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陳藍：中國空間站，走自己的路

點擊：  作者：陳藍    來源：科工力量 微信號  發(fā)布時間:2021-06-18 09:47:44

 

中國特色空間站

 

繼4月底天和號核心艙成功發(fā)射后，天舟二號貨運飛船又順利升空，并與天和核心艙精準(zhǔn)對接。6月17日，神舟12號還將為天和艙送去三名航天員，開始三個月的駐留。中國空間站建設(shè)已進入密集發(fā)射期。在兩年11次高密度發(fā)射后，一個60噸級的模塊化空間站將橫空出世。

 

中國空間站將是歷史上建設(shè)速度最快的模塊化空間站。相比之下，前蘇聯(lián)/俄羅斯和平號從1986年核心艙發(fā)射，到1996年最后一個艙段自然號完成對接，總共花了10年時間。國際空間站從1998年曙光號發(fā)射，到2011年萊昂納多號最后加入，歷時13年之久。

 

作為最新建設(shè)的空間站，中國空間站的規(guī)劃和設(shè)計吸取了以往的經(jīng)驗教訓(xùn)，也充分考慮了中國的能力和需求。它的特點體現(xiàn)在合理的規(guī)模、優(yōu)化的設(shè)計和最新的技術(shù)上。

 

 

中國空間站模擬圖，圖片來源：中國空間技術(shù)研究院

 

合理的規(guī)模：中國空間站設(shè)計為三人常駐、短期最多六人（一般為機組輪換時）。和平號空間站的經(jīng)驗表明，為維持空間站的長期運行，三人機組是必要的。而借助于現(xiàn)代通信和自動化技術(shù)，即使三人機組也能完成相當(dāng)多的實驗。

 

我們的空間站設(shè)計有23個實驗機柜位，實驗?zāi)芰h超規(guī)模更大（7個艙段）的和平號。可以說，我們的空間站是歷史上效費比最高的空間站。

 

 

和平號空間站，圖片來源：NASA

 

優(yōu)化的設(shè)計：中國空間站摒棄了國際空間站的桁架結(jié)構(gòu)，采用了模塊化（積木式）結(jié)構(gòu)。這是在和平號和國際空間站（加壓艙段）上被證明的成熟技術(shù)，擴展性非常強。

 

通過可移位的大型柔性太陽電池板，我們解決了各艙段電池板互相遮掩的問題，同樣實現(xiàn)了桁架式空間站的效果。

 

我們的艙段也有很多獨特的優(yōu)化設(shè)計，比如一體化的對接和氣閘艙、展開式暴露平臺等。

 

此外，共軌巡天艙既有自由飛行航天器的優(yōu)點，停靠空間站時又能像固定艙段一樣得到維修和保養(yǎng)。這是一種取長補短的巧妙設(shè)計。未來，我們的空間站甚至可能發(fā)展為“航天母艦”。

 

最新的技術(shù)：中國空間站在空間站歷史上首次采用電推進系統(tǒng)維持軌道，首次在空間站采用柔性的高效砷化鎵電池板。

 

同時，它也采用了不少在國際空間站上得到驗證的較新技術(shù)，如自爬行機械臂、國際標(biāo)準(zhǔn)實驗機柜、高壓供電體制等。這些新技術(shù)的采用使得我們的空間站具備了技術(shù)上的后發(fā)優(yōu)勢。

 

由于采用了正確的策略和設(shè)計思路，我們的空間站實現(xiàn)了相對較低的成本、較快的建造速度，以及強擴展性與高效費比，是一個具有中國特色的空間站。我們有理由為此而驕傲。

 

我們即將擁有一個很不錯的空間站。那么，我們應(yīng)該如何利用好它，讓它發(fā)揮最大作用呢？

 

國際空間站的經(jīng)驗和教訓(xùn)

 

我們不妨看看國際空間站的經(jīng)驗。國際空間站之所以費用高昂（建造成本1500億美元，運營成本每年40-50億美元），主要就是因為載人的需要。即使不談那些可靠性要求極高的加壓艙和生命維持系統(tǒng)的一次性研制和發(fā)射成本，每年的機組輪換，大量的氧氣、氮氣、水、食品、衣物、配件等補給，就需要超過十次發(fā)射。僅這些發(fā)射的費用就已經(jīng)很驚人了。

