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天宫“三步走”收官,中国“太空定居”起步

发布时间:2021.05.21 16:26

文章来源:虎嗅网

作为中国载人航天工程“三步走”战略的最后一步,中国空间站,已经正式进入工程建设阶段。

本文来自微信公众号:科工力量(ID:guanchacaijing),作者:李沛,题图来自:视觉中国


1987年3月,刚刚从科研管理一线退下来的钱学森,率中国科协代表团访问英国,在与部分留英中国学生学者的座谈中,他对21世纪的新中国作了乐观的展望,勉励青年学者奋发图强:“到了中华人民共和国成立100周年(2049年)的时候,国家人均产值能够接近当前的世界先进水平。大家可别忘了,这是11亿人口的中国人的水平。那时候,我们中华人民共和国就无敌于天下……咱们是行的。咱们要有这个志气。”


已年逾古稀的钱学森,豁达地表示:“我是个老人了,看不到了,希望诸位能够看到。”


中国航天事业的奠基人钱学森于2009年逝世,没能亲眼看到今天的中国,尤其是中国航天的辉煌成就。


但中国航天人,从来没有忘记他。


2021年4月29日中午,海南文昌航天发射场一号工位,巨大的轰鸣声中,长征五号B遥二运载火箭拔地而起,迅速消失在淇水湾碧空的尽头,经过四百多秒的飞行,将重达22吨的空间站天和号核心舱送入预定轨道。


(碧海蓝天的背景中,长征五B遥二火箭托举着天和号核心舱升空)


5月18日,天和号核心舱完成机械臂等关键系统在轨测试,各项功能正常、运行状态良好,已进入交会对接轨道,静待五六月间天舟二号货运飞船和神州十二号载人飞船的到访。


作为中国载人航天工程“三步走”战略的最后一步,中国空间站,已经正式进入工程建设阶段。


今年,正是钱学森诞辰110周年。


一、“要在21世纪显示我国的力量”


中国空间站的建设,是对钱老最好的纪念。


包括空间站在内,中国载人航天的顶层规划与工程实施,与钱学森有着密不可分的关系。


早在1968年,钱学森主持制定《人造卫星、宇宙飞船十年发展规划(草案)》,正式提出了载人宇宙飞船研制规划,即千钧棒一号侦察飞船和千钧棒二号歼击飞船。


1970年,钱学森主持制定的《第四个五年发展空间技术计划设想》,进一步提出抓紧载人飞船和航天飞机研制,同年,曙光一号载人飞船研制计划,即714工程获批立项,拟以研制中的东风六号环球火箭为载具,争取1973年无人飞船上天,1974年发射载人飞船。 


(曙光一号飞船总体布局,按照714工程规划,曙光飞船应用型号(侦查、歼击)成功后,将接续开展航天飞机研制)


同一时期,钱学森对空间站,也已经做出了相当具体的设想,捕捉到了其在提高生产力上的巨大应用前景:


“当我们在天上建立了航天站,并解决了往返多次的运输问题之后,就逐渐具备了在天上搞生产的条件,也可以设想,这在21世纪将是一个不小的工……天上阳光充沛,是搞农业的好场合,将来地面上农业生产满了,可以到天上去。”


1975年714工程暂停后,钱学森明确提出“载人飞船不是下马,而是调整规划,积蓄技术力量,先干什么后干什么要排排队”,为载人航天工程,保留了507所(北京航天医学工程研究所)、29基地(中国空气动力研究与发展中心)等“火种”,中国载人航天的再次起步,将跌宕蹉跎许多时间。


八十年代,在507所数次面临裁撤的关头,一生谨慎的钱学森,都坚决表态反对,“虽然飞船不搞了,但研究工作一定不能停下来,现在国家虽然一时有困难,但从长远来看,载人航天肯定是要搞的,只不过是早晚的事情”。


钱学森为中国载人航天留下的“种子”,最终在863计划中开始生根发芽,破土而出。


1986到1992的“七年航天大论战”,是载人航天工程重新启动的规划论证阶段,钱学森弟子,863-205专题(空间站系统)首席专家范剑峰,正是当年曙光一号飞船总体设计师,范剑峰为首的空间站专家组,从在轨平台的角度强调了飞船相对于大型航天飞机的便利性,为载人航天最终明确走飞船路线发挥了重要作用。


(1986年的钱学森,此时钱老仍然担任着国防科工委领导职务,为中国航天继续贡献着心力)


