太空漂浮的废弃火箭能改造成空间站吗

2020/12/12 10:40:55 来源:新浪科技 作者:任天 责编:懒猫

几天前,欧洲空间局(EAS)发布了年度空间环境报告,报告强调了目前废弃的火箭主体部分是对航天器的最大威胁之一。降低这种风险的最好方法是发射提供商在运送完载荷后将火箭脱轨。然而,在太空物流公司 Nanoracks 的首席执行官杰弗里 · 曼伯看来,这么做是对一个完美的巨型金属管的浪费。

Nanoracks 公司成立于 2009 年,以在国际空间站托管私人有效载荷而闻名,其业务涵盖遥感技术、微小卫星和立方星部署、空间站气闸舱和空间实验器材改造等。在过去几年里,Nanoracks 一直致力于一项计划,试图将废弃火箭上面级改造成微型空间站。这并不是一个新想法,美国国家航空航天局(NASA)已经多次考虑翻新燃料箱这一想法,但总是没有下文,通常是因为技术不成熟。

NASA 此前的所有计划,都必须依赖宇航员完成大量的制造和装配工作,这使得项目成本高昂、进度缓慢、危险系数较高。而新的设想则是在地球以外建立一个 “切割车间”,无需宇航员亲自动手,机器人就能完成切割、弯曲和焊接废弃火箭主体的任务,并将其改造为实验室、燃料库或仓库。

“前哨”计划

Nanoracks 公司的这项计划被称为 “前哨”(Outpost),将在火箭完成使命后对其进行改造,使其获得重生。第一批 “前哨”将是利用新火箭的上面级建造的无人空间站,但未来也许可以建成能够容纳宇航员进驻的空间站,或是利用已经在轨道上的火箭来建造。一开始,Nanoracks 公司并不打算直接使用火箭内部,而是将实验载荷、电源模块和小型推进装置安装在火箭外部。当公司的工程师们搞定这一切之后,他们就可以专注于改造火箭内部,使其成为一个加压实验室。

▲ 废弃的火箭是危险的太空垃圾,但它们也有可能成为未来宇航员在轨道上生活和工作的场所

进入轨道的火箭在发射时至少有两个级,每个级都配备了推进剂罐和发动机。较大的第一级将火箭推进到太空边缘,然后分离并落向地球;或者,像 SpaceX 公司的猎鹰火箭那样,可以在海洋中自主降落在无人驾驶平台上。较小的第二级先是加速至轨道速度,再释放出载荷。此时,上面级通常只剩下足够点燃引擎的燃料,使其能够脱轨并垂直坠落回地球。如果上面级没有进行脱轨点火,它就将作为一颗不受控制的卫星,继续环绕地球运转。

Nanoracks 公司的研究团队正在针对这些上面级进行开发,因为它们已经具备了空间站所需要的诸多条件。火箭的燃料箱由极其耐用的材料制成,可以承受巨大压力,以及发射过程中的严酷条件。火箭上面级也十分宽敞。SpaceX 的猎鹰 9 号火箭上面级直径约为 3.7 米,高约 9 米,这样的空间足以让很多公寓居民嫉妒。

不过,这些燃料箱在进行实验或进驻宇航员之前还需要修饰一番。第一步是排出所有剩余燃料,以防止爆炸。然后,由机器人接手安装各种必要的组件,如太阳能电池板、在表面安装装置或小型推进装置等。“前哨”计划将会进行数次小型太空演示,然后尝试将一完整的上面级改造成一个可运行的空间站。目前为止该计划还没有真正改造任何东西,但在未来,可以想象一群小机器人在上面级来回移动,添加更多的连接装置,以及其他类似的东西。

还有一个问题,此前还没有人展示过改造轨道空间站所需的核心金属加工和制造技术。明年 5 月,“前哨”将进行首次演示任务,计划改变这一现状。该公司开发了一个小型舱,将与其他几个有效载荷一起,利用 SpaceX 公司的火箭发射升空。在舱内,装有快速旋转钻头的小型机械臂将切割三小片金属——由与火箭燃料箱相同的材料制成。如果实验进展顺利,这种工具应该能够在不产生任何碎屑的情况下进行精确切割。这将是第一次在太空真空中切割金属。

