商业空间站到底什么样?未来太空中可能会有多个空间站吗?
来源:科普中国
发布时间:2024-02-27
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近年来,在国际空间站老化的背景下,许多老牌或者新兴的航天公司看准时机,主动向早有为国际空间站退役后做打算的美国宇航局给出了自己的方案,希望获得青睐。美国宇航局也顺水推舟推出了近地轨道商业开发计划,推动的方式有两种,一种是推进目前国际空间站的商业化利用,让更多的民营企业可以参与到国际空间站的运营中;而另一种则是与这些愿意合作的航天公司一起共同搭建商业空间站。美国宇航局称这些空间站为“商业近地轨道目的地”。

2021年12月3日,美国宇航局在其官网上发布公告,对外公布了3个受到美国宇航局资金资助的商业空间站方案。

这3个方案由3个不同的团队进行设计:由蓝色起源公司和山脉空间公司团队设计的轨道礁空间站获得1.3亿美元资助;由纳米支架公司团队设计的星空实验室空间站获得1.6亿美元资助;由诺格创新公司设计的一个尚未命名的大型空间站获得1.25亿美元资助。除了这3个空间站,在2020年就与美国宇航局达成合作的公理航天公司和新兴的浩瀚公司也正在紧锣密鼓地筹划着自己的空间站,这两家公司正在试图争夺“世界上第一个商业空间站”的名号。

轨道礁空间站

轨道礁空间站仅从渲染图中就可以看出,这是一个巨大的空间站。从目前官方给出的最新渲染图上,能看见超过10个大型舱段,其中还有3个巨大的充气式舱段。

轨道礁空间站渲染图

根据山脉空间公司合作方的数据,仅一个充气式舱段内部将能够有300立方米的空间,在充气后其外壳直径将达到8米左右。在其渲染视频中,某一个充气式舱段会成为一个培育植物的大型温室。

在空间站外部,有4对巨大的太阳电池帆板来支持空间站的用电需求。根据演示视频,空间站的舱段上还特地开了许多窗户,窗户面积之大和之多在空间站设计中前所未见。很明显,设计团队想要将其打造成一个近地轨道旅游目的地。他们认为其最终将会成为一个类似村庄的地方,每一个人都可以在空间站中遵循他们喜欢的生活方式生活,无论是科研工作者还是普通游客,都可以在这个“不受束缚”的近地轨道栖息地里居住。

轨道礁空间站窗户

在其第一阶段建造中,空间站将能维持6人规模的乘员组,在第二阶段完成后将能满足10人的居住需求。首个舱段的发射时间预计为2027年,但是之后十余个舱段的预计发射时间仍然未知。这也是目前所有商业空间站中唯一内部空间将有可能大于国际空间站的空间站。

轨道礁空间站的设计团队由蓝色起源公司和山脉空间公司两家主要公司和若干其他业务合作伙伴组成。其中蓝色起源公司将提供发射空间站舱段的火箭——新格伦火箭。这是一型由蓝色起源自研的重型火箭,该火箭目前仍未首飞,首飞时间未知,进展也不明。而另一家名为山脉空间公司,主要从事航天器的生产制造。该公司于2021年4月成立,是由内华达山脉公司——一家长期参与美国航空航天业的公司,为了未来商业航天市场而单独成立的一家公司。如今其仍在为内华达山脉公司从事各种硬件制造业务,正在进行美国宇航局商业补给服务的追梦者号航天飞机的制造,还有轨道礁空间站的舱段设计与制造。

在合作伙伴中,“亚马逊”“波音”“三菱重工”红线公司等4家公司较为值得一提。贝索斯创立的亚马逊公司作为世界知名的电子商务公司,其在供应链管理上有着十分丰富的经验,这也是其在项目中的主要作用;波音公司将为空间站提供天地往返工具——星际线飞船,同时为空间站提供科学模块和维护运营等服务;日本三菱重工公司在2022年3月宣布参与到轨道礁空间站项目中,并与山脉航天公司签署技术合作协议,但是各方都没有透露具体的合作内容,据推测三菱重工公司将会为项目提供一些技术服务。

“三菱重工“是国际空间站上日本希望号实验舱的制造商之一,其空间站舱段的制造经验应该会让参与各方获益匪浅;红线公司也是一家长期参与美国航空航天业的公司,虽然相对来说并不知名,但是其在美国航空航天业扎根颇深,最近在国际空间站上部署完成的6个iROSA柔性太阳能电池板,就是由红线公司旗下的子公司之一制造的。在空间站项目中,红线公司将进行有效载荷和空间站可部署结构的制造,并为微重力研究、开发和制造提供支持。

