築夢「天宮」|國際空間站老化加劇,美未來空間站走向何方?

原標題:築夢「天宮」|國際空間站老化加劇,美未來空間站走向何方?

近期,兩則關於空間站的新聞引發了大眾的關注。
第一個大家肯定猜到了,那就是中國的「太空網紅」——「天宮」空間站。4月29日,「天和」核心艙已經發射成功,核心艙是中國空間站的重要組成部分,按照現有規劃,未來我國還將繼續實施11次飛行任務,預計將在2022年完成空間站建造。同時中國空間站也向全球開放歡迎各國加入,目前已經有不少國家提交進駐申請。
另一個是關於國際空間站的,4月18日俄羅斯副總理鮑里索夫向外界表示,鑒於國際空間站(ISS)已經嚴重老化,空間站運營合約也將於2024年到期,俄羅斯計劃自2025年起退出該項目,並著手建造自己的空間站。分析認為,俄羅斯今年將發射的「科學」號多功能實驗艙將是其未來空間站建設的基礎。
國際空間站退役后,美國未來空間站走向何方?
美國發射的第一個空間站「天空實驗室」尺寸和重量都明顯大於蘇聯「禮炮1號」空間站。

美國發射的第一個空間站「天空實驗室」尺寸和重量都明顯大於蘇聯「禮炮1號」空間站。

美國空間站的那些事兒
瘋狂的冷戰年代,美蘇幾乎在各個領域展開競爭和博弈,空間站也不例外。在載人登月競賽中落敗的蘇聯將航天重點轉向了空間站,並率先發射了人類史上首個載人空間站——「禮炮1號」。
美國首個空間站「天空實驗室」比蘇聯「禮炮1號」晚兩年發射,其實美國空間站計劃起步並不晚。1966年,美國啟動了「阿波羅應用計劃」,這是繼「水星」、「雙子星座」和「阿波羅」之後又一項大型載人航天計劃,目的是發射大型載人空間站。當年,美國提出「土星」S-5B火箭箭體試驗模塊(SSESM,Saturn S-IVB spent-stage experiment support module)方案,用「土星」5號運載火箭的第三級箭體改造為空間站主體,SSESM在競爭中落敗於載人軌道實驗室(MOL)方案。1969年MOL被取消。
由於「阿波羅」18到20任務的取消,美國宇航局將剩餘的3枚「土星」5號火箭用於空間站計劃,SSESM改稱為「天空實驗室」。軌道艙由「土星」5號火箭的第三級液氫液氧貯箱改造而成,去掉了上面的火箭發動機和附屬機構,用隔板分成上下兩部分。1973年5月14日,美國在肯尼迪航天中心用「土星」INT-21火箭將「天空實驗室」送入高度為435千米的近地圓軌道,之後發射了3艘「阿波羅」載人飛船,分別稱為「天空實驗室」2、3、4號任務。
「天空實驗室」剖視圖。

「天空實驗室」剖視圖。

「天空實驗室」是人類單次向太空發射最重且最複雜的人造天體,重量約77噸。然而,「天空實驗室」任務並不順利。火箭升空60多秒后,微流星防護罩提前打開,被氣流撕掉,還有一塊太陽能電池板也被氣流破壞,第一批航天員不得不對這些問題進行維修(但問題沒有完全解決,這也是「天空實驗室」提前關閉的重要原因)。
三批航天員總共在「天空實驗室」駐留了171天,進行了270多項研究和實驗,取得了不少成果。「天空實驗室」原計劃運行10年,但自1974年2月第三批航天員返回地球之後就被關閉,因為艙內氣溫升高、太陽黑子活動加強等原因,「天空實驗室」不適合航天員駐留,被迫關閉。1979年7月12日運行了2200多天的「天空實驗室」墜入大氣層燒毀。
與蘇聯空間站發展連續性相比,美國空間站發展缺乏連續性,「天空實驗室」關閉后,美國的航天重心轉向了太空梭,等太空梭成功后,上世紀80年代又啟動了「自由」號空間站計劃。這是一個國際合作項目,日本、加拿大和歐空局都有參与,是國際空間站的前身。
冷戰結束后,「自由」號空間站也隨之陷入停頓,1993年時任美國總統的柯林頓正式結束了「自由」號空間站計劃。之後,美俄開始接觸商談合作建立空間站,「自由」號空間站重獲新生,國際空間站誕生。1998年11月國際空間站的第一個組件曙光號功能貨艙進入預定軌道,2011年,美國「發現」號多用途增壓艙送往國際空間站,空間站建設完成,國際空間站的各個組件大多由美國太空梭進行運輸。
值得一提的是,中國當時也希望加入國際空間站項目,但因美國的反對未能成行。
美國也參与了蘇聯/俄羅斯「和平」號空間站項目。

