文/ 杜危

▲ 天空實驗室在軌期間的照片，沒有參照物很難體會到它的龐大

如果是第一次看見美國天空實驗室的照片，第一印象大概與一顆擁有太陽能帆板的普通衛(wèi)星并無不同。但這僅僅是在太空中沒有參照物造成的假象。實際上，天空實驗室的尺寸比一般人想象的要大得多：長36米，主體直徑6.7米，重達90.6噸，而由約20個大型模塊歷經(jīng)數(shù)十次發(fā)射才拼接成的國際空間站總重約420噸。天空實驗室一次發(fā)射的質(zhì)量就超過了國際空間站的1/5。

閃亮登場

在美蘇太空爭霸中美國阿波羅計劃大獲成功，蘇聯(lián)不甘示弱，把目標投向空間站的建設，美國當然不可能眼睜睜看著蘇聯(lián)搞這個，也開始論證自己的空間站。

“阿波羅17號”成功登月后，“阿波羅18”到“20號”被取消。由此一來美國宇航局便多出3枚沒有使用的土星5號運載火箭，這也使天空實驗室的計劃正式提上日程。登月使用的“土星5號"共有三級，發(fā)射天空實驗室時則做了較大的改動——只使用兩級火箭，原本第三級的位置直接裝載體積龐大的天空實驗室。

▲ 在天空實驗室內(nèi)航天員的合影

▲ 正在建造中的天空實驗室地板

天空實驗室設計前衛(wèi)，由4個主要部分組成。半徑最大的軌道工作艙是航天員工作、生活的場所，配備有科研設備、維生設備、廢物回收設備等，兩側(cè)有兩面巨大的主太陽能板，為實驗室提供約1萬瓦的主要電力。與之相鄰的是氣閘艙，是航天員進行出艙活動的準備場所。半徑較窄的是對接艙，負責與運輸航天員及補給物資的阿波羅飛船對接。擁有四面十字形小太陽能帆板的是阿波羅太陽望遠鏡，可以拍攝太陽的紫外光線和X射線等照片。在發(fā)射階段，望遠鏡與其他艙段在同一條軸線上，入軌之后向側(cè)面翻轉(zhuǎn)，把對接口暴露出來以供阿波羅飛船對接。

美國宇航局的工程師為天空實驗室設計了一層微隕石防護罩。天空實驗室發(fā)射入軌后，防護罩會被16個扭力桿略微展開，讓防護罩和工作站外壁間形成一個真空夾層。這層防護層既是“金鐘罩”，能一定程度上降低空間隕石撞擊的危害，又是“隔熱服”，可以抵擋宇宙射線，為航天員營造安全舒適的溫度環(huán)境。

坎坷出世

1973年5月14日，龐大的“土星5號”拖著百米長的火舌，奔向浩瀚的太空。這是傳奇的“土星5號”最后一次發(fā)射任務，僅用時10分鐘便把龐大的天空實驗室送入了440千米高度的近地軌道?？刂浦行牡娜藗兌颊J為“土星5號”前12次發(fā)射都獲得成功，這次任務也會萬無一失，負責運送天空實驗室機組航天員的土星IB運載火箭也計劃于次日發(fā)射升空，快速與天空實驗室對接并展開實驗。

▲ 天空實驗室結(jié)構(gòu)

令人始料不及的是，這些看似完美的前期設計與準備工作卻在接下來的任務中帶來了不小的麻煩。天空實驗室在入軌后，下行遙測信號就顯示了異常：報告稱微隕石防護罩過早展開。大家起初認為只是遙測信號出錯了。而最大的兩片太陽能帆板計劃在發(fā)射后41分鐘展開，但是休斯頓報告稱太陽能電池帆板發(fā)出的遙測信號也不穩(wěn)定，地面一次次向天空實驗室發(fā)出了打開太陽能帆板的指令，但是無濟于事。工程師們重新審視了發(fā)射階段的各項數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在“土星5號”發(fā)射后1分鐘左右，橫向加速度發(fā)生異常，這表明發(fā)生了未知的結(jié)構(gòu)損壞。哪里出了幺蛾子？

