國外載人空間站發(fā)展回顧與展望

國外載人空間站發(fā)展回顧與展望

空間應(yīng)用是空間構(gòu)建的起點(diǎn)和終點(diǎn)。沒有應(yīng)用就沒有空間站。然而,國外載人空間站發(fā)展的實(shí)踐表明,至今空間站應(yīng)用存在一系列挑戰(zhàn)性問題,需要解決。1971年,前蘇聯(lián)發(fā)射了世界上第一個(gè)載人空間站禮炮1號(hào)。其后前蘇聯(lián)/俄羅斯相繼發(fā)射了禮炮2號(hào)至禮炮7號(hào)及和平號(hào)空間站。美國在1973年發(fā)射了它唯一的“天空實(shí)驗(yàn)室”空間站。1998年由美國和俄羅斯?fàn)款^,歐空局、日本、加拿大和巴西參加的16國合作研制的國際空間站正式開工建造。現(xiàn)已進(jìn)入最后階段,有望于2010～2011年全部建成。建成后,其工作壽命預(yù)計(jì)長達(dá)10～15年。國際空間站建成后,如何充分利用,提高效果,一直是困擾航天領(lǐng)域許多專家的問題。國際空間站每年的運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用預(yù)計(jì)將高達(dá)數(shù)十億美元(若仍使用航天飛機(jī)作為天地往返運(yùn)輸工具,每季度飛往空間站一次,則每年約需20多億美元,加上聯(lián)盟號(hào)載人飛船、進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船的飛行,以及對空間站的日常維護(hù)和在軌服務(wù)等費(fèi)用)?？臻g站運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用之高,空間應(yīng)用效費(fèi)比之低,令人擔(dān)心“建得起,用不起”。即使運(yùn)行費(fèi)用不成問題,但如何充分發(fā)揮空間站的優(yōu)勢,提高空間站應(yīng)用效率,也是空間站長期持續(xù)運(yùn)行面臨的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。一、空間應(yīng)用與擴(kuò)大試驗(yàn)方案載人空間站是載人航天器發(fā)展初級階段的重要標(biāo)志?？臻g站的應(yīng)用伴隨著載人航天器的發(fā)展而發(fā)展。近地軌道載人航天器(載人飛船、航天飛機(jī)和空間站)的發(fā)展可劃分為三個(gè)階段。第一階段,1961～1970年,研制發(fā)射單人和多人飛船,進(jìn)行單飛或編隊(duì)飛行,主要任務(wù)是獲得和積累對太空環(huán)境條件的認(rèn)識(shí),掌握載人航天基本技術(shù)。在這一階段通過載人飛船的太空飛行,初步了解載人航天飛行的環(huán)境和要求,掌握影響人體的有關(guān)太空環(huán)境因素,研究人體對長期航天飛行環(huán)境的適應(yīng)性,設(shè)計(jì)改進(jìn)環(huán)境控制和生命保障、乘員支持等功能系統(tǒng),為后來載人空間站的研制和應(yīng)用建立了最初的基礎(chǔ)。1966年,美國雙子星座8號(hào)載人飛船與目標(biāo)航天器實(shí)現(xiàn)人類首次太空交會(huì)對接;1967年,前蘇聯(lián)宇宙186號(hào)與宇宙188號(hào)兩個(gè)無人航天器首次實(shí)現(xiàn)自動(dòng)交會(huì)對接。兩個(gè)航天器在太空手動(dòng)與自動(dòng)交會(huì)對接的實(shí)現(xiàn),為后來在近地軌道上建造100噸級的空間站奠定了基礎(chǔ),同時(shí)也為空間應(yīng)用開辟了新的方向——在空間站上試驗(yàn)旨在提高航天器性能的新技術(shù)、新部件或新系統(tǒng),以支持未來的載人航天任務(wù)。