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对载人航天经验教训的再思考:商业化是发展载人航天必经之路
发布时间:2022年11月21日

前言

1961年4月12日,苏联航天员加加林乘东方号(Vostok)飞船实现了人类第一次环绕地球的低轨道飞行,揭开了世界载人航天活动的序幕。1992年9月21日,我国载人航天工程正式立项。笔者在《科技导报》1993年7期发表了《发展载人航天的经验教训》一文。文章指出32年的载人航天活动,既有成功的经验,也有深刻的教训。总结这些经验教训,无疑对今后的载人航天活动有十分重要的意义。文章总结了已取得较多共识的6条经验教训:①人与自动化系统的结合是开发空间资源的必由之路。②发展载人航天既要考虑提高国家的威望,又要有明确的科学试验、技术发展和应用的目的。③必须高度重视载人航天系统的可靠性和安全性。④降低空间运输系统的运输费用和提高其使用性能,已成为有效开发空间资源的重要前提。⑤国际合作已成为发展载人航天的必然趋势。⑥必须不断发展先进的大型工程的管理技术。

在这之后,笔者将自己撰写的有关空天飞机的几篇论文寄给了钱学森先生,钱老在回信中首先说:“7月20日的信和大作9篇都收到,十分感谢!昨在《科技导报》1993年7期又见您的《发展载人航天的经验教训》,所谈6点我都同意。我认为人们尤其应该重视遥现技术和遥操作技术,以免付出人长期在天上‘受罪’的巨大代价。我希望我国的航天事业能后来居上,胜人一筹!”钱老的回信,大大鼓励了笔者继续跟踪世界载人航天的进展并进行研究。近30年来,世界载人航天进展很快,也产生了许多变化。虽然30年前我们总结的载人航天的经验教训仍然正确,但是载人航天中的许多新的进展仍然引发我们再思考。

月球、火星是未来载人航天的目的地

人类登陆火星。

未来30年,人类将从地球轨道飞向月球和火星。首先,人类将重返月球。2019年5月23日,美国国家航空航天局(NASA)发布了《飞向月球:NASA月球探索战略计划》。美国重返月球计划取名为“阿耳忒弥斯”(Artemis),它将分两阶段实施。第一个阶段的目标是要执行“太空发射系统”(SLS)与“猎户座”(Orion)飞船集成的无人飞行测试(阿耳忒弥斯-1任务),再执行“猎户座”飞船载人绕月飞行测试(阿耳忒弥斯-2任务),然后执行载人登月(阿耳忒弥斯-3任务)。在此期间,NASA还将与美国工业界合作,为快速重返“月球开发月球轨道门户”(Gateway)部件、无人商业月球着陆器和载人月球着陆系统,并为其提供商业运载火箭发射服务。第二个阶段的目标是具备在月球轨道及其表面的持续探索能力,为完成载人火星任务打下基础。“门户”将作为深空前哨站和绕月燃料补给站,并作为未来前往火星的中转站。

2015年10月8日,NASA公布了《火星之旅:开拓太空探索新篇章》。载人火星探测有重要的科学意义,它将为人类揭示宇宙起源、地球的起源和生命的起源提供重要依据,除此以外,许多无人探测火星的结果表明,火星是太阳系内各方面条件最接近于地球的一颗行星,也是人类唯一在现有能力下可以达到的、备用的栖息地。最后,在人类探索火星的过程当中,开发的一系列技术也必将用于改造地球上的沙漠的荒凉地带,为地球上的人类造福。

2016年9月28日,在墨西哥举办的第67届国际宇航大会上,美国太空探索技术(SpaceX公司)创始人埃隆·马斯克作了“让人类变成多星球物种”的主题演讲,并推出了用于人类殖民火星的“星际运输系统”(ITS),最后定名为“星舰”(StarShip)计划,提出了最早要在2025建年实现载人登陆火星,更长远的计划是实现人类向火星移民。目前,埃隆·马斯克正在加紧研制“星舰”系统。

由此可见,人类有望在21世纪30年代登陆火星。但是他提出的建立火星城市的设想估计要有一个漫长的过程。

空间站是载人航天的基础设施

国际空间站。

世界载人航天发展出现了新的目的地,必将影响到目前载人空间站的任务。无疑,低地球轨道(LEO)的空间站最初是作为低轨道太空微重力科学技术实验室,现在仍然担负着这项任务,但它必定也是要研究人在未来的月球、火星环境下人的适应性的。目前的航天运输系统将人类送至火星的时间至少要半年以上,为此,空间站是研究人类长期在太空环境中生存能力的最好的基础设施。

