太空漂浮的廢棄火箭能改造成空間站嗎

2020/12/12 10:40:55 來源:新浪科技 作者:任天 責編:懶貓

幾天前,歐洲空間局(EAS)發布了年度空間環境報告,報告強調了目前廢棄的火箭主體部分是對航天器的最大威脅之一。降低這種風險的最好方法是發射提供商在運送完載荷后將火箭脫軌。然而,在太空物流公司 Nanoracks 的首席執行官杰弗里 · 曼伯看來,這么做是對一個完美的巨型金屬管的浪費。

Nanoracks 公司成立于 2009 年,以在國際空間站托管私人有效載荷而聞名,其業務涵蓋遙感技術、微小衛星和立方星部署、空間站氣閘艙和空間實驗器材改造等。在過去幾年里,Nanoracks 一直致力于一項計劃,試圖將廢棄火箭上面級改造成微型空間站。這并不是一個新想法,美國國家航空航天局(NASA)已經多次考慮翻新燃料箱這一想法,但總是沒有下文,通常是因為技術不成熟。

NASA 此前的所有計劃,都必須依賴宇航員完成大量的制造和裝配工作,這使得項目成本高昂、進度緩慢、危險系數較高。而新的設想則是在地球以外建立一個 “切割車間”,無需宇航員親自動手,機器人就能完成切割、彎曲和焊接廢棄火箭主體的任務,并將其改造為實驗室、燃料庫或倉庫。

“前哨”計劃

Nanoracks 公司的這項計劃被稱為 “前哨”(Outpost),將在火箭完成使命后對其進行改造,使其獲得重生。第一批 “前哨”將是利用新火箭的上面級建造的無人空間站,但未來也許可以建成能夠容納宇航員進駐的空間站,或是利用已經在軌道上的火箭來建造。一開始,Nanoracks 公司并不打算直接使用火箭內部,而是將實驗載荷、電源模塊和小型推進裝置安裝在火箭外部。當公司的工程師們搞定這一切之后,他們就可以專注于改造火箭內部,使其成為一個加壓實驗室。

▲ 廢棄的火箭是危險的太空垃圾,但它們也有可能成為未來宇航員在軌道上生活和工作的場所

進入軌道的火箭在發射時至少有兩個級,每個級都配備了推進劑罐和發動機。較大的第一級將火箭推進到太空邊緣,然后分離并落向地球;或者,像 SpaceX 公司的獵鷹火箭那樣,可以在海洋中自主降落在無人駕駛平臺上。較小的第二級先是加速至軌道速度,再釋放出載荷。此時,上面級通常只剩下足夠點燃引擎的燃料,使其能夠脫軌并垂直墜落回地球。如果上面級沒有進行脫軌點火,它就將作為一顆不受控制的衛星,繼續環繞地球運轉。

Nanoracks 公司的研究團隊正在針對這些上面級進行開發,因為它們已經具備了空間站所需要的諸多條件。火箭的燃料箱由極其耐用的材料制成,可以承受巨大壓力,以及發射過程中的嚴酷條件。火箭上面級也十分寬敞。SpaceX 的獵鷹 9 號火箭上面級直徑約為 3.7 米,高約 9 米,這樣的空間足以讓很多公寓居民嫉妒。

不過,這些燃料箱在進行實驗或進駐宇航員之前還需要修飾一番。第一步是排出所有剩余燃料,以防止爆炸。然后,由機器人接手安裝各種必要的組件,如太陽能電池板、在表面安裝裝置或小型推進裝置等。“前哨”計劃將會進行數次小型太空演示,然后嘗試將一完整的上面級改造成一個可運行的空間站。目前為止該計劃還沒有真正改造任何東西,但在未來,可以想象一群小機器人在上面級來回移動,添加更多的連接裝置,以及其他類似的東西。

還有一個問題,此前還沒有人展示過改造軌道空間站所需的核心金屬加工和制造技術。明年 5 月,“前哨”將進行首次演示任務,計劃改變這一現狀。該公司開發了一個小型艙,將與其他幾個有效載荷一起,利用 SpaceX 公司的火箭發射升空。在艙內,裝有快速旋轉鉆頭的小型機械臂將切割三小片金屬——由與火箭燃料箱相同的材料制成。如果實驗進展順利,這種工具應該能夠在不產生任何碎屑的情況下進行精確切割。這將是第一次在太空真空中切割金屬。

