陈蓝:中国空间站建设进入高潮,基建狂魔走向太空

来源:观察者网

2022-07-24 14:43

陈蓝

陈蓝作者

航天爱好者,英文电子杂志“Go Taikonauts”创办人之一

【文/观察者网专栏作者 陈蓝】

今天下午14时22分,中国低轨发射能力最大的火箭 - 长征五号B再次拔地而起,将重量超过23吨(含1.55吨推进剂)的中国空间站问天实验舱送入轨道,创造了中国低轨发射重量和单体航天器重量记录。问天舱的发射,标志着中国空间站进入了建设高潮。未来三个月,我们将见证人类历史上模块化空间站建造的最高速度——从核心舱发射到空间站建成耗时仅一年半。

刚刚,长征五号B遥三运载火箭搭载中国空间站问天实验舱,在海南文昌航天发射场成功发射升空。(图源:CCTV)

问天舱入轨后,其末端巨大的太阳能电池板将部分展开。这块单板完全展开后长23米的三结砷化镓柔性电池板是中国迄今为止研发的最大航天器太阳帆板。发射13小时后,问天号将对接到空间站天和核心舱的前向对接口。这将是中国空间站首次在有人状态下进行的对接,也是空间站建造史上最快的舱段交会过程。

问天实验舱发射前在测试厂房(图源:CMS/互联网)

如果一切顺利,接下去神舟14号机组将执行中国载人航天史上最具挑战性的任务。空间站将进行复杂的三次转向,将问天舱调整到垂直地面位置,同时太阳帆板二次展开,形成“翼展”超过55米、仅次于国际空间站的巨型太阳翼。航天员将操纵专用的转位机械臂(转位机构)抓住问天舱,在问天和天和核心舱解除对接锁定后,通过上翻、旋转、下翻三个动作将问天舱转动90度,再重新对接到核心舱侧向泊接口,完成组装工作。最后,空间站将再进行三次转向,恢复到正常飞行姿态。

问天舱转位组装示意图(图源:CMS/互联网)

三个月后,另一个20吨级的梦天号实验舱也将发射上天。航天员将重复上述一系列操作。我们将在年内看到一个70吨级模块化空间站的横空出世。

问天舱的转位和再对接是中国首次在太空进行的大型空间结构在轨装配实践。由于运载火箭发射能力限制,超重超大的航天器只能通过在轨组装技术来实现。在中国空间站之前,只有前苏联(俄罗斯)和美国(加拿大)完成过这样的任务。中国即将成为世界上第三个具备超大型航天器在轨组装能力的国家。

1986年,前苏联和平号空间站核心舱发射升空。1987至1996年,苏联陆续发射了量子号、量子二号、晶体号、光谱号、对接舱、自然号等六个舱段并对接到和平号核心舱。它们当中有四个采用前述转位方式重新对接到了核心舱侧面。苏联用十年时间建成了总重130吨的世界第一个模块化空间站。

和平号空间站(图源:NASA)

1998年,俄罗斯质子号火箭把国际空间站曙光舱送入轨道,拉开了其长达12年的建造历程。至2010年,经15国通力合作,终于建成由15个加压舱段(曙光、团结、星辰、命运、寻求、码头、和谐、哥伦布、希望、希望后勤舱、搜寻、宁静、穹顶舱、黎明、莱昂纳多)、长达94米的桁架和4对“翼展”达73米的电池板,以及散热辐射板、机械臂等外部构件构成的大型空间站。

建造中的国际空间站(2006年)(图源:NASA)

2011年至2021年,国际空间站又增加了比格罗充气舱、主教气闸舱、科学号实验舱等三个扩展舱段、替换了码头号节点舱,使它成为人类历史上建造的最大(109x73米)、最重(420吨)的组合航天器。

