再見，國際空間站？

再見，國際空間站？


作者：白寧


2001年3月23日，俄羅斯和平號(hào)空間站在運(yùn)行15年之后受控墜落，殘骸落于南太平洋；


2011年3月4日，美國地球觀測(cè)衛(wèi)星Glory發(fā)射升空后，發(fā)生運(yùn)載火箭故障，墜入南太平洋；


2018年4月2日，我國天宮一號(hào)太空實(shí)驗(yàn)室落入南太平洋；


2021年12月27日，俄羅斯Angara-A5重型火箭發(fā)射測(cè)試失敗，火箭殘骸落入南太平洋海域；


……


如果觀察得更仔細(xì)一點(diǎn)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這些飛行器的具體落海點(diǎn)異乎尋常得統(tǒng)一，都在南太平洋中央南緯48°52.6′西經(jīng)123°23.6′，這里距離任意陸地都有約2685公里。如此特殊的地點(diǎn)自然有專屬名字——“海洋難抵極”，也被稱為“尼莫點(diǎn)”（在拉丁語中意著“沒有人”）。


尼莫點(diǎn)，地球表面距離陸地最遙遠(yuǎn)的地點(diǎn)。


尼莫點(diǎn)是公認(rèn)的“航天器墓園”。自1971年算起，這里已經(jīng)接納接近300個(gè)太空殘骸。根據(jù)美國國家航空航天局（NASA）2021年12月31日公告，國際空間站（ISS）將于2031年正式退役，之后殘骸也將被拋向這里。


續(xù)命


叱咤風(fēng)云的ISS正在老去。


2000年11月2日，NASA宇航員比爾·謝潑德以及兩名俄羅斯宇航員謝爾蓋·克里卡列夫、尤里·吉德津科，乘坐“聯(lián)盟TM-31”飛船抵達(dá)ISS，成為它的第一批宇航員。在這里，他們每隔45分鐘就能觀賞一次太陽的升起或降落。


此后的20多年，來自19個(gè)國家的200多位宇航員先后欣賞過這種另類風(fēng)景，并借助這片從太空中竊取的穩(wěn)定微重力環(huán)境，進(jìn)行了約3000項(xiàng)科學(xué)研究，內(nèi)容涉及生物、物理、生物醫(yī)學(xué)、材料、地球和空間科學(xué)等眾多領(lǐng)域：部署的氣候傳感器驗(yàn)證了氣候模型，提供了地球氣候環(huán)境變化相關(guān)的巨量信息；空間科學(xué)儀器加深了人類對(duì)中子星和暗物質(zhì)等現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)；ISS上的工作人員則自愿作為測(cè)試對(duì)象，記錄了人類在微重力環(huán)境下生活和工作的適應(yīng)情況……


當(dāng)然，ISS的另一個(gè)特殊意義還在于，這是美國和俄羅斯在太空領(lǐng)域達(dá)成的深度合作。它由美國、俄羅斯兩國航天局主導(dǎo)，歐洲、日本、加拿大、巴西的太空機(jī)構(gòu)聯(lián)合推進(jìn)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)包括全球25個(gè)太空機(jī)構(gòu)和組織。


這是目前太空中最大的人造物體，曾同時(shí)最多承載過10名以上的人類。然而隨著時(shí)間累積，ISS開始變得漏洞頻出，大到冷卻系統(tǒng)、氧氣系統(tǒng)故障，小到實(shí)驗(yàn)體丟失、窗戶破碎、廁所“罷工”，都曾發(fā)生在這片距離地球表面400公里之上的密閉航天器上。


ISS在軌結(jié)構(gòu)示意圖，圖源雜志《國際太空》。


事實(shí)上，ISS最初的設(shè)計(jì)壽命只有短短15載。2015年，美國和俄羅斯的航天部門簽署協(xié)議，同意ISS的使用壽命由2020年延長至2024年。2020年7月，NASA授予波音公司價(jià)值9.16億美元的合同，用于支持ISS延壽工作至2024年9月。在該合同框架下，波音公司為站上活動(dòng)提供工程技術(shù)支持服務(wù)、資源和人員，并負(fù)責(zé)管理站上系統(tǒng)。


如今，眼看“退休”之日臨近，NASA又于2021年12月31日發(fā)表聲明，宣布美國政府將支持國際空間站的運(yùn)行再延長6年，將退役時(shí)間延遲至2031年，與此同時(shí)，希望與包括俄羅斯，加拿大，日本和歐洲在內(nèi)的國際伙伴繼續(xù)合作，直到本十年結(jié)束。