第二階段,1971～1985年,研制并發(fā)射了單艙空間站,開展了多個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的研究試驗(yàn)活動(dòng),初步明確了空間站應(yīng)用的方向和范疇,載人航天的工程技術(shù)水平得到較大提高。在這一階段,對太空的高真空、微重力和強(qiáng)輻射等環(huán)境特點(diǎn)有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。這些環(huán)境對多種科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)具有重要價(jià)值。開始明確以科學(xué)技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)作為空間站應(yīng)用的主要任務(wù)。禮炮號(hào)和“天空實(shí)驗(yàn)室”不僅開展了醫(yī)學(xué)和生物學(xué)研究試驗(yàn)和初步的空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn),而且進(jìn)行了對地球、行星、太陽和宇宙的觀測。第三階段,1986年至今,研制建造了和平號(hào)多艙空間站,并正在建造多艙段的、長期運(yùn)行的國際空間站。該階段通過多艙空間站的建造和應(yīng)用實(shí)踐,使空間站應(yīng)用從試驗(yàn)性向業(yè)務(wù)性轉(zhuǎn)化。和平號(hào)空間站是世界上第一個(gè)多艙空間站,采用化整為零,分期發(fā)射,在軌裝配,逐步擴(kuò)展的方式建造。其內(nèi)部空間與單艙空間站相比大大擴(kuò)展,應(yīng)用能力顯著提高。和平號(hào)開展的空間應(yīng)用項(xiàng)目涉及了幾乎所有需要“上天”開展的現(xiàn)代科學(xué)研究領(lǐng)域,包括深空觀測與研究、地球和近地空間研究、空間生命活動(dòng)(包括人對太空的適應(yīng)性)和空間材料加工等。前蘇聯(lián)/俄羅斯通過和平號(hào)空間站取得的應(yīng)用成果與經(jīng)驗(yàn),為國際空間站上的俄羅斯實(shí)驗(yàn)艙開展科學(xué)與技術(shù)試驗(yàn)活動(dòng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。載人航天器發(fā)展三個(gè)階段的主要特征參數(shù)如表1所示。根據(jù)40多年載人航天器及其應(yīng)用的發(fā)展實(shí)踐,近期(2030年前)空間站的應(yīng)用,應(yīng)重點(diǎn)在以下四個(gè)方面開展研究、開發(fā)或服務(wù):基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)研究;空間技術(shù)與空間產(chǎn)品的研發(fā)與試驗(yàn);空間站應(yīng)用設(shè)備和應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)和改進(jìn);空間技術(shù)的宣傳普及、太空教育和其他人文科學(xué)活動(dòng)。二、國際東北部企業(yè)國際航空航天局國際空間站于1998年11月發(fā)射第一個(gè)功能貨艙,正式開工興建。原計(jì)劃2006年建成,但因經(jīng)費(fèi)、技術(shù)和計(jì)劃協(xié)調(diào)等原因,進(jìn)展緩慢,特別是2003年美國哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)失事,導(dǎo)致工程進(jìn)度大大推遲。2006年航天飛機(jī)復(fù)飛后,進(jìn)展較順利,有望于2010～2011年建成。