人类进入航天时代60多年来,除了以上三个空间站,再无在轨组装建造大型航天器的案例。中小型航天器的在轨装配技术探索了数十年,至今也无实用先例。在轨组装在太空恶劣环境下进行,建造过程中航天器系统需要不断进行重构,模块化航天器的总体和子系统设计需要全面考虑诸多因素。模块化舱段或构件的建造测试、地面模拟、发射和对接、在轨组装和系统重构需要重型火箭、对接机构、空间机械臂、舱外活动等各种技术能力的支持。事实证明,在轨组装绝非易事。只有少数航天强国才能胜任。

中国空间站两个实验舱段都采用和平号开创的轴向对接、机械臂转位的组装方式。为了减少电池板相互遮挡,中国空间站还计划在适当时候将天和号核心舱的两块电池板移位到两个实验舱末段并实现供电系统的重构,其移位距离远超实验舱转位操作,将更具挑战性。这使得中国空间站的建造难度和技术要求都超过了和平号。

完成状态的中国空间站(图源:CMS/互联网)

国际空间站建造中实施了更多复杂的操作,例如使用机械臂从航天飞机货舱“吊装”大型舱段并安装到空间站、桁架的拼接安装、大型电池板收拢后移位及重新展开等。由于舱段数量多、美俄舱段设计差异很大,空间站舱段间、子系统间的接口和动态重构因此也变得相当复杂。但实事求是地说,国际空间站的复杂性很大程度上是美俄不同设计理念和两种不同标准带来的无奈结果,而非先进性的体现。

中国空间站更为简单的建造程序不仅是因为规模小,也是借鉴了以往空间站经验教训后优化设计的结果。而中国空间站的太空机械臂 - 在轨组装的关键设施 - 和国际空间站的“加拿大臂二号”相比一点也不逊色,同样具有在空间站外部长距离“爬行”的功能。它完全能胜任国际空间站执行过的复杂操作以及现在可能还无法想象的各种未来任务。

航天器在轨建造是人类长期以来一直梦想和追求的目标。它不仅是建造超大规模航天器的唯一手段,也是未来太空资源原位利用的重要技术。在轨建造分为三个层次:大型航天器在轨组装、单体航天器在轨装配、构件级太空制造。目前已经实现的空间站在轨组装属于第一层次。后两个层次目前各国都还处于探索阶段。哈勃太空望远镜的多次在轨维修已经实现了航天器零部件的更换和升级,其实已经为在轨装配单体航天器打下了基础。而在中国新一代载人飞船试验船和国际空间站上进行的3D打印实验,则是构件级太空制造的成功探索。

中国新一代载人飞船试验船上的3D打印实验(图源:CCTV)

航天器在轨建造目前还处于初级阶段。随着人类探索太空规模的扩大,它将变得越来越重要,未来发展空间十分巨大。它也将成为主要航天国家展开激烈竞争的重要领域。大规模航天器和地面基础设施有着不少共性。中国号称“基建狂魔”,它理应成为我国发挥优势的领域。

中国航天曾长期落后于苏美等航天先行国家。通过几十年积累,尤其是进入新世纪以来的不懈努力,现在终于后来居上,进入了第一阵营行列。问天号的发射、对接和安装标志着中国已经掌握大型航天器在轨建造技术,具有里程碑式意义。这可能是中国成为“太空基建狂魔”的第一步。

按计划,中国空间站在完成第一阶段建设后,还将发射更多扩展舱段,在轨建造技术将进一步成熟。我们的下一个目标是月球。中俄已经签约建设月面科研站。月球空间站也是合乎逻辑的下一步。月球距离遥远,发射成本十分昂贵,月面资源原位利用将极大地降低建造成本并加快进度。我们已经开始相关技术的预研。近日报道华中科技大学以月壤为材料、采用3D打印技术建造月面基地的项目便是一个有益的探索。

3D打印月面基地示意图(图源:华科大)

与此同时,我国还在预研在轨装配式大口径太空望远镜。长春光机所发布的方案显示,太空机器人将在太空中用预制镜片拼装出一面十米口径的反射镜。同样的技术也可以应用于在轨组装大容量通信卫星和雷达卫星所需的大直径抛物面天线或超大型平面相控阵天线,实用价值巨大。

长光所10米口径在轨装配式太空望远镜方案(图源:CCTV)

