国际空间站故障频出 未来命运难测

发布时间:2020-11-02 11:14:26
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0年前,美国宇航局(NASA)宇航员比尔·谢泼德(Bill Shepherd)和两名俄罗斯宇航员谢尔盖·克里卡列夫(Sergei Krikalev)、尤里·吉琴科(Yuri Gidzenko)挤进联盟号(Soyuz)飞船并进入轨道。两天后,他们的飞船与国际空间站对接,当时后者还很小。他们的到来将预示着这个轨道实验室20年来持续有人驻留的开始,NASA领导着一项国际合作努力,将在10年中继续建设这个实验室。

出于在美苏大冲突后缓和地缘政治紧张局势的愿望,空间站合作伙伴关系或多或少取得了成功。即使2003年哥伦比亚号航天飞机发生空难,但空间站仍然有人驻留,只是后来美国有近10年时间没有自己进行太空运输。NASA、俄罗斯航天局Roscosmos以及欧洲、日本和加拿大的合作伙伴已经能够相互依赖。

这并不是说这很容易。从登上空间站的最初时刻起,紧张局势就一直存在。谢泼德成为国际空间站的首位指令长,而不是他更有经验的宇航员同行,他想给空间站起个绰号叫“阿尔法”(代表第一的希腊字母)。他得到了克里卡列夫的支持,但有些俄罗斯太空官员认为,他们早期的和平号空间站已经赢得了这一荣誉。他们认为,新的空间站应该命名为“Beta”(第二),但NASA不赞成这个绰号。

在最近一次从哈萨克斯坦发射到国际空间站的前几天,NASA宇航员凯特·鲁宾斯(Kate Rubins)表示:“我认为国际空间站是人类历史上最令人难以置信的工程成就之一。看到这样一台完全由人类建造并飞离地球表面的巨型机器在20年后仍能在太空中生存,这真是一件相当令人惊叹的事情。”

国际空间站的独特之处在于,从来没有人在轨道上建造过这么大的航天器,也没有人在轨道上飞行过这么长时间。从这个意义上说,它每天都在考验可能的极限,空间站的成就值得反思。这些合作与努力远远超出了地缘政治的范畴,从科学到探索,再到太空的商业化。然而,越来越多的人担心空间站可能会在有继任者到来之前退役,很快就会结束我们在轨道上长达20年的飞行。此外,我们可能会浪费掉从这样的太空前哨获得的大部分价值。

国际空间站上能做什么?

建设国际空间站并不便宜。举例来说,美国航天飞机在21世纪头10年中几乎完全被用于建造国际空间站,折的花多少航天飞机预算?自近30年前开始建设以来,NASA已经花费了1000亿至1500亿美元来组装和维护空间站。然而,NASA、美国乃至全世界都从他们的投资中获得了丰厚的回报。

首先,国际空间站名副其实。除了在紧张局势日益加剧的情况下为俄罗斯和美国提供宝贵的外交联系外,这个在轨实验室还向世界大部分地区开放了空间。NASA空间站项目经理乔尔·蒙塔巴诺(Joel Montalbano)称,国际空间站已经接触到了108个国家和地区,要么有宇航员入住,要么在空间站上有研究项目,或者进行过外联活动。

在国际空间站出现之前,NASA宇航员大多只能在航天飞机任务期间在太空中度过10天或两周时间。现在,宇航员定期进行6个月的轮转驻留,NASA宇航员斯科特·凯利(Scott Kelly)在上面待了11个月,而佩吉·惠特森(Peggy Whitson)、克里斯蒂娜·科赫(Christina Koch)和德鲁·摩根(Drew Morgan)都在太空中度过了9个月或更长时间。这使得地球上的科学家和医生能够研究更长时间的微重力环境是如何影响人类生理的。在将宇航员送往太阳系更深的地方(如火星)执行更长时间的任务之前,这种类型的研究是必不可少的。

