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中国空间站建设进入加速期!太空旅游未来可期
日期: 2021/05/30 06:52
中国空间站建设进入加速期!太空旅游未来可期
观察者网专栏作者 陈蓝


中国特色空间站

继4月底天和号核心舱成功发射后,天舟二号货运飞船又顺利升空,并与天和核心舱精准对接。下月,神舟12号还将为天和舱送去三名航天员,开始三个月的驻留。中国空间站建设已进入密集发射期。在两年11次高密度发射后,一个60吨级的模块化空间站将横空出世。

中国空间站将是历史上建设速度最快的模块化空间站。相比之下,前苏联/俄罗斯和平号从1986年核心舱发射,到1996年最后一个舱段自然号完成对接,总共花了10年时间。国际空间站从1998年曙光号发射,到2011年莱昂纳多号最后加入,历时13年之久。

作为最新建设的空间站,中国空间站的规划和设计吸取了以往的经验教训,也充分考虑了中国的能力和需求。它的特点体现在合理的规模、优化的设计和最新的技术上。

中国空间站模拟图,图片来源:中国空间技术研究院


·合理的规模:中国空间站设计为三人常驻、短期最多六人(一般为机组轮换时)。和平号空间站的经验表明,为维持空间站的长期运行,三人机组是必要的。而借助于现代通信和自动化技术,即使三人机组也能完成相当多的实验。

我们的空间站设计有23个实验机柜位,实验能力远超规模更大(7个舱段)的和平号。可以说,我们的空间站是历史上效费比最高的空间站。

·优化的设计:中国空间站摒弃了国际空间站的桁架结构,采用了模块化(积木式)结构。这是在和平号和国际空间站(加压舱段)上被证明的成熟技术,扩展性非常强。

通过可移位的大型柔性太阳电池板,我们解决了各舱段电池板互相遮掩的问题,同样实现了桁架式空间站的效果。

我们的舱段也有很多独特的优化设计,比如一体化的对接和气闸舱、展开式暴露平台等。

此外,共轨巡天舱既有自由飞行航天器的优点,停靠空间站时又能像固定舱段一样得到维修和保养。这是一种取长补短的巧妙设计。未来,我们的空间站甚至可能发展为“航天母舰”。

·最新的技术:中国空间站在空间站历史上首次采用电推进系统维持轨道,首次在空间站采用柔性的高效砷化镓电池板。

同时,它也采用了不少在国际空间站上得到验证的较新技术,如自爬行机械臂、国际标准实验机柜、高压供电体制等。这些新技术的采用使得我们的空间站具备了技术上的后发优势。

由于采用了正确的策略和设计思路,我们的空间站实现了相对较低的成本、较快的建造速度,以及强扩展性与高效费比,是一个具有中国特色的空间站。我们有理由为此而骄傲。

我们即将拥有一个很不错的空间站。那么,我们应该如何利用好它,让它发挥最大作用呢?

国际空间站的经验和教训

我们不妨看看国际空间站的经验。国际空间站之所以费用高昂(建造成本1500亿美元,运营成本每年40-50亿美元),主要就是因为载人的需要。即使不谈那些可靠性要求极高的加压舱和生命维持系统的一次性研制和发射成本,每年的机组轮换,大量的氧气、氮气、水、食品、衣物、配件等补给,就需要超过十次发射。仅这些发射的费用就已经很惊人了。




2018年的国际空间站,图片来源:NASA


此外,宇航员在空间站上的工作,有相当一部分是花在空间站设施的检测和维护上。事实上,投入到国际空间站的大部分钱,都用在支持人类在太空的生存和空间站本身的维护,而非科学实验上。

国际科学界对此一直有抱怨,认为国际空间站耗资巨大,但科学产出却非常有限,和投入完全不成比例。当初寄希望通过空间站实现的科学突破一个也没有出现,利用空间站推动的太空工业化也依然是个梦。

当初的人们显然高估了空间站的作用,低估了科学突破的难度。或者,这只是立项前忽悠政府投资的话术。目前科学家们普遍认为,空间站上绝大多数实验可以用无人的微重力卫星来实现,而且更简单、更有效、更便宜。

也有人认为空间站具有军事价值。实际上美苏最早的空间站计划(美国空军的MOL载人轨道实验室、苏联钻石军事空间站)都是军事需求推动的。但冷战还没结束,他们就都放弃了这个想法。因为事实证明,空间站能做的事情无人卫星都能做,而且更好、更便宜。这和前面说的科学实验的情况是一样的。最终,国际空间站的定位很明确,就是科学实验室和技术试验平台。









MOL,图片来源:美国国家侦察局

NASA也认识到了科学产出低于期望值以及空间站必要性的问题。它在国际空间站建设后期提出继续投资空间站的理由是:

第一,无论人类生存空间扩展到近地轨道还是载人深空飞行,和人体相关的医学生理实验都非常必要,而这类实验只能由人在真实太空环境进行;