美國也參与了蘇聯/俄羅斯「和平」號空間站項目。

近地軌道空間站將商業化
作為一個國際合作項目,國際空間站雖然耗資巨大(已經超過1500億美元,每年維護成本高達四五十億美元),但仍然取得了豐富的科研成果,包括太空技術開發、物理學與生物學的微重力研究、人體生理學、地球科學和教育等。
從現在的眼光看國際空間站這個項目,國際空間站建設和運營也存在一些不足之處,值得后發國家好好研究,比如每千克有效載荷費用太高(幾萬美元),建設周期太長,維修任務因部件老化更加繁重。按照計劃,該空間站最初的服役期限為2015年,之後被延長兩次,分別至2020年和2024年,此前計劃使用到2028年,但這幾年頻繁發生漏氣等問題,顯示空間站離退役已經不遠了。
今年4月,俄副總理鮑里索夫表示,鑒於國際空間站已經嚴重老化,空間站運營合約也將於2024年到期,俄羅斯計劃自2025年起退出該項目,並著手建造自己的空間站。俄羅斯已經宣稱打算另起爐灶建設自己的空間站,分析認為,準備在今年7月發射的「科學」號實驗艙將是俄未來空間站的核心艙,以此為基礎進行建設。
美國也打著自己的小算盤,美國宇航局已經決定將國際空間站商業化,未來幾年的主要目標是對客戶群體在資金和合同上進行指導。美國可能會在2025年之前取消對國際空間站的相關撥款,節省下來的錢可以用於載人登月或登火等項目。
美國未來空間站發展將朝著深空化和商業化發展,目前正在研製的「門戶」月球空間站尺寸和重量都比較小,主要作為載人登月的中轉站,而近地軌道運行的空間站可能交給商業航天公司。而且此前美國宇航局已經將國際空間站物資補給和載人飛行交給了商業航天企業,經驗和技術都滿足要求。
美國畢格羅公司研製的充氣空間站,該技術也將參与到美國未來空間站競標。

美國畢格羅公司研製的充氣空間站,該技術也將參与到美國未來空間站競標。

據美媒3月報道,美國宇航局最近公布了所謂的「商業近地軌道目的地」(CLD)項目,計劃在2021年第四季度向四家公司授予總計4億美元的資金,幫助啟動私人空間站的開發,以取代國際空間站。美國宇航局將成為空間站的使用者,但不是所有者和運營者,這可以節約大量的資金。
除了CLD項目外,美國宇航局還向航天公司Axiom Space授予了價值1.4億美元的合同,為國際空間站建造艙段。當國際空間站退役后,Axiom計劃將其模塊分離,將其改造為能夠獨立飛行的空間站。
眼看著中國空間站建設進入快車道,美國也有了搭「順風車」的想法。去年6月,中國載人航天工程辦公室與聯合國外空司就聯合對外公布,來自17個國家、23個實體的9個項目成功入選中國空間站第一批科學實驗項目,這是中國載人航天工程首次通過聯合國進行的大規模國際合作。
當被問及「選項目時有沒有排斥來自美國的項目」,中國載人航天工程總設計師周建平直言:「我們沒有排斥任何國家,也沒有限定任何範圍,有美國團隊參与申報的項目。從科學價值和技術考量來講,美國的項目沒達到要求的標準。」

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