再見,國際太空站?

作者 | 發布日期 2022 年 02 月 18 日 8:45 | 分類 天文 , 航太科技 Telegram share ! follow us in feedly


2001 年 3 月 23 日,俄羅斯和平號太空站運行 15 年之後墜落,殘骸落於南太平洋;2011 年 3 月 4 日,美國地球觀測衛星 Glory 發射升空後,發生運載火箭故障,墜入南太平洋;2018 年 4 月 2 日,中國天宮一號太空實驗室落入南太平洋;2021 年 12 月 27 日,俄羅斯 Angara-A5 重型火箭發射測試失敗,火箭殘骸落入南太平洋海域。

如果觀察更仔細,會發現這些飛行器落海點非常統一,都在南太平洋中央南緯48°52.6’西經123°23.6’,這裡距任意陸地都有約2,685公里。如此特殊的地點自然有專屬名字──海洋難抵極,也稱為「尼莫點」(拉丁語意為「沒有人」)。

尼莫點,地球表面距離陸地最遙遠的點。

尼莫點是公認的「太空飛行器墳地」。1971年算起,已接納近300個太空殘骸。美國國家航空暨太空總署(NASA)2021年12月31日公告,國際太空站(ISS)將於2031年正式退役,之後殘骸也將拋向這裡。

續命

叱咤風雲的ISS正在老去。2000年11月2日,NASA太空人威廉·薛佛及兩名俄羅斯太空人謝爾蓋·康斯坦丁諾維奇·克里卡廖夫、尤里·吉德津科,乘坐「聯盟TM-31」飛船抵達ISS,成為第一批太空人。在這裡,他們每隔45分鐘就能觀賞太陽升起或落下。

之後20多年,19國200多位太空人先後欣賞過奇景,並藉這片從太空竊取的穩定微重力環境,進行約3,000項科學研究,涉及生物、物理、生物醫學、材料、地球和空間科學等多領域:氣候感測器驗證氣候模型,提供地球氣候環境變化資訊;空間科學儀器加深人類對中子星和暗物質等現象的認識;ISS工作人員自願當測試對象,記錄人類在微重力環境生活和工作等情形。

ISS另一個特殊意義在於,是美國和俄羅斯在太空領域的深度合作。ISS由美國美國國家航空暨太空總署和俄羅斯航太主導,歐洲、日本、加拿大、巴西太空機構聯合,研發團隊包括全球25個太空機構組織。

這是目前太空最大人造物體,最多同時承載10名以上人類。然而隨著時間累積,ISS開始漏洞頻出,大到冷卻系統、氧氣系統故障,小到實驗體遺失、窗戶破碎、廁所「罷工」。

ISS最初設計壽命只有短短15載。2015年,美國和俄羅斯航太部門簽署協議,同意ISS使用壽命由2020年延長至2024年。2020年7月,NASA授予波音公司價值9.16億美元合約,支持ISS延壽工作至2024年9月。合約框架下,波音公司為ISS活動提供工程技術支持服務、資源和人員,並負責管理系統。

眼看「退休」之日臨近,NASA又於2021年12月31日發聲明,宣布美國政府將支持國際太空站運行再延長6年,退役時間延至2031年,同時希望與俄羅斯、加拿大、日本和歐洲等國際夥伴繼續合作,直到這十年結束。

2月1日NASA發布《國際太空站過渡報告》(International Space Station Transition Report),視為ISS具體退役規劃。不過與6年前眾望所歸相比,ISS此次退役延期卻多了不少質疑聲。

據《國際太空站過渡報告》,國際太空站技術壽命受主要結構限制,即模組、散熱器和桁架等部分,其他系統如電力、環境控制和生命支援及通訊,在軌道上都可修復或更換。據負責ISS俄羅斯部分的程師弗拉基米爾‧索洛維約夫的公開採訪,ISS俄羅斯部分搭載的基礎設施系統至少80%已過使用期限,貨運艙「Zalya」(ISS最老模組之一)表面出現多道小裂縫,「隨著時間推移,裂痕有可能擴大」。

