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再见,国际太空站?

2024-11-23 228


2001 年 3 月 23 日,俄罗斯和平号太空站运行 15 年之后坠落,残骸落于南太平洋;2011 年 3 月 4 日,美国地球观测卫星 Glory 发射升空后,发生运载火箭故障,坠入南太平洋;2018 年 4 月 2 日,中国天宫一号太空实验室落入南太平洋;2021 年 12 月 27 日,俄罗斯 Angara-A5 重型火箭发射测试失败,火箭残骸落入南太平洋海域。

如果观察更仔细,会发现这些飞行器落海点非常统一,都在南太平洋中央南纬48°52.6’西经123°23.6’,这里距任意陆地都有约2,685公里。如此特殊的地点自然有专属名字──海洋难抵极,也称为“尼莫点”(拉丁语意为“没有人”)。

尼莫点,地球表面距离陆地最遥远的点。

尼莫点是公认的“太空飞行器坟地”。1971年算起,已接纳近300个太空残骸。美国国家航空暨太空总署(NASA)2021年12月31日公告,国际太空站(ISS)将于2031年正式退役,之后残骸也将抛向这里。

续命

叱咤风云的ISS正在老去。2000年11月2日,NASA太空人威廉·薛佛及两名俄罗斯太空人谢尔盖·康斯坦丁诺维奇·克里卡廖夫、尤里·吉德津科,乘坐“联盟TM-31”飞船抵达ISS,成为第一批太空人。在这里,他们每隔45分钟就能观赏太阳升起或落下。

之后20多年,19国200多位太空人先后欣赏过奇景,并藉这片从太空窃取的稳定微重力环境,进行约3,000项科学研究,涉及生物、物理、生物医学、材料、地球和空间科学等多领域:气候感测器验证气候模型,提供地球气候环境变化资讯;空间科学仪器加深人类对中子星和暗物质等现象的认识;ISS工作人员自愿当测试对象,记录人类在微重力环境生活和工作等情形。

ISS另一个特殊意义在于,是美国和俄罗斯在太空领域的深度合作。ISS由美国美国国家航空暨太空总署和俄罗斯航太主导,欧洲、日本、加拿大、巴西太空机构联合,研发团队包括全球25个太空机构组织。

这是目前太空最大人造物体,最多同时承载10名以上人类。然而随着时间累积,ISS开始漏洞频出,大到冷却系统、氧气系统故障,小到实验体遗失、窗户破碎、厕所“罢工”。

ISS最初设计寿命只有短短15载。2015年,美国和俄罗斯航太部门签署协议,同意ISS使用寿命由2020年延长至2024年。2020年7月,NASA授予波音公司价值9.16亿美元合约,支持ISS延寿工作至2024年9月。合约框架下,波音公司为ISS活动提供工程技术支持服务、资源和人员,并负责管理系统。

眼看“退休”之日临近,NASA又于2021年12月31日发声明,宣布美国-将支持国际太空站运行再延长6年,退役时间延至2031年,同时希望与俄罗斯、加拿大、日本和欧洲等国际伙伴继续合作,直到这十年结束。

2月1日NASA发布《国际太空站过渡报告》(International Space Station Transition Report),视为ISS具体退役规划。不过与6年前众望所归相比,ISS此次退役延期却多了不少质疑声。

据《国际太空站过渡报告》,国际太空站技术寿命受主要结构限制,即模组、散热器和桁架等部分,其他系统如电力、环境控制和生命支援及通讯,在轨道上都可修复或更换。据负责ISS俄罗斯部分的程师弗拉基米尔‧索洛维约夫的公开采访,ISS俄罗斯部分搭载的基础设施系统至少80%已过使用期限,货运舱“Zalya”(ISS最老模组之一)表面出现多道小裂缝,“随着时间推移,裂痕有可能扩大”。

▲ 太空垃圾也曾在国际太空站的Canadarm撞出洞来。(Source:Canadian Space Agency)

俄罗斯副总理尤里‧鲍里索夫也公开表示ISS老化严重,又因太空站营运合约2024年到期,俄罗斯可能2025年后退出专案。不过俄罗斯航太国家集团(Roscosmos)总经理罗戈津表示,ISS个别舱段超期服役较严重,但结束专案为时尚早,与其他合作伙伴商讨后才能最终确定2024年后具体规划。不过他口中的“其他合作伙伴”对2024年后ISS何去何从,直到进入2022年都没有达成统一意见。

除了坠毁或出资维持ISS近地轨道运行,也有人提出可用推进设备把ISS推到外太空再利用。从动力角度这未必做不到,不过考虑到ISS的防辐射系统是根据距地400公里轨道研制,一旦失去近地轨道上千公里稀薄大气对宇宙射线的保护力,舱内辐射强度之高将无法保证太空人生存。考虑到重塑防辐射系统的投入,方案可行性几近零。

基于以上种种理由,有人认为ISS延期至2031年退役,极有可能是与中国天宫太空站较劲。天宫太空站预计2022年左右建成,设计寿命到2032年,一旦ISS坠毁,就将是唯一的人类太空站,一年空白,至少会让ISS目前合作方转身时犹豫一下。

