美國建造商業(yè)空間站的動因與進程

王景泉（北京空間科技信息研究所）

近年，私營機構(gòu)開始提供空間發(fā)射和載人航天飛行服務(wù)。在商業(yè)化載人航天方面，最著名、最重要的飛行當屬維珍銀河（Virgin Galactic）公司亞軌道飛行和太空探索技術(shù)（SpaceX）公司及其他商業(yè)軌道運輸服務(wù)（COTS）參與者的軌道飛行。商業(yè)載人空間站是近年來悄然興起的新領(lǐng)域，美國比格羅（Bigelow）公司率先開發(fā)商業(yè)空間站。

1 商業(yè)空間站發(fā)展的背景與動因

美國載人航天的私營化早在布什時代就已開始。2010年2月1日，美國總統(tǒng)奧巴馬提出美國航空航天局（NASA）不再向低地球軌道運送航天員的決策后，根據(jù)奧古斯丁委員會的建議，如果私營公司能成功提供商業(yè)軌道補給服務(wù)，那么這將是實現(xiàn)向“國際空間站”商業(yè)運送人和貨物的前提。

1990年，在“國際空間站”計劃推遲和預算限制的情況下，美國國會取消了其中的可膨脹運輸居住艙（TransHab）設(shè)計。2004年，比格羅公司從美國航空航天局購買了這種可膨脹運輸居住艙技術(shù)的專利權(quán)，并為此簽署了3份航天項目協(xié)議，于是該公司成為美國航空航天局幾個可膨脹艙技術(shù)開發(fā)關(guān)鍵承制商中唯一的商業(yè)化公司。此后，比格羅公司利用可膨脹技術(shù)進行私營空間站的設(shè)計，并發(fā)射了起源－1、2（Genesis－1、2）探路者載人試驗飛行器。截至2011年初，這種可膨脹的居住艙樣艙仍在軌運行，收集到這種艙長期軌道生存能力的較多數(shù)據(jù)。

2010年初，美國航空航天局在預算申請中宣布重新開始全周期的“制造可膨脹式空間站艙計劃，使其更寬敞，對于發(fā)射來說更輕、更便宜”。該局還考慮將比格羅可膨脹飛行器連接到“國際空間站”上，通過測試生命支持、抗輻射屏蔽、熱控和通信等能力檢驗其安全性。

起初，比格羅公司就瞄準“多種用戶市場，包括生物和制藥公司、研究機構(gòu)、娛樂公司、政府和民間用戶”，其商業(yè)模式是將一個甚至多個可膨脹艙連成的小型空間站或居住艙出租給各種研究機構(gòu)和公司。該公司運營商業(yè)空間站的目的是利用新的途徑開發(fā)空間商業(yè)化，這與傳統(tǒng)的“國際空間站”和航天飛機運行體制相比，具有低成本和快速轉(zhuǎn)向的優(yōu)勢。

2 可膨脹運輸居住艙技術(shù)的利用

比格羅公司的商業(yè)空間站基本設(shè)計就是采用美國航空航天局的可膨脹運輸居住艙方案。與“國際空間站”剛性結(jié)構(gòu)乘員居住艙相比，可膨脹艙未充氣時體積小，易于發(fā)射，其全面膨脹后，直徑可達8.2m，相比之下，“哥倫布”實驗艙直徑只有4.4m。比格羅公司利用可膨脹居住艙的專利，可向美國航空航天局和其他公司提供比傳統(tǒng)飛行器和空間艙制造更便宜的選擇。

“起源”艙在軌飛行示意圖

可膨脹運輸居住艙的設(shè)計采用混合結(jié)構(gòu)，它綜合并封裝了可膨脹結(jié)構(gòu)的大量功效和承重剛性結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，其主要特點如下。

多層可膨脹殼體

運輸居住艙的可膨脹殼體由多層高強度隔熱毯組成，采用具有防護能力的冗余球膽設(shè)計，以防護軌道流星體碎片。可膨脹殼體的底部達24層之多，且各層都有獨特的設(shè)計，以抵御速度是子彈的7倍的空間碎片和小流星體撞擊，并具備在太空溫度范圍內(nèi)的隔熱能力。