除了微隕石防護罩與太陽能帆板工作異常外，工作艙的溫度竟然在瘋狂上升。天空實驗室外部的溫度傳感器示數(shù)直逼82℃并且超出了量程，艙內(nèi)溫度計示數(shù)也上升到了40℃——這一切似乎都表明，抵擋宇宙射線輻射的微隕石防護罩不見了，這可真是糟糕透了。經(jīng)過初步估計，如果不進一步加以干預，天空實驗室內(nèi)攜帶的食品大部分會變質(zhì)，為航天員準備的藥品也會悉數(shù)失效，更可怕的是如果溫度進一步升高，天空實驗室外壁絕熱的聚氨酯泡沫會分解出一氧化碳和氰化氫等低濃度也會致命的危險氣體。

天空實驗室這個“離弦之箭”，把它搬回廠房維修是不可能了，只好緊急叫停次日運送第一批航天員的發(fā)射，以供地面工作人員尋求解決辦法。規(guī)模空前的太空營救任務在不知所措、毫無準備、手忙腳亂中拉開了序幕。

頭腦風暴

情況也沒有想象中的那么糟糕——雖然兩面主太陽能帆板無法正常工作，但是阿波羅太陽望遠鏡的四塊較小太陽能帆板正常展開了，其提供的功率可以維持地面站與天空實驗室的基本聯(lián)絡與簡單操控。

▲ 天空實驗室發(fā)射前，一枚土星5號運載火箭（左）和一枚土星IB運載火箭（右）整裝待發(fā)

▲ 天空實驗室與太陽光直射以及45°斜射示意圖

為了進一步降低溫度、減少能耗，工程師們還關(guān)閉了天空實驗室內(nèi)所有的加熱設施。半徑較大的工作艙溫度得以控制，但是另一個棘手的問題出現(xiàn)了——由于氣閘艙半徑較小，被工作艙與阿波羅太陽望遠鏡遮蓋較多，同時內(nèi)部的加熱器悉數(shù)關(guān)閉，所以氣閘艙內(nèi)的溫度持續(xù)降低，甚至接近冰點。天空實驗室內(nèi)一端熾熱難耐，一端則是極度酷寒，冰火兩重天。沒錯，天空實驗室內(nèi)的溫度也不是越低越好，在氣閘艙內(nèi)放著價格不菲的艙外活動航天服，航天服管路內(nèi)的冷卻水若是結(jié)冰，可能導致管路破裂，將會對航天員生命造成嚴重威脅。工程師們只能每隔一段時間調(diào)整天空實驗室的姿態(tài)，使氣閘艙升溫，不斷地來回調(diào)整，消耗了不少燃料。

馬歇爾航天中心內(nèi)各路專家云集，群策群力，八仙過海，各顯神通。在事故后幾天內(nèi)收集到了不少臨時隔熱方案。經(jīng)過緊張而高效的討論，兩個可行性最高的方案被納入最終實施流程中。

▲ 馬歇爾航空中心工程師們緊急討論遮陽方法的黑板

一種方案是通過工作艙的科學氣閘部署一張遮陽傘。天空實驗室在工作艙外壁設計了兩個長寬各20厘米的氣閘，原本是用來方便航天員不出艙即可向外太空環(huán)境中布置試驗樣品的，不曾想這次“無心插柳柳成蔭”。這個方案的難點在于如何設計一把捆起來長寬不超過20厘米，展開后卻可以鋪展幾十平方米，同時有強大隔熱能力的傘。

▲ 正在地面水箱內(nèi)接受測試的遮陽簾，航天員身前的就是兩根長桿

第二種方案是設計一面遮陽簾。如果科學氣閘在目前還未知的故障中也損壞了，遮陽傘無法部署怎么辦？所以工程師認為可以將阿波羅太陽望遠鏡的支架作為固定點，工作艙尾部尋找另外兩個固定點，通過這三點架起兩根橫桿以在天空實驗室外鋪展一張遮陽簾。這個方案也有實施難度，天空實驗室外沒有設計航天員抓握的扶手，如何將橫桿固定在工作艙尾部是對航天員的重大挑戰(zhàn)。

