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陳藍：中國空間站，走自己的路

點擊：作者：陳藍來源：科工力量微信號發布時間:2021-06-18 09:47:44

中國特色空間站

繼4月底天和號核心艙成功發射后，天舟二號貨運飛船又順利升空，并與天和核心艙精準對接。6月17日，神舟12號還將為天和艙送去三名航天員，開始三個月的駐留。中國空間站建設已進入密集發射期。在兩年11次高密度發射后，一個60噸級的模塊化空間站將橫空出世。

中國空間站將是歷史上建設速度最快的模塊化空間站。相比之下，前蘇聯/俄羅斯和平號從1986年核心艙發射，到1996年最后一個艙段自然號完成對接，總共花了10年時間。國際空間站從1998年曙光號發射，到2011年萊昂納多號最后加入，歷時13年之久。

作為最新建設的空間站，中國空間站的規劃和設計吸取了以往的經驗教訓，也充分考慮了中國的能力和需求。它的特點體現在合理的規模、優化的設計和最新的技術上。

中國空間站模擬圖，圖片來源：中國空間技術研究院

合理的規模：中國空間站設計為三人常駐、短期最多六人（一般為機組輪換時）。和平號空間站的經驗表明，為維持空間站的長期運行，三人機組是必要的。而借助于現代通信和自動化技術，即使三人機組也能完成相當多的實驗。

我們的空間站設計有23個實驗機柜位，實驗能力遠超規模更大（7個艙段）的和平號。可以說，我們的空間站是歷史上效費比最高的空間站。

和平號空間站，圖片來源：NASA

優化的設計：中國空間站摒棄了國際空間站的桁架結構，采用了模塊化（積木式）結構。這是在和平號和國際空間站（加壓艙段）上被證明的成熟技術，擴展性非常強。

通過可移位的大型柔性太陽電池板，我們解決了各艙段電池板互相遮掩的問題，同樣實現了桁架式空間站的效果。

我們的艙段也有很多獨特的優化設計，比如一體化的對接和氣閘艙、展開式暴露平臺等。

此外，共軌巡天艙既有自由飛行航天器的優點，停靠空間站時又能像固定艙段一樣得到維修和保養。這是一種取長補短的巧妙設計。未來，我們的空間站甚至可能發展為“航天母艦”。

最新的技術：中國空間站在空間站歷史上首次采用電推進系統維持軌道，首次在空間站采用柔性的高效砷化鎵電池板。

同時，它也采用了不少在國際空間站上得到驗證的較新技術，如自爬行機械臂、國際標準實驗機柜、高壓供電體制等。這些新技術的采用使得我們的空間站具備了技術上的后發優勢。

由于采用了正確的策略和設計思路，我們的空間站實現了相對較低的成本、較快的建造速度，以及強擴展性與高效費比，是一個具有中國特色的空間站。我們有理由為此而驕傲。

我們即將擁有一個很不錯的空間站。那么，我們應該如何利用好它，讓它發揮最大作用呢？

國際空間站的經驗和教訓

我們不妨看看國際空間站的經驗。國際空間站之所以費用高昂（建造成本1500億美元，運營成本每年40-50億美元），主要就是因為載人的需要。即使不談那些可靠性要求極高的加壓艙和生命維持系統的一次性研制和發射成本，每年的機組輪換，大量的氧氣、氮氣、水、食品、衣物、配件等補給，就需要超過十次發射。僅這些發射的費用就已經很驚人了。

2018年的國際空間站，圖片來源：NASA

此外，宇航員在空間站上的工作，有相當一部分是花在空間站設施的檢測和維護上。事實上，投入到國際空間站的大部分錢，都用在支持人類在太空的生存和空間站本身的維護，而非科學實驗上。

國際科學界對此一直有抱怨，認為國際空間站耗資巨大，但科學產出卻非常有限，和投入完全不成比例。當初寄希望通過空間站實現的科學突破一個也沒有出現，利用空間站推動的太空工業化也依然是個夢。

當初的人們顯然高估了空間站的作用，低估了科學突破的難度。或者，這只是立項前忽悠政府投資的話術。目前科學家們普遍認為，空間站上絕大多數實驗可以用無人的微重力衛星來實現，而且更簡單、更有效、更便宜。