國際空間站由艙段、桁架、太陽翼及移動(dòng)機(jī)械臂等數(shù)十個(gè)大型空間構(gòu)件組成,采取“邊建造,邊應(yīng)用”的發(fā)展模式。2000年1月首批常駐乘員組進(jìn)駐國際空間站,站上俄羅斯實(shí)驗(yàn)艙和美國實(shí)驗(yàn)艙開始執(zhí)行空間應(yīng)用任務(wù),開展科學(xué)與技術(shù)研究試驗(yàn)活動(dòng)。歐洲空間局和日本的實(shí)驗(yàn)艙2008年才送入軌道,完成與國際空間站的組裝。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙將在今年設(shè)備全部安裝調(diào)試完畢后,投入應(yīng)用。進(jìn)入國際空間站的航天員分為兩類:一類是長期常駐乘員組,時(shí)間一般為6個(gè)月;另一類為短期訪問乘員組,—般在站上工作7～10天。美國航空航天局(NASA)根據(jù)美國總統(tǒng)布什2004年1月14日發(fā)表的《太空探索新構(gòu)想》的原則,將國際空間站美國實(shí)驗(yàn)艙的空間應(yīng)用項(xiàng)目調(diào)整為:●研究長期航天飛行對航天員生理和心理健康的影響,開發(fā)航天員長期處于空間環(huán)境下的防護(hù)措施;●利用國際空間站作為試驗(yàn)平臺(tái),研究開發(fā)未來太空探索所需的航天員防護(hù)技術(shù)、防護(hù)系統(tǒng)和防護(hù)規(guī)程;●研究、開發(fā)和驗(yàn)證執(zhí)行長期航天飛行任務(wù)的操作方法和操作規(guī)程。國際空間站的空間應(yīng)用項(xiàng)目主要包括醫(yī)學(xué)與生物學(xué)研究、生物工程、空間技術(shù)、材料科學(xué)、教育活動(dòng)、地球物理學(xué)及對地觀測等7個(gè)方面的科技研究性應(yīng)用。早期的一些宏偉設(shè)想,如利用空間站作為衛(wèi)星的回收站與維修車間、空間倉庫、衛(wèi)星發(fā)射基地、軌道機(jī)動(dòng)飛行器的?？扛?、深空探測器的中轉(zhuǎn)站等服務(wù)性應(yīng)用,已被無限期推遲。(1)增強(qiáng)基層組織支持我國安全觀的能力這是國際空間站應(yīng)用的重點(diǎn)。所有合作伙伴的應(yīng)用項(xiàng)目都首選醫(yī)學(xué)與生物學(xué)。主要內(nèi)容包括研究人體對空間環(huán)境的適應(yīng)性及應(yīng)對措施;大量采集人體在空間環(huán)境下的生理新數(shù)據(jù),用以改進(jìn)航天員克服長期航天不利影響的防護(hù)措施,提高醫(yī)學(xué)監(jiān)督與醫(yī)學(xué)保障系統(tǒng)支持載人航天的能力。從表2可看出,在俄羅斯實(shí)驗(yàn)艙和美國實(shí)驗(yàn)艙的應(yīng)用項(xiàng)目中,醫(yī)學(xué)與生物研究分別占43%和32%。表3給出了國際空間站俄羅斯實(shí)驗(yàn)艙2006年空間應(yīng)用各項(xiàng)目所占的百分比。(2)生物材料的應(yīng)用國際空間站應(yīng)用的又一重點(diǎn)項(xiàng)目。主要研究、制備在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)和藥物學(xué)方面有潛在應(yīng)用價(jià)值的生物材料,如微生物、細(xì)菌、植物細(xì)胞和動(dòng)物胚胎等的蛋白質(zhì)晶體。(3)需要重要的技術(shù)試驗(yàn)和演練驗(yàn)證該領(lǐng)域主要研究改進(jìn)空間站平臺(tái)的功能特性,研究試驗(yàn)新結(jié)構(gòu)、新材料、新設(shè)備、微重力保持、聲學(xué)效應(yīng)、輻射防護(hù)、微流星與空間碎片防護(hù)等,也為下一步載人月球探測和火星探測開展某些需要有人參與的技術(shù)試驗(yàn)和演示驗(yàn)證。