可膨脹殼體能夠起到碎片防護作用的關(guān)鍵是采用一種名為納克斯泰爾（Nextel）的材料，這種材料通常用在汽車引擎罩中作為隔離材料，其開闊的單元泡沫中充滿幾英寸厚的夾層空間，類似用于地面座椅墊的發(fā)泡。

居住艙采用分層設(shè)計

居住艙從結(jié)構(gòu)的外到內(nèi)主要包括4層，依次為：

第4層：壓力通道區(qū)主要設(shè)計成提供居住艙與任何連接的飛行器之間的通道。初步的通道設(shè)計有2個標準“國際空間站”艙門，保護諸如電子設(shè)備和電源設(shè)備等艙體膨脹期間所需要的關(guān)鍵設(shè)備。

第3層：該層配備踏車和固定自行車，各種類型醫(yī)學和緊急裝置的完整健康照料設(shè)備，有一個提供身體清潔的典型“空間洗浴區(qū)”?？拷柧殔^(qū)的地球觀測窗口直徑51cm。另外，該層還包括與第1層相同的存儲區(qū)，提供備用部件、供給品、衣服和其他設(shè)備的存儲。

第2層：乘員居住區(qū)設(shè)計為6個單獨的乘員住處，每個乘員住處容積2.3m3。中央通道橫穿該層中央核心結(jié)構(gòu)和水儲箱。每個隔間備有睡袋、存放個人物品的區(qū)域及用于娛樂和個人工作的計算機娛樂中心。

機械室外延伸到核心結(jié)構(gòu)，占該區(qū)域空間的一半，室內(nèi)對聲學和視覺是隔離的。該區(qū)域的另一半屬于起居室區(qū)域上方的通風窗通風范圍。機械室主要有環(huán)境控制和生命支持系統(tǒng)、電源和電子設(shè)備，能實現(xiàn)從第1層到第3層的氣流返回。

可膨脹運輸居住艙方案圖

第1層：該層配備有電冰箱、微波爐、水箱和炊具等廚房用品，以及1個有12個座位的餐桌，足夠空間站的全部居住人員和輪換人員坐在一起開會和就餐。該層還有3個長方形機架、1個地球觀測窗口和存儲區(qū)。

3 “起源”探路者居住艙的飛行驗證

為了進行與居住艙相關(guān)的運輸飛行器技術(shù)試驗和驗證，研制了起源－1、2探路者飛行器，并相繼于2006年和2007年成功發(fā)射。

起源-1

起源－1是比格羅公司研制并發(fā)射的第一個艙體，內(nèi)部居住容積11.5m3，2006年起源－1由俄羅斯第聶伯號火箭發(fā)射。飛行器入軌后，順利進行了結(jié)構(gòu)膨脹、太陽電池翼展開和內(nèi)部系統(tǒng)啟動等試驗。軌道飛行任務(wù)持續(xù)5年，全面試驗包括測試封裝與展開程序、抵抗輻射和空間碎片及耐受其他空間傷害和環(huán)境等。

起源-2

起源－2發(fā)射時直徑1.6m，入軌后膨脹到其全尺寸。在發(fā)射的2天以內(nèi)，姿態(tài)控制系統(tǒng)阻尼了所有的旋轉(zhuǎn)，并將天線指向地球。飛行器運行在近圓軌道，設(shè)計軌道壽命大于12年。姿態(tài)控制系統(tǒng)和太陽電池翼運行良好，外表面未受任何損傷。在軌道進出太陽光照期間，內(nèi)部壓力保持為69.6kPa和72.4kPa。2011年2月，測量報告顯示，壓力、熱控和環(huán)境控制性能良好，到2011年9月仍在軌道運行。

（1）起源－2系統(tǒng)的技術(shù)特點

與起源－1相比，起源－2有很大技術(shù)改進。除了采用起源－1的標準制導控制系統(tǒng)外，起源－2還采用了反作用控制輪組件和精確的測量系統(tǒng)，使其在沒有消耗燃料的情況下，也能保持飛行器的旋轉(zhuǎn)速率和角動量。起源－2載有22臺攝像機，比起源－1多9臺，可更好地對飛行器內(nèi)、外拍照。攝像機大都裝在鉸接平臺上，1臺無線攝像機能夠增加外部拍照。

