對載人航天經驗教訓的再思考:商業化是發展載人航天必經之路

2022年11月21日15:18
中國空間站。
中國空間站。

  文 | 黃誌澄

  前言

  1961年4月12日,蘇聯航天員加加林乘東方號(Vostok)飛船實現了人類第一次環繞地球的低軌道飛行,揭開了世界載人航天活動的序幕。1992年9月21日,我國載人航天工程正式立項。筆者在《科技導報》1993年7期發表了《發展載人航天的經驗教訓》一文。文章指出32年的載人航天活動,既有成功的經驗,也有深刻的教訓。總結這些經驗教訓,無疑對今後的載人航天活動有十分重要的意義。文章總結了已取得較多共識的6條經驗教訓:①人與自動化系統的結合是開發空間資源的必由之路。②發展載人航天既要考慮提高國家的威望,又要有明確的科學試驗、技術發展和應用的目的。③必須高度重視載人航天系統的可靠性和安全性。④降低空間運輸系統的運輸費用和提高其使用性能,已成為有效開發空間資源的重要前提。⑤國際合作已成為發展載人航天的必然趨勢。⑥必須不斷髮展先進的大型工程的管理技術。

  在這之後,筆者將自己撰寫的有關空天飛機的幾篇論文寄給了錢學森先生,錢老在回信中首先說:“7月20日的信和大作9篇都收到,十分感謝!昨在《科技導報》1993年7期又見您的《發展載人航天的經驗教訓》,所談6點我都同意。我認為人們尤其應該重視遙現技術和遙操作技術,以免付出人長期在天上‘受罪’的巨大代價。我希望我國的航天事業能後來居上,勝人一籌!”錢老的回信,大大鼓勵了筆者繼續跟蹤世界載人航天的進展並進行研究。近30年來,世界載人航天進展很快,也產生了許多變化。雖然30年前我們總結的載人航天的經驗教訓仍然正確,但是載人航天中的許多新的進展仍然引發我們再思考。

  月球、火星是未來載人航天的目的地

人類登陸火星。
人類登陸火星。

  未來30年,人類將從地球軌道飛向月球和火星。首先,人類將重返月球。2019年5月23日,美國國家航空航天局(NASA)發佈了《飛向月球:NASA月球探索戰略計劃》。美國重返月球計劃取名為“阿耳忒彌斯”(Artemis),它將分兩階段實施。第一個階段的目標是要執行“太空發射系統”(SLS)與“獵戶座”(Orion)飛船集成的無人飛行測試(阿耳忒彌斯-1任務),再執行“獵戶座”飛船載人繞月飛行測試(阿耳忒彌斯-2任務),然後執行載人登月(阿耳忒彌斯-3任務)。在此期間,NASA還將與美國工業界合作,為快速重返“月球開發月球軌道門戶”(Gateway)部件、無人商業月球著陸器和載人月球著陸系統,並為其提供商業運載火箭發射服務。第二個階段的目標是具備在月球軌道及其表面的持續探索能力,為完成載人火星任務打下基礎。“門戶”將作為深空前哨站和繞月燃料補給站,並作為未來前往火星的中轉站。

  2015年10月8日,NASA公佈了《火星之旅:開拓太空探索新篇章》。載人火星探測有重要的科學意義,它將為人類揭示宇宙起源、地球的起源和生命的起源提供重要依據,除此以外,許多無人探測火星的結果表明,火星是太陽系內各方麵條件最接近於地球的一顆行星,也是人類唯一在現有能力下可以達到的、備用的棲息地。最後,在人類探索火星的過程當中,開發的一系列技術也必將用於改造地球上的沙漠的荒涼地帶,為地球上的人類造福。

  2016年9月28日,在墨西哥舉辦的第67屆國際宇航大會上,美國太空探索技術(SpaceX公司)創始人埃隆·馬斯克作了“讓人類變成多星球物種”的主題演講,並推出了用於人類殖民火星的“星際運輸系統”(ITS),最後定名為“星艦”(StarShip)計劃,提出了最早要在2025建年實現載人登陸火星,更長遠的計劃是實現人類向火星移民。目前,埃隆·馬斯克正在加緊研製“星艦”系統。