(4)科學(xué)主要研究微重力條件下的流體行為、材料性質(zhì)及材料加工工藝等。(5)學(xué)校與學(xué)生科研項(xiàng)目國際空間站截至2006年已完成了29項(xiàng)學(xué)校與學(xué)生的科研項(xiàng)目。在合作國航天局的支持下,在太空開展教學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng),設(shè)置虛擬課堂和虛擬演示驗(yàn)證課。(6)觀測儀器和觀測方法的改進(jìn)國際空間站還適當(dāng)安排主要是在衛(wèi)星上開展的傳統(tǒng)空間應(yīng)用項(xiàng)目,利用空間站可裝載大型觀測設(shè)備、有人值守及可選擇觀測條件等優(yōu)點(diǎn),開展新的觀測儀器和觀測方法的演示驗(yàn)證。三、俄聯(lián)邦空間技術(shù)的優(yōu)勢早期的單艙空間站,除了“天空實(shí)驗(yàn)室”容積較大以外,從禮炮1號(hào)到禮炮7號(hào),甚至初期的和平號(hào),都遇到站上可供空間應(yīng)用的資源不足的問題,主要表現(xiàn)在:●容積太小?？臻g站內(nèi)部空間狹小,外部無工作平臺(tái)。無論是安裝科研設(shè)備,還是存放備用部件和消耗品,可供利用的地方都很有限。航天員操作儀器、轉(zhuǎn)身移動(dòng)的空間,更是捉襟見肘?！襁\(yùn)輸能力不足。從地面向空間站運(yùn)送補(bǔ)給物資(設(shè)備、部件和消耗品)及從空間站向地面送回空間應(yīng)用成果,所需的天地往返運(yùn)輸能力不足。●電力不夠?？臻g站上分配給科學(xué)技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的電力不敷應(yīng)用?！窨臻g應(yīng)用所需的控制和通信信道太少。為了解決空間站上資源供不應(yīng)求的問題,俄羅斯發(fā)展了以和平號(hào)為代表的多艙式空間站和其他創(chuàng)新性空間技術(shù),緩解了資源不足的矛盾;更重要的是,為后來國際空間站的建造和應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件,積累了大量經(jīng)驗(yàn)。這些創(chuàng)新性空間技術(shù)是:1.測試及操作問題空間站由單艙發(fā)展為多艙,不僅擴(kuò)展了可供安裝科學(xué)技術(shù)研究試驗(yàn)設(shè)備、存放部件和消耗品及航天員執(zhí)行應(yīng)用操作的空間,而且增加了可供安裝太陽能電池翼的位置,擴(kuò)大了太陽能電池陣面積,提高了發(fā)電能力。2.在兩次飛行中發(fā)生重大損傷和重大損傷,都有重大損傷,都有重大損傷空間站上的系統(tǒng)、設(shè)備或部件出現(xiàn)故障時(shí),可通過航天員在艙內(nèi)維修或出艙進(jìn)行維護(hù)或更換,恢復(fù)功能。例如,在1973年“天空實(shí)驗(yàn)室”SL-2和SL-3的兩次飛行,1985年聯(lián)盟T-13和禮炮7號(hào)的交會(huì)對接,俄美合作的3次航天飛機(jī)與和平號(hào)的交會(huì)對接等飛行任務(wù)中,均出現(xiàn)了重大的故障或損傷,都是通過航天員的在軌檢查、維修和更換,排除故障,轉(zhuǎn)危為安,保證了空間站繼續(xù)正常運(yùn)行和開展應(yīng)用。3.和平號(hào)的運(yùn)行情況俄羅斯進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船的研制和發(fā)射,不僅有效解決了空間站長期運(yùn)營所需的物資補(bǔ)給,而且提高了空間站應(yīng)用計(jì)劃的靈活性和適應(yīng)性,便于根據(jù)空間站環(huán)境條件的變化對應(yīng)用計(jì)劃進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。