星空实验室空间站

相较于较为复杂的组装式空间站,纳米支架公司单体式的星空实验室空间站看起来就要简单得多,不需要在轨组装的步骤。

星空实验室空间站渲染图

从目前的渲染图来看,整个空间站由3个部分组成。最尾部为设备段,除了推进组件和一个对接口外,其上安装还安装有4个大型太阳能电池帆板,可提供最高60千瓦的电力,并整合有空间站的推进装置。中间为节点舱,该舱段上有对接口,还有一个小型的货物气闸舱,在其外部还有一个可用于部署微小卫星或将实验载荷安装到空间站外部的机械臂。空间站的核心部分是一个大型充气式舱段,最前端还有一个对接口。据透露,该舱段的内部容积将达到340立方米,内部将被划分为多个不同的功能区间,在建成后可支持4人乘员组在空间站中生活。

根据计划,该空间站将在2027年发射,2028年进入运营状态,目前仍不清楚该空间站将会由哪一款火箭来执行发射任务,也未透露用于运营的载人飞船等更多相关信息。

为了完成这个空间站,纳米支架公司还聘请了一位前美国宇航局官员马歇尔·史密斯来作为监督掌管工作,他在从美国宇航局退休前曾参与了阿尔忒弥斯计划的载人任务规划。

纳米支架公司创始人为杰弗里·曼伯,是美国最早期的民营航天企业家之一。上世纪80年代末,他行走于政商两界之间,受里根政府的邀请,在美国与苏联之间搭起了沟通的桥梁,为苏联航天事务的商业化做出了贡献。苏联解体后,他参与到俄罗斯能源公司对于苏联太空遗产的私有化改造中,成为了目前唯一曾在能源公司中成为正式员工的美国人,他曾帮助协调俄罗斯的和平2号空间站和美国的自由号空间站的合并,为国际空间站的诞生做出了巨大贡献。从俄罗斯离开后,杰弗里·曼伯在海外行商多年,最终在2009年回到美国创立纳米支架公司,重新回归到太空相关的事务中。纳米支架公司在2021年5月被旅行者空间公司完全收购,成为其子公司之一。

纳米支架公司主要提供各种各样的太空服务,比如帮助客户在国际空间站中进行微重力实验,使用该公司对接于国际空间站上的主教号气闸舱进行微小卫星发射服务等等。值得一提的是,该公司还曾与我国有过接触。2015年8月,纳米支架公司与北理工邓玉林教授团队进行了合作,2017年6月4日,团队所研制的DNA相关研究载荷由猎鹰9火箭托举升空,搭乘龙飞船成功到达国际空间站,完成了中美国际空间站合作“零”的突破。2017年8月27日,杰弗里·曼伯代表公司来到北京理工大学与学校领导会晤,并表达了进一步深化合作的意图。

在合作伙伴中,除了母公司旅行者空间公司外,还有3个重要的合作方。首先是洛·马公司,该公司将作为星空实验室空间站的技术集成方,领导开发空间站上最重要的大型充气式舱段。在空间站进入轨道并开始运营后,洛·马公司将继续运营其负责的部分并持续提供维护等服务。欧洲空中客车防务与航天公司将提供技术设计支持和专业知识,帮助扩展空间站的使用场景,帮助欧空局等合作伙伴开展微重力实验。第三个合作方在一众合作方中则显得格外特别,希尔顿国际酒店集团将会为星空实验室空间站进行内饰设计,为进驻空间站的人们打造一个宛如五星级酒店的居住环境。

诺格创新公司空间站

诺格创新公司目前还未公布合作公司和空间站名称,也未透露发射空间站用的火箭。不过该公司已经在多个渠道上放出了这一型空间站的各种技术参数和发射时间表。该空间站将由两个大型舱段组成:“元素一”舱段和“元素二”舱段。

诺格创新航天公司空间站的渲染图

“诺格”空间站

“元素一”舱段可以被分为3个部分,从头到尾为居住舱A、居住舱B和服务舱。居住舱A将包含有3个对接口,在尾部的服务舱安装有两个大型太阳能电池帆板。居住舱B上安装有两个大型散热板,在舱段的外部将有多个载荷安装点,可用于安装各种实验载荷。

“元素一”舱段将能支持4名航天员在空间站中生活。舱段的外部尺寸和内部空间大小目前都未知,从其官网上的内部渲染图看,其内部空间可能会类似于一个八面体。根据“诺格”业务发展主管,前航天员理查德·马斯特拉奇奥的描述,“元素一”舱段将会在很大程度上借用天鹅座飞船的结构,因此其直径也应该会与天鹅座飞船接近,天鹅座飞船也将用于空间站的货运补给任务。根据诺格创新公司放出的消息,该舱段的设计还处于初期阶段。该舱段计划将于2028年发射并在轨道上单独运营两年,直到“元素二”舱段的到来。

