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从空间站到太空城

文 / 赵洋

2011年是世界航天名人加加林进入太空50周年，也是世界第一座空间站“礼炮”1号升空40周年，它们都具有里程碑式的意义。

空间站的问世，标志着人类开发太空的进程步入了一个崭新的阶段。这种可供多人长期居住和工作的金属舱犹如一座人造天宫，它短期依靠货运飞船提供生活用品，长期则自己生产食物、能量与装备。空间站的出现，使人类在太空中生活的梦想触手可及。

三代空间站

截至目前，人类已建造了十座空间站，其中苏联八座、美国两座。根据这些空间站的结构特点和技术水平，可将它们分为三代。

第一代：单模块空间站

第一代空间站包括苏联1971年至1982年发射的“礼炮”1-7号空间站以及美国1973年发射的“天空实验室”。它们的共同特点是由火箭把空间站一次性发射入轨（如果不算与之对接的载人与货运飞船）。由于其内部空间所限，这种空间站一般没有人长期值守，其维护往往是短期的。因为“礼炮”6号和“礼炮”7号空间站相对大些，也有学者将其归为第二代空间站。这两座空间站各有两个对接口，可同时与两艘飞船对接，苏联航天员在站上先后创造过210天和237天的太空生活纪录。不过，与后来的“和平”号相比，这两座空间站结构比较简单、任务比较单一、扩展性较差。

第二代：积木式空间站

苏联“和平”号空间站是积木式空间站的代表。它首次发射的核心舱重20吨，后来通过多次发射与交会对接，多个功能性舱段分别与核心舱对接，最后形成重达120吨的大型空间站。“和平”号可以通过位于核心舱前端的节点舱（带有五个舱口）与多个舱段甚至航天飞机对接。“和平”号的每个舱段都有独立运行的能力，仿佛火车中的“动车”车厢，自带姿态控制、电源、交会对接等设备。其优点是一个舱段出现故障不至于殃及其余；缺点是设备复杂，冗余度高。人类连续在“和平”号上生存了4592个地球日。

第三代：桁架挂舱式空间站

由美俄主导、十六个国家共同参与建设的国际空间站的“龙骨”是一根长达108米的主桁架，多个功能舱段与太阳能电池板挂在这根主桁架和非承重桁架上。它可以同时与航天飞机、“联盟”号载人飞船、“进步”号货运飞船、“凡尔纳”号货运飞船等航天器进行对接。在建造工作完成后，国际空间站将会有1200立方米的内部空间，总重量419吨，舱体长74米，额定乘员7人。

“天宫一号”的地位

从结构特点来看，“天宫一号”属于第一代空间站的范畴。不过，由于时代进步，“天宫一号”使用的电子设备、测控技术和环境控制要比第一代空间站先进许多。

从投资额度来看，国际空间站的全寿命费用预计为1027亿美元。即便是略显落后的“和平”号，每年的维护费用也高达2.5亿美元，部件老化且缺乏维修经费是导致俄罗斯放弃它的重要原因。中国在载人航天上的投入尚不能与美俄比肩，投资额度也决定了空间实验室的规模大小。

初看起来，“天宫一号”似乎没有那么先进，但这是航天事业发展的合理路径。只有遵循由易到难、稳扎稳打的做法，才能实现技术的提升并使其可靠性得到保障（苏联的“礼炮”1号成员组在返航时遇难，“礼炮”2号则发生故障未能载人）。“天宫一号”是一个承前启后的航天器，其作用是为后续的空间实验室和空间站提供试验平台与技术储备。

“天宫”系列空间实验室能为我国载人航天工程提供重要的技术试验平台。空间实验室能够提供比载人飞船更长的在轨时间和更好的微重力环境。航天医学、微重力实验、太空育种、对地观测、空间加工等一系列科研项目都可以在“天宫”上进行。以“和平”号空间站为例，苏联在研制“和平”号的过程中，发明了六百多项可用于其他工业领域的新工艺。在“和平”号空间站运行的十五年间，空间站共进行了一万六千多次科学实验，完成了二十三项国际科学考察计划，可谓硕果累累。假以时日，“天宫”也能取得令世人瞩目的成就。

未来的空间站

空间站技术的发展趋势是大型化、易维护、自供给（空气、水、食物）、更舒适。

大型化是多人多天太空工作生活的必然要求。未来的空间站不但是空间科学的研究基地，也是深空探测器的出发点。这些都要求它具有比现在更大的规模。

维护性一直是困扰“和平”号与国际空间站宇航员的难题。处理设备故障不但占用宇航员的大量时间，对其生命也构成了威胁。如果未来空间站能达到易维护甚至免维护的水平，不但空间站寿命大大延长，宇航员也可以将更多的时间投入到有价值的工作中去。