在禮炮6號(hào)在軌運(yùn)行的大約5年內(nèi),進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船為其共運(yùn)送了22噸物資;在和平號(hào)運(yùn)行的15年中,進(jìn)步號(hào)的運(yùn)輸量達(dá)到150噸;在國際空間站建造的頭5年中,進(jìn)步號(hào)已經(jīng)運(yùn)去了68噸物資,為國際空間站的建造做出了重大貢獻(xiàn)。美國研制的航天飛機(jī)是一種運(yùn)輸能力大、人貨兼容、部分重復(fù)使用的天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)。其初衷不是為空間站配套服務(wù)的,但它卻成為建造國際空間站不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施,是唯一能運(yùn)送大型構(gòu)件的主力運(yùn)輸器。4.優(yōu)化區(qū)域間科研試驗(yàn)設(shè)備使用程序,提高效率和平號(hào)空間站根據(jù)航天員在空間站上駐留時(shí)間的長短,分別制訂長期常駐乘員組任務(wù)計(jì)劃和短期訪問乘員組任務(wù)計(jì)劃,因而便于有計(jì)劃地安排空間站應(yīng)用的任務(wù),合理調(diào)度站上科研試驗(yàn)設(shè)備的使用程序,提高了空間站應(yīng)用效率。四、考慮到空間應(yīng)用的挑戰(zhàn)盡管發(fā)展了多艙式空間站、貨運(yùn)飛船和航天員在軌服務(wù)等一系列新技術(shù),但是國際空間站的應(yīng)用仍面臨諸多問題。1.國際私家車室的功能變化空間站上航天員用于執(zhí)行應(yīng)用任務(wù)的人數(shù)和時(shí)間的乘積,稱為“空間應(yīng)用人時(shí)”?？臻g站應(yīng)用人時(shí)不足是單艙式和多艙式空間站共同面臨的最大挑戰(zhàn)。按照航天系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則,為了確保空間站在軌安全可靠地運(yùn)行,必須隨時(shí)監(jiān)測、判斷、評估和排除站上各系統(tǒng)、設(shè)備可能出現(xiàn)的故障因素。因此在分配航天員任務(wù)時(shí),毫不猶豫地將站務(wù)管理放在所有任務(wù)的首位,大量的人時(shí)用于執(zhí)行居住環(huán)境的監(jiān)控與維護(hù)。為空間應(yīng)用安排的計(jì)劃人時(shí)本來就比站務(wù)管理人時(shí)少得多,而在實(shí)際執(zhí)行過程中,又往往冒出突發(fā)性的站務(wù)管理工作,不得不進(jìn)一步壓縮應(yīng)用人時(shí)。例如,國際空間站按計(jì)劃要求空間應(yīng)用每周(星期)不少于20人時(shí)。但是,以2006年10月第13長期乘員組為例,從事空間應(yīng)用活動(dòng)的人時(shí)平均每周只有13～14人時(shí),也就是平均每天2人時(shí),或人均不到40分鐘。站上的空間應(yīng)用科研設(shè)備隨著空間站建設(shè)進(jìn)展不斷增加,但是對空間應(yīng)用投入的人時(shí),不但不增加,反而減少。據(jù)統(tǒng)計(jì),在2001～2006年期間,國際空間站上的科研設(shè)備增加了大約3.2倍,但科研活動(dòng)的人時(shí)只增加了20%,空間應(yīng)用設(shè)備的使用率明顯降低。根據(jù)航天員的回顧與分析,空間站上站務(wù)管理的實(shí)際人時(shí)往往超過計(jì)劃人時(shí),其主要原因?yàn)?①對站務(wù)管理的復(fù)雜性和不確定性估計(jì)不足?？