“元素二”舱段在渲染图上看要比“元素一”舱段大很多,但二者区别很大。除了同样拥有两个大型太阳能电池帆板和两个大型散热板,可以被分为3个部分外,在观景设施上,“元素二”舱段在靠近接口的位置处有6个大窗户。在接口方面,“元素二”舱段舱体上有5个对接口,比“元素一”舱段多两个,大大增加了扩展性。并且舱体上的对接口不仅可以对接飞船,还可以用来对接一些扩展舱段。在人员的支持能力上,“元素二”舱段能支持4名航天员的生活,因此在“诺格”空间站建成之后,整个空间站将能够最多支持8名航天员在上面生活。该舱段计划于2030年发射,在对接上“元素一”舱段后,“诺格”空间站就将进入运营状态。

公理航天空间站

公理航天空间站是几个空间站中进度最快的一个。2020年1月27日,美国宇航局宣布,公理航天公司成功赢得了美国宇航局为国际空间站建造第一个商业舱段的招标,这家成立于2016年的年轻公司成为第一个被允许为国际空间站建造商业舱段的公司。

公理航天空间站渲染图

公理航天公司分别在2021年4月和2023年5月,与太空探索技术公司合作,使用其龙2载人飞船执行了两次前往国际空间站的商业载人任务,一点一点地为最终建成属于自己的空间站做铺垫。在未来的空间站建设中,公理航天公司也将会使用太空探索技术公司的猎鹰9火箭和龙2载人飞船来建设和运营空间站,波音公司的星际线飞船也可以与公理航天空间站对接。

公理航天空间站与其他商业空间站不同,由于公理公司有将商业舱段对接到国际空间站的许可,因此其建造过程也将全程发生在国际空间站上,在建造的条件上比其余的竞争者们要好了不少。根据公理航天公司目前的计划,建造将分为以下4个阶段:在2026年左右,首个舱段“公理居住地一号”对接到国际空间站和谐号节点舱的前向端口,开始第一阶段运作,这一阶段该舱段可以进驻乘员。一年后,在2027年左右,第二个舱段“公理居住地二号”将会对接于“公理居住地一号”的前向对接口,增加可支持的乘员数量并增加空间站的科研能力,开始第二阶段运作。在2028年左右,第三个舱段“公理研究与生产设施”将会对接于“公理居住地二号”的右侧对接口,大幅增加空间站的研究能力,并进行太空微重力生产研究,开始第三阶段运作。与此同时,在“公理居住地二号”的底部对接口上还会安装上一个类似于国际空间站穹顶舱的舱段,但是会比穹顶舱更大。在2030年之前,一个巨大的散热和能源模块就会对接在“公理居住地二号”的顶部对接口,其中间部位为散热板,顶部有4对巨大的柔性太阳能电池帆板,为空间站提供散热并大幅增加空间站的电力供应。此时空间站就已经拥有了完全独立运营的能力,随时可以脱离国际空间站独立运作。

公理航天空间站内饰

公理航天空间站在乘员舒适性上下了不少功夫。空间站乘员卧室的内部由法国建筑师兼设计师菲利普·斯塔克设计,根据渲染图效果,乘员卧室的墙壁上覆盖着簇绒填充物,墙壁上镶嵌着变色LED灯,将为乘员们提供一流的居住体验。

近地轨道多空间站的未来

曾经,空间站作为人类进入太空的前哨站,由于其建造和运营成本昂贵,自费进入太空游玩的太空游客和商业飞行可以说是少之又少,而随着可回收火箭等航天技术的突破带来的航天发射和飞行成本的大幅降低,越来越多的个人和公司愿意将钱投入到近地轨道经济中。同时随着国际空间站的日渐老化,美国宇航局等各国的航天机构也需要在国际空间站退役之前的时间里找到替代品。这些来自民间和官方的需求就是这些商业空间站项目能够启动的大环境。未来,以这些大大小小的空间站为平台而发展起来的近地轨道经济将会成为现实。

目前的近地轨道上只有两个空间站:国际空间站和中国空间站。2023年5月30日,神舟十六号乘员组进入轨道之后,在轨道上的总人数创下了17人的纪录。而随着商业空间站在将来进入轨道投入运营,这一记录将很快被打破。

我们还可以简单算一算,假设这些商业空间站都能按时进入轨道,那么在2030年之前人类会有多少个空间站?已有的国际空间站、中国空间站,加上未来在美国阿尔忒弥斯计划中使用的月球门户空间站,再加上这些商业空间站,多空间站并存的情景或许将在不远的未来成为现实。

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