国际空间站即将退役,NASA撤离计划将对中国航天带来哪些挑战与机遇?

据CNN10国际新闻的最新报道,国际空间站(ISS)目前面临严峻的维护问题,尤其是泄漏问题,已持续了五年之久。

国际空间站自1998年建成以来,已经超出了原定的15年设计寿命,目前正处于“超期服役”状态。根据美国太空网站的数据显示,空间站的关键部件中已有588个超期,且损坏严重。尽管美俄双方对于空间站泄漏的严重性存在分歧,俄罗斯认为并未构成灾难性解体的风险,但美国则要求增加临时座椅,以防万一需要紧急撤离。

随着国际空间站计划的逐步结束,美国和其他合作国(包括俄罗斯)计划在2030年之前逐步撤离。退役后的空间站如何处理成为焦点,NASA已将这一任务交给SpaceX,合同金额高达8.43亿美元。SpaceX将研发一款特制的“离轨飞行器”,以将国际空间站引导至大气层烧毁。

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国际空间站的“超期服役”

国际空间站(ISS)自1998年发射首个模块以来,已经度过了26个年头。最初,空间站的设计使用年限是15年,预计退役时间为2013年。然而,由于多方面的技术支持和延寿计划,国际空间站的服役年限已远远超过预期。2024年,国际空间站进入了“超期服役”的状态,尽管它已进入了生命周期的最后阶段,空间站仍在发挥着巨大的科学和技术价值。

美国太空网站(NASA)报告指出,国际空间站的关键部件中,有588个已经超期,很多系统的运行状态不稳定,尤其是在密封性和供氧系统方面,泄漏问题成为了空间站目前面临的最大挑战之一。尽管美国与俄罗斯在空间站是否存在灾难性解体的风险上存在分歧,但不容忽视的是,随着时间的推移,国际空间站的维修成本已经越来越高。为了解决这一问题,NASA已经与SpaceX合作,计划使用一款特制的“离轨飞行器”将空间站引导到大气层烧毁,从而安全退役。

SpaceX的“离轨飞行器”——技术挑战与创新

SpaceX的离轨飞行器作为国际空间站退役计划的重要一环,将发挥至关重要的作用。该飞行器基于SpaceX的龙飞船技术进行了重大改进。与标准货运龙飞船不同,离轨飞行器的设计目标是通过多次点火,将国际空间站的轨道逐步降低,直到其最终坠入大气层。飞行器的推进系统包括46个“龙座”推进器,其中16个用于姿态控制,30个用于调整轨道,确保空间站能够在不发生剧烈碰撞的情况下顺利退出。

该飞行器的总重约30吨,其中16吨用于推进剂。为了确保推进剂能够满足任务要求,SpaceX通过精确的工程计算,确保推进剂的使用量尽可能优化。与理论值的22吨推进剂相比,16吨推进剂在经过一系列工程优化后,已足够完成空间站的退役任务。

离轨飞行器的运作流程包括多个阶段,首先通过对接国际空间站,启动初步的轨道调整,使空间站的轨道从400公里下降至330公里。随着空间站轨道高度逐渐降低,最终在多个点火过程中,飞行器将国际空间站的轨道降低至160公里,然后引导空间站进入大气层。

这一过程的成功实施需要精准的控制与技术支持,否则极可能造成空间站的碎片不受控制地飞散,从而威胁到地面或其他卫星的安全。虽然目前退役的空间站碎片最终预计将在南太平洋地区坠落,但这一过程仍充满风险,如何确保空间站安全、无害地退出轨道是技术上的巨大挑战。

中国天宫空间站的退役计划与挑战

与国际空间站类似,中国的天宫空间站也面临着退役问题。根据中国航天工程的规划,天宫空间站的设计寿命为10年。自2021年发射核心舱开始,天宫空间站预计将在2031年左右迎来退役。这一时间节点与国际空间站的退役时间接近,因此,如何确保天宫空间站的顺利运营以及未来退役后的处理,是中国航天面临的重大课题。

天宫空间站的设计寿命虽然为10年,但中国航天专家普遍认为,天宫空间站的实际使用寿命将远远超过这一数字。中国载人航天工程总指挥王翔曾公开表示,天宫空间站的使用寿命很有可能超过10年,甚至可以达到15年或更长时间。实际上,国际空间站的设计寿命也仅为15年,经过多次维修和部件更换后,国际空间站得以延长服役期。天宫空间站同样采取了模块化设计,通过更换或维修各个模块,天宫空间站的服役期也有可能得到延长。

面临退役的两大问题:开发离轨飞行器与下一代空间站建设

对于中国来说,天宫空间站的退役面临着两个核心问题:一是是否需要开发类似于SpaceX的“离轨飞行器”,二是如何规划和建设下一代空间站。

虽然中国航天在重型火箭和载人飞船等方面已取得显著成就,但与美国的SpaceX相比,中国在开发大规模的离轨飞行器方面仍存在一定的差距。虽然天宫空间站在退役时可能会采用类似的技术手段,但中国是否能够独立开发一款如SpaceX的“离轨飞行器”仍然是一个尚未解决的技术难题。

不过,随着中国航天技术的快速发展,尤其是在航天器的自主设计与制造方面取得的突破,未来中国有可能在这一领域取得显著进展。例如,中国已经成功研发了“长征”系列火箭和“天舟”货运飞船,这些技术积累为未来天宫空间站的退役任务打下了基础。

与国际空间站退役后的挑战类似,中国同样面临下一代空间站的建设问题。当前,国际空间站的成功运行为世界各国提供了宝贵的经验,而未来的空间站不仅要具备更强的技术能力,还需要满足更高的商业化需求。

未来的空间站建设将面临多种选择。美国计划通过私营公司,如SpaceX和蓝色起源等,承担下一代空间站的开发和建设任务。美国政府在推动“阿尔特弥斯”重返月球计划的同时,也在建设月球门户——一个小型的空间站,旨在支持月球和深空探索。与国际空间站不同,月球门户的规模较小,主要用于提供给宇航员的通信、生活和科研支持。

对于中国而言,如何设计和建设下一代空间站,是未来航天发展的关键。中国的天宫空间站已具备一定的技术优势,未来的空间站很可能会进一步采用模块化设计,使得空间站的扩展和升级更加灵活。同时,如何实现空间站的商业化,也是中国航天未来需要思考的问题。

从国家主导到市场化运作

随着技术的进步,商业化成为未来空间站建设的关键之一。美国的太空探索公司SpaceX已经证明了商业化航天的可行性。SpaceX的猎鹰重型火箭和“龙飞船”已经实现了商业化运营,带动了整个航天产业的成熟和市场化。

对于中国来说,航天产业的商业化仍处于起步阶段。尽管中国政府在航天领域投入了大量资金,但中国的民营航天企业仍然面临着诸多挑战。例如,中国的“长征”系列火箭和“天舟”飞船虽然在技术上取得了重要突破,但在商业化运营上仍需要进一步发展。未来,如何通过市场化运作推动中国航天产业的可持续发展,如何利用商业化资金支持航天项目,将是中国航天发展的关键所在。

从国际空间站的退役到中国天宫空间站的未来,航天领域正迎来重要的转型期。如何解决空间站退役的技术难题、如何建设下一代空间站、如何实现空间站的商业化,这些问题不仅关乎国家航天力量的发展,也将决定未来全球航天产业的走向。中国在航天领域的崛起,虽面临许多挑战,但随着技术的突破与商业化的推进,中国有望在未来的航天事业中占据更为重要的位置。