  由此可見,人類有望在21世紀30年代登陸火星。但是他提出的建立火星城市的設想估計要有一個漫長的過程。

  空間站是載人航天的基礎設施

國際空間站。
國際空間站。

  世界載人航天發展出現了新的目的地,必將影響到目前載人空間站的任務。無疑,低地球軌道(LEO)的空間站最初是作為低軌道太空微重力科學技術實驗室,現在仍然擔負著這項任務,但它必定也是要研究人在未來的月球、火星環境下人的適應性的。目前的航天運輸系統將人類送至火星的時間至少要半年以上,為此,空間站是研究人類長期在太空環境中生存能力的最好的基礎設施。

  與此同時,在原有的低地球軌道空間站的基礎上,人類逐步認識到建設月球軌道空間站和火星軌道空間站的必要性。

  由美國、俄羅斯、日本、加拿大和歐洲等在1998年開始共同建造“國際空間站”(ISS),到2011年2月組裝工作全部結束。ISS的組成部分主要有:美國的長達108.6m的主桁架、居住艙、實驗艙和太陽能電池陣,日本的實驗艙,歐洲航天局(ESA)的哥倫布軌道設施,加拿大的移動服務系統,俄羅斯的功能艙、服務艙、研究艙和太陽能電池陣等。ISS原定的任務是進行在低地球軌道的有人照料的太空科學技術試驗。過去的20年,ISS獲得了豐富的科研成果,包括太空技術開發、物理學與生物學的微重力研究、人體生理學研究、地球科學與教育等。其中最引人注目的成果是:證明了普通細菌在太空飛行期間會增強致病的能力,但改變細菌生長環境可以控制其毒性;演示了將藥物輸入人體內目標部位的新方法。然而,由於ISS耗資巨大,加上建設週期太長,維修任務因部件老化而更加繁重,從而使其建成之時就面臨窘境。

  ISS做的最多的研究是測試惡劣的太空環境對人體、生物和材料的影響,這對今後的載人深空探索具有重要價值。首先,ISS是完成載人火星任務而必須的試驗基地。人去火星需要半年以上的時間,因此可以利用ISS試驗航天員在太空的長期生活和工作能力。其次,ISS可以試驗未來載人訪問月球、火星與建設基地必須掌握的技術,包括太空3D打印技術和天基太陽能技術等。

  2022年,中國空間站即將建成,與ISS相比,中國空間站起步較晚,但具有後發技術優勢。為實現建造空間站的目標, 中國空間站在構型佈局上進行了精心設計,以保證空間站具備更強大的科學和應用能力。中國空間站還採用了許多創新技術,如:30%以上的光電轉化效率的太陽能技術、高比衝電推進技術、高閉合度環控生保技術等。可以說,中國空間站的能力處於國際前列。中國空間站可以進行廣泛的太空技術試驗和微動力環境下的多種科學技術試驗,此外還提供了對地觀測和天文觀測的能力。中國空間站還有變重力的設施,以模擬月球和火星的重力環境。因此,中國空間站是一種多用途載人航天基礎設施。

  商業化是發展載人航天的必經之路

  早期,大國都把載人航天作為國家的頭等大事。美國和俄羅斯發展載人航天,也是由太空競賽所啟動。因此,這兩個國家都採用了由政府領導的舉國體制。以美國為例,“阿波羅”(Apollo)計劃每年花費了美國國內生產總值將近4.5%的資金,雖然贏得了載人登月的勝利,但從1973年以來,美國人再也沒有重返月球。此後,由政府主導的航天飛機計劃也遠未達到降低運輸費用的目的。

  1986年,“挑戰者”和2003年“哥倫比亞”航天飛機的爆炸解體,都有7名航天員罹難,讓美國載人航天承受巨大的挫折。

  NASA早在2008年就啟動了“商業軌道運輸服務(COTS)”項目,旨在為ISS發展商業補給服務,這種模式又很快推進到載人運輸領域。

  在承擔NASA合同的幾家公司中,表現最突出的是由埃隆·馬斯克在2002年創建SpaceX公司。公司研製的獵鷹-9(Falcon-9)可回收式中型運載火箭進展順利,既可靠又便宜。2012年5月22日,公司向ISS發射了史上第一艘用於商業運貨的“龍”(Dragon)飛船。2020年5月30日,公司使用獵鷹-9火箭把載有兩名航天員的“載人龍”(Crew Dragon)飛船成功送入ISS。這次發射是在美國航天飛機退役後,首次利用美國自己的飛船實施的載人發射,目前已完成了多次載人任務和商業太空旅遊。