钱老本人,在这一时期也没有停下对空间站的思考。


1986年9月,钱学森在《我国今后二三十年战役理论要考虑的几个宏观问题》一文中提出:“人类征服世界是从陆地到海洋,从海洋到空中,再从空中到天上的……航海、航空、航天则能使人们到达地球上任何一点,而三者比较起来,又以航天飞行器(包括人造卫星、航天飞机和空间站等)巡航速度最快,能不到两个小时绕地球一周,所以为了在全世界显示实力,航天技术有极大的优越性”。


钱老进一步强调,“要在21世纪显示我国的力量,只发射各种人造卫星是不够的,还要进一步登上航天技术的第二阶段,即空间站”。


中国载人航天(921工程)三步走的发展战略,最终目标,正是“登上航天技术的第二阶段”,建成一个由载人空间站、空间站应用系统、大型运载火箭、天地往返运输系统(载人飞船)、发射场与返回场、测控通信网和航天员系统组成的初步配套的载人空间站工程大系统。


二、商业化,此路不通


按照天宫空间站建造规划,从天和号核心舱开始,中国将密集实施 11 次发射,包括 3 次空间站大舱段、4 次货运飞船和 4 次载人飞船发射,于 2022 年前后完成中国空间站在轨建造,圆满实现中国载人航天工程“三步走”战略“第三步”目标


建成后的天宫号,将是由核心舱与两大实验舱构成的T型结构积木式空间站,重约百吨左右,内部增压舱室容积约110立方米,可容纳3名航天员,按半年周期轮换,实现长期不间断驻守。


(和平号、ISS、天宫号,人类三大空间站对比)


尽管中国空间站的规模较国际空间站还有相当距离,但借助于精巧的设计和新一代技术,发电能力和试验机柜数量却差距不大,是一个使用起来和“大户型”差不多的“经济适用房”,并为未来的二期扩建,预留了舱段对接位置。


天宫号空间站,很快将在美国所主导的国际空间站之外,为人类在太空中的长期活动提供第二个“落脚点”,并且很可能将在未来一段时期内,又成为人类走向太空的唯一前哨站。


原因很简单,此消彼长,国际空间站(ISS)已经快“撑不住”了。


由于项目协调、预算和航天飞机事故等诸多原因,原定2002年建成,服役约20年时间,于2020年代退役的国际空间站,建设工作变成了一场不折不扣的“添油战”,项目总成本飙升至千亿美元以上,每年还要消耗美国航空航天局(NASA)30亿~40亿美元维护经费。


更致命的是,国际空间站部分舱段,在太空环境已经运转了二十年时间,进入寿命期尾声,异常漏气等问题近年来在美国和俄罗斯核心舱段都层出不穷,靠榨取设备定寿的裕度,继续凑合几年问题不大,但最迟在2028年前后,国际空间站这座“危房”,仍将不得不面对“最终时刻”。


由于将重点转向月球和深空任务,NASA已不再有资源建设国际空间站后继平台,试图继续乞灵于商业航天,让私人企业来解决这个问题,2020年,美国宇航局选择了位于休斯顿的初创企业Axiom航天,为国际空间站建造附加商用模块,承接旅游等业务需求,Axiom公司计划在国际空间站退役后,将其模块舱室组合体与国际空间站分离,搭配新的动力模块,过渡成一个独立的商业空间站。


设想很美好,现实很骨感。


今年2月刚刚拿到1.3亿美元融资的Axiom公司,完全无法让人信服能有实力建设空间站,这家还停留在PPT阶段的初创企业,能够得到NASA合同,奥妙全在于其CEO麦克·萨弗雷蒂尼(Michael Suffredini),在下海经商之前,萨弗雷蒂尼正是NASA国际空间站项目管理经理。


(Axiom独立空间站的概念图,酷炫的未来科幻风设计,主要用途是作为太空旅馆承接太空游客)


无论是现在四处招摇的Axiom,还是曾经风光无限,现已实质性停止运营的充气式空间站制造商比奇洛,都面临着同样的问题,那就是无法讲通空间站商业化的逻辑。


低轨载人航天商业化,面向个人市场的话,只能捕获零星几个“找刺激”的超级富豪,没有持续需求可言,而机构市场,同样缺乏经过验证,能够跑通的商业模式,曾被寄予厚望的太空特殊试验环境,相当程度上可以被更廉价的卫星搭载所取代。