2月1日，NASA發(fā)布《國際空間站過渡報(bào)告》（International Space Station Transition Report ），這被視為ISS的具體退役規(guī)劃。不過，與6年前的眾望所歸相比，ISS此次的退役延期卻多了不少質(zhì)疑的聲音。


根據(jù)《國際空間站過渡報(bào)告》，國際空間站的技術(shù)壽命受到主要結(jié)構(gòu)的限制，即模塊、散熱器和桁架等部分，其他系統(tǒng)，如電力、環(huán)境控制和生命支持以及通信，在軌道上都是可修復(fù)或可更換的。而根據(jù)負(fù)責(zé)ISS俄羅斯部分的工程師弗拉基米爾·索洛維耶夫的公開采訪，ISS上俄羅斯部分搭載的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中至少80%已經(jīng)過了使用期限，其中貨運(yùn)艙“Zalya”（國際空間站上最古老的模塊之一）表面已經(jīng)出現(xiàn)了多個(gè)小裂縫，“隨著時(shí)間的推移，裂痕有可能擴(kuò)大”。


太空垃圾也曾在國際空間站的Canadarm上撞出洞。


俄羅斯副總理尤里·鮑里索夫也公開表示過ISS老化嚴(yán)重，又因?yàn)榭臻g站運(yùn)營合約將于2024年到期，俄羅斯可能于2025年后退出該項(xiàng)目。不過，俄羅斯航天國家集團(tuán)（Roscosmos）總經(jīng)理羅戈津也表示，盡管ISS個(gè)別艙段超期服役較為嚴(yán)重，但結(jié)束該項(xiàng)目還為時(shí)尚早，與其他合作伙伴商討后才能最終確定2024年后具體規(guī)劃。不過，他口中的“其他合作伙伴”對(duì)于2024年后ISS何去何從，直到進(jìn)入2022年都沒有達(dá)成統(tǒng)一意見。


除了墜毀或出資維持ISS在近地軌道的運(yùn)行外，也有人提出可以用推進(jìn)設(shè)備把ISS推到地月空間再利用。從動(dòng)力角度，這未必做不到，不過考慮到ISS的防輻射系統(tǒng)是根據(jù)距地400公里的軌道研制的，一旦失去近地軌道之上的上千公里稀薄大氣對(duì)于宇宙射線的遮擋能力，艙內(nèi)輻射強(qiáng)度之高將無法保證航天員生存?？紤]到重塑防輻射系統(tǒng)所需投入，這個(gè)方案的可行性幾近于零。


基于以上種種理由，有人認(rèn)為，ISS延期至2031年退役，極有可能是一個(gè)針對(duì)中國天宮空間站的較勁行為。天宮空間站預(yù)計(jì)于2022年左右建成，設(shè)計(jì)壽命到2032年，一旦ISS墜毀，中國天宮空間站將是太空里唯一的人類空間站，而1年以內(nèi)的時(shí)間空白，至少會(huì)讓ISS目前的合作方在轉(zhuǎn)身時(shí)猶豫一陣兒。


從爭(zhēng)霸到合作的產(chǎn)物


造出航天器之前，人們?cè)氏仍谝黄?911年發(fā)表的論文中體驗(yàn)過搭乘宇宙飛船登天的感覺。論文中，載人宇宙飛船從發(fā)射到進(jìn)入軌道的全過程被依次詳盡呈現(xiàn)，人們因此看到了超重和失重對(duì)人的神奇影響、失重狀態(tài)下物體的奇異表現(xiàn)，以及地球景觀、天空景色在不同高度視角下的迷人之處。


論文作者，即康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基，后來成為現(xiàn)代宇宙航行學(xué)的奠基人。他最先論證了利用火箭進(jìn)行星際交通、制造人造地球衛(wèi)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(yuǎn)生活在搖籃里?！卑倌陙?，這位航天之父的名言持續(xù)激勵(lì)著航天領(lǐng)域的研究者前行。


60多年后，蘇聯(lián)發(fā)射了世界上第一個(gè)空間站——“禮炮1號(hào)”，太空探索從此邁入新的征程。至1982年4月11日，蘇聯(lián)共發(fā)射了7座禮炮號(hào)空間站，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個(gè)可以進(jìn)行宇宙物理、地球大氣現(xiàn)象、醫(yī)學(xué)—生物學(xué)、地球資源調(diào)查等各種科學(xué)研究和工藝試驗(yàn)的巨大航天實(shí)驗(yàn)室。