▲ 科學氣閘

▲ 在地面進行試驗的遮陽傘

兩個方案相比來看，通過科學氣閘部署遮陽傘是更加簡單快捷的辦法，所以被選定為首選方案，遮陽簾則為備選方案。

對于遮陽簾方案，因為沒有過多體積限制，很快便有了成果。遮陽簾由兩根17米長的桿子支撐，每根桿子可以折疊為11根短桿，由設計精巧的互鎖軸承連接。做出初樣后，航天員在模擬水池中成功拼接了長桿，并成功展開了暫時用漁網(wǎng)代替的遮陽簾，遮陽簾方案可行性得到充分的驗證。下一步就是生產(chǎn)帶有防輻射涂層的遮陽簾了。

▲ 正在加緊時間趕制遮陽傘的阿麗恩·貝克爾

遮陽傘方案在推進中遇到了不少麻煩，長寬只有20厘米的限制實在是捉襟見肘。若是追求遮陽傘體積的最小化，那么遮陽效果與材料耐久度將會大打折扣，前期設計的尼龍、聚氨酯薄膜和金屬鋁組成的復合材料在紫外線下有顯著的變質(zhì)。若是追求遮陽效果的最優(yōu)化，像是遮陽簾方案在薄膜表面加一層耐輻射涂層，那么遮陽傘體積就會超出氣閘限制。

同時，遮陽簾方案生產(chǎn)帶涂層的遮陽材料時也遇到了新的問題，像油漆一樣的涂層需要較長時間來干燥，這一段時間可能錯過天空實驗室營救的最佳時機。經(jīng)過幾次討論，工程師們達成共識——遮陽傘依舊作為首選方案，第一組航天員攜帶無涂層的輕質(zhì)遮陽傘首先部署，在短時間內(nèi)解決有無的問題。在遮陽簾生產(chǎn)完畢后，發(fā)射第二組航天員部署帶涂層的遮陽簾，徹底解決遮陽問題。

美國宇航局找來了縫紉女工阿麗恩·貝克爾，在工程師指導下連夜縫制遮陽傘，幾乎是在發(fā)射前最后一刻被放入了阿波羅飛船內(nèi)。

太空搶險

1973年5月25日，指令長皮特·康拉德、保羅·韋茨和約瑟夫·科爾文三人組成的天空實驗室 2機組乘土星IB運載火箭從肯尼迪航天中心的LC-39B發(fā)射臺發(fā)射升空。他們帶著遮陽傘，也帶著全體科研人員和全國民眾的期盼，大約6個小時后順利接近了天空實驗室。

首先他們對天空實驗室繞飛檢查，發(fā)現(xiàn)一面主太陽能帆板完全脫落，不知所蹤；另一面主太陽能帆板則被損壞的微隕石防護罩碎片纏繞，無法正常展開，與地面初期的判斷相吻合。幸運的是，科學氣閘沒有被遮擋，也未被損壞，展開遮陽傘的計劃得以正常進行。

首先，康拉德判斷他們可以先把受困的太陽能帆板展開。康拉德負責操控阿波羅飛船接近天空實驗室，韋茨負責使用特制的超長電纜剪破壞纏繞太陽能帆板的微隕石防護罩，科爾文負責協(xié)助韋茨站穩(wěn)腳跟。韋茨嘗試使用接近五米長的電纜剪剪斷纏繞太陽能帆板的金屬條，但是在太空中很難用上力氣。同時金屬條上的螺釘像鉚釘般扎入太陽能帆板中，韋茨幾經(jīng)努力，金屬條也不為所動。在用力的過程中，阿波羅飛船甚至加速飛向天空實驗室，康拉德小心地開啟姿控發(fā)動機保持與天空實驗室的安全距離。幾經(jīng)試探依舊沒有任何成效，他們3人也都筋疲力盡，束手無策。

▲ 損壞的微隕石防護罩和被纏繞的太陽能帆板，右側(cè)可以清楚地看到纏繞太陽能板的金屬條

▲ 藝術(shù)家保羅·菲杰德創(chuàng)作的“太空拔河”想象圖

▲ 科學氣閘清晰的照片，其周圍的天空實驗室外壁已經(jīng)被太陽灼燒發(fā)黑

▲ 天空實驗室 3的機組成員離開時拍攝的照片，可以清楚地看到兩層金色的遮陽結(jié)構(gòu)，下層為天空實驗室 2部署的遮陽傘，上層是天空實驗室 3部署的遮陽簾

