知乎日報:中國會是唯一一個擁有太空站的國家嗎?

  到了 2020 年,中國不是唯一一個擁有空間站的國家,因為還會有其他的空間站在太空中飛行。

  1. 國際空間站的工作時間將會延長到 2024 年

  根據 2014 年美國宇航局(NASA)和俄羅斯宇航局(Roscosmos)達成的協議,從 1998 年開始建設,重達 420 噸,活動空間達到 1200 立方米的國際空間站(International Space Station)運營時間將會至少持續到2024 年。

  它是人類歷史上發射的第 11 個空間站,也是人類科技史上的奇蹟。在長達 18 年的運行過程中,國際空間站目前已經接待了 224 人,共計 382 人次的造訪,在上面做出了無數科學實驗成果。更為重要的是,對於未來人類建立大型空間 / 行星基地和長期的載人星際旅行(火星探測)積累了寶貴的數據。畢竟,近地空間相對比較安全,人類更容易營救。國際空間站話題比較大,就不再擴展。

  在 2016 年 4 月 10 日,Space-X 執行了他們往國際空間站貨運的第八次任務,在任務結束後,大家都在瘋狂關注 Space-X 火箭第一級成功在海上回收的消息。

  着實,Space-X 最近兩年吸引夠了大家的眼球,以至於鮮有人關注他們這次發射任務所帶的有效載荷 -- 來自美國畢格羅太空公司(Bigelow Aerospace)的可擴展活動艙段 (Bigelow Expandable Activity Module),這一個重達 1.4 噸、內部體積達到 16 立方米的艙段已經成功對接到了國際空間站。從體積指標來看,已經和我國的天宮一號和天宮二號同級。

  BEAM 採用了最新的可擴展設計,在發射時保持縮小狀態,進入太空後逐漸展開(來自 NASA 的 TransHab 理論),代表着一種先進的空間站艙段設計理念,也是未來極其有應用前景的空間站 / 星際旅行發展趨勢。那麼,現在着重介紹一下 NASA 的另外一個重點扶植對象,畢格羅太空科技公司,他們也將為美國運轉下一代空間站。

  2. Bigelow Aerospace 的商業空間站也將在 2020 年左右成型

  伊隆馬斯克和他的 Space-X 近些年大熱大火,以至於大家鮮有關注其他美國的私人航天公司,比如這另一赫赫有名的畢格羅太空科技公司,他們主要業務就是做商業航天站,而且野心和能力都足以支撐起建立一個超過現有國際空間站的大型基地。這兩個公司加在一起,便是 NASA 下放的一整套商業火箭發射 + 航天貨運 + 航天客運 + 空間站 + 太空基地 + 星際探索的系統,足以與其他國家的整個航天實力相媲美。

  目測,在三五年內,畢格羅公司將會吸引整個世界航天界的眼球,不亞於今天的 Space-X。在國際空間站發射的那一年(1998 年),如今已經 71 歲的羅伯特畢格羅(Robert Bigelow)便建立了今天的畢格羅太空科技公司,他的目標非常直接 -- 建立屬於自己的太空旅館,換句話説,便是大型空間站。

  這都有他自身的影子:生在賭博之城拉斯維加斯,畢格羅以房地產起家,從旅館事業中賺夠了足夠的錢。在他事業如日中天的時候,將自己的眼光放到了如火如荼的商業航天領域,而且下手比伊隆馬斯克更狠,他計劃投資 5 億美元做自己的商業空間站!

  事實上,畢格羅的成功率要超過 Space-X,他們早在悄無聲息間,已經將兩個無人的商業空間站實驗艙段發射入太空,分別是 2006 年 7 月發射的創始(Genesis)1 號和 2007 年 6 月發射的創始(Genesis)2 號。這種源於 NASA 的 TransHab 項目的空間站艙段,採用了一種獨特的壓縮柔性設計 -- 先收縮易於發射,再到空間中展開為大型艙段。

  帶有 7 個“自拍”攝像頭的創始 1 號在太空中的自拍

  由於只是實驗艙段,設計壽命只有兩年半,且兩個創始號飛船都不能進入宇航員。重量雖然只有一噸,但內部大小卻達到了 11 立方米,體現了設計的優勢。也是因為不能進入宇航員,它們並沒有被列為空間站的定義中。但這兩個創始號到目前依然在軌飛行 (下圖是二者 2016 年 10 月 21 日的軌道)。

  目前已經建造完畢、預計最早 2017 年(另説可能延遲到 2020 年)發射的畢格羅太空科技公司的鸚鵡螺可充氣式空間站(Nautilus inflatable space habitat)即將發射,裏面的容量達到了極其誇張的 330 立方米(對比天宮二號 16 立方米左右的體積)。雖然各項功能達不到真正的空間站級別,但這種設計思路的下一步便是人類的太空基地。未來基於鸚鵡螺和更大的太陽舞者(Sundancer)建立的空間站將會達到驚人的 2800 立方米體積,輕鬆容納超過 20 名宇航員工作,商業太空旅遊不再是夢想。更長遠甚至有 8300 立方米版本。(假設 100 平米房子可使用容積為 300 立方米)