臻g站在軌運(yùn)行過程中,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些計(jì)劃外的站務(wù)管理任務(wù),例如,早期的“天空實(shí)驗(yàn)室”,計(jì)劃分配給站務(wù)管理的時(shí)間是每人每天0.75小時(shí),實(shí)際花費(fèi)1.1小時(shí),加上排除太陽能電池翼故障和鋪設(shè)遮陽篷等計(jì)劃外維修任務(wù),每人每天用于站務(wù)管理的時(shí)間達(dá)到了4小時(shí)。和平號(hào)空間站也出現(xiàn)過類似的情況:為了完成計(jì)劃外的站務(wù)管理任務(wù),航天員不得不擠掉空間應(yīng)用時(shí)間、休息時(shí)間甚至睡眠時(shí)間。通常只有前后兩批乘員組同時(shí)在站上交接任務(wù),航天員人數(shù)增加時(shí),才能抽出人員從事空間應(yīng)用的活動(dòng)。國際空間站的短期訪問乘員組,每隔半年一次。到來時(shí),站內(nèi)人數(shù)由2～3人增加到5～6人。在訪問乘員組的協(xié)助下,將常駐乘員組6個(gè)月的科學(xué)與技術(shù)研究任務(wù)在一星期內(nèi)突擊完成。②空間站的各項(xiàng)任務(wù)排得很滿,分配給每項(xiàng)任務(wù)的人時(shí)又很緊,沒有相互調(diào)劑余地。在國際空間站上各類任務(wù)人時(shí)的分配中,空間應(yīng)用所占比例不到1/5。參見表4。就空間應(yīng)用任務(wù)自身而言,每個(gè)科研項(xiàng)目的操作程序比較復(fù)雜,勞動(dòng)強(qiáng)度較大,計(jì)劃安排的人時(shí)又很少。不同項(xiàng)目之間也難以實(shí)現(xiàn)互調(diào)互補(bǔ),參見表5。為了在十分有限的時(shí)間里完成空間應(yīng)用的各項(xiàng)科研任務(wù),必須提高研究設(shè)備的工效學(xué),簡化接口關(guān)系和操作程序,減少研究試驗(yàn)裝置的維護(hù)工作,并盡可能提高研究設(shè)備的自動(dòng)化水平。但是,如今國際空間站的技術(shù)狀態(tài)和管理水平,木已成舟,一時(shí)難以更改,唯一切實(shí)可行、立竿見影的辦法是增加乘員組人數(shù),常駐乘員組的人數(shù)應(yīng)不少于6。今年,國際空間站開始能提供6名航天員常駐的條件。2.旅客基本事件按照1996年制訂的計(jì)劃,國際空間站應(yīng)在5年后,即2001年發(fā)射首個(gè)實(shí)驗(yàn)艙,供由3名航天員組成的常駐乘員組居住工作,后來又要求能住6人。實(shí)際情況是,由于經(jīng)費(fèi)不到位及合作國之間的協(xié)調(diào),特別是2003年哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)失事,進(jìn)度大大推遲。2006年航天飛機(jī)復(fù)飛執(zhí)行STS-121飛行任務(wù)時(shí),國際空間站上只有兩名航天員。建造計(jì)劃的推遲,常駐乘員的減少,使空間站應(yīng)用不可避免地受到嚴(yán)重影響。3.平臺(tái)優(yōu)先國外評論員返運(yùn)輸系統(tǒng)空間站的有效載荷一科學(xué)與技術(shù)研究試驗(yàn)設(shè)備,是開展空間站應(yīng)用的基礎(chǔ)與條件。無有效載荷,則無應(yīng)用可言。為了提高空間站應(yīng)用的效果,必須有一定數(shù)量的有效載荷。但是國際空間站在“邊建造,邊應(yīng)用”的過程中,天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)(航天飛機(jī)和貨運(yùn)飛船)向空間站的運(yùn)輸能力有限,運(yùn)輸?shù)奈镔Y首先得保證建造用的艙段、部件和保障設(shè)備,如各種艙段結(jié)構(gòu)、桁架、太陽能電池陣及平臺(tái)的供配電、姿態(tài)與軌道控制、推進(jìn)、環(huán)境控制與生命保障、熱控制、通信與測控、乘員支持等服務(wù)系統(tǒng)及其設(shè)備。