起源－2在軌飛行示意圖

BA－330概念圖

與起源－1使用的單儲箱膨脹系統(tǒng)不同，起源－2使用多儲箱膨脹系統(tǒng)，不但提高了可靠性，而且也可更好地調(diào)整氣體控制。防護罩外面增加了包覆層數(shù)，可更有效地進行防護和熱管理。最后，飛行器上敏感器組通過增加壓力、溫度、姿態(tài)控制和輻射探測敏感器，進一步增強相應(yīng)功能，從而有助于確定保持飛行器系統(tǒng)完整性的軌道環(huán)境。

（2）起源－2系統(tǒng)的有效載荷

起源－2的外部和內(nèi)部裝載了用于科學、商業(yè)和娛樂目的的多個系統(tǒng)。起源－2裝載了起源－1生命科學艙的改進型，該艙內(nèi)有阿拉加斯加蟑螂、南非蝎子和植物種子等生物體，進行改變生活環(huán)境研究。該生物艙系統(tǒng)的功能部件有自主食物和水供應(yīng)系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)等，其中的敏感器和攝像機可監(jiān)視并記錄艙內(nèi)生物體的健康和活動情況。

起源－2搭載了兩類商業(yè)有效載荷。第一類稱為“讓你的物件飛行”計劃，允許個人或客戶付費將照片和其他小型物件送入軌道。飛行器共搭載了幾十個這種物件，當用戶的物件在飛行器內(nèi)部漂浮時，利用內(nèi)設(shè)攝像機對每個物件拍照，然后下傳到地面并在比格羅公司的網(wǎng)站上顯示。搭載一個小物件的價格大約300美元。第二類是外部成像傳輸系統(tǒng)，進行閃光成像和飛行器殼體信息的測試。有2套放映機和攝像機安裝在太陽電池翼頂端。關(guān)于娛樂，起源－2搭載了稱為“太空賭博游戲”的游戲競賽項目，意在培育公眾對這個節(jié)目的興趣。

比格羅公司10年來不斷發(fā)展相關(guān)技術(shù)，重新設(shè)計艙的纖維層，如其研制的聚乙烯纖維防護結(jié)構(gòu)，是凱夫拉纖維強度的2倍。為了能夠采用美國航空航天局的技術(shù)，比格羅公司從2006年7500萬美元投資額，增加到2010年的1.8億美元。

在互動交流中，以上5位演講嘉賓圍繞在人工智趨勢下，新技術(shù)賦能醫(yī)藥物流等話題進行了對話。5位嘉賓認為，未來，將由單一模式向協(xié)同、共享、高效等方面發(fā)展，醫(yī)藥物流趨于個性化、柔性化服務(wù)體系，標準化定制也應(yīng)該遵循二八原則。專業(yè)團隊合作中，鏈主企業(yè)在供應(yīng)鏈中起到重要作用，應(yīng)用場景更為廣泛。在輕松、幽默、詼諧的氣氛中將本次沙龍推向高潮，眾多參會觀眾報以熱烈的掌聲，盛贊沙龍觀點犀利，讓人意猶未盡。

4 未來商業(yè)空間站可膨脹基本艙

比格羅公司傾注了大量財力、人力、物力開展了基本艙的研究，主要包括以下幾個型號。

“太陽舞者”艙

2個“起源”飛行器發(fā)射以后，公司開始研制更大的艙，名為“太陽舞者” （Sundancer）艙。該艙是比格羅公司計劃發(fā)射的第3個艙，該艙裝備完整的生保系統(tǒng)、姿態(tài)控制和軌道機動系統(tǒng)，具有重復推進和離軌能力。與“起源”飛行器相同，“太陽舞者”艙的外表面可膨脹部分貼在中央核心部分的周圍，其入軌完全膨脹后，長度為8.7m，直徑為6.3m，內(nèi)部容積180m3。與“起源”相比，該艙有3個地球觀測窗口。比格羅公司原本計劃于2011年用太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的獵鷹－9（Falcon－9）火箭發(fā)射“太陽舞者”艙，但目前推遲到2014年。

