【博評】William:天宮太空站-傳承與創制

2021-04-28 00:30:30 最後更新日期:2021-04-30 15:57:06
William Lam

現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

KINGw載著天和核心艙的長征五B型運載火箭,於星期一早上已經拖出裝配中心運往發射場。事實上長征五型的設計指標其實就是為當時仍在設計中的天宮太空站「度身訂造」的,但亦因為此,B型雖然運載量和其他重型運載火箭差異不大,但載荷艙運載空間卻更長,甚至比三角洲四重型長。(視頻截圖)

 

建設天宮太空站,可說是未來兩、三年中國航天事業的最重要的任務;剛於今天上午11時22分發射的長征5B型,搭載天和核心艙成功入軌,可說是這一系列重要任務中的第一步。單就大型太空站而言,此舉將令中國成為世上第三個擁有大型太空站的國家。在此先讓我們了解人類太空站的發展簡史,以及就設計與技術而言天宮太空站在太空站發展史上的傳承與特色。

 

c0df1b73bebf3a22bd560bb195f7f1e1禮砲-鑽石系列太空站各型的比較圖,民用的禮砲代號為DOS,軍用的代號OPS。另外黃色方框內的為已設計但沒有製造或發射的型號。(圖片來源連結)

 

禮砲:真正的起源

太空站概念起源在二十世紀二十年代就有人提起,二戰後已投奔美國的納粹德國科學家馮.布朗於1950年代提出環形太空站概念,甚至可以自轉製造少許模擬重力,然而真正落實的,其實還是蘇聯:禮砲系列太空站不但是人類第一個真正的太空站,而且是人類首個軍用太空站,不過這本質上卻是一個比較急就章的工程。1969年美國太空人登月,卻正值蘇聯N-1火箭再三爆發,正式標誌蘇聯在美蘇登月競賽的失敗。某程度上為了扳回劣勢,蘇聯最高當局決定以當時切洛梅伊設計局穩步開發中的載人軍用衛星/軍用太空船鑽石號(Almaz project,工業代號11F71 / 11F71B)作進一步改良,成為一個可載3人並進行最多三個月逗留的中小型太空站(後來演變成最多半年),並於1971年緊急開發成功(當然,禮砲一號也是出了名的太空災難)。

salyut 7 f2bd30c7 8f46 401f 8cae 0f1764a670c resize 750禮砲七號太空站,串列式結構很清晰,不過船頭方向是TKS軍用貨運太空船(連幾種偵察設備),聯合號太空船是接駁在禮砲艙的最尾,中間艙內圓錐形物體則是大型太空望遠鏡。TKS軍用貨船原本也可作為一種小型載人軍事衛星,但在服役後沒多久即修改成貨運飛船。而與其連結的鑽石號軍用太空站,在自動化軍用衛星成功後就被修改成大型無人軍用衛星的載台了。(網絡圖片)

 

禮砲與鑽石可說是禮砲計劃的民用與軍用「一體兩面」。兩者雖然載荷及儀器不同,但都是二十噸級且於前後「插上」載人往返飛船與補給飛船、總實用空間理論上有90-120立方米的串列式太空站。不過由禮砲三號開始,無論是軍用還是民用版,每架都裝有一台大型空間望遠鏡,結果原本勉強夠用的空間,都變得擠迫不堪了。

事實上至1978年蘇聯放棄發展鑽石軍用太空站後,即以軍用的TKS補給飛船(附一定的軍用偵照載荷)對禮砲號太空站進行對接補給,成為具一定軍事用途的民用太空站。不過由於蘇聯軍用衛星在1970年代中後期已成熟,無論TKS還是原有的鑽石號的軍事用途都已不大。

 

sl2 7 633a1973年天空實驗室首射差點就斷送它的生命—火箭強裂震動震脫了微行星防護板並順道嚴重破壞兩塊光伏板,令電力供應嚴重不足。第一批太空人用了九牛二虎之力才將其中一塊打開,並為防護板原有位置蓋上反射金屬板,才讓站內降溫,然而在整個役期,天空實驗室仍受著電力不足之苦。(照片來自NASA)

 