▲ 太空垃圾也曾在國際太空站的Canadarm撞出洞來。(Source:Canadian Space Agency

俄羅斯副總理尤里‧鮑里索夫也公開表示ISS老化嚴重,又因太空站營運合約2024年到期,俄羅斯可能2025年後退出專案。不過俄羅斯航太國家集團(Roscosmos)總經理羅戈津表示,ISS個別艙段超期服役較嚴重,但結束專案為時尚早,與其他合作夥伴商討後才能最終確定2024年後具體規劃。不過他口中的「其他合作夥伴」對2024年後ISS何去何從,直到進入2022年都沒有達成統一意見。

除了墜毀或出資維持ISS近地軌道運行,也有人提出可用推進設備把ISS推到外太空再利用。從動力角度這未必做不到,不過考慮到ISS的防輻射系統是根據距地400公里軌道研製,一旦失去近地軌道上千公里稀薄大氣對宇宙射線的保護力,艙內輻射強度之高將無法保證太空人生存。考慮到重塑防輻射系統的投入,方案可行性幾近零。

基於以上種種理由,有人認為ISS延期至2031年退役,極有可能是與中國天宮太空站較勁。天宮太空站預計2022年左右建成,設計壽命到2032年,一旦ISS墜毀,就將是唯一的人類太空站,一年空白,至少會讓ISS目前合作方轉身時猶豫一下。

從爭霸到合作的產物

造出太空飛行器前,人們曾在1911年論文體驗搭乘太空飛船登天的感覺。載人太空飛船從發射到進入軌道過程詳盡呈現,人們因此看到超重和失重對人的神奇影響、失重狀態下物體的奇異表現,以及地球景觀、天空景色在不同高度視角的迷人之處。

論文作者、即康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基,後來成為現代宇宙航行學的奠基人。他最先論證了利用火箭進行星際交通、製造人造地球衛星和近地軌道站的可能性。

「地球是人類的搖籃,但人不可能永遠生活在搖籃裡」,百年來,這位航太之父的名言持續激勵著航太領域的研究者前行。

60多年後,前蘇聯發射世界第一個太空站──「禮炮1號」,太空探索從此邁入新旅程。至1982年4月11日,前蘇聯共發射7座禮炮號太空站,在此基礎上,構建了可進行宇宙物理、地球大氣現象、醫學、生物學、地球資源調查等各種科學研究和試驗的巨大航太實驗室。

▲ 禮炮家族。

禮炮號太空站的成功幫蘇聯壯大政治聲望,也將美蘇太空爭霸推向白熱化。

阿波羅計畫之父華納·馮·布朗1956年提出輪狀太空站構想,認為這種構型可人為製造重力。禮炮1號發射成功2年後,美國啟用阿波羅計畫剩餘物資,研製出軍用背景「天空實驗室」(Sky Lab)。但因燃料對接失誤,Sky Lab提前1979年7月11日墜入大氣層。

1984年1月25日,時任美國總統的雷根指示NASA開發「永久載人太空站,十年內建成」。NASA決心建立由3個獨立軌道平台組成的太空站,進行微重力研究、地球及天體觀測。這就是自由號太空站。為了控制成本,自由號太空站設計之後數次重大修改。

前蘇聯從1986年開始建設和平號太空站。這是人類第一個真正模組化太空站,隨著艙段增加,研究和居住能力將隨之不斷提高,不過命運也很大程度沒有取決於技術演進。幾年後前蘇聯解體,美國和俄羅斯開始大幅削弱航太預算。

