始。
首先很显然，“美国没有自己的空间站技术”这话就是个纯纯的放屁。ISS的前身自由号实际上比当前的所有空间站都要先进一到半代，这个我们下面再说。先来谈谈这个天空实验室（Skylab）。
很多人可能在我之前的回答里面看到过，天空实验室是用土五的第三级S-IVB的结构改装而成的。但是土五第三级到底多大，大多数人往往没有个概念。
直接上数据。
S-IVB的贮箱（改装后作为空间站的居住舱，称为“轨道车间/Orbital Workshop”）的总增压容积高达270立方米。算上其他舱段和对接的阿波罗飞船后，整个天空实验室的增压容积是357立方米。
这是个什么概念呢？ISS的总增压容积也不过1,000立方米，天空实验室单独一个舱就相当于ISS的三分之一大小，而ISS有至少15个舱！
而作为空间站的开创者，苏联的礼炮系列其实更像我们的天宫一号/二号那样，只是一个单舱且体积不大的空间实验室，总增压容积约90立方米。
礼炮6号的剖面图。注意一个有意思的设计——由于这时候的唯一任务就只是作为空间站的通勤飞船，这一代联盟飞船干脆拆掉了太阳能电池板，完全由电池供电更重要的是，天空实验室有一点显著优于包括ISS在内的后来所有的空间站——横截面积，或者说是内部空间的宽度。由于是土五三级改装而成的，因此天空实验室的舱体直径就是与土五三级相当的6.6米，这意味着大约34平方米的横截面积。相比之下，礼炮号的最大直径是4.15米，横截面积14平方米。ISS的大部分舱段直径则大约是4.57米（航天飞机货舱限制），横截面积约16平方米。
也因此，与其他空间站内往往采用水平布置的“走廊”布局不同，天空实验室的室内布局是垂直的“别墅”式……
就像某种两三层的小别墅一样的内部空间这种布局显然对乘员的居住舒适度和维持心理健康有着极大的好处（虽然有宇航员反应说因为设计太接近地面建筑又没有舷窗（总不能给你在贮箱上现开几个口当窗户），在天空实验室上反而容易患幽闭恐惧症），也因此使用火箭上面级改装成大直径空间站的方案一直有人在提，只不过截至目前为止，这么做的还是只有天空实验室一个。
这玩意内部空间甚至奢侈到可以给宇航员洗淋浴：
世界名画
好一个“只是”。关于天空实验室相关可见此处：
但总之我们先来回答第一个问题：天空实验室为什么“只”运行了六年？
原因其实很简单：
美国人没给这玩意装RCS……是的，天空实验室在没有飞船访问的时候基本上就是一个无动力在轨道上飘着的大罐子。用火箭改装而成的空间站反而没有自己的推进系统，这未免有些太地狱笑话了。
当然也不能说是完全无动力，这玩意起码配有动量轮（严谨地说，是控制力矩陀螺（CMG）——与动量轮通过简单的反扭矩来旋转航天器相比，CMG使用陀螺进动力矩来控制航天器的姿态，所以扭矩更大，更适合大型航天器使用。天宫和CSS也是使用CMG控制姿态的，而ISS的四台CMG则装在专门的Z1桁架段内），虽然不能自行变轨，但可以调节姿态。天空实验室也是第一个使用CMG控制姿态的大型航天器。
天空实验室先后接待过三批宇航员，用的都是阿波罗计划剩下的飞船。三批乘组的在轨驻留时间分别是28天、60天和84天，最后一批乘组于1974年2月8日返回。
很显然，在阿波罗飞船用完后，NASA就暂时没有能力再往天空实验室上送人了。NASA原计划让天空实验室在轨待机，等到航天飞机研制出来之后就能重新启用空间站。最后一批乘员在离开前利用阿波罗飞船的动力，将空间站推到了433 x 455 公里的轨道上。根据最初的估计，在这个轨道上，天空实验室能够保持在轨九年多，到1983年才会再入大气。而我们知道，STS-1任务于1981年首飞，所以这个计划原本没有问题。
但估计是错的。好巧不巧，天空实验室非常倒霉地遇上了太阳活动高峰年，这导致天空实验室在轨运行时受到的气动阻力大幅增加——因为太阳活动高峰加热了大气层使其膨胀，导致天空实验室所在高度的大气密度增加。新的估计认为，天空实验室最多只能运行到1979年中。
事实证明，新的估计是对的。1979年 7 月 11 日，天空实验室再入。这个重达80吨的庞然大物将在无动力情况下再入的消息，很快吸引了全世界对其会不会砸到什么东西的关切。尽管没有推力可供利用，但NASA仍然尽可能通过动量轮调姿来控制天空实验室，确保它不会坠毁在人口稠密的大陆上。这一尝试取得了一定效果，尽管可能是反作用：
NASA预计天空实验室会在第34,982圈再入，这样它的大部分碎片就会掉进南印度洋，但天空实验室实际上早了一圈再入，导致许多碎片掉到了澳大利亚西南角，幸运的是没有造成任何严重后果事后根据对残骸的分析，发现天空实验室的解体速度远远慢于NASA的预计，实际上大部分主体结构居然一直坚持到了1.6万米高度才解体。