  如果順利的話,我們將在 2020 年附近見到這種空間巨無霸的身影。

  3. 俄羅斯的下一代空間站將在國際空間站退役前發射

  可以説俄羅斯 / 蘇聯是最熱衷發射空間站的國家,成系列的禮炮號空間站和著名的和平號空間站堪稱人類征服近地空間的里程碑。國際空間站也有一半貢獻來自俄羅斯,在近些年航天飛機退役後 Space-X 崛起前更是承擔了其所有的維護和運輸工作。在國際空間站退役前,俄羅斯人自然不甘落後,他們已經在建設新一代的俄羅斯空間站,叫做軌道導航組合暨實驗設施(俄語:Орбитальный Пилотируемый Сборочно-Экспериментальный Комплекс (ОПСЭК)。

  這個預計重達 100 噸的空間站更像是國際空間站俄羅斯部分的複製,除了既有功能外,一個極其重要的工作內容便是支援可能的載人登陸火星或是重新載人登月。但目前還沒有落到實際合同上,尚不知道未來情況如何。

  4. 中國空間站

  當然必須把中國空間站列為重頭戲!

  世界航天,從伊始便把中國遠遠甩開,中國多次示好,甚至在天宮一號發射前兩年依然在謀求與國際空間站的合作,在歐盟和俄羅斯基本同意的情況下還是被美國以防止太空技術“大規模擴散”為理由拒絕(而國際空間站已有近 30 個簽約國,甚至包括馬來西亞、南非、哈薩克斯坦這種國家),這是赤裸裸的技術打壓。

  兔子逼急了也會咬人,一貫自力更生的中國航天人本就不願寄人籬下,現在倒不如放開手腳大幹一場。從無到有,中國在極其有限的航天資金支持下(中國所有的航天經費估計在 100 億美元左右,甚至遠遠抵不過一架航天飛機的花費),一步一步發展到了今天。而現在,我們在空間實驗室建設方面,隨着天宮二號的成功發射,正在取得快速矚目的進步。

  在天宮二號退役之後,中國的空間站將會正式開建(大約 2020 年前後)。預計包括如下幾個艙段:

  天和號核心艙

  問天號實驗一艙

  夢天號實驗二艙

  巡天號太空望遠鏡

  天舟號貨運飛船

  神舟號載人飛船

  由於組合空間很大,他們將形成一個 60-180 噸級別的大型空間站。

  中國將會形成一個長征五號(重型火箭,運載能力 25 噸,預計 2016 年 11 月在文昌首次發射)、長征七號(中型火箭,運載能力 14 噸)和長征二 F(中型載人火箭,9 噸)搭配的空間站火箭發射體系,文昌(非載人)和酒泉(載人)配合的火箭發射場體系,遍佈全球的測控站、遠望系列測控船和空間中繼衞星配合的全天候監控通訊體系,真正崛起為一個航天超級強國!

  為什麼需要世界範圍內空間站建設發展在近些年逐漸加速,簡單説兩點:

  1. 在近些年,隨着火星探測、重返月球、太空資源開發再次成為焦點,而從空間站作為起點或中繼,將會大大節省從地球發射成本,也降低各種任務難度,科研價值和星際殖民價值極大。一旦發現重大應用或者資源,擁有大型空間站的國家將佔有重大優勢!

  2. 空間站技術帶回的技術反饋和投資回報極高。以美國為例,可以説沒有國際空間站長達 18 年的存在,美國目前發展異常迅猛的一系列私營航天公司(諸如畢格羅太空科技、Space-X 太空科技、藍色起源、軌道進步太空科技)根本沒有潛在的市場,而這些私營公司的存在,又大大拓展了甚至直接壟斷了有着無限潛力的世界航天市場,他們使美國建立了一個政府 -NASA- 私營航天的壟斷體系,在人類的太空時代已經佔據了制高點。崛起中的中國,必然不能錯過這個千載難逢的機會,而空間站建設,便是帶動整個國家航天技術、甚至未來我國商業航天的最好方式。

  所以到了 2020 年這個節點,將會形成各個國家、各個空間站彼此白熱化競爭的局勢。相信當初洋洋得意的歐美航天強國,根本不會想到中國在短短 30 年內,便迅速趕上,坐到了跟他們平起平坐、分庭抗敵的地步!

  此時此刻,兩位中國航天員景海鵬、陳冬正乘坐天宮二號翱翔在浩瀚的太空中,三十功名塵與土,八千里路雲和月,祝兩位英雄圓滿完成任務,凱旋歸來!

  向所有航天人致敬!

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