最近，俄羅斯國家航天集團(tuán)與美國宇航局達(dá)成重要共識：國際空間站的工作壽命至少將延長到2028年，最終有可能在2030年完成歷史使命，以可控方式脫離軌道，墜入南太平洋預(yù)定海域。那么，國際空間站退役離軌工作將如何實(shí)施？科研人員需要重點(diǎn)解決哪些難題？美俄各自怎樣規(guī)劃未來載人航天事業(yè)？雙方是否還有合作機(jī)會？

整體一次性離軌防風(fēng)險

眾所周知，國際空間站由多方負(fù)責(zé)的10余個艙段緊密耦合而成，結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜。有觀點(diǎn)認(rèn)為，國際空間站似乎可以嘗試“分體離軌”方案，也就是在退役前陸續(xù)分離各主要艙段，由各方自行負(fù)責(zé)艙段離軌作業(yè)。

然而，國際空間站各艙段間電力供應(yīng)、生命保障、熱控系統(tǒng)等深度互聯(lián)，經(jīng)過長期在軌運(yùn)行后，存在一些難以徹底排查、彌補(bǔ)的缺陷，如果強(qiáng)行將它們物理分離，難免會面臨巨大風(fēng)險，不排除引發(fā)航天器大規(guī)模失控甚至災(zāi)難性事故。更何況協(xié)調(diào)諸多國家和國際組織行動，執(zhí)行各艙段離軌操作，其復(fù)雜性和綜合成本必將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)想。因此，目前國際航天界的主流意見傾向于讓國際空間站整體一次性離軌。

國際空間站已進(jìn)入服役末期

國際空間站總質(zhì)量超過400噸，想要整體安全“退休”，將是航天史上規(guī)模最大、技術(shù)難度最高的可控離軌行動，核心目標(biāo)是確保這個龐然大物精準(zhǔn)墜入遠(yuǎn)離航線和人類居住區(qū)的南太平洋“航天器墳場”。

根據(jù)傳統(tǒng)方案，國際空間站退役離軌重任將由俄羅斯艙段及進(jìn)步系列貨運(yùn)飛船負(fù)責(zé)。未來，多艘進(jìn)步系列貨運(yùn)飛船將被改造為太空拖船，對接國際空間站各艙段，分批持續(xù)實(shí)施制動點(diǎn)火，配合俄羅斯艙段推進(jìn)系統(tǒng)，逐步精確地降低國際空間站軌道高度。

然而，國際空間站俄羅斯艙段存在不容忽視的設(shè)備老化、氣液泄漏風(fēng)險，未來數(shù)年內(nèi)不排除會發(fā)生意外。因此，美國宇航局正在積極籌劃備份方案，具體又分為兩種：

一個方案是利用現(xiàn)有的美國商業(yè)貨運(yùn)飛船，如諾·格公司的“天鵝座”或SpaceX公司的“龍”，加裝額外的大推力推進(jìn)模塊，使其具備輔助國際空間站離軌能力，甚至承擔(dān)主控離軌任務(wù)。

另一個方案更加雄心勃勃，美方計劃研發(fā)專用型國際空間站離軌航天器，并由此衍生出載荷指標(biāo)、變軌性能更出色的太空拖船，未來將執(zhí)行多樣化任務(wù)。目前，SpaceX公司已獲得美國宇航局?jǐn)?shù)億美元資助，支持開發(fā)國際空間站離軌航天器。

徹底解體確保地面安全

國際空間站可控離軌的最大風(fēng)險在于，這個龐然大物高速穿越稠密大氣層的過程中必須徹底解體，而且碎片落點(diǎn)必須被嚴(yán)格限制在預(yù)定海域，避免造成地面人員傷亡或財產(chǎn)損失。