与此同时,在原有的低地球轨道空间站的基础上,人类逐步认识到建设月球轨道空间站和火星轨道空间站的必要性。

由美国、俄罗斯、日本、加拿大和欧洲等在1998年开始共同建造“国际空间站”(ISS),到2011年2月组装工作全部结束。ISS的组成部分主要有:美国的长达108.6m的主桁架、居住舱、实验舱和太阳能电池阵,日本的实验舱,欧洲航天局(ESA)的哥伦布轨道设施,加拿大的移动服务系统,俄罗斯的功能舱、服务舱、研究舱和太阳能电池阵等。ISS原定的任务是进行在低地球轨道的有人照料的太空科学技术试验。过去的20年,ISS获得了丰富的科研成果,包括太空技术开发、物理学与生物学的微重力研究、人体生理学研究、地球科学与教育等。其中最引人注目的成果是:证明了普通细菌在太空飞行期间会增强致病的能力,但改变细菌生长环境可以控制其毒性;演示了将药物输入人体内目标部位的新方法。然而,由于ISS耗资巨大,加上建设周期太长,维修任务因部件老化而更加繁重,从而使其建成之时就面临窘境。

ISS做的最多的研究是测试恶劣的太空环境对人体、生物和材料的影响,这对今后的载人深空探索具有重要价值。首先,ISS是完成载人火星任务而必须的试验基地。人去火星需要半年以上的时间,因此可以利用ISS试验航天员在太空的长期生活和工作能力。其次,ISS可以试验未来载人访问月球、火星与建设基地必须掌握的技术,包括太空3D打印技术和天基太阳能技术等。

2022年,中国空间站即将建成,与ISS相比,中国空间站起步较晚,但具有后发技术优势。为实现建造空间站的目标, 中国空间站在构型布局上进行了精心设计,以保证空间站具备更强大的科学和应用能力。中国空间站还采用了许多创新技术,如:30%以上的光电转化效率的太阳能技术、高比冲电推进技术、高闭合度环控生保技术等。可以说,中国空间站的能力处于国际前列。中国空间站可以进行广泛的太空技术试验和微动力环境下的多种科学技术试验,此外还提供了对地观测和天文观测的能力。中国空间站还有变重力的设施,以模拟月球和火星的重力环境。因此,中国空间站是一种多用途载人航天基础设施。

商业化是发展载人航天的必经之路

早期,大国都把载人航天作为国家的头等大事。美国和俄罗斯发展载人航天,也是由太空竞赛所启动。因此,这两个国家都采用了由政府领导的举国体制。以美国为例,“阿波罗”(Apollo)计划每年花费了美国国内生产总值将近4.5%的资金,虽然赢得了载人登月的胜利,但从1973年以来,美国人再也没有重返月球。此后,由政府主导的航天飞机计划也远未达到降低运输费用的目的。

1986年,“挑战者”和2003年“哥伦比亚”航天飞机的爆炸解体,都有7名航天员罹难,让美国载人航天承受巨大的挫折。

NASA早在2008年就启动了“商业轨道运输服务(COTS)”项目,旨在为ISS发展商业补给服务,这种模式又很快推进到载人运输领域。

在承担NASA合同的几家公司中,表现最突出的是由埃隆·马斯克在2002年创建SpaceX公司。公司研制的猎鹰-9(Falcon-9)可回收式中型运载火箭进展顺利,既可靠又便宜。2012年5月22日,公司向ISS发射了史上第一艘用于商业运货的“龙”(Dragon)飞船。2020年5月30日,公司使用猎鹰-9火箭把载有两名航天员的“载人龙”(Crew Dragon)飞船成功送入ISS。这次发射是在美国航天飞机退役后,首次利用美国自己的飞船实施的载人发射,目前已完成了多次载人任务和商业太空旅游。