将火箭送入轨道的最大挑战是了解材料对空间环境的反应。例如,如果一种材料的一面面向太阳,另一面背对太阳,其温度可能相差数百 度。如果不在太空中试验,很难预测这种材料会对切割或焊接等标准制造技术做出何种反应。其他技术,如制造太阳能电池板的薄膜材料,则需要一个超净环境来防止缺陷。尽管太空是真空的,但仍然含有大量的灰尘和辐射,可能会干扰传统的制造过程。

▲ 用废弃火箭上面级制作的 Nanoracks“前哨”基地效果图

70 年过去了,我们对太空制造的了解仍然如此之少,这很值得注意,如果真的想要重复使用太空硬件,还有很多需要学习的。即便其中的某些步骤看起来平淡无奇,仍旧需要必须一步一步来做。

监管与合法性问题

对航天工业而言,像 “前哨”这样的任务扩展项目是全新的挑战。自从第一颗人造地球卫星发射以来,那些被送入轨道的 “大家伙”要么主动脱离轨道,要么被丢弃,然后落回地球。人类还未发展出在卫星耗尽燃料后,或征用废弃火箭外壳时移动这些卫星的技术。这也意味着,目前没有任何安全操作的规则,也没有达成此做法是否合法的共识。

不过,转变已经开始发生。2019 年,一颗卫星曾成功锁定了另一颗燃料耗尽的卫星,并将其转移到新的轨道。这一操作将使卫星的使用寿命至少延长 5 年,并正式开启了太空任务扩展的时代。在今年的国际宇航大会(International Astronautical Congress,简称 IAC)上,诺斯罗普 · 格鲁曼公司空间后勤副总裁约瑟夫 · 安德森做了一个演讲,内容是其公司如何与若干机构合作,修改许可要求,以促成这一历史性任务的发生。

如果 Nanoracks 公司想要把火箭变成空间站,他们还必须推动新的许可政策制定来实现这一目标。卫星推动转移轨道的案例可能为延长进入轨道的新火箭的寿命奠定了基础,但我们还不能确定,一家公司能否在没有发射火箭的国家或公司许可的情况下,对遗弃在轨道上的火箭进行翻新。

这一问题正是太空律师事务所多年来一直在努力解决的方向。在地球上,国际海事法允许海员打捞在海上发现的残骸,但根据 1967 年签署的国际协议《外层空间条约》,发射火箭的机构仍拥有废弃火箭的所有权。根据这项法律,如果一个公司或国家未经允许接管一个废弃的火箭级,就会侵犯发射国的财产。但有的律师认为这种法律解释是一种谬论,因为 “发射国和发射公司实际上都不关心已使用的火箭级。他们希望这些东西消失。”

不过就目前而言,对于任何未经许可擅自使用火箭级的公司来说法律风险都是巨大的。十多年来,太空律师一直在倡导将 “发现和打捞”海事法律应用于诸如废弃火箭这样的轨道碎片。然而,FCC 和联邦航空管理局等监管机构一直行动迟缓。要想在打捞问题上取得进展,确实需要一个试验案例,而 “前哨”计划很可能就是实现这一步的最佳选择。

对促进轨道贸易并扩展人类在太阳系的活动范围而言,回收火箭是非常合乎逻辑的动作。发射航天器十分昂贵,所以开发出利用现有资源的技术能大大降低在地球之外生活和工作的成本。未来 15 至 20 年,可能会出现搜寻并打捞可用物品的侦察任务,也许你将会见到在太空中寻找零部件并将其用于组装的勘探器。这将是未来航天最大的市场之一。