禮炮2號(hào)失敗了。


禮炮號(hào)空間站的成功給蘇聯(lián)帶來了巨大的政治聲望，與此同時(shí)，也將美蘇太空爭(zhēng)霸推向白熱化。


阿波羅計(jì)劃之父馮·布勞恩在1956年提出了輪狀空間站的構(gòu)想，認(rèn)為這樣這種構(gòu)型可以人為制造重力。禮炮1號(hào)發(fā)射成功2年后，美國啟用阿波羅計(jì)劃的剩余物資，研制出了軍用背景的“天空實(shí)驗(yàn)室”（Sky Lab）。但因?yàn)槿剂蠈?duì)接失誤，Sky Lab提前于1979年7月11日墜入大氣層，相比禮炮號(hào)空間站取得的成功，顯然遜色多了。


1984年1月25日，時(shí)任美國總統(tǒng)的里根指示NASA開發(fā)一個(gè)“永久載人空間站，并在十年內(nèi)建成”。為此，NASA決心建立一個(gè)由3個(gè)獨(dú)立軌道平臺(tái)組成的空間站，用于進(jìn)行微重力研究、地球及天體觀測(cè)。這就是自由號(hào)空間站。為了控制成本，自由號(hào)空間站的設(shè)計(jì)此后進(jìn)行了數(shù)次重大修改。


蘇聯(lián)從1986年開始建設(shè)和平號(hào)空間站。這是人類第一個(gè)真正的模塊化空間站，隨著艙段的增加，研究和居住能力將隨之不斷提高。不過它的命運(yùn)也很大程度沒有取決于技術(shù)本身的演進(jìn)。幾年后蘇聯(lián)解體，之后無論是美國還是俄羅斯，都開始大幅削弱航天預(yù)算。


為了維持航天領(lǐng)域的發(fā)展，又因?yàn)檎谓?jīng)濟(jì)等因素的推動(dòng)，太空領(lǐng)域有了從競(jìng)賽向合作轉(zhuǎn)變的傾向。


1993年，美國進(jìn)行了一場(chǎng)是否應(yīng)讓俄羅斯加入空間站的大討論。期間，移居美國的蘇聯(lián)科學(xué)院太空研究所前所長薩格迪夫?qū)懙溃骸昂罄鋺?zhàn)時(shí)代，太空政策即是外交政策。”他列舉了美國應(yīng)讓俄羅斯加入空間站的緣由，包括幫助俄羅斯維護(hù)其在國民心中“太空強(qiáng)國”形象有利于拉攏俄羅斯領(lǐng)導(dǎo)人、促使俄羅斯科學(xué)家不再局限于國界內(nèi)工作、為俄羅斯減少使用核武器提供動(dòng)力等。這大部分也是美國政府促進(jìn)航空合作的原因。


這場(chǎng)討論逐漸深化，在此背景下，ISS計(jì)劃正式誕生。


1998年1月29日，來自美國、俄羅斯、日本、加拿大和歐空局參與國的代表簽署了一份關(guān)于空間站合作的最新政府間協(xié)議。按照協(xié)議，美俄合作將分階段進(jìn)行：第一步是美國航天飛機(jī)登陸俄羅斯當(dāng)時(shí)運(yùn)行的“和平號(hào)”空間站，接著是美國和俄羅斯聯(lián)合建設(shè)空間站，最后便是美國的盟友也參與建造國際空間站。


協(xié)議簽署10個(gè)月后，俄羅斯發(fā)射了國際空間站在軌段的第一個(gè)模塊“曙光”艙。3周后，美國的第一個(gè)艙段“團(tuán)結(jié)”艙通過奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)抵達(dá)，ISS建造就此開始。此后，又歷時(shí)12年，整個(gè)ISS才組裝建造完畢。


ISS的主體結(jié)構(gòu)由蘇聯(lián)的“和平2號(hào)”、美國的自由號(hào)空間站融合而來，分別衍化為由俄羅斯運(yùn)營的俄羅斯軌道段（ROS）、由美國及其他國家運(yùn)營的美國軌道段（USOS）。它每日環(huán)繞地球15.5圈，由17艙、10桁架、3外部裝載平臺(tái)以及3維修系統(tǒng)組成，里面配備了兩個(gè)浴室、健身設(shè)施和一處360度的窗，是低地球軌道上運(yùn)行的最大衛(wèi)星。有宇航員做過類比，ISS的生活空間，相當(dāng)于波音747巨型飛機(jī)的機(jī)艙。


天上的事也是地上決定的


在美國、俄羅斯的共同利益下，ISS得以建造，其建成后的命運(yùn)也同樣受兩國關(guān)系的影響。在接下來不到十年的時(shí)間里，如何對(duì)待或處理ISS，兩個(gè)國家也多有分歧。


