• 本文转载自台北天文馆《台北星空》第 103 期
  • 文／徐丽婷｜政大应用物理所兼任助理教授

国际太空站（International Space Station，ISS）是地球轨道上最大的卫星，也是太空中最大的人造物体，其大小约有一个足球场这麽大，有时候我们从地表用肉眼就可以看到它快速地在夜空中划过。国际太空站在距离地球表面 400 公里高的低地球轨道上运行，并且以每秒约 7.7 公里的速度绕行地球。以这个速度绕地球一圈只需要 93 分钟，所以太空站每天会绕行地球 15.5 圈（这也表示太空站上的太空人每天可以看 15 次以上的日出与日落）。

冷战时代的太空竞赛

设置国际太空站的目的，主要是作为太空实验室、天文台，以及为未来可能的月球和火星登陆计划提供运输、维护和中继站的服务。在 2010 年美国国家太空政策中，国际太空站更被赋予了为商业、外交和教育服务的额外目的。

然而，最初设立太空站的想法，其实是源自於冷战时期美国与苏联的太空竞赛。苏联在 1980 年代已经率先发射了模组化的太空站到地球轨道上，而美国政府担忧苏联拥有比美国更强大的核武攻击力量，因此在 1984 年提出了「战略防御计画」，又称为「星战计画」（Strategic Defense Initiative， 或称 Star Wars Program），其目标是要建造太空中的反弹道飞弹系统，以阻止敌方的洲际飞弹和太空飞行器。美国太空总署提出的自由号太空站（Space Station Freedom）计划就是这个「星战计画」的一部分，雷根总统更在 1984 年宣示将在 10 年内完成太空站的建设。

但是由於太空站预算庞大、加上 1986 年挑战者号太空梭的爆炸意外，太空站计划不断地被延宕。一直到 1991 年苏联解体後，冷战正式结束，美国和苏联的太空竞赛也失去了意义。冷战结束後，美国总统柯林顿於 1993 年宣布结束自由号太空站的计划。同年，在美国副总统高尔的推动下，美国太空总署开始与俄罗斯联邦太空总署协商合作建立太空站的构想，这也促成了两国初步的太空合作计画：「太空梭–和平号计划」。

国际太空站的前身：太空梭–和平号计划（1993–1998）

国际太空站的成立主要分为二个阶段：第一阶段是从 1993 到 1998 年，由美国太空总署（NASA）和俄罗斯联邦太空总署（Roskosmos）所合作的「太空梭–和平号计划」（ShuttleS–Mir Program），而这个计划也可以说是国际太空站的前身（见图 2）。

其中俄罗斯在 1986 年升空开始兴建的和平号太空站（space station Mir），是世界上第一个模组化的太空站，也是第一个让人类可以长期居住的太空研究中心。在这个「太空梭–和平号计划」其间，NASA 一共执行了 11 次太空梭任务，并且派了 7 名美国太空人长驻在和平号上（累计将近 1000 天）向俄罗斯太空人学习长时间的太空生活经验、操作太空站、太空漫步训练、和进行各种科学实验。其目的就是为了建造之後的国际太空站而作准备。

2001 年，因为和平号太空站的设备老化且缺乏维修经费，俄罗斯联邦太空总署决定将其坠毁於地球大气层，而其碎片则是掉入南太平洋海域中，结束它长达 15 年的太空服役生涯。

国际太空站（1998–现在）

国际太空站目前由五个太空机构联合运作，包括美国太空总署（NASA）、俄罗斯联邦太空总署（Roscosmos）、日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）、加拿大太空总署（CSA）和欧洲太空总署（ESA）。最初在命名国际太空站时是提议称之为「阿尔法太空站」，但是俄罗斯方面并不赞成「阿尔法」（Alpha，α 是希腊字母表里的第一个字母）这个名字，因为「阿尔法」有表示「第一个」的意涵。事实上俄罗斯的和平号才是第一个模组化的太空站，所以他们认为国际太空站的名字应该称作「贝塔」（Beta，β 是希腊字母表里的第二个字母）会更合适。在各国商谈之後才决定直接定名为「国际太空站」（International Space Station）。

1998 年 11 月，国际太空站的第一个模组：俄罗斯的曙光号功能货舱（Zarya）发射升空；同年 12 月，美国的团结号节点舱（Unity）发射进入轨道并与曙光号连接；2000 年 7 月，俄罗斯的星辰号服务舱（Zvezda）升空与太空站连接。星辰号服务舱主要是提供太空人的生命维持系统，包括太空人睡眠的区域、健身器材、饮用水装置、厨房设备、厕所以及其他卫生设施。这些设备都是为了 2000 年 11 月首批登上国际太空站的太空人做准备。（图 3 的三张照片可以看到最初三个模组陆续建构太空站的演进。）

