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再见,国际空间站

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生产制造
作者:品玩
2022-02-14 12:42

文|白宁
       来源|品玩(微信号ID:pinwancool)

2001年3月23日,俄罗斯和平号空间站在运行15年之后受控坠落,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,我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;

……

如果观察得更仔细一点,我们会发现这些飞行器的具体落海点异乎寻常得统一,都在南太平洋中央南纬48°52.6′西经123°23.6′,这里距离任意陆地都有约2685公里。如此特殊的地点自然有专属名字——“海洋难抵极”,也被称为“尼莫点”(在拉丁语中意着“没有人”)。

尼莫点,地球表面距离陆地最遥远的地点。

尼莫点是公认的“航天器墓园”。自1971年算起,这里已经接纳接近300个太空残骸。根据美国国家航空航天局(NASA)2021年12月31日公告,国际空间站(ISS)将于2031年正式退役,之后残骸也将被抛向这里。

续命

叱咤风云的ISS正在老去。

2000年11月2日,NASA宇航员比尔•谢泼德以及两名俄罗斯宇航员谢尔盖•克里卡列夫、尤里•吉德津科,乘坐“联盟TM-31”飞船抵达ISS,成为它的第一批宇航员。在这里,他们每隔45分钟就能观赏一次太阳的升起或降落。

此后的20多年,来自19个国家的200多位宇航员先后欣赏过这种另类风景,并借助这片从太空中窃取的稳定微重力环境,进行了约3000项科学研究,内容涉及生物、物理、生物医学、材料、地球和空间科学等众多领域:部署的气候传感器验证了气候模型,提供了地球气候环境变化相关的巨量信息;空间科学仪器加深了人类对中子星和暗物质等现象的认识;ISS上的工作人员则自愿作为测试对象,记录了人类在微重力环境下生活和工作的适应情况……

当然,ISS的另一个特殊意义还在于,这是美国和俄罗斯在太空领域达成的深度合作。它由美国、俄罗斯两国航天局主导,欧洲、日本、加拿大、巴西的太空机构联合推进,研发团队包括全球25个太空机构和组织。

这是目前太空中最大的人造物体,曾同时最多承载过10名以上的人类。然而随着时间累积,ISS开始变得漏洞频出,大到冷却系统、氧气系统故障,小到实验体丢失、窗户破碎、厕所“罢工”,都曾发生在这片距离地球表面400公里之上的密闭航天器上。

ISS在轨结构示意图,图源杂志《国际太空》。

事实上,ISS最初的设计寿命只有短短15载。2015年,美国和俄罗斯的航天部门签署协议,同意ISS的使用寿命由2020年延长至2024年。2020年7月,NASA授予波音公司价值9.16亿美元的合同,用于支持ISS延寿工作至2024年9月。在该合同框架下,波音公司为站上活动提供工程技术支持服务、资源和人员,并负责管理站上系统。

如今,眼看“退休”之日临近,NASA又于2021年12月31日发表声明,宣布美国政府将支持国际空间站的运行再延长6年,将退役时间延迟至2031年,与此同时,希望与包括俄罗斯,加拿大,日本和欧洲在内的国际伙伴继续合作,直到本十年结束。

2月1日,NASA发布《国际空间站过渡报告》(International Space Station Transition Report ),这被视为ISS的具体退役规划。不过,与6年前的众望所归相比,ISS此次的退役延期却多了不少质疑的声音。

根据《国际空间站过渡报告》,国际空间站的技术寿命受到主要结构的限制,即模块、散热器和桁架等部分,其他系统,如电力、环境控制和生命支持以及通信,在轨道上都是可修复或可更换的。而根据负责ISS俄罗斯部分的工程师弗拉基米尔·索洛维耶夫的公开采访,ISS上俄罗斯部分搭载的基础设施系统中至少80%已经过了使用期限,其中,货运舱“Zalya”(国际空间站上最古老的模块之一)表面已经出现了多个小裂缝,“随着时间的推移,裂痕有可能扩大”。