將火箭送入軌道的最大挑戰是了解材料對空間環境的反應。例如,如果一種材料的一面面向太陽,另一面背對太陽,其溫度可能相差數百 度。如果不在太空中試驗,很難預測這種材料會對切割或焊接等標準制造技術做出何種反應。其他技術,如制造太陽能電池板的薄膜材料,則需要一個超凈環境來防止缺陷。盡管太空是真空的,但仍然含有大量的灰塵和輻射,可能會干擾傳統的制造過程。

▲ 用廢棄火箭上面級制作的 Nanoracks“前哨”基地效果圖

70 年過去了,我們對太空制造的了解仍然如此之少,這很值得注意,如果真的想要重復使用太空硬件,還有很多需要學習的。即便其中的某些步驟看起來平淡無奇,仍舊需要必須一步一步來做。

監管與合法性問題

對航天工業而言,像 “前哨”這樣的任務擴展項目是全新的挑戰。自從第一顆人造地球衛星發射以來,那些被送入軌道的 “大家伙”要么主動脫離軌道,要么被丟棄,然后落回地球。人類還未發展出在衛星耗盡燃料后,或征用廢棄火箭外殼時移動這些衛星的技術。這也意味著,目前沒有任何安全操作的規則,也沒有達成此做法是否合法的共識。

不過,轉變已經開始發生。2019 年,一顆衛星曾成功鎖定了另一顆燃料耗盡的衛星,并將其轉移到新的軌道。這一操作將使衛星的使用壽命至少延長 5 年,并正式開啟了太空任務擴展的時代。在今年的國際宇航大會(International Astronautical Congress,簡稱 IAC)上,諾斯羅普 · 格魯曼公司空間后勤副總裁約瑟夫 · 安德森做了一個演講,內容是其公司如何與若干機構合作,修改許可要求,以促成這一歷史性任務的發生。

如果 Nanoracks 公司想要把火箭變成空間站,他們還必須推動新的許可政策制定來實現這一目標。衛星推動轉移軌道的案例可能為延長進入軌道的新火箭的壽命奠定了基礎,但我們還不能確定,一家公司能否在沒有發射火箭的國家或公司許可的情況下,對遺棄在軌道上的火箭進行翻新。

這一問題正是太空律師事務所多年來一直在努力解決的方向。在地球上,國際海事法允許海員打撈在海上發現的殘骸,但根據 1967 年簽署的國際協議《外層空間條約》,發射火箭的機構仍擁有廢棄火箭的所有權。根據這項法律,如果一個公司或國家未經允許接管一個廢棄的火箭級,就會侵犯發射國的財產。但有的律師認為這種法律解釋是一種謬論,因為 “發射國和發射公司實際上都不關心已使用的火箭級。他們希望這些東西消失。”

不過就目前而言,對于任何未經許可擅自使用火箭級的公司來說法律風險都是巨大的。十多年來,太空律師一直在倡導將 “發現和打撈”海事法律應用于諸如廢棄火箭這樣的軌道碎片。然而,FCC 和聯邦航空管理局等監管機構一直行動遲緩。要想在打撈問題上取得進展,確實需要一個試驗案例,而 “前哨”計劃很可能就是實現這一步的最佳選擇。

對促進軌道貿易并擴展人類在太陽系的活動范圍而言,回收火箭是非常合乎邏輯的動作。發射航天器十分昂貴,所以開發出利用現有資源的技術能大大降低在地球之外生活和工作的成本。未來 15 至 20 年,可能會出現搜尋并打撈可用物品的偵察任務,也許你將會見到在太空中尋找零部件并將其用于組裝的勘探器。這將是未來航天最大的市場之一。