起源－2、“銀河”、“太陽舞者”、BA－330的尺寸比較圖

如果美國航空航天局能夠利用這些成果，只需投入正常成本的一部分，就可幫助擴大“國際空間站”。美國航空航天局目前正在評估采購比格羅可膨脹活動艙（BEAM）用于“國際空間站”的建議，該艙是已經(jīng)在軌的“起源”飛行器的擴大版本。如果此建議被采納，比格羅可膨脹活動艙將發(fā)揮膨脹和軟邊艙的優(yōu)勢，并再一次獲得驗證技術(shù)的機會。

“銀河”艙

2008年年中，比格羅公司完成了“銀河”艙的建造，該艙容積16.7m3。比格羅公司計劃2014年租用獵鷹－9或宇宙神－5火箭發(fā)射。

BA-330艙

2011年7月，比格羅公司宣布研制BA－330艙[又名 “鸚鵡螺”（Nautilus）]作為“太陽舞者”艙的繼任者。 BA－330艙的容積330m3，裝滿負載后的總質(zhì)量約23000kg，膨脹后長13.7m，直徑6.7m。

5 商業(yè)空間站的總體設(shè)計構(gòu)想

構(gòu)建可膨脹居住艙商業(yè)空間站

比格羅公司計劃2014年開始建造由可膨脹艙組成的商業(yè)空間站。該公司預計，由于采用幾層強度是凱夫拉2倍的聚乙烯纖維，其可膨脹艙壁更加耐用，同時在理論上柔性結(jié)構(gòu)壁比剛性結(jié)構(gòu)更能耐受微小隕石的撞擊。在地面試驗中，能穿透標準的“國際空間站”艙體材料的微流星體只能穿過比格羅可膨脹艙壁的一半。

預計比格羅公司可膨脹艙能用于微重力研究和開發(fā)，空間制造等，其他潛在的應(yīng)用還包括可變重力研究（用于重力梯度在微重力以上，包括0.16g月球重力、0.38g火星重力的研究）；在太空旅游方面，多艙連接可以作為太空旅館；在空間運輸方面，可膨脹艙可作為月球或火星載人任務(wù)的飛船。

商業(yè)空間站的總體方案構(gòu)想

比格羅公司的商業(yè)空間站包括“太陽舞者”艙和BA－330艙、中央對接節(jié)點、推進系統(tǒng)、太陽電池翼和乘員艙。空間站部件的最初發(fā)射計劃在2014年，2015年可出租使用。

“商業(yè)空間站-天空行走者”在軌示意圖

· 比格羅公司的空間站設(shè)計方案之一稱作“空間站復合體阿爾法”，主要由容積為330m3的一個BA－330艙和2個小一些的“太陽舞者”艙組成，這些艙將通過對接節(jié)點與推進艙連接。

· 比格羅公司的空間站設(shè)計方案之二稱作“空間站復合體喝彩”，由4個BA－330艙、2個對接節(jié)點和2個推進艙組成。

· 比格羅公司的空間站設(shè)計方案之三包括9個BA－330艙，居住空間2800m3。

比格羅公司早期構(gòu)想的空間站稱為“商業(yè)空間站-天空行走者”（CSS Skywalker），是為太空旅館提出的設(shè)計方案，由多個BA－330艙組成，到達軌道后膨脹并連接，并采用多方向推進艙（MDPM），能使太空旅館飛行在行星間或月球軌道。

2010年比格羅公司又提出可膨脹居住艙的新方案設(shè)計—BA－2100，可居住容積要比BA－330的大得多，可達2100m3。該艙質(zhì)量為70～90t，需用重型運載器發(fā)射。

2010年開始，該公司在內(nèi)華達州北拉斯維加斯建設(shè)大型生產(chǎn)廠房，研制其設(shè)計的太空艙，這個16800m2的工廠2012年投入生產(chǎn)，包括制造3種不同飛行器的3條生產(chǎn)線，是該公司已有面積的2倍。