也有人認為空間站具有軍事價值。實際上美蘇最早的空間站計劃（美國空軍的MOL載人軌道實驗室、蘇聯鉆石軍事空間站）都是軍事需求推動的。但冷戰還沒結束，他們就都放棄了這個想法。因為事實證明，空間站能做的事情無人衛星都能做，而且更好、更便宜。這和前面說的科學實驗的情況是一樣的。最終，國際空間站的定位很明確，就是科學實驗室和技術試驗平臺。

MOL，圖片來源：美國國家偵察局

NASA也認識到了科學產出低于期望值以及空間站必要性的問題。它在國際空間站建設后期提出繼續投資空間站的理由是：

第一，無論人類生存空間擴展到近地軌道還是載人深空飛行，和人體相關的醫學生理實驗都非常必要，而這類實驗只能由人在真實太空環境進行；

第二，為了探索月球和太陽系，需要開發新的深空航天器，而空間站就是進行相關工程試驗的最好平臺；

第三，國際空間站可以成為商業航天應用的試驗田。NASA從最初反對太空游客到訪，逐漸變為支持鼓勵。近年發射并對接于國際空間站的試驗充氣艙和商業氣閘艙，更顯示了NASA對商業化的積極態度。

除了設法增加產出，NASA也在積極降低國際空間站的運營成本，采購商業航天公司的運輸服務就是一個例子。在國際空間站商業貨運合同上嘗到甜頭后，NASA進一步推進了商業乘員運輸計劃。其成果就是SpaceX的龍飛船（一代貨運龍、二代載人龍）、諾斯羅普·格魯曼公司的天鵝座貨運飛船和波音的星際航班載人飛船。應該說，國際空間站的商業化策略是非常成功的。

中國式道路的探索和追尋

國際空間站的寶貴經驗無疑對中國有極大的參考價值。我們作為后來者，已經建成規劃設計更合理的新空間站，理應做得更好。

中國科學院作為空間站應用系統的負責單位，很早就開始規劃設計空間站的科學載荷（實驗機柜）。中國也通過聯合國外空辦公室完成了國際合作項目的征集和遴選。中國空間站無疑也是月球和深空探索最好的工程試驗平臺。不過，我們對空間站純科學項目的產出應該有一個合理的預期，宣傳上也應避免過度樂觀和夸大。

同時，應該充分利用中國空間站的設計優勢，鼓勵更多的商業化應用，來產生最大的溢出價值。

我們應該走出我們自己的道路。下面是一些不成熟的建議，供有關方面參考。

首先，可維護的共軌航天器是我們的一大創新。

理論上，我們很容易支持巡天光學艙之外的多個共軌航天器，比如自由飛行微重力平臺。上世紀夭折的歐洲哥倫布空間站計劃（后演化成國際空間站哥倫布艙）中就有這樣的概念。由于不受站內人員設備干擾，它的微重力水平更高。

我們可以制定和公布一套標準接口，讓民營航天公司和國際合作伙伴獨立開發各種類型的共軌航天器。中國空間站負責它們的定期補給和維護，成為這些航天器的“母艦”。這樣，我們的空間站不僅能發揮最大效益，為人類進步做出貢獻，也能大大增強中國在世界上的影響力。

其次，太空旅游可能是未來商業航天中最富潛力的一個應用。

過去20年，太空旅游單人費用從2000萬美元漲到9000萬美元。但今年起，龍飛船開始純商業旅游飛行，價格快速回落。預計今年9月執行的Inspiration 4龍飛船全私人任務（不去國際空間站），費用估計約每人2500萬美元。明年初進入空間站的飛行費用則高一倍左右，但也比此前下降了近一倍。

低價刺激需求。從今年9月到明年1月將有四次太空旅游飛行（兩次龍飛船，兩次聯盟號），僅這四次的太空游客數就將超過歷史上所有游客的總數。隨著發射費用的進一步降低，市場規模將指數增長。如果馬斯克的超重-星艦系統真能將每次百人的發射費用降到數百萬美元，那太空旅游市場的巨大規模可想而知。

我們的空間站應該為太空旅游市場做好準備（不管他乘什么飛船來）。空間站遠期擴展模塊中可以留出一個給商業化的太空酒店。