為此，在國際空間站離軌過程中，對精度的要求可謂達(dá)到了極致。太空拖船或?qū)Ｓ眯碗x軌航天器每次實(shí)施制動點(diǎn)火的時機(jī)、推力方向和大小一旦出現(xiàn)微小偏差，經(jīng)過軌道衰減過程中的“放大效應(yīng)”，很可能導(dǎo)致國際空間站殘骸最終再入點(diǎn)和落點(diǎn)區(qū)域發(fā)生成百上千公里的偏移。

門戶繞月軌道空間站效果圖

地球高層大氣密度受太陽活動影響，不時會發(fā)生劇烈變化，進(jìn)一步提升了國際空間站軌道預(yù)測和控制難度。預(yù)計整個國際空間站離軌過程至少將持續(xù)數(shù)月，科研人員需要依靠最先進(jìn)的軌道動力學(xué)模型進(jìn)行無數(shù)次迭代計算，并借助全球雷達(dá)、光學(xué)望遠(yuǎn)鏡組網(wǎng)實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時細(xì)致修正，被外界形容為“在驚濤駭浪中鉆研微雕”。

國際空間站離軌過程中必須時刻提防太空墜物風(fēng)險。比如，主桁架、大型實(shí)驗(yàn)艙艙壁、推進(jìn)劑貯箱等核心結(jié)構(gòu)為了在嚴(yán)酷的太空環(huán)境中長期運(yùn)行，普遍設(shè)計異常堅(jiān)固。即使穿越大氣層會經(jīng)受數(shù)千攝氏度高溫和巨大的氣動壓力，它們也未必會燒蝕殆盡。

這在航天史上不乏前車之鑒：1979年，重約77噸的美國“天空實(shí)驗(yàn)室”再入大氣層，大塊碎片散落在澳大利亞西部；1991年，重約40噸的蘇聯(lián)禮炮7號空間站退役，包括完整艙門在內(nèi)的大量殘骸墜落在阿根廷境內(nèi)。

國際空間站重量更大、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，如何確保其再入解體更徹底？科研人員正在論證其離軌前的特別處理方案：由航天員配合機(jī)器人，預(yù)先移除大面積太陽能電池板，因?yàn)檫@些電池板不易解體，可能形成較大的墜地碎片；或者在關(guān)鍵的大型承力結(jié)構(gòu)上預(yù)裝非爆炸性低當(dāng)量分離裝置，如線性裝藥切割器，在國際空間站再入大氣層最劇烈階段之前自動觸發(fā)，將大型組件拆解成更小的、更易燒毀的殘骸。當(dāng)然，在國際空間站上安裝爆炸物等又會帶來新的風(fēng)險。

一旦國際空間站離軌程序啟動，全球性實(shí)時監(jiān)測和預(yù)警網(wǎng)絡(luò)的作用是至關(guān)重要的。各國地基雷達(dá)、天文望遠(yuǎn)鏡及在軌監(jiān)測航天器需要密切協(xié)作，連續(xù)跟蹤國際空間站的軌道衰變狀態(tài)、結(jié)構(gòu)完整性。在殘骸碎片可能濺落的數(shù)小時乃至數(shù)天之前，可能受影響的國家、國際航運(yùn)組織、航空管理機(jī)構(gòu)等應(yīng)收到精確預(yù)警，敦促人員和船只、飛機(jī)遠(yuǎn)離危險區(qū)域。

顯然，這需要建立起跨越政治隔閡的國際協(xié)調(diào)與信息共享機(jī)制，任何溝通不暢或信息“壁壘”都有可能引發(fā)重大公共安全風(fēng)險。

美俄太空建站各有打算

美俄達(dá)成有關(guān)國際空間站退役處理計劃草案，屬于現(xiàn)實(shí)考量下的妥協(xié)：確保國際空間站未來數(shù)年安全運(yùn)行，維持基本的技術(shù)協(xié)調(diào)工作，保障多國航天員在軌安全。這更像是一種“有限接觸管理”，并非重啟合作。

可以說，國際空間站退役，不僅是一個龐大的技術(shù)工程項(xiàng)目終結(jié)，更標(biāo)志著美俄載人航天合作“落幕”，雙方加速飛向截然不同的未來。