从争霸到合作的产物

造出太空飞行器前,人们曾在1911年论文体验搭乘太空飞船登天的感觉。载人太空飞船从发射到进入轨道过程详尽呈现,人们因此看到超重和失重对人的神奇影响、失重状态下物体的奇异表现,以及地球景观、天空景色在不同高度视角的迷人之处。

论文作者、即康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基,后来成为现代宇宙航行学的奠基人。他最先论证了利用火箭进行星际交通、制造人造地球卫星和近地轨道站的可能性。

“地球是人类的摇篮,但人不可能永远生活在摇篮里”,百年来,这位航太之父的名言持续激励著航太领域的研究者前行。

60多年后,前苏联发射世界第一个太空站──“礼炮1号”,太空探索从此迈入新旅程。至1982年4月11日,前苏联共发射7座礼炮号太空站,在此基础上,构建了可进行宇宙物理、地球大气现象、医学、生物学、地球资源调查等各种科学研究和试验的巨大航太实验室。

▲ 礼炮家族。

礼炮号太空站的成功帮苏联壮大政治声望,也将美苏太空争霸推向白热化。

阿波罗计划之父华纳·冯·布朗1956年提出轮状太空站构想,认为这种构型可人为制造重力。礼炮1号发射成功2年后,美国启用阿波罗计划剩余物资,研制出军用背景“天空实验室”(Sky Lab)。但因燃料对接失误,Sky Lab提前1979年7月11日坠入大气层。

1984年1月25日,时任美国总统的雷根指示NASA开发“永久载人太空站,十年内建成”。NASA决心建立由3个独立轨道平台组成的太空站,进行微重力研究、地球及天体观测。这就是自由号太空站。为了控制成本,自由号太空站设计之后数次重大修改。

前苏联从1986年开始建设和平号太空站。这是人类第一个真正模组化太空站,随着舱段增加,研究和居住能力将随之不断提高,不过命运也很大程度没有取决于技术演进。几年后前苏联解体,美国和俄罗斯开始大幅削弱航太预算。

为了维持航太领域的发展,又因政治经济等因素推动,太空领域有了从竞赛转为合作的倾向。

1993年,美国进行是否让俄罗斯加入太空站的大讨论。移居美国的前苏联科学院太空研究所前所长萨格迪夫说:“后冷战时代,太空政策即是外交政策。”他列举美国应让俄罗斯加入太空站的缘由,包括帮助俄罗斯维护国民心中“太空强国”形象有利拉拢俄罗斯领导人、促使俄罗斯科学家不再局限于国内工作、为俄罗斯减少使用核武器提供动力等。这大部分也是美国-促进航空合作的原因。

这场讨论逐渐深化,在此背景下,ISS计划正式诞生。

1998年1月29日,美国、俄罗斯、日本、加拿大和欧洲太空总署参与国的代表签署太空站合作的最新-间协议。按照协议,美俄合作将分阶段进行:第一步是美国航太飞机登陆俄罗斯当时运行的“和平号”太空站,接着是美国和俄罗斯联合建设太空站,最后便是美国盟友也参与建造国际太空站。

协议签署10个月后,俄罗斯发射国际太空站在轨段第一个模组“曙光”舱。3周后,美国第一舱段“团结”舱透过奋进号航太飞机抵达,ISS建造就此开始,之后又历时12年,整个ISS才组装完毕。

ISS主体结构由苏联“和平2号”、美国自由号太空站融合,分别延伸为俄罗斯营运的俄罗斯轨道段(ROS)、美国及其他国家营运的美国轨道段(USOS)。每日环绕地球15.5圈,由17舱、10桁架、3外部装载平台及3维修系统组成,内部有两间浴室、健身设施和一处360度对外窗,是低地球轨道的最大卫星。有太空人比较,ISS的生活空间相当于波音747巨型飞机机舱。

天上的事也是地上决定

在美国、俄罗斯共同利益下,ISS建造完成,命运也同样受两国关系影响。接下来十年内如何对待或处理ISS,两国也多有分歧。俄罗斯一直对ISS颇有微词。罗戈津多次批评美国“过度自我中心”。2020年NASA授予波音公司高额合约后不久,他就说:“美国偏离ISS的相互支持原则。他们认为这是北约,而不是国际专案──有美国在,其他人都必须提供帮助并买单。”

俄罗斯希望专注建设本国专案,有意ISS退役前扩展俄罗斯舱段部分在轨能力,利用质子号和联盟号运载火箭发射科学号多功能实验舱、停泊号节点舱和科学动力舱,同时考虑待ISS退役后,以部分在轨舱段为基础建立俄国独立太空站ROSS。

▲ 俄罗斯能源火箭航太公司成立75周年纪录片的ROSS太空站方案。

2021年9月2日,罗戈津公开表示,ROSS部署计划将在5~6年内启动,2025年启动独立建设太空站计划,发射第一个核心舱,预计2030年前后运行。当然俄罗斯也有准备。同年6月15日举办的全球航太探索大会,罗戈津就表示,俄罗斯未来也可能派太空人上中国太空站,中俄双方正就此事商讨。

