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国际空间站退役在即 美利坚合众国还有怎样空间站布置?

  出品:科普中国

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  出品:科普中国

  作者:矛隼工作室

截至2月20日,《流浪地球》票房突破40亿,坐稳了中国影史票房第2的位置。作为国内全新一类电影——硬核科幻的开山之作,能有这个成绩,实属喜人。

  作者:矛隼工作室

  监制:光明网科普事业部

虽然在某影片评分网站上,这部片子被许多人诟病存在不少“强行煽情”之处,但在小编看来,就算是“强行煽情”,效果还是很不错的。事后也有不少观众表示,在一些感人情节出现时,他们的情感被影片牵着走,尤其是片尾刘培强驾驶“领航者号”空间站冲向木星的片段,更是让人潸然泪下。

  监制:光明网科普事业部

  众所周知的是,国际太空站已经太老了。这个从上个世纪开始建设,足足有几百吨重,十几层楼高的庞然大物,将在不久的未来退役。一方面,是因为国际太空站的核心舱段所经历史过于久远,其中一部分已经老化或者无法满足需求;另一方面,则是因为国际太空站太贵了。

不过,相比起用空间站点燃木星的情节,小编想到的却是另外一件事,那就是,到时候要建一座“领航者号”一样的空间站,真不是件容易的事。

  人类与上个世纪登上了月球,把人类重新定义为了“活跃在地月系中的物种”。之后的登月虽然停止,但是更精妙复杂的航天飞机又开始了自己的旅程。

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国际空间站的囧境

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  图为国际太空站(来源:NASA)

2001年3月23日,运作了20多年的俄罗斯“和平号”空间站坠入南太平洋,自此,全世界只剩下由美国主导、共16个国家出人出力建造的国际空间站仍漂浮在离地面400公里的太空轨道上。

  正在起飞的航天飞机(来源:wiki)

  作为一个凝聚着多个国家技术合作的结晶,国际太空站总计花费了超过一千亿美元——这甚至超过了中国如此多年以来的总航天经费。而这样的经费让美国政府有点撑不住了,近日,特朗普表示将考虑终止国际太空站的经费供应,并将资金提供给火星计划和深空之门空间站。

自1998年第1个模块——“曙光号”功能货舱上天以来,包括对地观测、天文观测、太空生命科学研究、航天医学、流体物理等研究任务就开始向ISS转移。等到“和平号”退役,美国、俄罗斯、欧洲、日本等国的顶级学者,更是只剩这一个地方搞太空科研。20年来,ISS也不负众望,完成了“无重力种植”、“太空动物”、“太空旅行延时反应”、“地球监控”等多项任务,可谓战功彪炳。

  然而随着新世纪的到来,航天飞机退役,人类航天似乎又重新回到了一个黑暗的时代。许多评论家曾经信心满满的认为,航天飞机之后将会是无助推器的空天飞机甚至轨道电梯的时代,然而事实是,直到2018,人类不再能投送一个超过三十吨的物体进入轨道了。

  根据媒体报道,国际太空站将于2024年停止运行,在此之后,国际太空站就会因为没有动力系统并因空气阻力而逐渐降低轨道,最终坠入大气层。

早前,NASA公布了2025年载人登陆小行星、2030年载人登陆火星的计划。在美国科学家的设想中,ISS将是该计划不可或缺的一部分。鉴于深空穿梭的复杂性,前期的火星之旅不可能中途返航,因此科学家必须在相近条件下,把可能的错误一个个试出来。

  美国在本世纪初有一个“星座计划”,而其核心将是把人类重新送上月球。

  很多的人或许认为从此之后,中国空间站将会成为唯一的太空站,但其实不是,那是因为美俄已经准备好了新的空间站计划——深空之门国际月球轨道空间站。

截至目前,空间站试验已经确定了宇航员在外太空长途飞行中可能面临的32种潜在健康风险,对空间站的研究对于减轻其中至少21种风险是必不可少的。这是一个重点领域。

  星座计划是由战神系列火箭和猎户座飞船组成的方案。最初的战神一号运载火箭被用于发射猎户座飞船以完成国际太空站的乘员交换。而其设计也非常有趣,其一级火箭为一个五段固体火箭,来自于航天飞机的固体助推器。当然,这个助推器与航天飞机时代一样可以重新添加燃料并复用。

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然而,如今全球科研人员却面临着一个严重的问题——ISS老了。

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  图为深空之门空间站轨道对接的想象图(来源:NASA)

在1993年完成设计工作时,科研人员给ISS定下的使用年限是10-15年,也就是最迟到2008年就该退休。届时,理应有材料更先进、设计更完善的新空间站来接替它的工作。

  图为战神一号的想象图(来源:wiki)

  深空之门月球轨道空间站将位于三十多万公里外的月球轨道上,而其除了肩负国际太空站的几乎所有任务之外,还要更多的涉及到小行星和月球的探索。

但是并没有。NASA先是宣布将ISS使用寿命延长至2015年,又从2015年延长至2020年,再从2020年延长至2024年。若不是因为缺少大气层的庇护,ISS直接暴露在各种辐射、离子流下,结构强度和设备寿命确实已经难堪重任,想必NASA会将其使用价值无限压榨下去。最终,NASA只得宣布,ISS将在2024年退休。