国际空间站实际上就是个轨道实验室,研究人员在这里获得了难得的机会来移除地球上始终存在的一个变量——重力。在最初的十年里,几乎没有时间进行科学研究,因为空间站上的大部分工作都致力于设施的建设和维护。然后,在2010年基本完工后,航天飞机停止飞行,因此受俄罗斯航天器限制,NASA在空间站上每次只能有大约两名宇航员。

印第安纳州研究公司Techshot的首席科学家尤金·博兰(Eugene Boland)说:“剔除变量的能力是科学前进的方式。因此,在没有持续重力影响的情况下,空间站工作了20年,这是一种令人兴奋的经历。作为一名科学家,你知道,这是一种全新工具,大多数科学家永远不会在他们的工具箱中看到。”

如果你在地球上三D打印一个器官,重力会使它像蛋奶酥一样坍塌,所以科学家们不得不对其加固,比如说心腔壁。但是后来科学家们开始思考利用没有重力的太空环境,博兰说:“如果我们不需要增加额外的脚手架来容纳像心脏这样的器官中的开放腔,那会怎么样?如果物体因为没有重力而自己站立起来会怎么样呢?”

在国际空间站上,许多最好的研究都是关于人体的。NASA宇航员斯科特·凯利(Scott Kelly)在太空呆了将近一年,研究人员多年来始终在研究他与自己的孪生兄弟马克·凯利(Mark Kelly)的差异。斯科特在太空期间发生了几次生理和染色体变化,比如他的基因表达发生了变化,他保护染色体末端的端粒在太空中变长了。

“商业宇航员”计划的出现改变了这一点。由于SpaceX的载人龙飞船每次执行任务,NASA将能够派出4人,而不是3人。这第四个人的时间几乎将全部投入到科学研究中。这将使投入科研的“宇航员时间”翻一番,从每周35小时增加到70小时。

最后,空间站为美国公司提供了一个宝贵的平台,将他们的触角伸向近地轨道。SpaceX、Northrop Grumman和波音等已经能够开发前往轨道的货物和宇航员运输系统,刺激了它们的航天活动。像Made in Space、NanoRacks和许多其他公司都受益于能够在微重力下测试制造和其他活动,而不必经历自己开发微型空间站可能难以逾越的障碍。

在某种程度上,商业太空在美国是个新兴的行业,很多这种活动都可以以这样或那样的方式追溯到国际空间站。

硬件老化故障频发

国际空间站上规模虽小但持续的漏气情况越来越严重。NASA保证说,绝对不会危及生命安全。但如果你在地球上空400公里的轨道飞船上,任何泄漏都将是严重的。国际空间站上的宇航员将漏气范围缩小在俄罗斯舱部分。但经过几周的排查,他们仍然找不到这个小洞的确切位置。然后在上个月,其中一名宇航员做了些侦察工作,他打开了一个茶袋,在失重的太空环境中,看着树叶被缓慢发出嘶嘶声的气流带向这个微小的裂缝。

国际空间站已经十分陈旧了,它会时不时地泄漏,需要宇航员不停地安装这样或那样的补丁。就像NASA前宇航员焦立中和他的同事们注意到的那样, 那里有“你能想象到的最难闻的气味”。他回忆说:“我们当时就想,‘那会是什么呢?’我们正在抬起面板,看着面板后面。然后我们抬起马桶附近的嵌板,这些可怕的绿色球体开始从嵌板中冒出来。然后惊呼:‘哦,我的天哪!’”

太空马桶也坏了,电池需要更换。今年9月份,NASA宣布将向空间站发送全新马桶,其造价达2300万美元。它更小更轻,更适合女性,同时能够将更多的尿液回收到饮用水中。 与此同时,国际空间站必须躲避太空碎片。仅今年一年,它就不得不进行了三次机动,以避免被击中。有时,国际空间站确实会被贴上“创可贴”,比如2016年,一块太空碎片穿透了它的窗户。

尽管存在太空固有的危险,比如没有空气的真空环境、辐射、在轨道上四处喷射的碎片(速度比飞驰的子弹快几倍),但人类宇航员们还是设法在这个太空前哨上连续生活了20年。多年来,国际空间站不仅是人类最伟大的工程壮举之一,也是各国结成联盟的一种方式。与此同时,宇航员们正在学习在太空生活和工作,并为前往月球和火星的更长时间太空任务做准备。

