國際空間站載人運行20周年,未來的太空探索棲息地在哪裡?

圖 | 完全組裝好的國際空間站（來源：NASA）

文 | 學術頭條

人類對於宇宙的觀測雖有數千年的歷史，但直到 20 世紀，人類才開發出了進入太空的航空技術。2000 年，人類首次進入外太空的國際空間站（International Space Station，ISS），也才真正擁有了從地球以外反觀地球的空間視角。

2000 年 11 月 2 日，載有美俄三名太空人的 「聯盟 TM-31」 號宇宙飛船與國際空間站核心艙成功對接。從此，國際空間站正式開啟至今長達 20 年的載人飛行史。

國際空間站不僅是太空人們探索宇宙空間的高科技之家，更是一個理想 「天然實驗室」。國際空間站這個獨特的實驗室可以允許機組人員進行許多在地球上無法進行的實驗，探索改善人類賴以生存的地球生活的科學研究。

圖 | 國際空間站（來源：Pixabay）

ISS 不僅支持人在地球軌道長期駐留，而且該空間還擁有大量的實驗資源，為研究人員在微重力環境下開展科學實驗研究提供了實驗條件，更為太空醫學、地球和太陽研究以及微重力實驗研究提供了一個獨特的平臺。

20 周年似乎並不是一個裡程碑，對於在危險的太空環境中運行的複雜機械而言，國際空間站正接近老齡化。近年來，它也遇到了幾個問題，比如，最近俄羅斯模塊 Zvezda 發生了漏氣事件。

國際空間站的運行史已經證明人類可以在太空中生活和工作，但上面的環境如何？是否存在著能夠威脅常駐機組人員生命健康的微生物或細菌？

對於未來的載人太空探索任務，了解人們在空間站這個遙遠、危險、封閉的環境中該如何繁衍生息，必然是至關重要的一點，畢竟太空旅行並非那麼簡單。

（來源：NASA）

「空間站」 的科幻發源地

空間站一直被認為是未來太空移民的實驗場，然而人類對於載人空間站或衛星的最早構思要追溯到 19 世紀。

1869 年 10 月至 1870 年 2 月之間，美國作家愛德華・埃弗裡特・黑爾（Edward Everett Hale）的科幻小說《磚月》（Brick Moon）向讀者介紹了在地球以外生活的想法，其中描述了一個直徑 200 英尺、用磚砌成的磚月亮，它是船隻導航的一個輔助物，然而在載人的情況下被意外帶入地球軌道。

圖 | 由於磚的耐熱性，虛構的 「磚月亮」 是用磚建造的 （來源：NASA）

1923 年 6 月，羅馬尼亞火箭先驅 Hermann Oberth 創造了 「空間站」 一詞。他在經典著作《飛往星際空間的火箭》（The Rocket into interplanetory）中，設想建立一個環繞地球軌道運行的平臺，該平臺將成為執行月球和火星任務的起點。

Oberth 的想法得到了奧地利人 Herman Noordung 的認可，Noordung 於 1928 年發布了一張軌道前哨基地的藍圖，基地由多個模塊組成，每個模塊都有其獨特的功能。

Oberth 和 Noordung 都幻想他們的空間站將由大型火箭發射上天，而那時美德等國的火箭研究正在大力推進。美國電視連續劇 Tomorrowland 最早向公眾展示了對輪狀空間站的設想，該軌道平臺將包括地球觀測站、微重力實驗室以及天文臺。是執行月球和火星任務的起點，成為人類探索內部太陽系的基石。

真實空間站發展軌跡

1969 年，美國航天局提議建立一個可容納 100 人的名為 「空間基地」 的空間站。其想法是建造一個平臺，用作支持科學研究和工業發展的微重力研究實驗室，同時可以作為核動力空間拖船的母港，以便將太空人從月球的前哨站基地運送過來。

1971 年 4 月 19 日，蘇聯發射了人類歷史上第一個真正的太空站 「禮炮一號」，然而在飛行 5 個多月後，於 1971 年 10 月不幸墜入地球大氣層燒毀。隨後十年，蘇聯相繼在 「禮炮」 計劃中增加了 6 個空間站。

1973 年，美國發射了第一個太空站 Skylab。隨後的一年，Skylab 接待了三名機組人員，最終證明人類不僅可以在太空中生活和工作，而且還可以在大規模的軌道建設中發揮作用。

1986 年，蘇聯發射的 「和平號」 空間站是建造的首個核心站，後來又在其基礎上增加了其他模塊。直到 1998 年國際空間站發射首批艙體時，「和平號」 空間站仍在軌道上。在 2001 年，「和平號」 被擊落，穿過大氣層時發生解體，艙體上倖存下來的東西很可能最終被埋入太平洋底部 5000 米深的水下。

國際空間站最初的建設由美國國家航天局、俄羅斯聯邦航天局、歐洲航天局、日本宇宙航空研究開發機構、加拿大國家航天局以及巴西航天局六個國際主要太空機構聯合推進，來自全球 25 個太空機構和組織參與研製。

2000 年 10 月 30 日，「遠徵一號（Expedition 1）」 搭乘 「聯盟號」 火箭發射升空，並與國際空間站對接。美俄三位機組人員成為第一批在軌道哨所長期生活和工作的人，人類多年的太空生活夢想得以實現。

國際空間站現由 16 個模塊組成，其中四個俄羅斯的，九個美國的，兩個日本的和一個歐洲的。它的大小相當於一個擁有五間臥室大小的房子，上面最多可容納六名機組人員，他們一次可在空間站內居住六個月。

