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陈蓝:中国空间站,如何弯道超车?
——与国际空间站共轨,以抢占载人航天主导权的建议
关键字: 空间站国际空间站天宫一号天宫二号中国空间站空间站并轨空间站共轨GoTaikonauts中美航天合作中欧航天合作另一方面,对中国来说,将自己的空间站发射到国际空间站轨道,必须解决以下两个技术问题,并需要一定的资金投入:
·发射运力问题。国际空间站轨道是一根倾角51.6度、高度400公里的圆轨道,比计划中倾角42-43度的中国空间站轨道倾角更大。计划发射空间站舱段的长征5B型火箭,发射神舟飞船的长征2F和天舟货运飞船的长征7号火箭都可能存在少许运力差距。通过适当减少发射时舱段和飞船携带的推进剂和设备,或者将国际空间站降轨到350公里(如国际空间站2011年前使用的350公里高度轨道),应该能解决这个问题。中国空间站完成后,仍可用货运飞船将两个空间站提升到400公里轨道。
·测控站和着落场问题。倾角的改变也改变了发射落区和着陆路径,使得现有的部分测控站和酒泉附近的备用着陆场无法使用。可能需要在酒泉的东南(新的发射落区)新建测控站,并在内蒙四子王旗西南新建测控站和备用着陆场(用于弹道式再入紧急着陆)。同时,印度洋、文昌附近可能需要重新部署测控船。世界各地的紧急着陆点也必须重新规划和准备。
目前离开中国空间站的第一个试验性核心舱的发射(2018)还不到三年。如果要实现这里建议的空间站编队,即使不考虑政治上可能存在的问题,技术上的实现也面临非常大的挑战。不过,按目前计划,试验性核心舱发射后如果一切正常,它将直接作为空间站建造基础。如果它不满足在轨建造空间站条件,则会再发射一个改进的核心舱。因此,存在另一个方案,就是试验舱仍然发射到42-43度轨道,但不再作为空间站核心。2020年左右,将正式的核心舱发射到国际空间站轨道。这样可以争取到两年时间,虽然试验舱不能再利用,但如果能实现空间站编队,仍然是值得的。
总而言之,通过共轨和国际空间站合作,对中国来说绝对是利大于弊,得大于失。
中国空间站设计轨道。此图显示天宫一号轨道。按目前计划,中国空间站将采用相同倾角的轨道。可见俄罗斯两个发射场均在轨道最北点以北,美国北部地区,包括五大湖,也在轨道覆盖范围以北。(图片来源:陈蓝/Sebastian Stoff)
国际空间站轨道,可观察美国北部地区,也在俄罗斯两个发射场可达范围内。(图片来源:陈蓝/Sebastian Stoff)
轨道图说明:曲线为空间站飞行轨迹地面投影(显示最近三圈)。TIANGONG-1为天宫一号,ISS为国际空间站。红点为航天发射场。JSLC为酒泉卫星发射中心,WSLC为文昌航天发射中心,KSC为美国航天局肯尼迪航天中心,Kourou为欧洲航天局库鲁航天中心,Baikonur为俄罗斯租用的哈萨克斯坦拜科努尔航天发射场,Vostochny为俄罗斯新建的东方港航天中心。水平红线为轨道所达最高纬度。
欧洲的角色
实现两个空间站的编队,不光中国受益,国际空间站伙伴国的受益可能更大。国际空间站已经在轨运行17年多。到2024年(或2028年)退役的时候,它的连续工作时间将超过25年(或29年)。老化的设备将成为最大的安全隐患。空间站编队带来的安全保障对国际空间站来说会变得越来越重要。
国际空间站退役后,参与国的载人航天计划将面临重大选择。对欧洲来说,除了跟随美国投入深空任务,似乎并没有更多的选择,这意味着放弃近地轨道的活动。和中国空间站合作,可以打开一扇新的大门,继续保持近地空间的存在。对俄罗斯来说,能否独立实施自己的空间站计划似乎也存在很多问号。和中国的合作可能也是一个好的选择。如果两个空间站的编队计划得以实现,那么他们在国际空间站较新的几个舱段,比如欧洲的哥伦布舱和俄罗斯的多功能实验舱(将于2017年发射)可以直接转移到中国空间站继续工作。
对这个建议来说,政治障碍可能远远大于技术障碍。在去年十月耶路撒冷召开的国际宇航大会期间,资深航天记者彼得·塞尔丁(Peter De Selding)在推特上报道了新任欧洲航天局长沃尔纳(Johann-Dietrich Wörner)的发言,他说他希望中国放弃自己的空间站,转而加入国际空间站。虽然愿望良好,但这是一个极为天真的想法。他可能完全不了解中美航天合作的历史。
中国从1990年代末到2000年代中多次表达过参加国际空间站的意愿,但都被美国方面拒绝了。美国国会到目前为止都没有改变对中美航天合作的态度。而在中国方面,也不可能在自己空间站的核心舱段还不到三年就要发射的时候,转而放弃自己的独立性和长期计划参加国际空间站,然后将自己的载人航天计划捆绑在还不到10年就要退役的国际空间站上。俄罗斯制定的分离自己部分舱段的计划,以及乌克兰危机带来的问题都提醒中国不要重蹈俄罗斯的覆辙。中美之间还有潜在的全球和地区利益冲突的可能性。中国未来可能面临俄罗斯今天面对的情况,甚至更为严重。
鉴于以上情况,即便是这个难度相对较小的空间站编队建议,由中国方面单方面推动也是不现实和不合理的。为实现这个计划,中国方面需要做的工作最多,投入最大,承担的风险也最大。只有在合作方展示诚意并信守承诺的情况下,中国方面才会积极参与。美国态度的改变是合作的前提。实现这一计划最合适的牵头者和推动者应该是欧洲,或者说欧洲航天局。欧洲需要完成以下任务:
·说服美国改变对中美航天合作的态度,告诉美国这样的合作也符合美国利益。由于空间站编队双方都具有独立性,美国改变态度的可能性是存在的。有乐观的理由。
·规划和制定空间站编队的实施方案,协调包括中方在内的各方并完成必要的技术工作,包括保证对接/泊接口兼容、数据通信系统的集成、建立协同的任务管理和控制系统,等等。对所有这些工作,欧洲航天局从国际空间站获得的经验将会提供极大的帮助。
·协调欧洲和国际空间站其他伙伴国的资源,为中国计划的修改导致的工作提供支援。例如,ISS降轨的实施。又如,利用欧洲EDRS中继卫星,乃至NASA的TDRS或俄罗斯的Luch系统来部分替代中国计划新建的测控站,等等。
要在三到五年内完成上述工作并非简单任务。但目前存在的机会和窗口非常难得,一旦错过可能以后很长时间将不会出现。我们也相信这里提出的建议在技术上和政治上都具有可行性,且是代价最低,最容易实现的合作方案。剩下的时间已经不多。这需要双方强烈的意愿和果断的决策,只有这样才能克服一切挑战。我们希望中国国家航天局、欧洲航天局、美国航空航天局能够迅速行动起来,抓住机会,继国际空间站之后,再次改变未来几十年人类载人航天的历史。
(作者陈蓝,英文电子杂志“Go Taikonaut”创办人之一,该杂志旨在向英语世界普及中国的航天成就。)
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