星舰变身空间站？改造计划挑战重重

近日，美国宇航局签署的《太空法案协议》显示，近年来航天界颇为引人瞩目的SpaceX公司的“星舰”，又将迎来一个新的重大任务。美国宇航局计划将进入地球轨道的“星舰”改造成为近地轨道空间站，星舰空间站预计在21世纪30年代投入运营。

火箭变身空间居所

“星舰”是SpaceX公司正在开发的超重型运载火箭，是世界首型两级完全重复使用重型运载火箭。早在2016年，马斯克就展示了星际运输系统方案及其火星移民计划，其中的核心运输工具就是“星舰”。马斯克认为，利用“星舰”超大的运载能力，以及完全可重复使用特性，星际飞行成本将会得到极大降低。

“星舰”在首飞中翻滚炸毁

按照马斯克最初的设想，人类将在2022年之前实现至少2次货船火星登陆，2024年实现货运+载人登陆。2艘载人飞船将第一批地球人送上火星，2艘货船负责运送补给物资，以此为基础逐步建立火星殖民地。

由于现实中的一系列困难，这一设想已然无法按时实现。不过，在北京时间2023年4月20日，SpaceX公司开展了首次“星舰”飞行试验。尽管组合体在点火起飞后，由于多台发动机在飞行中出现工作异常，速度、高度严重偏离飞行剖面，箭体最终爆炸解体，但是组合体飞行的239秒，依然证明这一庞然大物是可以工作、能够进入太空的。

根据SpaceX公司官网公布的数值，“星舰”完全重复使用时，近地轨道运载能力为150吨；一次性使用时，近地轨道运载能力为250吨。“星舰”直径约9米，高度约119米，全箭起飞质量约5000吨，最大起飞推力7260吨，规模远超土星五号火箭，起飞重量约为后者的1.7倍。

颇为巧合的是，美国第一个环绕地球的空间站“天空实验室”，就是由土星五号火箭的第三级改造而成的。这次建造充分利用了阿波罗计划剩余的材料。

得益于“土星五号”硕大的体格，“天空实验室”全长36米，最大直径6.7米，重约77吨，具有368立方米的容积，远远超过了同期苏联的礼炮空间站。“天空实验室”建设得颇为“奢华”，包括轨道工作舱、过渡舱、多用途对接舱、太阳望远镜等。生活设施也考虑得极为周全，有11个食品贮藏器和5个食品冷冻器，可以贮藏907公斤不同种类的冷热食品。

计划变身为空间站的“星舰”第二级（又称星舰飞船）为可重复使用的入轨级，高50米，直径为6.61米，总重约1200吨，结构干重约125吨，一次可将100人送达月球或火星。

SpaceX公司表示，可以通过采取与“天空实验室”一样的做法，将星舰飞船的推进剂贮箱改装为可供航天员居住的空间，大大增加星舰空间站的可居住容积。SpaceX公司声称，星舰飞船的可居住容积达1000立方米，将超过国际空间站的全部容积。

进阶之前磨难重重

美国宇航局将“星舰”改造为空间站的计划，实际上可以追溯至其在2014年推出的商业航天能力协作计划。该计划按照无资金支持的《太空法案》执行，旨在以美国宇航局既有专业知识的结构化共享为代价，实现最少的政府资源投入，促进商业近地轨道经济所需的能力提升。

“星舰”第二级改造为空间站效果图

这一合作的核心是美国宇航局为选定的公司无偿提供既有的专业技术知识、评审和数据，帮助这些公司开发新技术，各公司则通过自筹资金进行能力实现，发展低轨经济。该计划的第一轮合作公司包括SpaceX公司等4家公司。

2023年6月，美国宇航局发布了第二轮商业航天能力协作计划，继续以美国宇航局所持有的技术专长、评估、经验教训、技术和数据的分享来推动商业航天应用。在这一轮计划中，美国宇航局选择包括SpaceX公司在内的7家美国公司，以满足未来商业和政府需求为目标，促进载人航天和商业近地轨道经济的发展。

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其中SpaceX公司负责开发一个集成的近地轨道架构，该架构包括将“星舰”作为运输系统和近地轨道太空目的地元素，由超重火箭、龙飞船和星链星座共同支持，且含有载人和货物运输、通信、运营和地面支持在内的组合能力。

此次美国宇航局和SpaceX公司达成协议，要求最终在2028年第四季度完成“星舰”近地轨道载人空间站的产品设计评审，并为此明确了2023～2028年的13个里程碑节点，这也是“星舰”变身空间站所需要克服的技术挑战。

处在第一位的就是“星舰”入轨试飞，也就是使用超重助推器成功发射星舰飞船。接下来需要克服的挑战依次是“星舰”首次携带有效载荷发射、“星舰”回收、推进剂在轨储存验证、“星舰”在轨服务/回收/对接验证、低轨长期载人运营验证、“星舰”发射/入轨/着陆全流程验证、“星舰”低轨运输和居住能力验证、“星舰”低轨载人空间站能力验证。

如果一切顺利的话，“星舰”将在2028年底正式变身成为一座在地球近地轨道运行的空间站。

畅想未来前景光明

对于轨道空间站，人们其实早有畅想，比如太空旅游、太空旅馆、太空度假等等。但是由于昂贵的太空发射费用，以及运载火箭能力的限制，以往的空间站居住面积非常有限。即使是目前世界上最为宽敞的国际空间站，其内部容积也仅有915.6立方米，相当于在320平方米的房子内，要常驻6名航天员，只能算是一个“小康之家”吧。

“星舰”第二级改造为空间站效果图

而目前太空消费的主力，还是那些巨富之人。自2001年美国富商丹尼斯·蒂托成为第一位太空游客后，世界各地富豪开始陆续加入。此后8年，又有6名太空游客陆续登上国际空间站，费用达数千万美元。

花这么多钱，却只能挤在这么小的地方，确实不利于太空旅游市场的扩大和产业的持续发展。星舰飞船改造的空间站，轻轻松松就可以达到1000立方米的容积，甚至可以批量制造发射入轨。那么，未来在近地轨道上出现一连串豪华太空度假宾馆，应该也不愁没有客人入住了。

当“星舰”变身空间站的技术成熟之后，开着“星舰”去月球、去火星也就不再是什么难熬的事情了，游客甚至可以吃着火锅唱着歌，不知不觉就抵达目的地了。

当然，再美好的未来，也需要付诸一步步现实的行动才能实现。当前SpaceX公司面临最紧要的一件事就是尽快实现超重-星舰的成功首飞。

据美国联邦航空管理局官网9月8日消息，“星舰”首飞事故的调查工作已经完成。最终的调查报告列举了导致首飞失利的多个根本原因，并要求SpaceX公司必须采取63项整改措施，防止事故再次发生。措施包括重新设计火箭硬件以防发生泄漏和火事故灾、重新设计发射台以提高其稳定性、在设计过程中引入更多评审、对包括自主飞行安全系统在内的关键安全系统和组件开展更多分析与测试工作，以及使用更多变更控制策略。

目前SpaceX公司正在落实所有整改措施，并向美国联邦航空管理局申请许可证修改，在满足所有的安全、环境和其他监管要求后，就可以复飞“星舰”了。

本文原载于《中国航天报·飞天科普周刊》9月16日二版

文/于远航

本文转载自公众号：中国航天报

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