  而其二级火箭则使用了一台J-2X液体发动机,以液态氧和液态氢为燃料,这也是土星五号的发动机之一。

  在本世纪,对于小行星的探索、撞击、采样返回任务非常受各国航天机构的关注。而NASA的引力牵引机方案正是在月球轨道研究小行星的计划。

其实,单从太空实验的内容来说,人类科学家远没有将ISS利用到极致,目前站上仅有50%的资源用在科学实验上。也就是说,地球人还不需要花费大量的资金和时间去重新设计建造更先进的空间设备,只需要每年维护一下,必要时换上新的模块即可。但就算是这种简单的任务,各国不打算进行下去,原因是什么?

  没错,战神一号火箭的几乎所有的核心技术,都来自于航天飞机时代甚至更以前的遗产。之后的战神系列火箭也都如此,这能显著地降低研发周期,并且使用现有部件也能大大的降低成本。最终规划出的超级运载火箭为战神五号,原计划被用于携带猎户座飞船“重返月球”。但是很快,在新的财务规划里,战神五号也被取消。

  引力牵引机方案是使用小型飞船接近小行星,随后开始自转来获得广义相对论的空间效应,产生引力拖拽小行星的计划。NASA计划以此捕获一个超小型小行星并将其移动至月球轨道,随后依靠深空之门空间站对其展开研究,不过这一计划由于经费问题实质上可能已经下马。

因为没钱。

  2011年9月14日,美国国家航空航天局重新决定了新一代超重型火箭的计划。NASA副主管查尔斯·波尔顿表示:“当初我为能与航天飞机一起飞翔而骄傲,如今未来的探险者们则梦想有朝一日能在火星上漫步旅行。”

  深空之门还将让人类重返月球表面,由于其距离月球极近,而月球引力又极小,可以很方便的完成月球表面的探索任务。无论是NASA的引力牵引机还是月球着陆采样返回,都可以帮助人类更深入的了解外星体的结构组成。

到目前为止,ISS的建造+运营成本已经达到1600亿,平均每年64亿美元,其中美国承担了大部分——将近1000亿美元,剩下的由俄罗斯、欧洲、加拿大、日本和巴西分摊。

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  位于月球轨道的深空之门空间站面领着很大的建设问题。众所周知的是,人类上次登月是使用着号称有史以来最强的土星五号运载火箭,而现在将运抵月球轨道的深空之门舱段并不比登月组合体的体积要小。

如今要维持空间站运作,光是常驻空间站的航天员,每人每年就需要658千克食品、209千克服装和其他个人用品。运送1千克物品到空间站的费用为2.2万美元,这就差不多460万美元了。如果按照ISS设计的满载6-7人,那每年花费就上升至3000多万美元。

  SLS太空发射系统的想象图(来源:wiki)

  目前的运载火箭中最大的是重型猎鹰火箭,但是让其运送一个二十吨的舱段进入月球轨道仍然显得有些费力。

这只是一小部分,花钱的大头在于设备,每年送上去的备件和科学试验用品重达数吨乃至数十吨,简单估算下来,至少需要10亿美元。

  最终决定的运载火箭,就是我们今天要谈的SLS太空发射系统运载火箭。

  最终解决这一方案的是SLS太空发射系统,这将是一个体型堪比土星五号的超级重型火箭。其由NASA带头研制,其由两个固态助推器和三台RS-25主发动机组成一级火箭,这几乎全都是航天飞机的遗产技术。初期版本的载人SLS太空发射系统运力只有七十到一百吨。但是后期的货运型SLS太空发射系统的运力可以达到一百三十吨,甚至有报道称其达到165吨。这代表着SLS将彻底超过土星五号,成为人类历史上运力最强的运载火箭。

这还只是运输成本,考虑到研发设备、培育人员等事项,要投入的资金量更是巨大。仅NASA一家,过去每年在这方面的预算就高达30亿美元。

  SLS太空发射系统运载火箭被设计用于载人航行和货运,他将把飞船送入地球轨道、月球轨道甚至更远的太空。无论是国际太空站还是NASA的火星计划都会从中受益。

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根据特朗普2月15日签署的拨款法案,2019年NASA将获得215亿美元的运作资金,维护ISS的资金占比超过1/10。放在世纪初,拿出这么多钱可能不算什么,但是NASA现在有60个新项目,他们要建新的韦伯太空望远镜,要开发“木卫二”探测器,“机遇号”宣布死亡后,NASA肯定要更精细地维护“好奇号”火星探测器,此外还有猎户座飞船研发、SLS火箭等探索工程,这些都是要花大钱的。

  初期版本的SLS运载火箭将有约计70吨的近地轨道运送能力,而最终版本的货运三级运载火箭的运输能力将达到130吨。

  图为SLS太空发射系统(来源:NASA)

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