在“平臺(tái)優(yōu)先”的指導(dǎo)思想下,有效載荷的運(yùn)送往往是見縫插針,適當(dāng)安排。有效載荷不能按計(jì)劃及時(shí)如數(shù)到位,空間站應(yīng)用任務(wù)也就難以保證。4.折返時(shí)間性強(qiáng)國際空間站上空間應(yīng)用取得的成果(如錄像帶,膠卷,電子數(shù)據(jù)載體,技術(shù)試驗(yàn)成品,醫(yī)學(xué)與生物學(xué)、生物工程的試驗(yàn)樣品及其容器等)返回地面,起初完全靠航天飛機(jī)。一些“時(shí)間性強(qiáng)”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,需要在最短的時(shí)間里返回地面。所謂“時(shí)間性強(qiáng)”是指物品在空間站上放置的時(shí)間受到嚴(yán)格限制,不能耽擱,時(shí)間長會(huì)引起物品失效。這類物品一般指醫(yī)學(xué)、生物學(xué)和生物工程的研究試驗(yàn)結(jié)果,后來又增添了納米技術(shù)實(shí)驗(yàn)成果。在2003～2006年航天飛機(jī)中斷飛行期間,需送回地面的物品只能靠聯(lián)盟TM載人飛船返回時(shí)捎帶一些。為了能多帶一些物品返回地面,聯(lián)盟TMA飛船的儲(chǔ)存區(qū)及相應(yīng)的支持設(shè)備經(jīng)過多次擴(kuò)展和改進(jìn),但除了3名航天員外,最多只能捎帶50千克的返回物品。徹底解決返回運(yùn)輸能力不足的問題,有待研制新的可重復(fù)使用的載人飛船,使其具有同時(shí)攜帶3名航天員和500千克物品的返回能力。5.太陽能電池陣觀測試電力不足一直是影響空間站應(yīng)用的主要因素之一,其原因不在于太陽能電池陣設(shè)計(jì)的面積不夠大,設(shè)計(jì)產(chǎn)生的功率不夠高,而是實(shí)際輸出功率低于設(shè)計(jì)值?？臻g站一般都安裝多個(gè)太陽能電池陣,太陽陣展開后面積很大,相互之間不可避免會(huì)產(chǎn)生遮擋,造成輸出功率下降,低于設(shè)計(jì)值。究其原因是,設(shè)計(jì)時(shí)對在軌運(yùn)行時(shí)太陽能電池陣相互遮擋的嚴(yán)重性估計(jì)不足,地面進(jìn)行的分析和仿真試驗(yàn)不充分,以致在軌運(yùn)行時(shí)才發(fā)現(xiàn)問題。以和平號(hào)為例,太陽陣設(shè)計(jì)輸出功率為30千瓦,實(shí)際輸出始終沒有達(dá)到。國際空間站美國實(shí)驗(yàn)艙的4對太陽能電池翼展開后,也出現(xiàn)類似的遮擋。2007年,美國和俄羅斯兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙可供有效載荷的電力都沒有超過1.5千瓦,遠(yuǎn)低于空間站應(yīng)用項(xiàng)目所需的電力。6.空間需分區(qū)設(shè)置國際空間站采取“邊建造,邊應(yīng)用”的模式,其有效載荷(科學(xué)研究試驗(yàn)設(shè)備與備件、消耗品等)不像早期單艙空間站那樣,在發(fā)射前就全部安裝到位,而是隨著建造的進(jìn)展,分批運(yùn)來,逐步安裝。這一過程長達(dá)十幾年?？臻g站建成后,工作壽命預(yù)計(jì)為15年。在將近30年的漫長時(shí)間里,空間應(yīng)用的項(xiàng)目與要求不可能原封不動(dòng),勢必會(huì)與時(shí)俱進(jìn),更新?lián)Q代,增加新的科研設(shè)備與科研器材?？臻g站的容積有限。一般的大型設(shè)備安裝好以后不可能再拆除。