从概念到现实

这个愿景可能还需要很长时间才能实现。在过去的 50 年里,NASA 的工程师们探索了多种方法,试图将旧火箭改造成人类居住地。NASA 的第一个空间站 “天空实验室”(Skylab)原本打算建造在 “土星 5 号”的上面级。“土星 5 号”是一个巨大的发射装置,曾在阿波罗计划中将宇航员送上月球。NASA 的这个概念被称为 “湿式工作站”,当时已经相当成熟,只是后来项目工程师们认为直接发射一个定制空间站会更容易。不过,回收火箭的梦想并没有因此终结。

比尔 · 斯通是一位极限洞穴探险者,去过地球上一些最深的地方,他也是 “斯通航空航天”公司的创始人兼首席执行官。该公司的目标是制造机器人,在木星和土星的两颗冰冷卫星上探索海洋。此前,他曾在美国国家标准技术研究所(National Institute of Standards and Technology,简称 NIST)工作了 10 年,致力于将航天飞机的外部燃料箱改造成轨道居住地。当时,NASA 刚刚开始探索 “自由号”的工程设计。不过,自由号并没有真正完成,在多次修改和调整之后,剩余的项目最终转入如今的国际空间站。NIST 的领导让比尔 · 斯通和同事们评估 NASA 计划的所有细节,寻找可以改进的方法。

不断出现的一个事实是,航天飞机并不是 100% 可重复使用的,尽管 NASA 可以让航天飞机轨道器着陆,偶尔也可以从海洋中回收固体助推器,但每次发射都会丢掉火箭上最大的部件——外部燃料箱。毋庸置疑,这是一种巨大的资源浪费。当外部燃料箱从航天飞机上分离时,它已经达到了达到轨道所需速度的 98%,不需要太多额外的推力就能留在太空中。如果可以被改造成一个工业实验室,这将是非常高效的再利用。

航天飞机的外部燃料箱实际上是两个独立的燃料箱,通过箱体间的中间层环形框连接在一起,形成了一个巨大的结构。其中较小的燃料箱装着液氧,另一个大得多的燃料箱则装着液氢。NIST 团队的计划是将中间层作为宇航员临时的加压居住地,由宇航员对较大的液氢箱进行改造,作为最终的生活空间。这就需要对燃料箱进行多处改造,比如舱口扩大以让宇航员进入,外部燃料箱底部需安装一个小型发动机,使其在轨道上可以自行定位。这么做的好处是有大量的空间可用作仓库或研究实验室。较小的液氧箱就能提供比目前国际空间站多 25% 的可居住空间,而如果整个外部燃料箱完全利用起来,其体积将是国际空间站的 6 倍。

每次执行任务时,总有 65000 磅(约合 30 吨)重的铝和其他航天级部件被丢弃,这些材料都能承受巨大压力,适合成为人类的居住场所,甚至当你看 SpaceX 为发射至近地轨道所提出的最佳报价,也会发现被丢弃的资产价值高达数千亿美元。

随着 NIST 的计划在 20 世纪 80 年代成形,一个由 57 所大学组成的财团在一家名为 “外部燃料箱公司”(External Tank Corporation)的私营企业中获得了多数股权,该公司将为 NASA 改造废弃的航天飞机燃料箱。正如该公司总裁伦道夫 · 韦尔(Randolph Ware)在 1987 年告诉《洛杉矶时报》的那样,这个项目并不是为了与 NASA 的自由号空间站计划竞争。“我们不是空间站的替代品,而只是工业园区边缘的一个仓库,”韦尔说道。

随着外部燃料箱公司努力将项目商业化,斯通和他在 NIST 的同事们也对回收空间站进行了数字和物理模拟。到 20 世纪 80 年代末,他们甚至在 NASA 马歇尔太空飞行中心的水池里建造了一个航天飞机燃料箱模型,使宇航员可以练习进出燃料箱。在这项计划的第一次演示任务中,有两名宇航员参与,斯通便是其中之一。