没有官方投入,想守株待兔,靠私人公司“企业家精神”送来新空间站,美国人的如意算盘,很可能将在几年后给自己一个大苦头吃。


一旦国际空间站被迫退役离轨,天宫空间站,将在相当一段时期内,成为人类在外太空仅剩的长期驻留据点。


在这种有相当可能性的前景下,中国空间站,已经吸引了全球航天界的目光,中国空间站首批筛选的空间科学实验国际合作项目,就来自于17个国家。


除了空间科学实验载荷这样的“常规”搭载,多位欧洲宇航员也已经在中国接受训练,在未来有望进入中国空间站开展科研。


(正在中国接受训练的意大利航天员Samantha Cristoforetti)


甚至连美国人,都按捺不住对中国空间站的兴趣。


2015年,在国际宇航联合会大会上,“登月第二人”奥尔德林(Buzz Aldrin),公布了其低成本载人火星任务设想,其中赫然将中国空间站列入系统要素,在近地轨道运行的中国空间站,将成为火星任务中飞船在轨组合、燃料加注、宇航员乘降等关键平台,再从低轨出发,通过一系列低速度增量的轨道转移,节省大量燃料需求,也随之摆脱了对超重型火箭的依赖。


与商业航天资本圈过从甚密的奥尔德林,甚至直接暗示比奇洛、Axiom等公司将选择与中国空间站对接舱段。


(Excalibur-Almaz公司老板阿特·杜拉(Art Dula)与高管—华裔宇航员焦立忠,在购买返修苏联老式军用航天站,快速发射变现的规划受挫后,一度频频向中国航天界示好,试图能通过与中国空间站的合作,在商业上“起死回生”)


当时商业空间站赛道的领跑者,Excalibur-Almaz公司老板阿特·杜拉(Art Dula),甚至在宇航联大会上,抚摸着国际空间站宇航服,动情强调“空间站事业需要中国的参与”。


三、空间站有什么用


去年底,国家航天局副局长、探月工程副总指挥吴艳华曾在发布会上表示,中国会不会搞载人登月,怎么搞载人登月,这个课题将留待近地轨道空间站建成,再规划论证。


吴艳华的权威表态,多数外部观察者仅将之理解为中国航天项目循序渐进的传统管理风格使然,但根据科工力量的了解,这种次序安排,也有着技术层面的用意。


除了越来越频繁吹风的重型火箭乃至超重型火箭,天宫空间站,也可能在载人登月中发挥核心作用。


正如上文所述,奥尔德林的火星巡航计划,很“自来熟”地将中国空间站,作为深空探索的出发基地,摆脱了对超重型火箭的依赖。


探索近得多的月球,中国空间站同样大有可为。


去年6月,一篇国家自然科学基金载人航天预先研究项目论文在《载人航天》杂志发表,主题为《地球低轨道空间站往返月球的转移轨道设计》,通过详尽的轨道动力学测算,作者得出结论:“分析表明中国空间站或国际空间站与月球低轨道之间的往返转移存在轨道转移窗口,且每月至少存在3个……基于地球低轨道空间站的载人月球探测飞行模式相较于近地轨道一次对接或阿波罗直接登月模式,虽在轨道转移窗口方面受到限制,但其支持载人飞船的可重复使用,可充分发挥空间站的在轨服务能力,为未来地月空间的商业化开发提供了可行方案。”


(载人探月飞船在低轨空间站装配测试,加注燃料,随后进入地月转移轨道,这一登月路线可以摆脱对重型运载火箭的依赖,极大降低成本,这篇论文研究的任务时间,被设定在2025年)


在同期另一篇中国空间技术研究院学者参与的论文中,也赫然将近地轨道空间站,作为载人探月飞船地月转移的出发点。


天宫空间站所能发挥的价值,当然不只是载人登月“中转站”,少有人留意的是,天宫空间站,还是中国空间技术研究院(航天科技集团五院)数字制造转型的示范型号。


作为中国迄今为止最为复杂的载人航天器,空间站建设周期极为紧凑,一两年时间将有三个大型舱段和8艘飞船发射,假如按传统载人航天产品科研生产流程和做法,这样的产能是不可思议的。


航天五院通过空间站工程牵引,利用数字化、网络化、智能化技术等手段方法,对传统系统工程方法进行了再造,初步形成了贯穿型号研制全周期的数字化研制体系,极大提升了研制效率与质量。