事實(shí)上，俄羅斯一直都對(duì)ISS的狀況頗有微詞。羅戈津過去曾多次批評(píng)美國“過度以自我為中心”。2020年NASA授予波音公司巨款合同后不久，他曾公開表示：“美國偏離了過去在ISS上達(dá)成的相互支持原則。他們認(rèn)為這是北約，而不是國際項(xiàng)目——有美國在，其他人都必須提供幫助，并為此買單?！?br>

俄羅斯希望可以專注于建設(shè)自己的項(xiàng)目，因此有意在ISS退役前，進(jìn)一步擴(kuò)展俄羅斯艙段部分的在軌能力，利用質(zhì)子號(hào)和聯(lián)盟號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射科學(xué)號(hào)多功能實(shí)驗(yàn)艙、停泊號(hào)節(jié)點(diǎn)艙和科學(xué)動(dòng)力艙，同時(shí)考慮待ISS退役后，以部分在軌艙段為基礎(chǔ)建立本國獨(dú)立的空間站ROSS。


俄羅斯能源火箭航天公司成立75周年紀(jì)錄片中的ROSS空間站方案。


2021年9月2日，羅戈津公開表示ROSS的部署計(jì)劃將在五六年內(nèi)啟動(dòng)，2025年啟動(dòng)獨(dú)立建設(shè)空間站的計(jì)劃，發(fā)射第一個(gè)核心艙，預(yù)計(jì)于2030年前后投入運(yùn)行。當(dāng)然，俄羅斯也有雙手準(zhǔn)備。同年6月15日舉辦的全球航天探索大會(huì)上，羅戈津就表示，俄羅斯未來也可能向中國的空間站派遣宇航員，中俄雙方正就此事商討。


根據(jù)1月13日塔斯社報(bào)道，俄羅斯國家航天局和NASA正在就將ISS的運(yùn)營延長至2030年展開談判。羅戈津表示，就Zarya模塊的工程支持，目前雙方已達(dá)成協(xié)議，2024年后由俄羅斯繼續(xù)執(zhí)行。


美國在ISS上的最后心思——給NASA回點(diǎn)血


至于美國，多年來都在推動(dòng)ISS轉(zhuǎn)向商業(yè)化，希望完全交由私人商業(yè)公司運(yùn)行。1月31日，NASA總部ISS主任羅賓·加滕斯說：“我們希望在2030年之前最大化空間站的回報(bào)，同時(shí)計(jì)劃向隨后的商業(yè)太空目的地過渡?！?br>

根據(jù)NASA公布的資料，除了部件老化的問題，ISS面臨的另一個(gè)問題是資金。在延長空間站使用期限的前提下，每年需要凍結(jié)數(shù)十億美元才能維持空間站的正常運(yùn)行。這無疑是一筆龐大的支出。而一旦完成商業(yè)化，NASA將成為這些商業(yè)空間站的眾多用戶之一，至少可以分散掉維持空間站的花費(fèi)。


為了推動(dòng)ISS的商業(yè)化，NASA已經(jīng)準(zhǔn)備了相當(dāng)長時(shí)間。早在上世紀(jì)90年代末，它便制定了ISS的商業(yè)發(fā)展規(guī)劃，甚至出臺(tái)了價(jià)目表，但一直沒有太多實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。2019年6月，NASA再次推出了一項(xiàng)推進(jìn)ISS商業(yè)化的規(guī)劃，包括政策上的調(diào)整、為商業(yè)艙段留出一個(gè)對(duì)接口，還發(fā)布了其對(duì)低地軌道服務(wù)長期需求的最低預(yù)測(cè)，以鼓勵(lì)私人公司的投身其中。


去年4月29日，NASA稱相關(guān)公司對(duì)送私人訪客到ISS興致濃郁，需求之高甚至超出了ISS的接待能力。以此為借口，NASA調(diào)整了對(duì)未來前往ISS的私人航天員任務(wù)的收費(fèi)策略，并稱新價(jià)格反映了為這些任務(wù)提供支持的實(shí)際開銷，“反映了對(duì)超出空間站基線能力的資源之價(jià)值的全額補(bǔ)償”。這大概類似于取消了官方補(bǔ)貼。


按照2019年6月的最初價(jià)格政策，ISS對(duì)生保和廁所使用的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)是每人每天11250美元，對(duì)使用食品和空氣等其他機(jī)組補(bǔ)給物資的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)是每人每天22500美元。另有一些數(shù)額較小的收費(fèi)項(xiàng)目，涉及儲(chǔ)物、用電和數(shù)據(jù)使用等。