為了維持航太領域的發展,又因政治經濟等因素推動,太空領域有了從競賽轉為合作的傾向。

1993年,美國進行是否讓俄羅斯加入太空站的大討論。移居美國的前蘇聯科學院太空研究所前所長薩格迪夫說:「後冷戰時代,太空政策即是外交政策。」他列舉美國應讓俄羅斯加入太空站的緣由,包括幫助俄羅斯維護國民心中「太空強國」形象有利拉攏俄羅斯領導人、促使俄羅斯科學家不再局限於國內工作、為俄羅斯減少使用核武器提供動力等。這大部分也是美國政府促進航空合作的原因。

這場討論逐漸深化,在此背景下,ISS計畫正式誕生。

1998年1月29日,美國、俄羅斯、日本、加拿大和歐洲太空總署參與國的代表簽署太空站合作的最新政府間協議。按照協議,美俄合作將分階段進行:第一步是美國航太飛機登陸俄羅斯當時運行的「和平號」太空站,接著是美國和俄羅斯聯合建設太空站,最後便是美國盟友也參與建造國際太空站。

協議簽署10個月後,俄羅斯發射國際太空站在軌段第一個模組「曙光」艙。3週後,美國第一艙段「團結」艙透過奮進號航太飛機抵達,ISS建造就此開始,之後又歷時12年,整個ISS才組裝完畢。

ISS主體結構由蘇聯「和平2號」、美國自由號太空站融合,分別延伸為俄羅斯營運的俄羅斯軌道段(ROS)、美國及其他國家營運的美國軌道段(USOS)。每日環繞地球15.5圈,由17艙、10桁架、3外部裝載平台及3維修系統組成,內部有兩間浴室、健身設施和一處360度對外窗,是低地球軌道的最大衛星。有太空人比較,ISS的生活空間相當於波音747巨型飛機機艙。

天上的事也是地上決定

在美國、俄羅斯共同利益下,ISS建造完成,命運也同樣受兩國關係影響。接下來十年內如何對待或處理ISS,兩國也多有分歧。俄羅斯一直對ISS頗有微詞。羅戈津多次批評美國「過度自我中心」。2020年NASA授予波音公司高額合約後不久,他就說:「美國偏離ISS的相互支持原則。他們認為這是北約,而不是國際專案──有美國在,其他人都必須提供幫助並買單。」

俄羅斯希望專注建設本國專案,有意ISS退役前擴展俄羅斯艙段部分在軌能力,利用質子號和聯盟號運載火箭發射科學號多功能實驗艙、停泊號節點艙和科學動力艙,同時考慮待ISS退役後,以部分在軌艙段為基礎建立俄國獨立太空站ROSS。

▲ 俄羅斯能源火箭航太公司成立75週年紀錄片的ROSS太空站方案。

2021年9月2日,羅戈津公開表示,ROSS部署計畫將在5~6年內啟動,2025年啟動獨立建設太空站計畫,發射第一個核心艙,預計2030年前後運行。當然俄羅斯也有準備。同年6月15日舉辦的全球航太探索大會,羅戈津就表示,俄羅斯未來也可能派太空人上中國太空站,中俄雙方正就此事商討。

1月13日塔斯社報導,俄羅斯國家航太局和NASA正就ISS營運延長至2030年展開談判。羅戈津表示,就Zarya模組的工程支援,雙方已達成協議,2024年後由俄羅斯繼續執行。

美國對ISS的最後心思──幫NASA回點血

美國多年推動ISS轉為商業化,希望完全交給私人公司營運。1月31日,NASA總部ISS主任羅賓·蓋滕斯說:「我們希望2030年前最大化太空站回報,同時過渡至商業太空目的地。」

據NASA資料,除了老化,ISS另一個問題是資金。延長太空站使用期限的前提下,每年需要凍結數十億美元才能維持太空站運行。這無疑是筆龐大支出。一旦商業化,NASA將成為商業太空站客戶之一,至少可分散維持太空站的花費。