NIST 并不是唯一参与航天飞机外部燃料箱设计的机构。马丁 • 玛丽埃塔航空公司(Martin Marietta Aerospace,后来该公司与洛克希德公司合并为洛克希德 · 马丁公司)的工程师进行了一项研究,提出可用燃料箱作为一个更大的空间站的基础,而美国空军提出的一个独立提案建议,可以将燃料箱作为废弃金属,用来建造在轨道上运行的设施。大约在同一时间,波音公司和美国国防高级研究计划局(Defense Advanced research Projects Agency,简称 DARPA)的一项联合研究项目建议,可将外部燃料箱改装成大直径望远镜。就连希尔顿酒店也计划用航天飞机的助推器建造轨道旅馆,并称其为 “太空岛”。当然,这个项目似乎从未超出概念阶段。

1993 年,当克林顿政府批准建立国际空间站时,将废弃的航天飞机助推器改造成空间站的梦想就此破灭。斯通和他在 NIST 的团队当时还提交了一份将航天飞机助推器改造成空间站的提案,据称已经通过了 NASA 最高级别的工作并送入了白宫。但据斯通回忆,就在克林顿政府准备推进国际空间站项目时,NIST 的所长把他叫到办公室,告诉他一个坏消息:NASA 终止了这个项目。“空间站已经成为一个国家就业项目,而我们的项目被视为对空间站的威胁,”斯通说,“NASA 没有保留这些外部燃料箱,这是一个可悲的错误,因为他们终究会建立轨道储存库,以满足地月经济所需。”

在接下来的 20 年里,随着 NASA 的工程师们把精力集中在国际空间站上,在旧火箭中生活和工作的想法逐渐从人们的记忆中消失。直到 2013 年,这一概念才温和回归。布兰德 · 格里芬来自雅各布工程公司,是 NASA 的一位承包商。他领导了一项研究,希望能将下一代 “太空发射系统”火箭的燃料箱变成深空探索的基地。他将这个可回收的空间站命名为 “太空实验室 2 号”。

“天空实验室 2 号”将以整体的形式在太空发射系统的上面级发射升空。按照 NASA 的计划,未来人类重返月球也将搭载太空发射系统。天空实验室 2 号的乘员舱将由一个未使用过的氢燃料箱制成,它将作为火箭上面级的有效载荷发射。这与太空实验室的设计相似。事实上,太空实验室是以 “土星”火箭第三级为基础,在地面上改造而成的,而非在轨道上对废弃的火箭第一级进行改造。在发射前,将燃料箱变成太空居住地所需的所有组件——太阳能电池板、天线、机械臂等——都将被整合在一起。正如 “前哨”概念,天空实验室 2 号的组装也将不需要宇航员。这个经过改装的液氢箱将有足够的空间容纳 4 名宇航员,并为他们提供绕月飞行或多年火星之旅的补给。一旦太空实验室 2 号进入轨道,宇航员将由随后发射的猎户座(Orion)载人飞船运送,它可以与空间站对接,为任务提供推进力。

▲ 天空实验室

太空实验室 2 号的研究是出于降低深空探索成本的需要。国际空间站的建造非常昂贵,需要几十次发射才能将所有部件送入轨道。在月球或火星周围建造一个类似的模块化空间站将更加昂贵。但太空实验室已经表明,一次性发射一个功能完备的空间站是可能的,研究团队曽在 NASA 的马歇尔太空飞行中心建造了一个全尺寸的太空实验室 2 号站模型。

不过,尽管 NASA 官员表现出了一些热情,但这个项目还是被搁置了,该机构继续推进其新的月球 “门户”计划。与太空实验室 2 号不同,“月球门户”是模块化的,更接近于国际空间站的缩小版。

如今,机器人能够执行一些在航天飞机时代需要一组宇航员才能完成的任务。蓬勃发展的太空经济也推动了对更多轨道研发平台的需求。NASA 未来的登月计划也要求其重新考虑深空供应链的问题。“前哨”计划还需要进行多项基本技术的演示,才能真正实现火箭的回收利用。无论如何,随着几十年来的技术发展,也许在不久的将来,宇航员们将有机会生活在一座由废弃火箭改造而来的 “二手”空间站里。

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关键词:火箭

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