但随着国际空间站持续老化,人们担心接下来会发生什么,以及美国是否会发现自己再次处于类似于2011年的境地。当时,美国退役了自己的航天飞机,但没有准备好后备航天器。这使得NASA不得不依赖俄罗斯飞船将其宇航员送上太空,直到今年早些时候SpaceX作为NASA“商业宇航员”计划的一部分,发射了其载人龙飞船。现在令人担忧的是,国际空间站会在其继任者准备就绪之前坠落。

NASA局长吉姆·布里登斯廷(Jim Bridenstine)最近几周一直在敲响警钟,要求美国国会更好地为这些努力提供资金,并为未来做好规划。他在最近的一次参议院听证会上说:“我们想起了阿波罗时代,尽管我们非常喜欢它,但它最终还是结束了。在航天飞机之前,我们有大约八年的空白期。然后在航天飞机退役后,我们又有了大约八年的空档,然后才是‘商业宇航员’计划出炉。我们希望确保美国能够连续出现在近地轨道上,没有空白期。”

布里登斯廷提到的“空白档”指的是NASA遇到的一个历史问题。在1975年的最后一次阿波罗任务之后,NASA直到六年后的第一次航天飞机任务才有能力将宇航员送入太空。然后,航天飞机退役后,NASA在随后九年中始终没有这种能力,直到今年5月利用载人龙飞船再次将美国宇航员从美国本土送入轨道。

空间站未来命运难测

2018年1月,特朗普政府启动了关于国际空间站未来的讨论,提出对这个轨道实验室的“直接”支持将在2025年结束。当时,白宫表示,NASA应该过渡到“企业提供近地轨道能力”的水平。然而,这个想法立即遭到美国国会的抵制,特别是来自德克萨斯州和佛罗里达州等受益于空间站相关工作的州。因此,虽然有关于商业公司在本世纪20年代的某个时候接管空间站的传言,但未来并不明朗,也没有确定的计划。

展望未来,NASA似乎已经准备好再次进入太空,这要归功于载人龙飞船、波音的星际线飞船以及可能的猎户座飞船和太空发射系统(SLS)火箭。但是在低地轨道上没有目的地,这些飞行器除了月球就没有其他地方可去了。布里登斯廷和大多数航天行业的其他人一样,认为美国拥有充满活力的低地轨道经济对美国航天企业的未来至关重要。这个靠近地球的区域被视为深入太空探索的垫脚石。

因此,布里登斯汀和白宫一直要求每年提供1.5亿美元,以刺激国际空间站商业继任者的开发。这笔钱将用于资助研究,并帮助感兴趣的公司开始开发自己的硬件。然而,在2020财年,NASA只从国会获得了1500万美元拨款。2021财年的类似请求可能只会再次获得很少的资金。

这种不温不火的反应表明,国会更愿意尽可能长时间地让空间站继续飞行。这是有可能发生的。蒙塔巴诺说,国际空间站项目至少可以支持空间站飞行到2030年。他说:“虽然今天国际空间站预期飞行到2024年,但从工程角度来看,我们可以走得更远。我们已经预期其可使用到2028年,没有任何问题。这并没有什么神奇之处,我觉得从工程学的角度来看,我们甚至可以跨越2028年的最终期限。”

问题是,运营和维护老化的国际空间站,保持其供应,以及运送宇航员往返近地轨道仍然昂贵。该项目每年花费NASA约40亿美元资金。如果该机构想要将人类活动的范围从近地轨道扩展到月球,它真的可以使用其中的一些资金。因此,如果商业公司准备接管近地轨道空间站,让NASA走得更远,那么布里登斯廷就准备接受这一点。

然而,商业公司准备好了吗?没有人真正知道。

商业替代方案?