 

 

2018年的國際空間站，圖片來源：NASA

 

此外，宇航員在空間站上的工作，有相當(dāng)一部分是花在空間站設(shè)施的檢測和維護上。事實上，投入到國際空間站的大部分錢，都用在支持人類在太空的生存和空間站本身的維護，而非科學(xué)實驗上。

 

國際科學(xué)界對此一直有抱怨，認為國際空間站耗資巨大，但科學(xué)產(chǎn)出卻非常有限，和投入完全不成比例。當(dāng)初寄希望通過空間站實現(xiàn)的科學(xué)突破一個也沒有出現(xiàn)，利用空間站推動的太空工業(yè)化也依然是個夢。

 

當(dāng)初的人們顯然高估了空間站的作用，低估了科學(xué)突破的難度。或者，這只是立項前忽悠政府投資的話術(shù)。目前科學(xué)家們普遍認為，空間站上絕大多數(shù)實驗可以用無人的微重力衛(wèi)星來實現(xiàn)，而且更簡單、更有效、更便宜。

 

也有人認為空間站具有軍事價值。實際上美蘇最早的空間站計劃（美國空軍的MOL載人軌道實驗室、蘇聯(lián)鉆石軍事空間站）都是軍事需求推動的。但冷戰(zhàn)還沒結(jié)束，他們就都放棄了這個想法。因為事實證明，空間站能做的事情無人衛(wèi)星都能做，而且更好、更便宜。這和前面說的科學(xué)實驗的情況是一樣的。最終，國際空間站的定位很明確，就是科學(xué)實驗室和技術(shù)試驗平臺。

 

 

MOL，圖片來源：美國國家偵察局

 

NASA也認識到了科學(xué)產(chǎn)出低于期望值以及空間站必要性的問題。它在國際空間站建設(shè)后期提出繼續(xù)投資空間站的理由是：

 

第一，無論人類生存空間擴展到近地軌道還是載人深空飛行，和人體相關(guān)的醫(yī)學(xué)生理實驗都非常必要，而這類實驗只能由人在真實太空環(huán)境進行；

 

第二，為了探索月球和太陽系，需要開發(fā)新的深空航天器，而空間站就是進行相關(guān)工程試驗的最好平臺；

 

第三，國際空間站可以成為商業(yè)航天應(yīng)用的試驗田。NASA從最初反對太空游客到訪，逐漸變?yōu)橹С止膭睢＝臧l(fā)射并對接于國際空間站的試驗充氣艙和商業(yè)氣閘艙，更顯示了NASA對商業(yè)化的積極態(tài)度。

 

除了設(shè)法增加產(chǎn)出，NASA也在積極降低國際空間站的運營成本，采購商業(yè)航天公司的運輸服務(wù)就是一個例子。在國際空間站商業(yè)貨運合同上嘗到甜頭后，NASA進一步推進了商業(yè)乘員運輸計劃。其成果就是SpaceX的龍飛船（一代貨運龍、二代載人龍）、諾斯羅普·格魯曼公司的天鵝座貨運飛船和波音的星際航班載人飛船。應(yīng)該說，國際空間站的商業(yè)化策略是非常成功的。

 

中國式道路的探索和追尋

 

國際空間站的寶貴經(jīng)驗無疑對中國有極大的參考價值。我們作為后來者，已經(jīng)建成規(guī)劃設(shè)計更合理的新空間站，理應(yīng)做得更好。

 

中國科學(xué)院作為空間站應(yīng)用系統(tǒng)的負責(zé)單位，很早就開始規(guī)劃設(shè)計空間站的科學(xué)載荷（實驗機柜）。中國也通過聯(lián)合國外空辦公室完成了國際合作項目的征集和遴選。中國空間站無疑也是月球和深空探索最好的工程試驗平臺。不過，我們對空間站純科學(xué)項目的產(chǎn)出應(yīng)該有一個合理的預(yù)期，宣傳上也應(yīng)避免過度樂觀和夸大。

 

同時，應(yīng)該充分利用中國空間站的設(shè)計優(yōu)勢，鼓勵更多的商業(yè)化應(yīng)用，來產(chǎn)生最大的溢出價值。

 