天空實驗室:成功但無以為繼

相對禮砲,利用阿波羅計劃剩下的物資製作的天空實驗室雖然也是有點急就章(計劃也是1968年才全面展開),而且發射差點失敗並導致隔熱板嚴重損壞、其中一塊主光伏板打不開且內部電力供應只有原設計值的75%,幾經維修後方達堪用狀態,但其內部空間的寬廣(達6.6米),船員居住空間及設施相對充足得多,相對於禮砲其實更為理想,而且空間佈局也更顯合理,例如同樣的望遠鏡架構,天空實驗室是全外置的;有相對更獨立的沖涼間;私人空間更多的「立睡艙」等。同時物資儲備更豐富,據所知即使經過三次中短期進駐,天空實驗室在墜毀前還能有一半的儲糧未吃完。

天空實驗室雖然造了出來,但只迎接過三批太空人且於1973年後成為無人狀態,其中一個重要原因是阿波羅計劃終結,無論星五型還是載人往返的土星1B型都退役,75-80年間美國根本無法進行載人航天任務,令該站處於無人保養的狀態;加上76年後太陽周期轉趨活躍,大氣層的稍微加大造成天空實驗室阻力大增,最後NASA想趕及太空穿梭機發展完成以把它推上更高軌道再用都來不及,結果於1979年重返大氣層墜毀。

 800px Unity Zarya Zvezda STS 106ISS國際太空站最初期核心組件,由左至右,不計最左端的聯合號太空船,有星辰服務艙、曙光功能艙 及ISS西方艙的起點-團結號節點艙組成。事實上,由於火箭直徑限制,人類近四十年來的太空站直徑均被限制在4.5米以下,暫時還未可改變。(圖片來自NASA)

 

另一方面,70年代美蘇兩國在建設更完善的太空站上,都面對一個類似的問題:要建造大型太空站,建造難度從來不是個因素,發射才是。70年代初期全球唯一能運轉直徑超過6米的衛星上太空,就只有美國的土星五型火箭,然而這火箭的價格卻異常驚人:三枚火箭價格相當於兩條企業號核動力航母!這是70年代後期經費銳減又要負擔太空梭計劃的NASA無法負擔的;同期,蘇聯的新重型火箭也只進入初步階段,故兩邊都沒法製作更大型的太空站。這情況在80年代後期能量號研製成功與穿梭機C型投入發展而才開始有所改善,但旋即因蘇聯解體與美國大幅縮減太空與軍事開支而終結。

AAe1自由號太空站其實也放棄大直徑太空艙設計,改成4.5米直徑的氣密艙組合,不過氣閘及節點艙就作為另外的獨立配備,逐個組合,雖然較為複雜,但實用體積還是稍大一點。不過其最大特色是在結合艙結構外,再加裝一組衍架支援裝備結構,可將電源生產相關的儀器與光伏板都搬到支架上,令艙室結構可以得到更合理的分佈。(網絡圖片)

 Image 09和平號太空站近影,1986年正式開建,15年後因過於殘舊而放棄。事實上和平號可以理解成各種不同型號的禮砲艙,利用節點艙"湊合一起"。(網絡圖片)

 

和平、自由與ISS

雖然禮砲系列的三節式體積有限,但亦開始展示出模組化的巨大優勢。如何進一步發揮模組化優勢?蘇聯人的答案是在原有的禮砲太空船接口上,安裝多重接口。利用這個接口,蘇聯航天當局再將另外四個功能艙接上,然後再在貨運飛船的接口艙上再安放一個實驗艙,成為總重達130噸的和平號太空站。經過這種對接方式,和平號太空站在功能、空間與可居住性上比起之前的禮砲太空站有飛躍的發展,而且更能「住得人」。

VVV1要建造ISS這類大型太空站,單單核心艙的吊臂是不夠的,還需要工作母機才能建設碩大的衍架結構並裝配大量儀器,例如太空梭(左)及MAKS小型穿梭機(右)。(網絡圖片)

 

而在這基礎上,蘇聯也開始研發更大型的下一代太空站-和平2號太空站,而同時美國也開始設計自由號太空站了。比較特別的是,兩者在結構上有不少差異,但在設計理念與基本結構上都有不少相似性:1. 兩者的都是以核心艙作為基礎,連結大型衍架結構,同時將各類電氣設施與大型通訊器材都搬到衍架結構上,令艙室結構更簡潔且更容易組合成更多重艙段,不用受原有光伏板所阻礙;2. 兩者都可以投入現役或即將完成的穿梭機作為工作母機(即美國的STS與蘇聯的暴風雪號 / MAKS工作母機),才得以在原有太空站上的機械臂以外的距離組裝大型衍架。然而,因為冷戰結束及蘇聯解體,這兩個太空站都沒有建成的,最後只能以國際合作的形式進行Crossover,即今天大家所知的國際太空站。 