目前，国际空间站的食物全靠地面供应，部分水要靠循环利用，电力则靠太阳能电池板。有鉴于此，科学家正积极研究如何在空间站上生产食物，如果取得突破性进展，将大大减轻运输的压力，对未来载人深空探测也大有裨益。建设自维系生物圈将是实现空间站自给自足的终极方案。

除了扩大内部空间，模拟重力是使空间站变得更舒适的另一个重要途径。设计中的轮形空间站，通过绕轴心自转在轮内壁产生模拟重力的感觉，在里面生活的宇航员将会减少骨质疏松、肌肉萎缩的困扰，普通人也可以在里面长时间生活。

轮形空间站

虽然轮形空间站的设计仍停留在蓝图上，但它却是最早出现在人们头脑中的空间站构型。空间站概念的提出可以追溯到1869年。当时，爱德华·黑尔为《大西洋月刊》撰写了一篇名为《砖砌的月亮》的文章。航天之父康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基是第一个对这种构想做出技术解释的人。1895年，齐奥尔科夫斯基发表了《天地梦想》和《人与自然》两篇文章，首次从技术角度介绍了空间站的可行性。在1903年发表的《飞向宇宙的火箭》一文中，他进一步描述了使用太阳能、利用自转提供模拟重力和使用“太空温室”的封闭生态系统。

德国人赫尔曼·奥伯特则设想了空间站的应用，他认为，空间站可以作为天文台、对地监测站和科学研究平台。他的这些设想现在都已实现。1929年，赫尔曼·波托奇尼克的著作《太空旅行的问题》出版后风靡了三十多年，此书首次描绘了旋转的轮形空间站。在二战期间，德国的科学家曾研究过使用太阳能的轨道兵器，即所谓的“太阳炮”。按照设想，它将运行于距地面8208公里的空间站上。50年代初，发明了V-2火箭的冯·布劳恩在太空美术画家邦艾斯泰的协助下，在美国普及了轮式空间站的思想。

1969年，“阿波罗”11号首次将人类送上月球， NASA建议美国政府批准建造一座能容纳一百人工作生活的永久性空间站。这座名为“太空基地”的空间站不但是轨道实验室，还将作为往返月球的核动力航天飞机的机场。未来，人们还可以在这里装配核动力载人飞船，开展火星之旅。遗憾的是，由于美国在登月竞赛中获胜，进一步开发太空的动力不足，太空财政预算紧缩，包括永久性空间站在内的一系列太空计划都被打入冷宫。

太空城

1969年，美国普林斯顿大学教授杰拉德·奥尼尔向物理系一年级学生提出这样一个问题：“行星表面适合技术文明社会发展吗？”经过师生长时间讨论，大家一致认为，答案是否定的。奥尼尔受这次讨论的启发，开始研究人类在太空生存环境的问题。1974年，他在《今日物理系》刊物上发表文章，首次提出了太空城的基本思想。

奥尼尔认为，地球环境已经到了承载人类和其他生物发展的边缘。如果人类要永续发展，要么在地球上放慢发展速度，降低生活水平；要么移居太空，在太空城中生活，给地球休养生息的时间，让其恢复至工业时代之前的自然面貌。

奥尼尔最初设想的太空城，是由一对圆筒组成的。它们绕共同的轴心反向旋转，在内部造成离心力以模拟重力。在圆筒内壁上布设适于植物生长的设施，形成草地、森林、湖泊与河流。除了人工自然环境外，太空城的居民主要在工作区和生活区活动，联系它们的有道路、娱乐区和商业区。太空城的能源来自太阳能发电站，航天飞机和飞船港口用来提供往返地球和其他太空城的交通。

奥尼尔一共设计了四种双筒太空城模型，长度从1公里到32公里不等，居住人口在1万至2000万之间。这样规模的太空城，所用材料是惊人的——最小的太空城也需要有1公里长、直径需达到两百米，而建造这座太空城的质量也要达到50万吨。材料取自低重力的月球，以减少运输费用。根据估算，建成这样一座太空城并迁入所有居民，需要花费16年时间。太空城将设置于地球与月球轨道之间、万有引力互相平衡的区域，即拉格朗日点。一旦这座太空城投入使用，它将成为建造其他太空城的落脚点和施工作业区。

激辩太空城

上世纪七八十年代，国际上关于太空城的讨论形成了一股热潮。奥尼尔收到了来自全世界的几千封信，支持他的计划。还有科学家提出了其他太空城构想，进一步细化其中技术细节。按照奥尼尔的估计，如果从20世纪70年代开始筹备，到一百年后的2070年左右，有望建成第一座太空城，实现太空移民。只要发达国家有意开展这项工作，那么在现有技术下是完全可行的。天文学家、科普作家卡尔·萨根是太空移民的热情拥护者。他说：“如今的地球，已没有多少地方可供不满现状的先锋去迁居了。新大陆已经不复存在。但是，太空城为我们提供了一个太空中的美洲，给我们提供了一个创造新文化、新社会、新技术化生活方式的机会……正是那些在变化发生之前就已经感到不适应的有机物，它们才能经受变化，生存下来，从而延续物种和生命。”