未來俄羅斯空間站效果圖

在可預(yù)見的時期內(nèi)，美國宇航局載人航天事業(yè)的戰(zhàn)略重心將全面轉(zhuǎn)向“阿爾忒彌斯計劃”，核心目標(biāo)是支持航天員登月并持續(xù)駐留月球表面。作為該計劃的關(guān)鍵樞紐，代號“門戶”的繞月軌道空間站有望成為深空科學(xué)研究平臺以及載人登月乃至載人深空探索任務(wù)的“跳板”。

美國宇航局還在資助多個團(tuán)隊(duì)建設(shè)近地軌道商業(yè)空間站，維持太空客運(yùn)、貨運(yùn)服務(wù)。其目標(biāo)是在2030年前后接替國際空間站，提供微重力研究、空間制造、太空旅游等服務(wù)，最終形成經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的近地軌道新生態(tài)。

不過，繞月軌道空間站和各商業(yè)空間站項(xiàng)目進(jìn)度普遍不及預(yù)期，在美國宇航局預(yù)算削減的背景下，其前途命運(yùn)存在一些不確定性。

而俄羅斯決定分階段建設(shè)本國軌道服務(wù)站：最初，國際空間站俄羅斯艙段可能在壽命末期分離，為本國空間站發(fā)揮“余熱”；隨后，計劃于2027～2028年發(fā)射首個全新艙段，再逐步發(fā)射各種用途艙段，在軌進(jìn)行對接、擴(kuò)展，2035年有望完全建成空間站。

俄羅斯空間站的一個顯著特點(diǎn)是設(shè)計軌道傾角較大，以便更頻繁地飛越俄羅斯廣袤領(lǐng)土上空，有利于對北極地區(qū)和俄羅斯全境持續(xù)進(jìn)行遙感觀測、通信保障，執(zhí)行國家安全任務(wù)，具有重要的戰(zhàn)略價值。

然而，俄羅斯多年來承受著西方制裁、軍費(fèi)增加的壓力，對航天產(chǎn)業(yè)投入受限，進(jìn)一步造成人才斷層、工程管理經(jīng)驗(yàn)流失等。俄羅斯航天工業(yè)難以再獲取西方關(guān)鍵電子元器件、精密制造設(shè)備和特種材料，導(dǎo)致多個關(guān)鍵項(xiàng)目進(jìn)度延期或性能降級。因此，俄羅斯空間站想要按照預(yù)期計劃建成并順利運(yùn)行，仍存在不少有待克服的挑戰(zhàn)。

外界認(rèn)為，在短期甚至中期內(nèi)，美俄在載人航天領(lǐng)域基本上不可能恢復(fù)類似國際空間站的深度系統(tǒng)性合作。然而，太空探索的本質(zhì)屬性決定，長期完全“脫鉤”并不符合美俄的根本利益，雙方仍具備一定的合作潛力。

比如，俄羅斯在大型飛船、外星球著陸器、空間核技術(shù)、特定空間站艙段等領(lǐng)域擁有較深厚的技術(shù)積累，理論上可以滿足繞月軌道空間站和月球表面任務(wù)所需，但前提是美俄重建政治互信，目前尚無明顯跡象。

兩國更現(xiàn)實(shí)的航天合作可能涉及“遠(yuǎn)離”直接軍事應(yīng)用、關(guān)乎人類共同福祉的科學(xué)領(lǐng)域，包括無人深空探測、基礎(chǔ)空間科學(xué)研究、空間環(huán)境監(jiān)測、空間碎片治理國際規(guī)則制定與協(xié)調(diào)等，尋求有限的技術(shù)對話或數(shù)據(jù)共享。

來源/《中國航天報·飛天科普周刊》

文/崔智亮

編輯/高辰 靳晴

審核/楊建 楊蕾

監(jiān)制/黃希

本文轉(zhuǎn)載自公眾微信號：中國航天報

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