国际太空站的架设工作一直持续到 2002 年。不幸的是，在 2003 年发生了哥伦比亚号太空梭（Columbia）的失事事件，NASA 停飞了所有的太空梭，国际太空站的建设也因此受到拖延。在太空梭停飞的两年半里，太空人的物资完全依赖俄罗斯联盟号（Soyuz）太空船的输送，一直到 2005 年 NASA 太空梭才再度重返太空。之後太空梭连续运送了大量的桁架与太阳能板到太空站上组装（见图 4）。日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）於 2008 年也加入了建造国际太空站的行列，陆续在太空站增设了希望号实验舱（Kibo）；2012 年，美国太空探索科技公司（SpaceX）发射了第一艘商业用太空船飞龙号（Dragon spacecraft）。

国际合作太空站的组装

目前国际太空站的空间大小约为 1,000 立方公尺，总质量约 41 万公斤。整个站体长约 108 公尺，宽约 74 公尺（大概是一个足球场的大小）。要建造完整的太空站，需要 40 多次的太空飞行任务才能达到。到 2020 年为止，NASA 太空梭一共执行了 36 次任务来运送国际太空站的模组，另外负责运送模组的还包括俄罗斯的质子号（Proton）和联盟号（Soyuz）运载火箭，以及美国太空探索科技公司的「猎鹰 9 号」（SpaceX Falcon–9）。太空站的模组主要是先在地面上建造完成，再运送到太空中组装。

下面列出一些规模较大的太空站模组：

  • 曙光号功能货舱（Zarya，於 1998 年11 月升空）
  • 团结号节点舱（Unity，於 1998 年 12 月升空）
  • 星辰号服务舱（Zvezda，於 2000 年 7 月升空）
  • 命运号实验舱（Destiny Laboratory Module，於 2001 年 2 月升空）
  • 协和号节点舱（Harmony，於 2007 年 10 月升空）
  • 哥伦布号实验舱（Columbus orbital facility，於 2008 年 2 月升空）
  • 日本希望号实验舱（Japanese Experiment Module，又称 Kibo，於 2008~2009 年间分批发射升空）
  • 综合桁架结构与太阳能板（於 2000~2009 年间分批发射升空）
  • 科学号实验舱（Nauka，於 2021 年 7 月升空）

国际太空站在绕行地球的过程中，高度会逐渐下降。为了维持太空站的轨道高度，会以太空站的推进系统、或是以来访的飞行载具引擎来提供推力，藉此推高太空站的轨道高度。太空站所在的低地球轨道上，同时也存在很多太空碎片。前面所提到的改变太空站轨道高度的方法，也可以应用在避开太空碎片撞击的操作上（Debris Avoidance Manoeuver， DAM）。万一太空站来不及执行 DAM 以躲避太空碎片，那麽所有的太空人将会集合到俄罗斯的联盟号（Soyuz）太空船上，若太空站受到严重破坏时就可以紧急撤回地球。这样的紧急疏散事件在 2009、2011、2012 和 2015 年都虚惊过一次，但只有进入联盟号，没有撤离。

国际太空站上的实验

由於国际太空站以高速绕着地球转，太空站上的地心引力与离心力几乎相互抵消。但是实际上，太空站上的重力环境其实并非是全然的「零重力空间」，而是还受到非常微小的重力影响，我们称之为「微重力环境」（micro-g environment）。太空站设立的其中一个重要目的，就是做为在微重力环境下的实验室，其研究领域包括天文生物学、天文学、气象学、物理学、材料科学和太空天气等。

在微重力的环境下研究植物生长、流体力学、材料合成、燃烧现象和结晶过程等，都有助於科学家更加了解在无重力下的各种物理现象。例如，图 6 是非常着名的火焰实验：在太空中燃烧的火焰会因为在微重力的环境下变成圆形的。另外一个重要的实验，是研究长期在太空中生活对人体的影响，包括肌肉萎缩和骨质流失等问题。研究显示长时间的太空旅行可能会造成太空人有重大骨折的风险，所以现在太空站上装有为太空人设计的健身器材，让太空人每天都能有固定的运动量，以防止肌肉萎缩及维持人体循环系统的健康运作。

国际太空站的未来发展

在太空站上的各项实验与仪器测试，对於 NASA 即将执行的重返月球计画以及之後的火星登陆计画尤其重要。除了累积在太空中操作与维修各种仪器的经验之外，对於微重力、宇宙辐射和隔离对太空人身心健康的长期影响，也能研究出较可行的应对之道。

到 2010 年为止，国际太空站所花费的金额已经高达 1,500 亿美金，远远超过了最初的预算。虽然很多人对国际太空站未来的持续运作抱持着反对的意见，但是基於考量到未来重返月球与登陆火星的计画，2018 年美国国会还是通过相关法案，确定延长国际太空站的使用期限到 2030 年。

YouTube 相关影片：

参考资料：

  1. International Space Station
  2. Shuttle–Mir program
  3. Assembly of the International Space Station
  4. Strategic Defense Initiative
  5. 福尔摩沙卫星二号 10 周年专题报导-4
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