作为太空移民的首选方案，一般认为太空城具有许多优点。例如，城市的驻留位置有很多选择，四个拉格朗日点和环绕太阳轨道均可考虑。太空城本质上是一艘宇宙飞船，也可以随建造者的需要而设计外观和内部，这比月球或火星基地的灵活性大。而且太空城不受星体体积和重力的限制，通过自转，很小的太空城也可以造出与地球相似的重力和气压。太空城内部空间如果设计得当，可以用很少的天然材料（取自月球或小行星）建造出超过地球表面积的居住区。甚至太空城还可以作为世代宇宙飞船飞往深空，在远离太阳的区域用核能或反物质做能源即可。

但也有学者对太空城的构想提出质疑，他们认为，虽然太空城在技术上是可行的，但却无法解决人类面临的问题。苏联科学家阿列克谢·瓦西里耶夫认为：“一项技术本身并不能改变世界。太空城中将再现由社会所产生并普遍存在于社会中的那种气氛。太空城中的观念将取决于地球上的人，而人到了外层空间也不会脱胎换骨。”

还有科学家认为，太空城在技术细节上也有不少值得推敲之处。例如，即便一座太空城可容纳2000万人口，对于世界人口每年增长一亿的现状，每年就要新建五座太空城。其建设所需的矿物只可能从月球以及近地小行星开采。以当前的运载技术，即使每天运输一件组件，也需要很多年的时间，耗费上亿美元。所以，需要预先在月球和小行星上建立前哨基地，还要在地球轨道上建立制造组件的太空工厂和转运港，甚至需要太空电梯之类可以把载荷大量运往轨道的设施（见克拉克《天堂的喷泉》）。这些建设工作需要大量熟练的航天员作为操作工，他们都得在现有的空间站上进行训练。小型太空城的空气循环和防泄漏能力都成问题，可能需要经常分解小天体的矿石或冰来补充氧气。以目前的技术水平看，虽然建设与移民所需的太空城能有效地解决人口问题，但它只能作为未来富裕人士兴建的理想化新居，或作为太空探索和太空产业的基地。

总而言之，质疑者普遍认为太空城效益不大，只比其他行星地球化容易一些，但未必胜过开发海洋或极地；当下解决生存空间不足的问题，只需要填海建立人工岛就足够了。

包裹恒星的“戴森球”

戴森球是比以上方案更神奇、更宏大的设计。1959年，美国科学家戴森发表论文《人工恒星红外辐射源的搜寻》，提出任何技术文明对能量的需求都是稳定增长的，如果地外文明能够延续足够长的时间，其对能量的需求必然会膨胀到要利用母恒星全部能量输出。他认为，此时有必要建立能够拦截和收集母恒星发出的所有能量的轨道结构。尽管有人说，戴森球受到了奥拉夫·斯特普尔顿写于1937年的科幻小说《造星者》的启发，但毋庸置疑的是，这个概念很快重新风靡科幻世界。科幻小说中经常提及的戴森球变体是“戴森壳”。这是一种环绕恒星的均匀壳体，能够100%拦截恒星的能量输出。如果其表面能够居住的话，它能够为设想中的人类定居点提供极大的活动空间。戴森设想，如果在太阳系中建造一个半径为1天文单位的戴森壳，其内壁面积就相当于地球表面积的55亿倍。这个戴森壳将拦截全部的太阳能量输出，这大概是人类在1998年消耗的全部能量的3330万亿倍，足够人类长期发展所需。

在为美国杰出的科幻作家拉里·尼文赢得了一座星云奖奖杯的长篇小说《环形世界》中，作者描述了一个直径1.9亿英里、形如呼啦圈的人造行星。这是戴森球的又一种变体，仿佛给太阳勒上了一圈“腰带”，智慧生命就在这条“腰带”的内壁上生存。

还有科学家提出，极其先进的外星人恐怕已经不满足于仅利用一颗恒星的能量。它们可能会把星系核心的巨型黑洞包围起来建造“超级戴森球”，以吸取能量惊人的放射线为能源。这种星系级别的“超级戴森球”可算是终极的太空城市。

从空间站到太空城，反映的是人们对太空生活的无限向往。无论可行与否，上述设想都可以作为有意义的智力实践，从中可以发现人类大规模移民太空时可能面对的技术、心理与社会问题。面向太空、着眼未来，人类的太空之旅才刚刚起步。

【责任编辑：杨枫】