美国载人航天的商业化正在从航天运输系统扩展到空间站和重返月球等领域。2019年6 月7日,NASA发布了ISS商业化计划,商业化的首要途径是太空旅游。NASA将允许每年让两名私人航天员造访空间站,每人驻站时间不超过30天。其次就是提出ISS货物往返运输和站上服务的定价方案。增加商业化的试验项目,不仅可以增加收入,还可孕育一批具有产业前景的项目,让其在市场竞争当中脱颖而出。最后,NASA还鼓励商业公司自己建设商业空间站。NASA认为,ISS商业化的经验必将有助于未来载人深空探测和太空资源的开发。

载人航天技术的突破取决于颠覆式创新

SpaceX的星舰系统。

60年来,世界载人航天取得了许多成就,但与人们的期望还有一定的差距。载人航天技术与其他领域的前沿技术相比,发展速度并不快。现如今,摩尔定律在芯片领域仍然有效,而载人航天技术依赖的航天运输系统主要取决于火箭技术。60年来,火箭的比冲只提高10%。目前,载人航天技术的瓶颈仍然是航天运输系统的能力不足和效费比低。航空航天界十分期待使用组合式发动机的空天飞机,近年来,虽然高超声速吸气式发动机获得重大突破,但是距离低成本的航班化运行还有很远。另一方面,使用火箭发动机的垂直起飞、垂直降落的重复使用的航天运输系统却取得了很大的进展。目前,SpaceX公司研制的“星舰”可能是一种性能最高、费用最低的航天运输系统。

SpaceX公司在航天领域取得的重大进展,改变了世界航天的“游戏规则”,开创了一种颠覆性创新模式。它本身具有硅谷精神和“互联网基因”,通过应用互联网的快速迭代思维,让传统的航天系统工程注入新活力。传统的系统工程主张在前期研制中要暴露尽可能多的风险,以降低试错成本,因此,在前期研制上往往耗费很多时间和精力。SpaceX公司更强调每一次完整迭代之后产生的“经验”,包括基于更先进的工具和更优化的供应链协作关系,这种走完多次“设计、开发、测试”流程所需要的成本已经大大低于20世纪的;而每一次经历之后产生的经验,实际上都降低了项目的整体成本。

对于未来的载人火星探测任务,运送人和货物到火星的时间仍然在半年以上,从而增加了许多不可预测的风险。为此,我们必须开发利用化学能以外的能量,包括核能和其他能量的航天运输系统,在这方面的突破取决于航天界的颠覆式创新的能力,这种能力来自于基础科学的发展和先进的教育制度。

载人航天必须加强太空交通管理

为了保证载人航天活动的安全,必须加强太空的交通管理。目前,地球轨道上已经有了大量的太空碎片,一些反卫星试验也增加了太空碎片的数量,特别是随着低地球轨道宽带星座的发展,低地球轨道的交通更加拥挤。近年来,已经发生了多次“星链”(Starlink)星座卫星十分接近ISS和中国空间站的情景,从而敲响了空间站安全的警钟。

为了保障载人航天治动的安全,要在联合国框架下加太空环境治理体系建设。加强太空交通管理,建设完善太空碎片监测设施体系、编目数据库和预警服务系统,统筹做好航天器在轨维护、碰撞规避控制、太空碎片减缓等工作,确保太空载人系统安全稳定有序运行,以及太空活动、资产和利益的安全。

结束语

毫无疑问,人类必将迎来一个大航天时代,将使人类的社会更加繁荣和昌盛,但人类的美丽家园也正在面临着巨大的风险,因此,人类要进入一个地球以外可以生存的星球。这里应该说明,人类进入太空也是为了更好地造福与保护地球。人类向地球以外的移民也可能只是很少的一部分人,因此,保护和造福我们的家园,同样是载人航天的重要使命。

中国载人航天的发展已改变了世界载人航天的格局。中国载人航天基本上从世界载人航天第二个30 年起步。从中央决策实施载人航天工程并确定“三步走”战略至今,已有30年,我国首先研制成功了载人飞船,在突破了交会对接出舱活动等关键技术以后,在2022年全面建成中国自己的空间站,世界载人航天进入了“双空间站”时代。

中国空间站在运行过程中,如何保证其稳定安全并达到预期的成果,还有许多挑战。进一步,中国航天还会向载人登月和载人火星探测前进,因此,我们需要将未来的载人航天的发展和现在的空间站任务进行统一的规划。

参考文献

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作者黄志澄,系远望智库高级研究员。本文首发于《国际太空》2022年第10期

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