根据相关人员介绍,数字空间站建设成效显著,全面实现了全三维设计下厂,电缆、管路的设计制造效率提升1倍以上,质量问题减少75%;开展了空间站设备的维修性仿真分析,有力支撑了维修方案的制订,仿真结果与航天员系统水下试验结果一致;空间站自动化测试覆盖率达到了85%,测试子项目沿用比例达到90%,减少30%人工操作;实现了北京—天津—海南的远程协同测试,显著减少了人员出差需求;在空间站核心舱、实验舱I中开展了结构化电子数据包管理和产品验收,确保线上验收过程100%受控,验收效率提高50%。


空间站工程带动的数字设计、数字制造升级,将对中国航天的未来发展,带来极其深远的影响。


(天宫空间站二期扩展规划,如正式实施,其总吨位将接近200吨,全站发电能力和科研机柜数量,均将超越国际空间站,成为当之无愧的世界第一)


天宫空间站投入使用后,宇宙环境对人体长期影响、共轨飞行器(巡天望远镜)运营、在轨服务技术验证、空间大型结构增材制造……依托这一平台,中国人将能够对近地空间建立更透彻的认识,掌握在这一特殊自然环境下人类生存发展的种种必要技术,为中国载人航天的“下一步”做好铺垫。


四、“一千个爱因斯坦和一千个莫扎特”


人类走向太空的下一步怎么走?


不只是中国,全世界航天人都在思考这个问题。


2019年2月,美国首富,商业航天公司蓝色起源老板杰夫·贝索斯(Jeff Bezos),在纽约一间俱乐部的活动上,与《太空新闻》资深编辑福斯特(Jeff Foust)围绕这一问题展开了一场精彩对话。


贝索斯直接否定了马斯克等人所鼓吹的火星大规模殖民,调侃有类似情结的人们,可以先在珠穆朗玛峰顶定居一年时间,因为和火星的自然环境相比,珠穆朗玛峰顶简直堪称天堂(garden paradise)


贝索斯随后开始阐述他的理念,这位全球首富,敏锐感受到人类发展与地球资源环境承载力之间的矛盾,工业革命曾经为人类打开的增长空间,随着基础理论和重大应用技术创新的减速,出现了重新向马尔萨斯循环闭合的迹象,贝索斯悲观地举例,人类能源需求哪怕按几个百分点的速度复合增长,未来地球的表面积全部贴满太阳能电池板也已无法满足,出于保护蓝色母星的目的,人类必须要走向太空。(We want to go to space to protect this planet.)


既不能停在地球,移民其他行星又极不现实,人类的出路何在?


贝索斯给出的答案,是在近地空间建设大规模人工殖民地。


(杰拉德奥尼尔经典的圆柱形太空殖民地构型,在八十年代高达系列动画中也频繁现身)


在贝索斯的梦想中,大量经典奥尼尔构型人工天体密布在地月空间,人工重力环境下,每个殖民点都能容纳上万乃至更多人口定居生活,依靠接受太阳能量,从月球和小行星采掘物质加工,形成可长期自持的生态循环。


这样的殖民地,将使人类完全从地球环境的约束下解放出来,人类文明,将进化为一种典型的卡达肖夫II型文明,即能够有效利用其所在星系的恒星能量。


在那个时候,人类种群的规模将完全突破数十亿量级,贝索斯甚至认为可以达到万亿规模,在如此大的人口基数下,原本可能百年一遇的天才,将层出不穷涌现,从而空前提高人类社会的科学和艺术发展速度。


贝索斯动情地强调:“到那时,我们将拥有一千个莫扎特和一千个爱因斯坦,想一想吧,那时的文明,将是如何不可思议和生机勃勃。”(The solar system can support a trillion humans, and then we'd have 1,000 Mozarts, and 1,000 Einsteins. Think how incredible and dynamic that civilization will be.)


贝索斯描绘的人类文明未来蓝图,无疑还很遥远,但千里之行,始于足下。


近地轨道空间站,就是人类“走出地球”的第一步。


俄罗斯和美国,相继迈出了这“第一步”,但接着一个缩了回来,另一个,在迈步向前还是退回去之间游移不定。


中国人在太空中定居的“第一步”,即921载人航天工程,即将圆满收官,无论下一步迈向哪里,至少有一点是肯定的,中国人,只会向前,向前,在人类文明向卡达肖夫II型迈进的征途里,中国人,绝不会缺席。


本文来自微信公众号:科工力量(ID:guanchacaijing),作者:李沛

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