太空垃圾也曾在国际空间站的Canadarm上撞出洞。

俄罗斯副总理尤里•鲍里索夫也公开表示过ISS老化严重,又因为空间站运营合约将于2024年到期,俄罗斯可能于2025年后退出该项目。不过,俄罗斯航天国家集团(Roscosmos)总经理罗戈津也表示,尽管ISS个别舱段超期服役较为严重,但结束该项目还为时尚早,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”对于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在近地轨道的运行外,也有人提出可以用推进设备把ISS推到地月空间再利用。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公里的轨道研制的,一旦失去近地轨道之上的上千公里稀薄大气对于宇宙射线的遮挡能力,舱内辐射强度之高将无法保证航天员生存。考虑到重塑防辐射系统所需投入,这个方案的可行性几近于零。

基于以上种种理由,有人认为,ISS延期至2031年退役,极有可能是一个针对中国天宫空间站的较劲行为。天宫空间站预计于2022年左右建成,设计寿命到2032年,一旦ISS坠毁,它将是太空唯一的人类空间站,而1年以内的时间空白,至少会让ISS目前的合作方在转身时犹豫一阵儿。

从争霸到合作的产物

造出航天器之前,人们曾率先在一篇1911年发表的论文中体验过搭乘宇宙飞船登天的感觉。论文中,载人宇宙飞船从发射到进入轨道的全过程被依次详尽呈现,人们因此看到了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下的迷人之处。

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,这位航天之父的名言持续激励着航天领域的研究者前行。

60多年后,前苏联发射了世界上第一个空间站——“礼炮1号”,太空探索从此迈入新的征程。至1982年4月11日,前苏联共发射了7座礼炮号空间站,在此基础上,构建了一个可以进行宇宙物理、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工艺试验的巨大航天实验室。

礼炮2号失败了。

礼炮号空间站的成功给苏联带来了巨大的政治声望,与此同时,也将美苏太空争霸推向白热化。

阿波罗计划之父冯·布劳恩在1956年提出了轮状空间站的构想,认为这样这种构型可以人为制造重力。礼炮1号发射成功2年后,美国启用阿波罗计划的剩余物资,研制出了军用背景的“天空实验室”(Sky Lab)。但因为燃料对接失误,Sky Lab提前于1979年7月11日坠入大气层,相比礼炮号空间站取得的成功,显然逊色多了。

1984年1月25日,时任美国总统的里根指示NASA开发一个“永久载人空间站,并在十年内建成”。为此,NASA决心建立一个由3个独立轨道平台组成的空间站,用于进行微重力研究、地球及天体观测。这就是自由号空间站。为了控制成本,自由号空间站的设计此后进行了数次重大修改。

前苏联从1986年开始建设和平号空间站。这是人类第一个真正的模块化空间站,随着舱段的增加,研究和居住能力将随之不断提高。不过它的命运也很大程度没有取决于技术本身的演进。几年后前苏联解体,之后无论是美国还是俄罗斯,都开始大幅削弱航天预算。

为了维持航天领域的发展,又因为政治经济等因素的推动,太空领域有了从竞赛向合作转变的倾向。

1993年,美国进行了一场是否应让俄罗斯加入空间站的大讨论。期间,移居美国的前苏联科学院太空研究所前所长萨格迪夫写道:“后冷战时代,太空政策即是外交政策。”他列举了美国应让俄罗斯加入空间站的缘由,包括帮助俄罗斯维护其在国民心中“太空强国”形象有利于拉拢俄罗斯领导人、促使俄罗斯科学家不再局限于国界内工作、为俄罗斯减少使用核武器提供动力等。这大部分也是美国政府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,来自美国、俄罗斯、日本、加拿大和欧空局参与国的代表签署了一份关于空间站合作的最新政府间协议。按照协议,美俄合作将分阶段进行:第一步是美国航天飞机登陆俄罗斯当时运行的“和平号”空间站,接着是美国和俄罗斯联合建设空间站,最后便是美国的盟友也参与建造国际空间站。