2010年11月，比格羅公司表示未來可能建造10個以上空間站，因為根據(jù)分析，發(fā)展商業(yè)空間站具有堅實的商業(yè)市場。乘員和乘客的運輸是該公司發(fā)展商業(yè)空間站的關(guān)鍵。2004年比格羅公司開設(shè)了5000萬美元的刺激基金，稱為美國太空獎，目的在于刺激載人飛行器的研制，但到2010年初該太空獎期滿為止，也沒有出現(xiàn)贏家。2009年8月，比格羅公司宣布研制“獵戶座-里特”（Orion Lite）飛行器，打算在美國航空航天局研制“獵戶座”飛行器的基礎(chǔ)上，研制出低成本和較小能力的飛行器，這種飛行器可利用宇宙神－5或獵鷹－9火箭發(fā)射到低地球軌道，最多可搭載7名乘員。

商業(yè)載人航天的價格也在變化。2007年4月，比格羅公司曾宣布2012年提供商業(yè)服務(wù)的價格是在軌停留4周需要支付1500萬美元，如果再增加4周時間只增加300萬美元；租用全部在軌設(shè)施1年支付8800萬美元，租用一半設(shè)施1年支付5400萬美元。但是，在2010年2月商業(yè)航天飛行聯(lián)盟組織的電視會議上，比格羅公司宣布新的價格：在比格羅居住艙停留30天（包括運送、訓練和消耗品）需要支付2300萬美元。

6 商業(yè)空間站的應(yīng)用前景

目前，比格羅公司對于空間飛行的努力已經(jīng)獲得了多項榮譽，如2006年10月獲得亞瑟·克拉克（Arthur C. Clarke）基金會創(chuàng)新獎，該獎項主要獎勵在空間飛行領(lǐng)域?qū)ι鐣兄卮笥绊懟驌碛刑貏e貢獻，確立卓越思想的創(chuàng)新或發(fā)明。2007年1月，航天基金會宣布比格羅公司是2007年航天成就獎的獲得者。

未來商業(yè)空間站想像圖

比格羅公司已經(jīng)和波音公司合作研制“國際空間站”的運輸飛船。同時，由于美國航空航天局開始了月球或火星載人任務(wù)的研究和試驗設(shè)計，于是該公司也在考慮地球以遠目標飛行的商業(yè)化問題。

比格羅可膨脹活動艙可用于“國際空間站”

2010年初開始，美國航空航天局重新重視可膨脹艙技術(shù)，并考慮了多種艙的方案。2011年1月，比格羅公司和美國航空航天局討論提供比格羅可膨脹活動艙作為“國際空間站”的存儲艙。如果美國航空航天局繼續(xù)推進這項合作，比格羅可膨脹活動艙的縮小比例實驗艙能在24個月以后入軌。另外，比格羅公司與波音公司合作研制CST－100艙，加入到美國航空航天局的商業(yè)乘員研究計劃（CCDev）中。

利用商業(yè)空間站發(fā)展太空旅館

雖然近年來比格羅公司重點研制構(gòu)成空間站基礎(chǔ)的“太陽舞者”和BA－330艙，但是如何將商業(yè)空間站變成用于太空旅游的太空旅館，也一直在研究與設(shè)計。

商業(yè)空間站面向國際租用

多年來，比格羅公司堅持其主要市場的調(diào)查，許多國家政府苦于沒有獨立研制空間站的能力，對租用空間站感興趣。目前，該公司已經(jīng)和澳大利亞、日本、荷蘭、新加波、瑞典、英國、阿拉伯聯(lián)合酋長國迪拜等7個國家簽訂了諒解備忘錄，這些國家對使用比格羅的商業(yè)空間站設(shè)施感興趣。該公司創(chuàng)始人羅伯特·比格羅估計，有這種興趣的國家甚至可達50個。

商業(yè)空間站用于地球軌道以遠目標探索

2010年2月，美國航空航天局宣布奧古斯丁委員會提出重新調(diào)整載人軌道飛行計劃，更多地為商業(yè)發(fā)射提供者提供機會。為此，羅伯特·比格羅說，該公司也有飛往月球甚至火星的雄心與構(gòu)想；2個月后，比格羅表示，公司規(guī)劃的月球中轉(zhuǎn)站將部署在拉格朗日L1點，且其私營月球基地將由3個BA－330艙組成。