不过,无论空间站、月面科研站还是太空望远镜,规模仍然有限。要最大程度地发挥中国基建狂魔的优势,需要超大规模的项目。所幸的是,我国已经紧锣密鼓地预研这样的一个项目。这就是空间太阳能电站。

这个电站的国家级论证早在2014年就已开始,目前正在进行关键技术验证。在空间太阳能电站的竞赛中,中国是唯一进入工程验证阶段的国家。在重庆璧山和西安电子科技大学,两个能量传输地面实验基地已经建成或正在建设。2028-2030年,将发射在轨试验航天器。2035年,将建成兆瓦级实验电站。2050年,将建成吉瓦级商业电站。

西电空间太阳能电站实验基地(图源:西安电子科技大学)

空间太阳能商业电站想象图(图源:互联网)

空间太阳能电站规模巨大。吉瓦级电站仅传输天线直径就达一公里,整体尺度将达十公里级,质量近万吨。兆瓦级电站也会有大几百吨至千吨。电站构件需要通过数百次发射送到轨道。大量的装配工作则需要高度自动化的机器人来完成。这个项目不仅有巨大的技术挑战,巨额资金的投入也是必不可少的。

就像高铁等地面基础设施一样,能担负起如此规模的太空基础设施建设的国家可能只有中国,因为只有中国才具备资金、技术、政治意愿和长期执行能力等必要条件。只要中国保持稳定,经济继续发展,我们一定能率先建成世界上首个实用的空间太阳能电站。

大规模太空基建项目的重要性在于,政府投资巨型项目所创造出来的需求将有力地支撑商业航天这个新产业,加速可复用运载工具、在轨建造技术等关键技术的成熟和航天成本的大幅降低。这将彻底改变游戏规则,使我们在未来大国竞争中立于不败之地。

展望更远的未来,空间太阳能电站可能只是个开端。人员大规模进入太空才是太空经济的高潮。如果将空间站和道路桥梁、水电煤、通信网络等地面基础设施同等看待,那么政府就有理由以公益方式投资建造“太空城市”并以极低价格甚至免费提供给商业航天公司。而天地往返交通和太空生活服务则可由商业公司来提供。由于政府承担了基础设施成本,太空旅行的费用将大大减低。这有可能催生出一个规模巨大的太空旅游产业。这种政府投资、通过补贴牵引需求、通过规模化降低成本、刺激市场扩张后进一步规模化的良性循环模式非常适合中国国情,多年来屡试不爽,比如新能源汽车产业。

不要以为“太空城市”仍然是科幻小说题材。国外已经出现了将“太空酒店”作为创业目标的商业航天公司。巨型太空城市不可能一蹴而就。小规模的太空酒店会是起点,然后一百人,一千人,一万人,一步一步才能达到目标。我们有制度优势,有基建狂魔的实力加持,现在又有了空间站在轨建造经验,没有理由落后于人。

美国OAC公司计划的太空酒店(图源:OAC)

现在来看看我们的竞争对手。美国在地面基础设施建设方面已经远远落后于中国。特朗普和拜登政府的“巨额”基建法案都虎头蛇尾。它们即使通过,由于资金利用率低于中国数十倍,情况估计也不会有太大改观。NASA的情况也类似。这些年SLS重型火箭和重返月球计划步履艰难,显示问题已积重难返。

马斯克的商业航天帝国是中国真正的对手。他目前在可复用火箭等技术上领先中国。他也在实施星链、星舰等巨型项目。但如果是空间太阳能电站和太空城市这种规模高一等级的项目,恐怕也会力不从心。至于前面提到的太空酒店公司,目前还在PPT阶段,后面的路还很长。只要中国能在规模化上发力突破,胜出的机会更大。太空再现“基建狂魔”不是梦。

未来的某一天,当一个中国制造、璀璨夺目的“天空之城”从星空中划过的时候,人们也许会想起2022年的那个夏秋,他们的前辈们是怎样迈出太空基建第一步的。

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责任编辑:张红日
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