為了推動ISS商業化,NASA已準備相當久。早在1990年代末便制定ISS商業發展規劃,甚至列出價目表,但一直沒有實質性進展。2019年6月,NASA再次推出ISS商業化規畫,包括政策調整、為商業艙段留對接口,還發表低地軌道服務長期需求最低預測,以鼓勵民間公司投資。

去年4月29日,NASA稱相關公司對送私人訪客上ISS興致濃郁,需求之高甚至超出ISS容納能力。以此為藉口,NASA調整未來前往ISS的私人太空人任務收費策略,並稱新價格反映支援這些任務的實際開銷,「反映對超出太空站基線能力的資源之價值的全額補償」。大概類似取消官方補貼。

照2019年6月最初價格政策,ISS對生保和廁所收費標準是每人每天11,250美元,食物和空氣等其他機組補給物資收費標準是每人每天22,500美元。另有一些金額較小的收費專案如儲物、用電和數據使用等。

照新價格政策,除了每人每天8.8萬至16.4萬美元費用,私人太空人每次任務還要繳納520萬美元太空站機組工時費,以及480萬美元任務整合與基礎服務費。

▲ ISS 新收費標準。

不過具體價格還可商談,「鑑於私人太空人任務的複雜性和方案不同,任務應補償價值也會不同。」

至於ISS商業營運權,NASA一度選定Axiom Space和Bigelow Aerospace兩家公司。Bigelow計劃利用國際太空站資源開展空間旅遊專案,Axiom Space則試圖利用國際太空站無重力、超潔淨環境生產特殊材料。

疫情前Bigelow進度遙遙領先,2016年發射的BEAM模組已連結國際太空站實際使用,但疫情讓Bigelow深受打擊,2020上半年宣告破產,模組所有權也轉給NASA。

Axiom專案則穩步推進,與NASA簽署單獨協議,協定2024年底開始,Axiom向ISS發射多個模組。這些模組最終將與ISS分離,在軌道形成民間操作的「自由飛行器」。2月2日Axiom得到首次飛往ISS的批准,3月30日可向太空出發。此次飛行任務將承載3名付費客戶,報導每人支付5,500萬美元。

2021年12月,NASA又向三家公司(Blue Origin、Nanoracks和Northrop Grumman)撥款4.15億美元,以鼓勵他們在地球軌道建造商業太空站。

據《國際太空站過渡報告》,NASA與Blue Origin、Nanoracks、Northrop Grumman和Axiom的協議是過渡計畫1930年代刺激低地球軌道目的地商業化(CLD)兩階段的第一階段。「第一階段預計將持續到2025年」,報告指出。「至於ISS向CLD過渡的第二階段,NASA打算為NASA機組人員及其他潛在進入者提供證明,以便他們之後使用CLD,之後再從目的地提供商處購買服務,讓機組人員需要時使用。」這是複製NASA目前對往返ISS的私人太空人運輸服務方案。

有CLD計畫一大原因是SpaceX的成功。SpaceX擁有目前唯一能運送太空人來回ISS的商業太空飛行器,讓NASA擺脫2011年終止航太飛機專案後,只能依賴俄羅斯將太空人送往ISS的窘境。NASA和SpaceX合作已有數年。

2014年,NASA曾授權兩個價值數十億美元的合約,之一給老牌航空公司波音,另一個給SpaceX。自2020年5月以來,透過Falcon9火箭和CrewDragon太空艙,SpaceX已經完成了多個載人往返軌道任務。至於波音載人飛船CST-100Starliner,仍需真的搭載太空人前進行無人試飛。

從國際太空站到商業前哨站的轉變到底將為NASA節省多少資金?

據報告,「到2031年,預計節省約13億美元;到2033年將增加到18億美元」。這些資金將最終會投入NASA深空探索專案。某些觀點認為,無論商業化努力最終有多大成果,NASA都必須在近地軌道保持一席之地。畢竟據公開數據,美國的ISS花費超過1,000億美元,這些錢「可都來自納稅人」。

(本文由 品玩 授權轉載;首圖來源:pixabay

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