近日，美國宇航局簽署的《太空法案協議》顯示，近年來航天界頗為引人矚目的SpaceX公司的“星艦”，又將迎來一個新的燦爛前景。美國宇航局計劃將進入地球軌道的“星艦”改造成為近地軌道空間站，星艦空間站預計在21世紀30年代投入運營。

火箭變身空間居所

“星艦”是SpaceX公司正在開發的超重型運載火箭，是世界首型兩級完全重復使用重型運載火箭。早在2016年，馬斯克就展示了星際運輸系統方案及其火星移民計劃，其中的核心運輸工具就是“星艦”。馬斯克認為，利用“星艦”超大的運載能力，以及完全可重復使用特性，星際飛行成本將會得到極大降低。

“星艦”第二級改造為空間站效果圖

按照馬斯克最初的設想，人類將在2022年之前實現至少2次貨船火星登陸，2024年實現貨運+載人登陸。2艘載人飛船將第一批地球人送上火星，2艘貨船負責運送補給物資，以此為基礎逐步建立火星殖民地。

由于現實中的一系列困難，這一設想已然無法按時實現。不過，在北京時間2023年4月20日，SpaceX公司開展了首次“星艦”飛行試驗。盡管組合體在點火起飛后，由于多臺發動機在飛行中出現工作異常，速度、高度嚴重偏離飛行剖面，箭體最終爆炸解體，但是組合體飛行的239秒，依然證明這一龐然大物是可以工作、能夠進入太空的。

根據SpaceX公司官網公布的數值，“星艦”完全重復使用時，近地軌道運載能力為150噸；一次性使用時，近地軌道運載能力為250噸。“星艦”直徑約9米，高度約119米，全箭起飛質量約5000噸，最大起飛推力7260噸，規模遠超土星五號火箭，起飛重量約為后者的1.7倍。

頗為巧合的是，美國第一個環繞地球的空間站“天空實驗室”，就是由土星五號火箭的第三級改造而成的。這次建造充分利用了阿波羅計劃剩余的材料。

得益于“土星五號”碩大的體格，“天空實驗室”全長36米，最大直徑6.7米，重約77噸，具有368立方米的容積，遠遠超過了同期蘇聯的禮炮空間站。“天空實驗室”建設得頗為“奢華”，包括軌道工作艙、過渡艙、多用途對接艙、太陽望遠鏡等。生活設施也考慮得極為周全，有11個食品貯藏器和5個食品冷凍器，可以貯藏907公斤不同種類的冷熱食品。

計劃變身為空間站的超重﹣星艦的二級星艦飛船為可重復使用的入軌級，高50米，直徑為6.61米，總重約1200噸，結構干重約125噸，一次可將100人送達月球或火星。

SpaceX公司表示，可以通過采取與“天空實驗室”一樣的做法，將星艦飛船的推進劑貯箱改裝為可供航天員居住的空間，大大增加星艦空間站的可居住容積。SpaceX公司聲稱，星艦飛船的可居住容積達1000立方米，將超過國際空間站的全部容積。

進階之前磨難重重

美國宇航局將“星艦”改造為空間站的計劃，實際上可以追溯至其在2014年推出的商業航天能力協作計劃。該計劃按照無資金支持的《太空法案》執行，旨在以美國宇航局既有專業知識的結構化共享為代價，實現最少的政府資源投入，促進并形成強大的商業近地軌道經濟所需要的至關重要的能力。

這一合作的核心是美國宇航局為選定的公司無償提供既有的專業技術知識、評審和數據，幫助這些公司開發新技術，各公司則通過自籌資金進行能力實現，發展低軌經濟。該計劃的第一輪合作公司包括SpaceX公司等4家公司。

2023年6月，美國宇航局發布了第二輪商業航天能力協作計劃，繼續以美國宇航局所持有的技術專長、評估、經驗教訓、技術和數據的分享來推動商業航天應用。在這一輪計劃中，美國宇航局選擇包括SpaceX公司在內的7家美國公司，以滿足未來商業和政府需求為目標，促進載人航天和商業近地軌道經濟的發展。

其中SpaceX公司負責開發一個集成的近地軌道架構，該架構包括將“星艦”作為運輸系統和近地軌道太空目的地元素，由超重火箭、龍飛船和星鏈星座共同支持，且含有載人和貨物運輸、通信、運營和地面支持在內的組合能力。

此次美國宇航局和SpaceX公司達成協議，要求最終在2028年第四季度完成“星艦”近地軌道載人空間站的產品設計評審，并為此明確了2023～2028年的13個里程碑節點，這也是“星艦”變身空間站所需要克服的技術挑戰。

處在第一位的就是“星艦”入軌試飛，也就是使用超重助推器成功發射星艦飛船。接下來需要克服的挑戰依次是“星艦”首次攜帶有效載荷發射、“星艦”回收成功、推進劑在軌儲存驗證、“星艦”在軌服務/回收/對接驗證、低軌長期載人運營驗證、“星艦”發射/入軌/著陸全流程驗證、“星艦”低軌運輸和居住能力驗證、“星艦”低軌載人空間站能力驗證。

如果一切順利的話，“星艦”將在2028年底正式變身成為一座在地球近地軌道運行的空間站。

暢想未來前景光明

對于軌道空間站，人們其實早就有著美好的暢想，比如太空旅游、太空旅館、太空度假等等。但是由于昂貴的太空發射費用，以及運載火箭能力的限制，以往的空間站居住面積十分狹窄。即使是目前世界上最為寬敞的國際空間站，其內部容積也僅有915.6立方米，相當于在320平方米的房子內，要常駐6名航天員，只能算是一個“小康之家”吧。

“星艦”第二級改造為空間站效果圖

而目前太空消費的主力，還是那些巨富之人。自2001年美國富商丹尼斯·蒂托成為第一位太空游客后，世界各地富豪開始陸續加入。此后8年，又有6名太空游客陸續登上國際空間站，費用達數千萬美元。

花這么多錢，卻只能擠在這么小的地方，確實不利于太空旅游市場的擴大和產業的持續發展。星艦飛船改造的空間站，輕輕松松就可以達到1000立方米的容積，甚至可以批量制造發射入軌。那么，未來在近地軌道上出現一連串豪華太空度假賓館，應該也不愁沒有客人入住了。

當“星艦”變身空間站的技術成熟之后，開著“星艦”去月球、去火星也就不再是什么難熬的事情了，游客甚至可以吃著火鍋唱著歌，不知不覺就抵達目的地了。

當然，再美好的未來，也需要付諸一步步現實的行動才能實現。當前SpaceX公司面臨最緊要的一件事就是盡快實現超重-星艦的成功首飛。

據美國聯邦航空管理局官網9月8日消息，“星艦”首飛事故的調查工作已經完成。最終的調查報告列舉了導致首飛失利的多個根本原因，并要求SpaceX公司必須采取63項整改措施，防止事故再次發生。措施包括重新設計火箭硬件以防發生泄漏和火事故災、重新設計發射臺以提高其穩定性、在設計過程中引入更多評審、對包括自主飛行安全系統在內的關鍵安全系統和組件開展更多分析與測試工作，以及使用更多變更控制策略。

目前SpaceX公司正在落實所有整改措施，并向美國聯邦航空管理局申請許可證修改，在滿足所有的安全、環境和其他監管要求后，就可以復飛“星艦”了。（作者：于遠航 圖片來源：SpaceX 把關專家：中國航天科技集團科技委副主任 江帆）


來源: 中國航天報

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