美国宇航局ISS项目集成办公室的任务分析与集成小组的杰克·培根解释了围绕国际空间站及其使用的复杂性。
在NASA考虑的众多不同方案中,最终决定将国际空间站设计成尽可能提供最纯净的零重力环境,以促进从物理学到生命科学等各个领域的实验。仅这一项要求就带来了巨大的结构挑战,增加了项目的成本和复杂性。
卫星维修的主要问题是,你的服务平台必须从卫星运行的同一轨道平面开始。空间站只能为例如轨道倾角为赤道51.6度的卫星提供潜在的服务地点,除此之外还有其他严格的要求。任何特定的卫星满足这些条件的可能性都很小。如果你把轨道上的卫星想象成跑道上的跑步者,很明显,只有你也在这条跑道上,你才能与跑步者会合并保持在一起。改变高度和与卫星的相位就像改变车道一样简单。然而,太空中的每条“跑道”都有不同的方向。从一条轨道跳到另一条轨道需要大量的能量。即使是一度的轨道平面改变也会使空间站消耗近12公吨的推进剂,这比我们想要修复的几乎任何航天器的质量都要大,我们需要在一次燃料补给任务中发射的质量更大。
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大多数卫星的轨道倾角比空间站的轨道大得多。同样,大多数卫星也没有足够的推进剂来改变自己的轨道平面,因此它们无法到达空间站。一个拖船需要大量的推进剂进行两次往返——一次是取回卫星,另一次是将卫星重新定位。由于大多数卫星的飞行高度远高于空间站,并且位于截然不同的轨道上,因此改变轨道以取回它们需要太多的推进剂质量。(注意:发射场与卫星或空间站的轨道平面对齐的时间非常有限,这就是为什么会合任务的每日发射窗口如此短的原因。如果我们在一开始没有对齐,我们根本无法负担改变轨道平面的推进剂。)
在空间站内部的常压环境下操作真正的航天器会带来实际问题。每个航天器一旦进入轨道,都会使用烟火机制部署阀门和其他仪器,为进一步的飞行操作做准备。在常压环境中放置未爆炸的烟火装置是不明智的,但部署精巧的天线,或者更糟糕的是,打开高能推进剂隔离阀(它会锁定当两种成分混合时会点燃的燃料)也是危险的。空间站内的空气是经过仔细保存的,因此任何有毒风险(如推进剂)都可能造成灾难性的后果。宇航员不像地面上的工作人员那样拥有无限量的新鲜空气供应。
即使选择接受在载人密封容器内处理航天器的风险,我们也会面临最后一个问题,即如何建造足够宽的舱室或足够坚固的门,以便将大型航天器放入其中。运载火箭的空气动力学限制了有效载荷的直径约为五米。即使假设你选择只在墙壁之间留出几厘米的间隙,我们仍然会面临如何将航天器进出舱室末端的问题。一个五米的大门在承受大气压力的情况下必须承受近200吨的力,这意味着螺栓和密封件必须每16厘米承受一吨的拉力。这导致了一些巨大的框架和螺栓(或钩子),即使是一个非常拥挤的机库也难以设计、建造和发射。
尽管将空间站作为进一步部署离开地球轨道环境的航天器(如韦伯望远镜和前往月球或火星的任务)的中转基地的前景更加乐观,但这种装配需要在航天器与空间站对接的真空环境中进行。从空间站发射到月球、火星或其他点的发射窗口发生的频率将远低于地面。例如,从空间站发射到月球的发射窗口大约每 10 天出现一次。火星则更少见。从旋转的地球上,我们可以每天选择一个发射窗口,使其与我们到达月球或目标行星的轨迹平面对齐。月球绕地球的 29 天轨道有助于使国际空间站每 10 天与月球对齐一次,但火星的相对运动非常小,我们必须等待轨道进动才能使其对齐,大约每 30 天左右才能对齐一次。