而按照新的價(jià)格政策，除了每人每天8.8萬～16.4萬美元的費(fèi)用外，私人航天員的每次任務(wù)還要繳納520萬美元的站上機(jī)組工時(shí)費(fèi)，以及480萬美元的任務(wù)集成與基礎(chǔ)服務(wù)費(fèi)。


ISS新收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)


不過，涉及到具體價(jià)格還可以進(jìn)一步商談：“鑒于私人航天員任務(wù)的復(fù)雜性和任務(wù)方案各不相同，這些任務(wù)的應(yīng)補(bǔ)償價(jià)值可能會(huì)有所不同”。


至于ISS的商業(yè)運(yùn)營權(quán)，NASA曾一度選定了Axiom Space和Bigelow Aerospace兩家公司。Bigelow計(jì)劃利用國際空間站資源開展空間旅游項(xiàng)目，而Axiom Space公司則試圖利用國際空間站的無重力、超潔凈環(huán)境生產(chǎn)特種材料。


疫情之前，Bigelow的進(jìn)度遙遙領(lǐng)先，其2016年發(fā)射的BEAM模塊已經(jīng)連接在國際空間站上實(shí)際使用，但是疫情讓Bigelow深受打擊，這個(gè)航天公司在2020上半年宣告破產(chǎn)，該模塊的所有權(quán)也被轉(zhuǎn)移到NASA。


Axiom的項(xiàng)目則在穩(wěn)步推進(jìn)。它與NASA簽署了一項(xiàng)單獨(dú)協(xié)議，雙方協(xié)定從2024年底開始，Axiom向ISS發(fā)射多個(gè)模塊。這些模塊最終將與ISS分離，在軌道上形成一個(gè)私人操作的"自由飛行器"。2月2日，Axiom得到了首次飛往ISS的批準(zhǔn)，3月30日可以向太空出發(fā)。此次飛行任務(wù)將承載3名付費(fèi)客戶，據(jù)報(bào)道，每人均支付了5500萬美元。


2021年12月，NASA又向三家公司（Blue Origin，Nanoracks和Northrop Grumman）共撥款4.15億美元，以鼓勵(lì)他們?cè)诘厍蜍壍郎辖ㄔ焖饺丝臻g站的努力。


根據(jù)《國際空間站過渡報(bào)告》，NASA與Blue Origin，Nanoracks，Northrop Grumman和Axiom的協(xié)議是過渡計(jì)劃20世紀(jì)30年代刺激低地球軌道目的地商業(yè)化（CLD）兩階段中的第一階段。"第一階段預(yù)計(jì)將持續(xù)到2025年。”報(bào)告指出，“至于ISS向CLD過渡的第二階段，NASA打算為NASA機(jī)組人員以及其他潛在進(jìn)入者提供證明，以便于他們此后使用CLD，之后再從目的地提供商處購買服務(wù)，讓機(jī)組人員在需要時(shí)使用?！边@基本復(fù)刻了NASA目前對(duì)往返ISS的私人宇航員運(yùn)輸服務(wù)實(shí)施的方案。


而CLD計(jì)劃能夠提出，一大原因是SpaceX的成功。SpaceX擁有目前唯一能將宇航員從ISS來回運(yùn)送的商業(yè)航天器，這讓NASA擺脫了2011年終止航天飛機(jī)項(xiàng)目后，只能依賴俄羅斯將宇航員送往ISS的窘境。至今，NASA和SpaceX的合作已持續(xù)數(shù)年。


2014年，NASA曾授權(quán)兩個(gè)價(jià)值數(shù)十億美元的合同，其中一個(gè)給了老牌航空公司波音，另一個(gè)就給了SpaceX。自2020年5月以來，通過Falcon9火箭和CrewDragon太空艙，SpaceX已經(jīng)完成了多個(gè)載人往返軌道任務(wù)。至于波音公司的載人飛船CST-100Starliner，則仍需在搭載宇航員之前，進(jìn)行無人試飛。


那么，從國際空間站到商業(yè)前哨站的轉(zhuǎn)變到底將為NASA節(jié)省多少資金呢？


根據(jù)報(bào)告，“到2031年，預(yù)計(jì)將節(jié)省約13億美元；到2033年，節(jié)省數(shù)額將增加到18億美元”。這些資金將最終投入到NASA的深空探索項(xiàng)目中。


一些觀點(diǎn)認(rèn)為，無論這些商業(yè)化努力最終取得多大成果，NASA都必須在近地軌道上保持一席之地。畢竟，根據(jù)公開數(shù)據(jù)，美國在ISS上的花費(fèi)早已超過了1000億美元，而這些人的錢“可都來自于納稅人”。