 

 國際太空站(ISS)建造過程,不過就算有穿梭機作為工作母機,ISS也要用上接近十年及多次發射工作才全部完成。

 

值得留意的是,國際太空站就是以縮減艙段但仍保留大部分非氣密的衍架支援裝備結構的自由號太空站,再加上削除了設備衍架結構的部份和平2號太空站組件重新組合而成,而且核心艙亦正是俄國的星辰服務艙,可說是同時具備美式和俄式結構與優點的巨型太空站。關於這個太空站的技術性能及特色,太多文章已有述,在此不再重覆了。

 v2 e55ab215c55ac99910dc2465b2d97f76 720w天宮太空站一期完成後的外觀預想圖。(網絡圖片)

天和核心艙和天宮太空站

中國將在兩年內建成同一時間內第二個人類太空站,但作為太空事業的後起之秀,其也不得不以前人的研究成果作為藍本。事實上,天和核心艙在形式上其實和和平號的核心艙與國際太空站的俄製星辰服務艙類似。當然,俄系味道較重,這不代表是一種抄襲,這是因為天和核心艙需要動力進行軌道調控並控制日後全太空站,而且在現有裝配條件下,俄式太空站艙具備更佳的獨立操作能力和模組化能力,只要有更大的空間,可居性其實不亞於西方的太空站艙;更何況,別忘記國際太空站正正就是由星辰服務艙作為核心艙起家的。

1000 9天和核心艙基本結構圖(右)和與其他太空艙的比較(左)。其中天和艙的資源段基本上是引擎及各類維生機械控制,不過中間有錐形通道讓生活控制艙和後部連接大型貨運飛船的對接口相連。右邊的比較圖。由於ISS上西方的太空艙並沒有核芯艙段,不用控制及推進整個太空站,故功能可以分工及單一化,實用體積較好(雖然不是好多少)。(網絡圖片)

事實上,天和核心艙的確比禮砲和星辰更重更長,加壓段體積也大一點(75 VS 90立方米),組合更便捷且各艙都有一定互為備份的功能。然而,天和艙亦參考了國際太空站的特點,有配備大型機械臂,除可「抓住」加入的新艙方便裝嵌,也能作為該太空人進行艙外裝配、維修工作的利器;另一方面,作為天宮太空站的最早期配置,天和核心艙亦配備西方較常用的組合式機箱,將多種同類型工作平台都統一安裝在同一機櫃內,除更方便空間布置,進行各類實驗也方便很多,將來升級也比較容易。

17 640 480A現時所知天和核心艙的基本結構,睡房及鍛練位置在前面的小柱段,而後邊的實驗艙則有控制裝置及至少兩個生理反應及醫學研究機櫃,還有一個可能是控制機械臂的台座。(圖片來自航空航天港討論區)

比較有創意的是,太空人的休息位置,是一個床格型的橫艙,大小和潛艇成員的格仔床似乎很相近。相對於禮砲 / 和平號 / 國際太空站上太空人的「立著睡」艙及穿梭機上的纏床架,這種打橫睡的睡艙模式倒說很有創意。至於為何不搞「立著睡」,原因可能和善用艙壁空間有關-若立著睡的話,艙壁孤度可能浪費不少空間。基於太空站嚴格來說是微重力而非全無,這種睡覺方法有什麼好處,可能要實際測試過才能知道了。

AAe2事實上,橫著睡佈置還是由美國的天空實驗室開始的,不過由於其「地板」佈置和一般太空站不同,在室內看來還算是立著睡,不過它所擁有的乘組員私人空間,還是今天所有太空站都無可比擬的,要再次實現,最可行的途徑無擬還是SPACEX仍在研發中的星艦了。(網絡圖片)

天宮太空站另一個較特別的地方是相對充沛的電力。國際太空站的總重為419噸,所有電力出為240千瓦,而實用值(一天中可充半天電)為120千瓦;但總裝狀態只有60多噸的天宮太空站第一期,由於用上較先進且較大型的光伏板,總輸出就達100千瓦,即實用達50千瓦,發電比例上明顯比ISS更高。