  美國載人航天的商業化正在從航天運輸系統擴展到空間站和重返月球等領域。2019年6 月7日,NASA發佈了ISS商業化計劃,商業化的首要途徑是太空旅遊。NASA將允許每年讓兩名私人航天員造訪空間站,每人駐站時間不超過30天。其次就是提出ISS貨物往返運輸和站上服務的定價方案。增加商業化的試驗項目,不僅可以增加收入,還可孕育一批具有產業前景的項目,讓其在市場競爭當中脫穎而出。最後,NASA還鼓勵商業公司自己建設商業空間站。NASA認為,ISS商業化的經驗必將有助於未來載人深空探測和太空資源的開發。

  載人航天技術的突破取決於顛覆式創新

SpaceX的星艦系統。
SpaceX的星艦系統。

  60年來,世界載人航天取得了許多成就,但與人們的期望還有一定的差距。載人航天技術與其他領域的前沿技術相比,發展速度並不快。現如今,摩爾定律在芯片領域仍然有效,而載人航天技術依賴的航天運輸系統主要取決於火箭技術。60年來,火箭的比衝只提高10%。目前,載人航天技術的瓶頸仍然是航天運輸系統的能力不足和效費比低。航空航天界十分期待使用組合式發動機的空天飛機,近年來,雖然高超聲速吸氣式發動機獲得重大突破,但是距離低成本的航班化運行還有很遠。另一方面,使用火箭發動機的垂直起飛、垂直降落的重複使用的航天運輸系統卻取得了很大的進展。目前,SpaceX公司研製的“星艦”可能是一種性能最高、費用最低的航天運輸系統。

  SpaceX公司在航天領域取得的重大進展,改變了世界航天的“遊戲規則”,開創了一種顛覆性創新模式。它本身具有矽谷精神和“互聯網基因”,通過應用互聯網的快速迭代思維,讓傳統的航天系統工程注入新活力。傳統的系統工程主張在前期研製中要暴露儘可能多的風險,以降低試錯成本,因此,在前期研製上往往耗費很多時間和精力。SpaceX公司更強調每一次完整迭代之後產生的“經驗”,包括基於更先進的工具和更優化的供應鏈協作關係,這種走完多次“設計、開發、測試”流程所需要的成本已經大大低於20世紀的;而每一次經曆之後產生的經驗,實際上都降低了項目的整體成本。

  對於未來的載人火星探測任務,運送人和貨物到火星的時間仍然在半年以上,從而增加了許多不可預測的風險。為此,我們必須開發利用化學能以外的能量,包括核能和其他能量的航天運輸系統,在這方面的突破取決於航天界的顛覆式創新的能力,這種能力來自於基礎科學的發展和先進的教育制度。

  載人航天必須加強太空交通管理

  為了保證載人航天活動的安全,必須加強太空的交通管理。目前,地球軌道上已經有了大量的太空碎片,一些反衛星試驗也增加了太空碎片的數量,特別是隨著低地球軌道寬帶星座的發展,低地球軌道的交通更加擁擠。近年來,已經發生了多次“星鏈”(Starlink)星座衛星十分接近ISS和中國空間站的情景,從而敲響了空間站安全的警鍾。

  為了保障載人航天治動的安全,要在聯合國框架下加太空環境治理體系建設。加強太空交通管理,建設完善太空碎片監測設施體系、編目數據庫和預警服務系統,統籌做好航天器在軌維護、碰撞規避控制、太空碎片減緩等工作,確保太空載人系統安全穩定有序運行,以及太空活動、資產和利益的安全。

  結束語

  毫無疑問,人類必將迎來一個大航天時代,將使人類的社會更加繁榮和昌盛,但人類的美麗家園也正在面臨著巨大的風險,因此,人類要進入一個地球以外可以生存的星球。這裡應該說明,人類進入太空也是為了更好地造福與保護地球。人類向地球以外的移民也可能只是很少的一部分人,因此,保護和造福我們的家園,同樣是載人航天的重要使命。

  中國載人航天的發展已改變了世界載人航天的格局。中國載人航天基本上從世界載人航天第二個30 年起步。從中央決策實施載人航天工程並確定“三步走”戰略至今,已有30年,我國首先研製成功了載人飛船,在突破了交會對接出艙活動等關鍵技術以後,在2022年全面建成中國自己的空間站,世界載人航天進入了“雙空間站”時代。

  中國空間站在運行過程中,如何保證其穩定安全並達到預期的成果,還有許多挑戰。進一步,中國航天還會向載人登月和載人火星探測前進,因此,我們需要將未來的載人航天的發展和現在的空間站任務進行統一的規劃。

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