第二,为了探索月球和太阳系,需要开发新的深空航天器,而空间站就是进行相关工程试验的最好平台;

第三,国际空间站可以成为商业航天应用的试验田。NASA从最初反对太空游客到访,逐渐变为支持鼓励。近年发射并对接于国际空间站的试验充气舱和商业气闸舱,更显示了NASA对商业化的积极态度。

除了设法增加产出,NASA也在积极降低国际空间站的运营成本,采购商业航天公司的运输服务就是一个例子。在国际空间站商业货运合同上尝到甜头后,NASA进一步推进了商业乘员运输计划。其成果就是SpaceX的龙飞船(一代货运龙、二代载人龙)、诺斯罗普·格鲁曼公司的天鹅座货运飞船和波音的星际航班载人飞船。应该说,国际空间站的商业化策略是非常成功的。

中国式道路的探索和追寻

国际空间站的宝贵经验无疑对中国有极大的参考价值。我们作为后来者,已经建成规划设计更合理的新空间站,理应做得更好。

中国科学院作为空间站应用系统的负责单位,很早就开始规划设计空间站的科学载荷(实验机柜)。中国也通过联合国外空办公室完成了国际合作项目的征集和遴选。中国空间站无疑也是月球和深空探索最好的工程试验平台。不过,我们对空间站纯科学项目的产出应该有一个合理的预期,宣传上也应避免过度乐观和夸大。

同时,应该充分利用中国空间站的设计优势,鼓励更多的商业化应用,来产生最大的溢出价值。

我们应该走出我们自己的道路。下面是一些不成熟的建议,供有关方面参考。

首先,可维护的共轨航天器是我们的一大创新。

理论上,我们很容易支持巡天光学舱之外的多个共轨航天器,比如自由飞行微重力平台。上世纪夭折的欧洲哥伦布空间站计划(后演化成国际空间站哥伦布舱)中就有这样的概念。由于不受站内人员设备干扰,它的微重力水平更高。

我们可以制定和公布一套标准接口,让民营航天公司和国际合作伙伴独立开发各种类型的共轨航天器。中国空间站负责它们的定期补给和维护,成为这些航天器的“母舰”。这样,我们的空间站不仅能发挥最大效益,为人类进步做出贡献,也能大大增强中国在世界上的影响力。

其次,太空旅游可能是未来商业航天中最富潜力的一个应用。

过去20年,太空旅游单人费用从2000万美元涨到9000万美元。但今年起,龙飞船开始纯商业旅游飞行,价格快速回落。预计今年9月执行的Inspiration 4龙飞船全私人任务(不去国际空间站),费用估计约每人2500万美元。明年初进入空间站的飞行费用则高一倍左右,但也比此前下降了近一倍。

低价刺激需求。从今年9月到明年1月将有四次太空旅游飞行(两次龙飞船,两次联盟号),仅这四次的太空游客数就将超过历史上所有游客的总数。随着发射费用的进一步降低,市场规模将指数增长。如果马斯克的超重-星舰系统真能将每次百人的发射费用降到数百万美元,那太空旅游市场的巨大规模可想而知。

我们的空间站应该为太空旅游市场做好准备(不管他乘什么飞船来)。空间站远期扩展模块中可以留出一个给商业化的太空酒店。

最后,商业化应用不限于太空旅游。

可以在不影响空间站运营和科学活动的前提下,制定一个空间站商业化整体框架,纳入一切可能的机会并将它们公平开放给所有国有和民营航天企业。比如空间站天地运输(补给)、空间站部分运营外包、商业载荷和商业扩展舱段(包括前述商业化共轨航天器和太空酒店扩展舱)、直播/广告等信息类业务等。

今年1月,中国载人航天工程办公室公开征集空间站运营低成本货物运输方案,就是一个很好的举措,说明我们的管理者已经把商业化纳入规划。

最晚2028年,国际空间站就将完成它的科学使命,但结局不一定是报废坠毁,因为美国民间一直有利用退役的国际空间站用于商业用途的呼声。另一方面,美国民企如公理航天、毕格罗、Nanoracks等公司也可能会自建商业空间站。

俄罗斯已经决定退出国际空间站独立建站。但就像它其他雄心勃勃的计划一样,长期困扰它的资金问题也可能会拖住后腿。

至于NASA,它的关注点早已转移到近地轨道外,拉上了欧洲、日本这两个老盟友,计划共同建造月球轨道上的LOP-G门户空间站。

可以肯定,今后20年,中国空间站绝不会是太空中唯一的空间站。除了国际空间站也许会继续延寿,空间站的新玩家也越来越多。我们会有很多竞争对手,但它们也可能成为合作伙伴。

竞争不是坏事。我们的空间站不仅设计上有中国特色,也一定会走出自己的独特道路。百年前,中国还是一个积贫积弱的东亚病夫。现在,我们已经走进星辰大海,正在成为大航天时代的引领者。我们有幸生活在这样的一个年代。
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