當然,其餘兩個實驗艙在設計上都是以天和核心艙作為參考,故某程度上仍是一類進化版且功能更為協調的和平號太空站,但這並不代表它不能裝入具專項功能的太空艙,例如2024年升空的2米級巡天望遠鏡可以在維修及加注燃料時直接接上天宮太空站;二期工程亦有不同艙段可以選用,預計可以接合至少一個核心艙、兩個功能未定的實驗艙,以及一個籌劃中的中國與意大利合作的聯合艙。不過是否能接上大艙段或使用更大的衍架功能結構,可能要等更大直徑的火箭及更具備大型的、類近穿梭機的太空工作母船(如新世代14噸/21噸級載人飛船的工作母船型)。

SAW來自太陽風及宇宙射線(宇宙各處劇烈的天文現象所產生的近光速高能粒子)的輻射可能是對太空站中的太空人最大威脅,有資料指出現時各太空站的結構都只是十多豪米厚的鋁板或鋼板,對高能輻射的阻擋能力有限,太空站基本上還是靠地球磁場與范艾倫輻射帶阻擋與捕獲部分高能粒子來保護,但太空人每年吸收的輻射水平還是地面的十倍左右。左圖為各種環境下特定人士所受年平均輻射劑量的比較圖。(圖片及資料來自連結1WIKI)

未來一年天宮太空站的主要實驗,都是太空站機械臂應用、機械臂輔助的艙段自動對接,以及長期載人情況下健康報告評估(應該包括輻射問題的研究了,畢竟中國還未有人類長期逗留太空的第一手數據),用以評估及籌劃問天和夢天實驗艙的發射與對接工作。在兩個實驗艙上來之前,天宮太空站更像一架現代化版的禮砲太空站。

比較特別的是,今次發射的天和核心艙其實是有備份的。一般相信之前用於展示的全尺寸模型有些關係,事實上就是一個具有基本架構但未裝特別組件的備份艙。當然現在似乎用不上了,但本艙理論上也可用於二期工程的主艙建設中。

800px Mengtian module夢天號實驗艙,基本上就是個實驗室設備與樣品的儲存艙,右圖為其3D內艙展示圖,不過個人對細節有存疑(部分不太像存艙)。(網絡圖片及連結1)

下載 15問天號實驗艙的外觀、地面實驗設施的內構(未裝上實驗機箱),以及部分初期計規劃中會用到的模組化實驗機箱。夢天號實驗艙主要負責進行各種物理與生物實驗,並有氣閘可將樣本送出艙外進行外太空環境實驗,基本上就是一個實驗室,不過本艙擁有小型機械臂,可供小型維修及將實驗品送到更遠的固定位置用。(網絡圖片)

有沒有軍用價值?

至於天宮會有軍事用途嗎?的確,蘇聯有發展軍用太空站的經驗(雖然最後物非所值),而號稱民用科研用的穿梭機都有執行過多次軍事發射任務,但以今日已經高度自動化的衞星控制與發展而言,在偵察上根本用不到人手操控;另外大型太空站軌道固定又沒有大引擎,也難以快速變軌,故也不太適合軍事用途。至於武裝化作為反衞星/反彈道飛彈發射平台……老兄,太空站相當巨大,自動衛星若果做得到的事,怎麼又需要人手呢?誠然太空軍事化似已無可避免,但拿太空站作軍事用途是十分蠢的事。

06 64俄國切洛梅伊設計局最近才公開、用於鑽石號軍用太空站的試驗性自衛武器Shchit-1及Shchit-2,前者是宇宙用23MM自衛機砲,後者則似乎是一種有動力的彈頭散佈器(不肯定是宇宙導彈還是有動力的宇宙飄雷,不過據所知裝在太空站後試驗效果不佳,也沒有正式部署。(照片來自以下Youtube片段,該片段還公開了訊息一直很少的鑽石號軍用空間站的內構。)

結語:

單就技術而言,天宮太空站算是蘇系太空站的進化改良型,部分技術仍略為保守,但很合乎中國太空發展中一向採取的遁序漸進、穩中求變的原則及對現有掌握技術的最大利用(需要留意的是,在二十年代後半期新重型運載火箭及工作母機完全成熟前,也難以建立ISS級數的新太空站)。雖然路徑是前人已經行過,但有些事是要自己再做一次,真正掌握當中竅門,才能打穩基礎,更進一步。這才是技術發展的不二法門。

發佈於 博評
By 2021-04-28

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