2016年4月,SpaceX的猎鹰9号火箭向国际空间站发射补给任务。在货运龙飞船携带的货物中,有个1.4吨重的模块,它于当年夏天被安装在国际空间站上。这个模块的直径可扩大到4米,来自毕格罗可扩展活动模块(BEAM)项目,后来被用来测试私人开发的太空充气栖息地的潜力。

毕格罗公司创始人鲍勃·毕格罗(Bob Bigelow)于2018年2月宣布,他正在自筹资金进行一项研究,以评估此类近地轨道空间站的商业活动潜力。毕格罗在与记者通电话时说,他不确定有多少人会对轨道旅游感兴趣,有多少公司愿意支付数百万美元进行研究,也不确定没有太空项目的国家是否会利用私人空间站。但他想找出真相。

不过,毕格罗从未公开发布过那项研究的结果。今年春天,他实际上关闭了他的太空公司。这也是近地轨道和私人空间站“商业化”的真正问题之一。没有人非常确定没有政府机构支付费用或大量补贴的活动的潜力。此外,私营公司表示,国际空间站将继续飞行多长时间的政治不确定性也很难克服。

太空服务公司NanoRacks的联合创始人杰夫·曼伯(Jeff Manber)说:“我越来越担心NASA是否能确保我们没有空间站空白期的计划。我知道有一股强大的力量推动将空间站使用到2030年。然而,空间站是一个有20年历史的复杂的技术奇迹,硬件甚至更老。我们现在就需要开始规划,并利用美国的商业能力。”

NASA始终在计划两条独立的轨道,以刺激商业空间站的发展。其中一个允许商业公司从建造一个连接到国际空间站的模块开始,并在开发技术的同时使用空间站的电力、通信和其他资源。另一条单独的轨道呼吁发展“自由飞行”的概念,但NASA后来决定搁置这一概念。曼伯说,这一决定阻碍了私营部门在近地轨道上创新的潜力。

至少就目前而言,NASA只是在推进一个商业开发的模块,以连接到空间站。今年1月,该机构向Axiom Space公司授予了一份价值1.4亿美元的合同,Axiom是由前国际空间站项目经理迈克尔·苏弗雷迪尼(Michael Suffredini)共同创立的一家公司,将在空间站正面连接一个商业空间站。Axiom首席技术官马特·翁德勒(Matt Ondler)表示,该模块主要由私人资金开发,计划于2024年推出。它将为空间站的私人参观者提供住宿服务。到目前为止,Axiom已经筹集了大约2000万美元资金,它即将完成一轮“非常大的”B轮融资。

Axiom正在建造商业空间站,该公司称新的空间站将建立在国际空间站的基础上,但组装成本更低,也更容易维护。从外部看,它看起来很像国际空间站,有居住模块、太阳能电池板和对接端口。但是里面会有很大的不同,配有“有史以来为太空建造的最大舷窗天文台”。萨弗雷迪尼说:“我们希望客户能体验到这种绝好、舒适、奢华的感觉。我们甚至在研究如何在轨道上烹调食物,把食物做得更好吃一点儿。”

Axiom计划再发射另外三个模块,目前计划第四个在2028年飞行,该模块将携带一个大型太阳能电池板,能够独立于国际空间站在轨道上飞行。然后,其他模块可能会与国际空间站分离,形成一个新的空间站。商业空间站的内饰由法国建筑师和设计师菲利普·斯塔克(Philippe Starck)设计,他以设计从家具到游艇到公司总部而闻名。他对Axiom空间站的愿景是“创造一个鸟巢,一个舒适而友好的蛋,将以宇宙诞生时的材料和颜色为特色”。换句话说,与当前国际空间站相去甚远。

当被问及对商业市场潜在规模的担忧时,翁德勒表示,他认为最早的市场来自私人宇航员。这将既包括太空游客,也包括来自没有自己发射能力的国家的专业宇航员。最终,他预计药物、光缆或其他微重力技术的制造将支付最大份额的账单。他说:“商业宇航员的支持在早期很重要,但在未来,制造业的发展速度将远远超过它。”

翁德勒鼓励NASA和政策制定者继续寻找支持商业空间站的方法,并增加进入NASA设施的机会,如Neutral Buoyancy Lab,在那里私人宇航员可以接受微重力活动的培训。最后,他说,Axiom完全支持国际空间站飞行到2028年。