新增添的設(shè)備與已安裝的設(shè)備之間如何合理分布、協(xié)調(diào)配置是個(gè)問題。隨著時(shí)間的推移,空間站的儲(chǔ)藏室或庫房里堆積起各種用過的或廢棄的設(shè)備和器材,形同垃圾,既不允許拋入太空產(chǎn)生空間碎片,也沒有必要和能力將它們帶回地面。據(jù)和平號(hào)空間站的航天員回憶,站上由于大量的設(shè)備、器材無序地堆積在一起,有時(shí)為了尋找一件急用的設(shè)備或器材,需花費(fèi)很大的精力和時(shí)間。為了解決因設(shè)備、器材堆積造成工作面狹窄、影響空間應(yīng)用開展的問題,國際空間站的美國實(shí)驗(yàn)艙和俄羅斯實(shí)驗(yàn)艙已推廣使用一種“可更換有效載荷”的通用工作平臺(tái)。7.考慮不同的空間應(yīng)用任務(wù),保證建筑和建造的協(xié)同發(fā)展國際空間站之類超大型航天器不可能在地面造好后,整體發(fā)射入太空,必須而且只能采取化整為零,邊建造、邊應(yīng)用的發(fā)展模式。這種建造模式符合螺旋式發(fā)展的規(guī)律,有利于籌措資金,化解難點(diǎn),但它必須把建造和應(yīng)用兩個(gè)目的和要求不同的任務(wù)綜合考慮,統(tǒng)籌安排,盡量減少相互間的矛盾和干擾,使應(yīng)用與建造同步協(xié)調(diào)發(fā)展:一方面要根據(jù)建造過程中空間站的配置和環(huán)境的改變,預(yù)先規(guī)劃、安排空間應(yīng)用任務(wù),保證科學(xué)與技術(shù)研究的持續(xù)進(jìn)行,不因繁重的裝配建造任務(wù)受到過大的影響;另一方面,要根據(jù)不同的空間應(yīng)用任務(wù)對空間站的配置和狀態(tài)提出不同要求,保證必要的應(yīng)用條件。例如,天文學(xué)觀測要求空間站相對于太陽、月球或某個(gè)天體目標(biāo)具有特定的位置和姿態(tài);對地觀測要求空間站的飛行軌道經(jīng)過某地區(qū)上空及觀測地區(qū)有良好的光照和氣象條件;材料科學(xué)、納米科學(xué)和生物工程等科學(xué)實(shí)驗(yàn)要求保持嚴(yán)格的微重力環(huán)境;有的科研實(shí)驗(yàn)必須安排在特定的時(shí)刻或要求周期性重復(fù)進(jìn)行;有的對時(shí)間窗口有一定的要求。為此,必須建立包括空間站的物理配置、功能特性、技術(shù)性能、人員操作及天地控制大回路等因素的多任務(wù)、多目標(biāo)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型,利用數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)、分析、編制和評估滿足空間應(yīng)用要求的綜合規(guī)劃和協(xié)調(diào)程序。8.空間應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)的控制設(shè)備故障和人為操作失誤是長期性空間站等大型航天器在所難免的。站務(wù)管理的主要任務(wù)之一就是對有效載荷設(shè)備的故障與失誤進(jìn)行檢測、診斷、評估、排除及系統(tǒng)重構(gòu)。早期,和平號(hào)空間站上空間應(yīng)用設(shè)備故障和操作失誤時(shí)有發(fā)生,影響空間站應(yīng)用的效果。國際空間站俄羅斯實(shí)驗(yàn)艙在2001～2006年間空間應(yīng)用方面發(fā)生的故障統(tǒng)計(jì)見表6。因此,在編制空間站的應(yīng)用方案時(shí),應(yīng)針對建造過程中的每一階段或每一時(shí)期制訂與站務(wù)管理操作程序相容的“空間應(yīng)用操作程序表”(簡稱“日程表”),嚴(yán)格按照“日程表”執(zhí)行應(yīng)用任務(wù),盡