從概念到現實

這個愿景可能還需要很長時間才能實現。在過去的 50 年里,NASA 的工程師們探索了多種方法,試圖將舊火箭改造成人類居住地。NASA 的第一個空間站 “天空實驗室”(Skylab)原本打算建造在 “土星 5 號”的上面級。“土星 5 號”是一個巨大的發射裝置,曾在阿波羅計劃中將宇航員送上月球。NASA 的這個概念被稱為 “濕式工作站”,當時已經相當成熟,只是后來項目工程師們認為直接發射一個定制空間站會更容易。不過,回收火箭的夢想并沒有因此終結。

比爾 · 斯通是一位極限洞穴探險者,去過地球上一些最深的地方,他也是 “斯通航空航天”公司的創始人兼首席執行官。該公司的目標是制造機器人,在木星和土星的兩顆冰冷衛星上探索海洋。此前,他曾在美國國家標準技術研究所(National Institute of Standards and Technology,簡稱 NIST)工作了 10 年,致力于將航天飛機的外部燃料箱改造成軌道居住地。當時,NASA 剛剛開始探索 “自由號”的工程設計。不過,自由號并沒有真正完成,在多次修改和調整之后,剩余的項目最終轉入如今的國際空間站。NIST 的領導讓比爾 · 斯通和同事們評估 NASA 計劃的所有細節,尋找可以改進的方法。

不斷出現的一個事實是,航天飛機并不是 100% 可重復使用的,盡管 NASA 可以讓航天飛機軌道器著陸,偶爾也可以從海洋中回收固體助推器,但每次發射都會丟掉火箭上最大的部件——外部燃料箱。毋庸置疑,這是一種巨大的資源浪費。當外部燃料箱從航天飛機上分離時,它已經達到了達到軌道所需速度的 98%,不需要太多額外的推力就能留在太空中。如果可以被改造成一個工業實驗室,這將是非常高效的再利用。

航天飛機的外部燃料箱實際上是兩個獨立的燃料箱,通過箱體間的中間層環形框連接在一起,形成了一個巨大的結構。其中較小的燃料箱裝著液氧,另一個大得多的燃料箱則裝著液氫。NIST 團隊的計劃是將中間層作為宇航員臨時的加壓居住地,由宇航員對較大的液氫箱進行改造,作為最終的生活空間。這就需要對燃料箱進行多處改造,比如艙口擴大以讓宇航員進入,外部燃料箱底部需安裝一個小型發動機,使其在軌道上可以自行定位。這么做的好處是有大量的空間可用作倉庫或研究實驗室。較小的液氧箱就能提供比目前國際空間站多 25% 的可居住空間,而如果整個外部燃料箱完全利用起來,其體積將是國際空間站的 6 倍。

每次執行任務時,總有 65000 磅(約合 30 噸)重的鋁和其他航天級部件被丟棄,這些材料都能承受巨大壓力,適合成為人類的居住場所,甚至當你看 SpaceX 為發射至近地軌道所提出的最佳報價,也會發現被丟棄的資產價值高達數千億美元。

隨著 NIST 的計劃在 20 世紀 80 年代成形,一個由 57 所大學組成的財團在一家名為 “外部燃料箱公司”(External Tank Corporation)的私營企業中獲得了多數股權,該公司將為 NASA 改造廢棄的航天飛機燃料箱。正如該公司總裁倫道夫 · 韋爾(Randolph Ware)在 1987 年告訴《洛杉磯時報》的那樣,這個項目并不是為了與 NASA 的自由號空間站計劃競爭。“我們不是空間站的替代品,而只是工業園區邊緣的一個倉庫,”韋爾說道。

隨著外部燃料箱公司努力將項目商業化,斯通和他在 NIST 的同事們也對回收空間站進行了數字和物理模擬。到 20 世紀 80 年代末,他們甚至在 NASA 馬歇爾太空飛行中心的水池里建造了一個航天飛機燃料箱模型,使宇航員可以練習進出燃料箱。在這項計劃的第一次演示任務中,有兩名宇航員參與,斯通便是其中之一。