我們應(yīng)該走出我們自己的道路。下面是一些不成熟的建議，供有關(guān)方面參考。

 

首先，可維護的共軌航天器是我們的一大創(chuàng)新。

 

理論上，我們很容易支持巡天光學(xué)艙之外的多個共軌航天器，比如自由飛行微重力平臺。上世紀(jì)夭折的歐洲哥倫布空間站計劃（后演化成國際空間站哥倫布艙）中就有這樣的概念。由于不受站內(nèi)人員設(shè)備干擾，它的微重力水平更高。

 

我們可以制定和公布一套標(biāo)準(zhǔn)接口，讓民營航天公司和國際合作伙伴獨立開發(fā)各種類型的共軌航天器。中國空間站負責(zé)它們的定期補給和維護，成為這些航天器的“母艦”。這樣，我們的空間站不僅能發(fā)揮最大效益，為人類進步做出貢獻，也能大大增強中國在世界上的影響力。

 

其次，太空旅游可能是未來商業(yè)航天中最富潛力的一個應(yīng)用。

 

過去20年，太空旅游單人費用從2000萬美元漲到9000萬美元。但今年起，龍飛船開始純商業(yè)旅游飛行，價格快速回落。預(yù)計今年9月執(zhí)行的Inspiration 4龍飛船全私人任務(wù)（不去國際空間站），費用估計約每人2500萬美元。明年初進入空間站的飛行費用則高一倍左右，但也比此前下降了近一倍。

 

低價刺激需求。從今年9月到明年1月將有四次太空旅游飛行（兩次龍飛船，兩次聯(lián)盟號），僅這四次的太空游客數(shù)就將超過歷史上所有游客的總數(shù)。隨著發(fā)射費用的進一步降低，市場規(guī)模將指數(shù)增長。如果馬斯克的超重-星艦系統(tǒng)真能將每次百人的發(fā)射費用降到數(shù)百萬美元，那太空旅游市場的巨大規(guī)模可想而知。

 

我們的空間站應(yīng)該為太空旅游市場做好準(zhǔn)備（不管他乘什么飛船來）。空間站遠期擴展模塊中可以留出一個給商業(yè)化的太空酒店。

 

最后，商業(yè)化應(yīng)用不限于太空旅游。

 

可以在不影響空間站運營和科學(xué)活動的前提下，制定一個空間站商業(yè)化整體框架，納入一切可能的機會并將它們公平開放給所有國有和民營航天企業(yè)。比如空間站天地運輸（補給）、空間站部分運營外包、商業(yè)載荷和商業(yè)擴展艙段（包括前述商業(yè)化共軌航天器和太空酒店擴展艙）、直播/廣告等信息類業(yè)務(wù)等。

 

今年1月，中國載人航天工程辦公室公開征集空間站運營低成本貨物運輸方案，就是一個很好的舉措，說明我們的管理者已經(jīng)把商業(yè)化納入規(guī)劃。

 

最晚2028年，國際空間站就將完成它的科學(xué)使命，但結(jié)局不一定是報廢墜毀，因為美國民間一直有利用退役的國際空間站用于商業(yè)用途的呼聲。另一方面，美國民企如公理航天、畢格羅、Nanoracks等公司也可能會自建商業(yè)空間站。

 

俄羅斯已經(jīng)決定退出國際空間站獨立建站。但就像它其他雄心勃勃的計劃一樣，長期困擾它的資金問題也可能會拖住后腿。

 

至于NASA，它的關(guān)注點早已轉(zhuǎn)移到近地軌道外，拉上了歐洲、日本這兩個老盟友，計劃共同建造月球軌道上的LOP-G門戶空間站。

 

可以肯定，今后20年，中國空間站絕不會是太空中唯一的空間站。除了國際空間站也許會繼續(xù)延壽，空間站的新玩家也越來越多。我們會有很多競爭對手，但它們也可能成為合作伙伴。

 

競爭不是壞事。我們的空間站不僅設(shè)計上有中國特色，也一定會走出自己的獨特道路。百年前，中國還是一個積貧積弱的東亞病夫。現(xiàn)在，我們已經(jīng)走進星辰大海，正在成為大航天時代的引領(lǐng)者。我們有幸生活在這樣的一個年代。

 

來源|觀察者網(wǎng)專欄作者  陳藍