国际空间站留下的遗产

NASA和俄罗斯仍需敲定一项计划,将大型国际空间站安全带回地球大气层。但看起来很清楚的是,无论何时国际空间站走向终点,它都将给全球航天努力留下持久的遗产。有了这个计划,世界上许多最发达的国家首次聚集在一起,共同参与有意义的、长期的航天事业。有了空间站,在过去的20年里,不同国家的宇航员始终待在地球表面上方400公里处。

太空历史学家、《空间站:太空工作的艺术、科学和现实》(Space Stations:The Art,Science,and Reality of Space)一书的合著者罗伯特·皮尔曼(Robert Pearlman)表示,国际空间站应该被认为是继阿波罗之后的重要成就。前者是到达目的地的速成课程,而空间站需要的技能可支持更持久的任务。

皮尔曼说:“在某些方面,国际空间站比阿波罗登月或任何以前的太空努力都代表着更伟大的工程壮举。在过去的20年里,建造和运营空间站需要前所未有的国际合作,即使在伙伴国家在无关的地球事务上存在分歧的时候也是如此。此外,设计关键系统不仅要持久,而且要可靠地运行20年,这可能是国际空间站经历中独一无二的挑战。”

NASA成功登上月球,但对于长期的深空计划来说,需要做的事情还有很多,空间站为此提供了一个平台。除了研究宇航员的健康,在国际空间站的工作还促使太空行走技术的成熟,为维护地球外复杂机械的机组人员和地面支持团队提供了宝贵的经验,并开发了闭环生命支持系统。

皮尔曼说,空间站还为下一代探险家留下了另一项重要遗产。他们怀着这样的期望长大,即人类在太空中生活是完全自然的,这应该成为未来的常态。他说:“由于社交媒体和其他技术的出现,国际空间站也为公众提供了一个无与伦比的机会来参与积极的太空任务,无论是虚拟的,还是对于少数精挑细选的人来说,都是作为太空飞行的参与者。历史上第一次,公众不仅仅局限于观看正在发生的事情,而是现在与宇航员互动,并定期进行科学研究。这最终可能是空间站对未来太空探索的最大贡献。”

前NASA宇航员焦立中(Leroy Chiao)说:“到目前为止,国际空间站可以说是我们考虑过的最大胆太空建设项目。更令人震惊的是,我们实际上做到了这一点。”

前NASA宇航员帕姆·梅尔罗伊(Pam Melroy)说,似乎太空真空还没有带来足够的挑战,“我们正在与说不同语言、有不同民族文化和不同政治优先事项的人共同做这件事。任何人都可以去看发射,并受到火箭的启发。但我希望人们能真正亲眼看到空间站,因为这是一项令人惊叹的工程壮举。当你走近它时,它看起来就像是太空中的现代艺术作品。”

从地面上看,情况也不错。NASA有一项名为“Spot the Station”的服务,在那里,天空观察者可以输入他们的电子邮件和位置,以便在国际空间站将从头顶飞过时得到通知。在晴朗的天空中,国际空间站通常是天空中最明亮的地方,像一条长长的流动弧线上的火花,以每小时28163公里的速度向地平线划去,每90分钟就可绕地球飞行一圈。

在20年前到达空间站后不久,首批宇航员中的两名成员发现自己站在其中一个舷窗旁,花了一会儿时间看着地球掠过。他们是两名训练有素的军官,美国海豹突击队队员比尔·谢泼德(Bill Shepherd)和苏联空军战斗机飞行员尤里·吉曾科(Yuri Gidzenko)。在另一个世界中,他们曾被训练互相敌对。

但当他们经过吉曾科待过的一个军事哨所时,他把它指给谢泼德看。空间站飞行“半圈后”,轮到谢泼德了,他说:“我是海豹突击队队员,我们在很多地方待过。”然而,现在他们是宇航员,而不是军官,站在空间站上共同俯瞰着一个在他们看来似乎是和平的、没有边界的地球。

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