NIST 并不是唯一參與航天飛機外部燃料箱設計的機構。馬丁 ? 瑪麗埃塔航空公司(Martin Marietta Aerospace,后來該公司與洛克希德公司合并為洛克希德 · 馬丁公司)的工程師進行了一項研究,提出可用燃料箱作為一個更大的空間站的基礎,而美國空軍提出的一個獨立提案建議,可以將燃料箱作為廢棄金屬,用來建造在軌道上運行的設施。大約在同一時間,波音公司和美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced research Projects Agency,簡稱 DARPA)的一項聯合研究項目建議,可將外部燃料箱改裝成大直徑望遠鏡。就連希爾頓酒店也計劃用航天飛機的助推器建造軌道旅館,并稱其為 “太空島”。當然,這個項目似乎從未超出概念階段。

1993 年,當克林頓政府批準建立國際空間站時,將廢棄的航天飛機助推器改造成空間站的夢想就此破滅。斯通和他在 NIST 的團隊當時還提交了一份將航天飛機助推器改造成空間站的提案,據稱已經通過了 NASA 最高級別的工作并送入了白宮。但據斯通回憶,就在克林頓政府準備推進國際空間站項目時,NIST 的所長把他叫到辦公室,告訴他一個壞消息:NASA 終止了這個項目。“空間站已經成為一個國家就業項目,而我們的項目被視為對空間站的威脅,”斯通說,“NASA 沒有保留這些外部燃料箱,這是一個可悲的錯誤,因為他們終究會建立軌道儲存庫,以滿足地月經濟所需。”

在接下來的 20 年里,隨著 NASA 的工程師們把精力集中在國際空間站上,在舊火箭中生活和工作的想法逐漸從人們的記憶中消失。直到 2013 年,這一概念才溫和回歸。布蘭德 · 格里芬來自雅各布工程公司,是 NASA 的一位承包商。他領導了一項研究,希望能將下一代 “太空發射系統”火箭的燃料箱變成深空探索的基地。他將這個可回收的空間站命名為 “太空實驗室 2 號”。

“天空實驗室 2 號”將以整體的形式在太空發射系統的上面級發射升空。按照 NASA 的計劃,未來人類重返月球也將搭載太空發射系統。天空實驗室 2 號的乘員艙將由一個未使用過的氫燃料箱制成,它將作為火箭上面級的有效載荷發射。這與太空實驗室的設計相似。事實上,太空實驗室是以 “土星”火箭第三級為基礎,在地面上改造而成的,而非在軌道上對廢棄的火箭第一級進行改造。在發射前,將燃料箱變成太空居住地所需的所有組件——太陽能電池板、天線、機械臂等——都將被整合在一起。正如 “前哨”概念,天空實驗室 2 號的組裝也將不需要宇航員。這個經過改裝的液氫箱將有足夠的空間容納 4 名宇航員,并為他們提供繞月飛行或多年火星之旅的補給。一旦太空實驗室 2 號進入軌道,宇航員將由隨后發射的獵戶座(Orion)載人飛船運送,它可以與空間站對接,為任務提供推進力。

▲ 天空實驗室

太空實驗室 2 號的研究是出于降低深空探索成本的需要。國際空間站的建造非常昂貴,需要幾十次發射才能將所有部件送入軌道。在月球或火星周圍建造一個類似的模塊化空間站將更加昂貴。但太空實驗室已經表明,一次性發射一個功能完備的空間站是可能的,研究團隊曽在 NASA 的馬歇爾太空飛行中心建造了一個全尺寸的太空實驗室 2 號站模型。

不過,盡管 NASA 官員表現出了一些熱情,但這個項目還是被擱置了,該機構繼續推進其新的月球 “門戶”計劃。與太空實驗室 2 號不同,“月球門戶”是模塊化的,更接近于國際空間站的縮小版。

如今,機器人能夠執行一些在航天飛機時代需要一組宇航員才能完成的任務。蓬勃發展的太空經濟也推動了對更多軌道研發平臺的需求。NASA 未來的登月計劃也要求其重新考慮深空供應鏈的問題。“前哨”計劃還需要進行多項基本技術的演示,才能真正實現火箭的回收利用。無論如何,隨著幾十年來的技術發展,也許在不久的將來,宇航員們將有機會生活在一座由廢棄火箭改造而來的 “二手”空間站里。

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