微重力環境下的空間適應歷程

1961 年，前蘇聯太空人尤裡 - 加加林（Yuri Gagarin）首次在繞地球軌道上航行了一周，證明了人類可以在太空生存。但想要在太空中長期生活面臨卻困難更多的困難，遠比大多數科幻小說或電影中所呈現的要複雜得多。

當代的空間站不會自轉來提供重力，空間站也沒有上下之分。生活在地球上，我們不斷感受到重力的牽引力，我們的身體會自動做出反應，以在向下牽引的世界中保持姿勢和運動。

而在微重力環境中，人體不會適應這些恆定信號。太空人在到達空間站以後，往往會需要幾天的適應時間，以應對身體的期望與身體的實際感覺之間存在衝突，他們每天飲水或洗漱等日常活動，都需要提前計劃。

圖 | 太空人 Oleg Kononenko 在 2008 年拍攝的 Zvezda 太空艙照片，背景牆上釘著太空英雄和偶像（來源：NASA）

國際空間站的艙內處於微重力狀態，在設計之初，考慮到機組人員的工作生活，艙中安裝了充當 「重力點」 的工具，包括扶手、帶子、夾子、搭扣點等，這樣機組人員在活動的時候就可以藉助他們固定身體不飄走。

國際空間站在 24 小時內，就會繞地球旋轉 16 圈，在這樣高速旋轉的空間內，想要辨別方向就顯得沒有那麼容易。在俄羅斯艙內，為了幫助太空人們更加準確地定位方向，面向地球的表面（「向下」）設計成了橄欖綠色，而背向地球的牆壁和表面（「向上」）則設計成了米色。

不僅如此，顏色在空間站的其他方面也發揮著重要作用，例如顏色對於太空人心情的重要性，Skylab 就色彩很單調，太空人甚至通過盯著用於校準攝像機的彩色卡片，來打破如此單調的氛圍。

在大部分科幻電影中，空間站往往是科技感十足、乾淨整潔的內部環境，而現實中的國際空間站卻大相逕庭。

2012 年的一篇報導中曾提到，太空人Scott Kelly 將國際空間站的獨特香氣描述為類似於防腐劑和垃圾的混合物。

國際空間站內臭氣燻天、噪音大，亂七八糟，到處都是脫落的皮膚細胞和碎屑，在這樣嚴峻的環境中，機組人員甚至都無法擁有一個好的睡眠。研究發現，在國際空間站普遍存在一種被稱為 「放線菌」 的皮膚細菌，這種細菌可能使太空人發生從食物中毒到皮膚感染等各種疾病。

圖 | 太空人 Rick Mastracchio 在 2016 年從 「圓頂」 上俯瞰地球（來源：NASA）

但是，透過不足看美好，艙內的圓頂模塊（Cupola module ）提供了一個人類可能在任何地方都無法欣賞到的美景：向下俯視 180 度的地球全景。

新一代空間站

國際空間站的運行成本非常高，僅美國國家航空航天局一年支出的成本費用就高達 34 億美元，許多人對此提出質疑，這麼大的支出是否值得。如果沒有更多的商業投資，國際空間站可能會在 2028 年脫離軌道，並墜入海底。

人類探索太空的腳步前行不止，國際空間站的退役必將催生新一代空間站，屆時人類探索太空的棲息地又將在哪裡？

由美國國家航空航天局（NASA）領導的深空探索 「Lunar Gateway」 項目，計劃在月球軌道上建設一個微型空間站，用作太陽能通信樞紐、科學實驗室、短期居住場所、漫遊車以及其他機器人的存放區，而 Gateway 的建設也預示著下一個階段的空間站生活很可能會轉移到繞月球的軌道上。

圖 | Gateway（來源：NASA）

這個被稱為 「Gateway」 的深空前哨站是美國 NASA 「Artemis」 計劃的一個關鍵要素，Gateway 的建設基於國際空間站，但規模比國際空間站要小，計劃在未來十年內送入月球軌道，太空人可以在上面生活一個月的時間。

Lunar Gateway 的一項初步設計有四個可擴展的乘員艙，可以為太空人們提供更加寬廣的空間，但是對其他空間進行了壓縮設計。

Gateway 的核心包括一個棲息地模塊和一個動力和推進元件，計劃在 2023 年底一起發射，其他一些部件可能會在以後加入前哨。美國宇航局官員表示，Gateway 將作為載人和不載人的月球表面之旅的中轉站。

Artemis 計劃的目標是在 2024 年將兩名太空人運送到月球南極附近，但 NASA 希望到 2028 年，在月球上和周圍建立一個持久的、可持續的人類存在。

Artemis 計劃的另一個關鍵目標是為前往火星的航空任務鋪平道路，NASA 希望在 2030 年代開始發射火星。這些最初的飛行可能會成為火星上的研究前哨，科學家們可以從這個基地尋找火星生命的跡象，並進行一系列其他實驗。

參考資料：

https://theconversation.com/how-to-live-in-space-what-weve-learned-from-20-years-of-the-international-space-station-144851

https://astronomy.com/news/2020/11/the-international-space-station-serves-as-a-template-for-the-future

https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-019-0666-x

https://www.popsci.com/brief-history-space-stations-before-iss/

https://theconversation.com/space-invasions-what-to-do-when-stuff-falls-from-the-sky-4961

https://www.space.com/international-space-station-future-off-earth-outposts

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