1月13日塔斯社报导,俄罗斯国家航太局和NASA正就ISS营运延长至2030年展开谈判。罗戈津表示,就Zarya模组的工程支援,双方已达成协议,2024年后由俄罗斯继续执行。

美国对ISS的最后心思──帮NASA回点血

美国多年推动ISS转为商业化,希望完全交给私人公司营运。1月31日,NASA总部ISS主任罗宾·盖滕斯说:“我们希望2030年前最大化太空站回报,同时过渡至商业太空目的地。”

据NASA资料,除了老化,ISS另一个问题是资金。延长太空站使用期限的前提下,每年需要冻结数十亿美元才能维持太空站运行。这无疑是笔庞大支出。一旦商业化,NASA将成为商业太空站客户之一,至少可分散维持太空站的花费。

为了推动ISS商业化,NASA已准备相当久。早在1990年代末便制定ISS商业发展规划,甚至列出价目表,但一直没有实质性进展。2019年6月,NASA再次推出ISS商业化规划,包括政策调整、为商业舱段留对接口,还发表低地轨道服务长期需求最低预测,以鼓励民间公司投资。

去年4月29日,NASA称相关公司对送私人访客上ISS兴致浓郁,需求之高甚至超出ISS容纳能力。以此为借口,NASA调整未来前往ISS的私人太空人任务收费策略,并称新价格反映支援这些任务的实际开销,“反映对超出太空站基线能力的资源之价值的全额补偿”。大概类似取消官方补贴。

照2019年6月最初价格政策,ISS对生保和厕所收费标准是每人每天11,250美元,食物和空气等其他机组补给物资收费标准是每人每天22,500美元。另有一些金额较小的收费专案如储物、用电和数据使用等。

照新价格政策,除了每人每天8.8万至16.4万美元费用,私人太空人每次任务还要缴纳520万美元太空站机组工时费,以及480万美元任务整合与基础服务费。

▲ ISS 新收费标准。

不过具体价格还可商谈,“鉴于私人太空人任务的复杂性和方案不同,任务应补偿价值也会不同。”

至于ISS商业营运权,NASA一度选定Axiom Space和Bigelow Aerospace两家公司。Bigelow计划利用国际太空站资源开展空间旅游专案,Axiom Space则试图利用国际太空站无重力、超洁净环境生产特殊材料。

疫情前Bigelow进度遥遥领先,2016年发射的BEAM模组已连结国际太空站实际使用,但疫情让Bigelow深受打击,2020上半年宣告破产,模组所有权也转给NASA。

Axiom专案则稳步推进,与NASA签署单独协议,协定2024年底开始,Axiom向ISS发射多个模组。这些模组最终将与ISS分离,在轨道形成民间操作的“自由飞行器”。2月2日Axiom得到首次飞往ISS的批准,3月30日可向太空出发。此次飞行任务将承载3名付费客户,报导每人支付5,500万美元。

2021年12月,NASA又向三家公司(Blue Origin、Nanoracks和Northrop Grumman)拨款4.15亿美元,以鼓励他们在地球轨道建造商业太空站。

据《国际太空站过渡报告》,NASA与Blue Origin、Nanoracks、Northrop Grumman和Axiom的协议是过渡计划1930年代刺激低地球轨道目的地商业化(CLD)两阶段的第一阶段。“第一阶段预计将持续到2025年”,报告指出。“至于ISS向CLD过渡的第二阶段,NASA打算为NASA机组人员及其他潜在进入者提供证明,以便他们之后使用CLD,之后再从目的地提供商处购买服务,让机组人员需要时使用。”这是复制NASA目前对往返ISS的私人太空人运输服务方案。

有CLD计划一大原因是SpaceX的成功。SpaceX拥有目前唯一能运送太空人来回ISS的商业太空飞行器,让NASA摆脱2011年终止航太飞机专案后,只能依赖俄罗斯将太空人送往ISS的窘境。NASA和SpaceX合作已有数年。

2014年,NASA曾授权两个价值数十亿美元的合约,之一给老牌航空公司波音,另一个给SpaceX。自2020年5月以来,透过Falcon9火箭和CrewDragon太空舱,SpaceX已经完成了多个载人往返轨道任务。至于波音载人飞船CST-100Starliner,仍需真的搭载太空人前进行无人试飞。

从国际太空站到商业前哨站的转变到底将为NASA节省多少资金?

据报告,“到2031年,预计节省约13亿美元;到2033年将增加到18亿美元”。这些资金将最终会投入NASA深空探索专案。某些观点认为,无论商业化努力最终有多大成果,NASA都必须在近地轨道保持一席之地。毕竟据公开数据,美国的ISS花费超过1,000亿美元,这些钱“可都来自纳税人”。

  • The International Space Station could fall from the sky in 2031. What happens next?
  • NASA Plans a Fiery End for the International Space Station by 2031
  • 美国延长国际空间站寿命 目标还是指向中国
  • International Space Station Transition Report
  • Russia’s Roscosmos and NASA in talks on extending operation of ISS until 2030

(本文由 品玩 授权转载;首图来源:pixabay)

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2022-02-18 12:02:00

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