协议签署10个月后,俄罗斯发射了国际空间站在轨段的第一个模块“曙光”舱。3周后,美国的第一个舱段“团结”舱通过奋进号航天飞机抵达,ISS建造就此开始,此后,又历时12年,整个ISS才组装建造完毕。

ISS的主体结构由苏联的“和平2号”、美国的自由号空间站融合而来,分别衍化为由俄罗斯运营的俄罗斯轨道段(ROS)、由美国及其他国家运营的美国轨道段(USOS)。它每日环绕地球15.5圈,由17舱、10桁架、3外部装载平台以及3维修系统组成,里面配备了两个浴室、健身设施和一处360度的窗,是低地球轨道上运行的最大卫星。有宇航员做过类比,ISS的生活空间,相当于波音747巨型飞机的机舱。

天上的事也是地上决定的

在美国、俄罗斯的共同利益下,ISS得以建造,其建成后的命运也同样受两国关系的影响。在接下来不到十年的时间里,如何对待或处理ISS,两个国家也多有分歧。

事实上,俄罗斯一直都对ISS的状况颇有微词。罗戈津过去曾多次批评美国“过度以自我为中心”。2020年NASA授予波音公司巨款合同后不久,他曾公开表示:“美国偏离了过去在ISS上达成的相互支持原则。他们认为这是北约,而不是国际项目——有美国在,其他人都必须提供帮助,并为此买单。”

俄罗斯希望可以专注于建设自己的项目,因此有意在ISS退役前,进一步扩展俄罗斯舱段部分的在轨能力,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本国独立的空间站ROSS。

俄罗斯能源火箭航天公司成立75周年纪录片中的ROSS空间站方案。

2021年9月2日,罗戈津公开表示ROSS的部署计划将在五六年内启动,2025年启动独立建设空间站的计划,发射第一个核心舱,预计于2030年前后投入运行。当然,俄罗斯也有双手准备。同年6月15日举办的全球航天探索大会上,罗戈津就表示,俄罗斯未来也可能向中国的空间站派遣宇航员,中俄双方正就此事商讨。

根据1月13日塔斯社报道,俄罗斯国家航天局和NASA正在就将ISS的运营延长至2030年展开谈判。罗戈津表示,就Zarya模块的工程支持,目前双方已达成协议,2024年后由俄罗斯继续执行。

美国在ISS上的最后心思——给NASA回点血

至于美国,多年来都在推动ISS转向商业化,希望完全交由私人商业公司运行。1月31日,NASA总部ISS主任罗宾·加滕斯说:“我们希望在2030年之前最大化空间站的回报,同时计划向随后的商业太空目的地过渡。”

根据NASA公布的资料,除了部件老化的问题,ISS面临的另一个问题是资金。在延长空间站使用期限的前提下,每年需要冻结数十亿美元才能维持空间站的正常运行。这无疑是一笔庞大的支出。而一旦完成商业化,NASA将成为这些商业空间站的众多用户之一,至少可以分散掉维持空间站的花费。

为了推动ISS的商业化,NASA已经准备了相当长时间。早在上世纪90年代末,它便制定了ISS的商业发展规划,甚至出台了价目表,但一直没有太多实质性进展。2019年6月,NASA再次推出了一项推进ISS商业化的规划,包括政策上的调整、为商业舱段留出一个对接口,还发布了其对低地轨道服务长期需求的最低预测,以鼓励私人公司的投身其中。

去年4月29日,NASA称相关公司对送私人访客到ISS兴致浓郁,需求之高甚至超出了ISS的接待能力。以此为借口,NASA调整了对未来前往ISS的私人航天员任务的收费策略,并称新价格反映了为这些任务提供支持的实际开销,“反映了对超出空间站基线能力的资源之价值的全额补偿”。这大概类似于取消了官方补贴。