这下皇牌空战5里的SOLG是真的了（迫真）
这幅画面一下子变得合理了起来（但总之，似乎美国人的思路就是空间站的舱段和推进系统应该分开设计。这一点在他们的下一个空间站计划中得到了进一步展现，而这也正是国际空间站ISS真正意义上的直接前身——
自由号空间站（Space Station Freedom）实际上，NASA关于大型永久性空间站的研制规划早在阿波罗计划结束时就已经开始了，并且很大程度上是受到了航天飞机项目的鼓舞，认为有了航天飞机的运载能力，在轨组装建造大型空间站会是合理的下一步。好巧不巧，等到80年代这个计划的想法接近成熟时，苏联也开始研制、并在1986年发射了新的和平号（Mir）空间站。
于是，在某种程度上作为对和平号的回应，1984年的国情咨文中，时任总统里根正式宣布大型永久性空间站项目启动。就像当年肯尼迪慷慨激昂地宣布“We choose to go to the Moon in this decade”一样，里根也宣布空间站将在这个十年内开工建造。新的空间站设计将比苏联人的更加先进。
怎么个更加先进法呢？
这是完全建成后的和平号：
可以看到，和平号是由多个模块化舱段对接在其核心舱上组成的，也因此被称为积木式构型，即各舱段像拼乐高一样彼此连接在一起。
由于苏联暂时还没有航天飞机，和平号的舱段大多都有各自的电力和推进系统，本身可以单独飞行，以完成与核心舱的交会对接。这虽然在一定程度上提高了冗余度，但也导致系统过于复杂，尤其是对接在一起后各个舱段的电池板和姿轨控发动机难免互相打架。
另外，和平号的舱段设计这一特点会在后来的ISS项目中起到相应的作用，此处留待后述。
而1984年里根宣布后不久，NASA拿出的第一个空间站方案是这样的：
多少有点科幻看多了。
但从这个方案中，我们已经能看到，从自由号到今天的ISS，所一以贯之的核心设计，也是国际上公认的第三代空间站布局结构——桁架挂舱式空间站构型。顾名思义，这种构型使用一根或多根桁架/龙骨作为空间站的主体结构，各个模块舱“挂”在桁架的外壁上。相比会受到各舱段对接口设计限制的积木式结构，这种构型更方便扩展，巨大的桁架也可以为安装舱外载荷、太阳能电池、散热器以及其他在轨暴露设施提供充裕的空间。如此一来，舱段不必再集成自己单独的电源、维生和推进系统，各司其职的各部分以桁架为核心分布并连接在一起，大大提高了空间站的拓展潜力。
实际上，在这个时候，NASA想得可美了，他们还希望空间站不仅仅是作为一个轨道驻留设施和科学实验平台，更能成为在轨建造和维修其他航天器的太空船坞。
这个方案被称作“动力塔”（Power Tower），由波音（啊，美好的旧时光，波音的航天部门还没变成西雅图抽象工作室）和格鲁曼提出。其使用一根极长的主桁架，将大多数舱段挂在下方，上方布置仪器设备，中间还有一段短桁架用于支撑太阳能电池板发电。这种设计就像单摆一样，有利于空间站的重力梯度稳定——也就是说，这么布置的空间站会有在地球重力作用下自发下垂竖直指向地心的趋势，从而可以节约姿态修正所需的RCS燃料消耗和动量轮耗电。
另一张稍微正常一点的想象图这个布局好是好，但未免有些太复杂了。此外，许多人批评称，如此细长的桁架不出现弹性形变几乎是不可能的，而一旦出现，这就意味着悬挂在桁架下端的整个舱室部分都会跟着振动，并且由于长得离谱的力臂而被显著放大，这对站内的微重力环境显然是不利的。
于是，NASA拿出的下一个方案是这个样子，把主桁架横了过来：
这被称为“双龙骨”方案，龙骨之一自然是支撑着太阳能电池板和核心居住舱室的主桁架，而第二个“龙骨”就是位于中心、环绕着舱段的矩形框架结构。该框架的面向天顶一侧安装了空间观测载荷，而面向地面一侧则安装对地观测载荷，框架中间还可以设置可能的在轨建造和维修设施。这种设计显著提高了空间站桁架结构的刚性，从而避免了动力塔方案中桁架的振动可能被放大影响站内微重力环境的问题。考虑到在轨组装和维护如此巨大空间站的工作量，预计完全建成后站上的驻留人数为8人。
这一版设计也能让我们看出为什么完全体的自由号空间站被归类为桁架挂舱式——可以看到，在这些早期设计中，标准化的居住/实验舱模块通过节点舱连接在一起成组，并分组挂在桁架上。
自由号最初设想的标准化节点舱和居住/实验舱另外请注意第一张想象图中的这些东西：
这是太阳能集热装置。在这个阶段，NASA曾经考虑过太阳能集热和光伏发电兼有的供电体系，后来还考虑过系绳卫星。
也是在这个时期，新空间站被正式命名为自由号。