康拉德只好操控飛船與天空實驗室對接。航天員終于來到這座他們又愛又恨的天空實驗室內(nèi)，迎接他們的是“像沙漠一樣干燥的熱浪”。幸運的是天空實驗室內(nèi)并沒有產(chǎn)生有毒氣體。

航天員們迅速進入工作狀態(tài)，用了兩個小時組裝好遮陽傘，并通過科學氣閘將遮陽傘在天空實驗室外展開。不一會就有了立竿見影的效果，天空實驗室內(nèi)的溫度逐漸下降，穩(wěn)定在了比較舒適的25℃左右。天空實驗室也不需要繼續(xù)保持45℃的傾角，可以直面太陽進行發(fā)電了。

僅僅依靠阿波羅太陽望遠鏡的四面小太陽能帆板還是不夠的，當務之急是如何展開主太陽能帆板。通過航天員的觀察以及地面工程師們的分析，花了四天時間制定并在地面成功驗證了一個稍有難度的任務，簡單來說就是雖然天空實驗室沒有設計航天員抓握的扶手，但航天員可以自行搭建扶手：使用延長的電纜剪在遠處鉗住纏繞的金屬條，一名航天員就可以順著電纜剪的桿子移動到太陽能帆板旁，近距離清除金屬條，并且連接一根尼龍繩在太陽能帆板上，以拉開被卡住的太陽能帆板。

▲ 天空實驗室 2的機組成員離開時拍攝的戰(zhàn)果——遮陽傘與展開的太陽能帆板

在8米外使用延長的電纜剪捕捉幾厘米寬的金屬條很有難度，科爾文極度緊張，嘗試多次依舊無法對準。他把自己綁在阿波羅太陽望遠鏡的衍架上，雙手同時操作，幾經(jīng)試探終于鉗住了金屬條?？道马樦鴹U子小心翼翼地來到太陽能帆板旁，近距離輕易地剪斷了那根可惡的金屬條，太陽能帆板緩慢展開些許，但是依舊因為阻尼器卡死無法完全展開。

按照預定計劃，那根綁在太陽能帆板上的尼龍繩就派上了用場，他們合作展開了一場太空拔河賽，使出全身力氣，成功地使太陽能帆板完全展開！

獲得大量電能的天空實驗室如獲新生，康拉德和科爾文本次太空行走用時3小時25分，也破了當時太空行走的世界紀錄。天空實驗室終于可以正常地進行科研工作了。

1973年7月28日，3名 天 空實驗室 3的機組乘員升空后操作飛船與天空實驗室對接，成功部署了帶有涂層的遮陽簾，徹底解決了天空實驗室“發(fā)燒”問題。地面工程師與天上航天員團結(jié)協(xié)作，以他們的聰明才智和毅力挽救了這個耗資25億美元的計劃。

▲ 航天員在天空實驗室內(nèi)收集有關(guān)長期宇宙環(huán)境對人類影響的醫(yī)學數(shù)據(jù)

▲ 天空實驗室再入大氣層時的視頻截圖

曲終人散

天空實驗室先后迎來了三批次共9名航天員駐留。其間開展了百余項實驗，獲得了大量科研成果，在物理學、生命科學、材料科學、地球觀測甚至電影技術(shù)領(lǐng)域均有成果。其中里卡爾多·賈科尼因其對X射線天文學的研究及天空實驗室上太陽輻射的研究而獲得了2002年諾貝爾物理學獎。

在天空實驗室4機組離去時，他們抬升了天空實驗室軌道的高度，希望天空實驗室能堅持到航天飛機的到來。遺憾的是由于美國宇航局當時經(jīng)費緊張，航天飛機的研制進度遲緩，天空實驗室的軌道高度衰減也快于預期，在近6年的孤獨等待后，1979年7月11日，天空實驗室再入大氣層，化作一道絢麗的火光在地球大氣層中熊熊燃燒，少量碎片掉落在澳大利亞西南部的無人區(qū)。

天空實驗室在軌期間的研究內(nèi)容極大推動了科學技術(shù)的發(fā)展。她的落幕也是令人遺憾的，在她化作流星后的第三年，1981年4月12日，美國宇航局的哥倫比亞號航天飛機首飛成功。從此開始，人類探索宇宙的歷史又掀開了新的篇章。