按照2019年6月的最初价格政策,ISS对生保和厕所使用的收费标准是每人每天11250美元,对使用食品和空气等其他机组补给物资的收费标准是每人每天22500美元。另有一些数额较小的收费项目,涉及储物、用电和数据使用等。

而按照新的价格政策,除了每人每天8.8万~16.4万美元的费用外,私人航天员的每次任务还要缴纳520万美元的站上机组工时费,以及480万美元的任务集成与基础服务费。

ISS新收费标准

不过,涉及到具体价格还可以进一步商谈:“鉴于私人航天员任务的复杂性和任务方案各不相同,这些任务的应补偿价值可能会有所不同”。

至于ISS的商业运营权,NASA曾一度选定了Axiom Space和Bigelow Aerospace两家公司。Bigelow计划利用国际空间站资源开展空间旅游项目,而Axiom Space公司则试图利用国际空间站的无重力、超洁净环境生产特种材料。

疫情之前,Bigelow的进度遥遥领先,其2016年发射的BEAM模块已经连接在国际空间站上实际使用,但是疫情让Bigelow深受打击,这个航天公司在2020上半年宣告破产,该模块的所有权也被转移到NASA。

Axiom的项目则在稳步推进。它与NASA签署了一项单独协议,双方协定从2024年底开始,Axiom向ISS发射多个模块。这些模块最终将与ISS分离,在轨道上形成一个私人操作的"自由飞行器"。2月2日,Axiom得到了首次飞往ISS的批准,3月30日可以向太空出发。此次飞行任务将承载3名付费客户,据报道,每人均支付了5500万美元。

2021年12月,NASA又向三家公司(Blue Origin,Nanoracks和Northrop Grumman)共拨款4.15亿美元,以鼓励他们在地球轨道上建造私人空间站的努力。

根据《国际空间站过渡报告》,NASA与Blue Origin,Nanoracks,Northrop Grumman和Axiom的协议是过渡计划20世纪30年代刺激低地球轨道目的地商业化(CLD)两阶段中的第一阶段。"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机组人员以及其他潜在进入者提供证明,以便于他们此后使用CLD,之后再从目的地提供商处购买服务,让机组人员在需要时使用。”这基本复刻了NASA目前对往返ISS的私人宇航员运输服务实施的方案。

而CLD计划能够提出,一大原因是SpaceX的成功。SpaceX拥有目前唯一能将宇航员从ISS来回运送的商业航天器,这让NASA摆脱了2011年终止航天飞机项目后,只能依赖俄罗斯将宇航员送往ISS的窘境。至今,NASA和SpaceX的合作已持续数年。2014年,NASA曾授权两个价值数十亿美元的合同,其中一个给了老牌航空公司波音,另一个就给了SpaceX。自2020年5月以来,通过Falcon9火箭和CrewDragon太空舱,SpaceX已经完成了多个载人往返轨道任务。至于波音公司的载人飞船CST-100Starliner,则仍需在搭载宇航员之前,进行无人试飞。

那么,从国际空间站到商业前哨站的转变到底将为NASA节省多少资金呢?

根据报告,"到2031年,预计将节省约13亿美元;到2033年,节省数额将增加到18亿美元“。这些资金将最终投入到NASA的深空探索项目中。

一些观点认为,无论这些商业化努力最终取得多大成果,NASA都必须在近地轨道上保持一席之地。毕竟,根据公开数据,美国在ISS上的花费早已超过了1000亿美元,而这些人的钱“可都来自于纳税人”。

*参考资料:

https://edition.cnn.com/2022/02/04/tech/international-space-station-commercial-business-scn/index.html

https://www.scientificamerican.com/article/nasa-plans-a-fiery-end-for-the-international-space-station-by-2031/

https://news.ifeng.com/c/8CTxih8TF9w

https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/2022_iss_transition_report-final_tagged.pdf

https://tass.com/science/1387361

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