近日，美國宇航局簽署的《太空法案協(xié)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(gè)新的燦爛前景。美國宇航局計(jì)劃將進(jìn)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(yù)計(jì)在21世紀(jì)30年代投入運(yùn)營。

火箭變身空間居所

“星艦”是SpaceX公司正在開發(fā)的超重型運(yùn)載火箭，是世界首型兩級完全重復(fù)使用重型運(yùn)載火箭。早在2016年，馬斯克就展示了星際運(yùn)輸系統(tǒng)方案及其火星移民計(jì)劃，其中的核心運(yùn)輸工具就是“星艦”。馬斯克認(rèn)為，利用“星艦”超大的運(yùn)載能力，以及完全可重復(fù)使用特性，星際飛行成本將會(huì)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(shè)想，人類將在2022年之前實(shí)現(xiàn)至少2次貨船火星登陸，2024年實(shí)現(xiàn)貨運(yùn)+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(fù)責(zé)運(yùn)送補(bǔ)給物資，以此為基礎(chǔ)逐步建立火星殖民地。

由于現(xiàn)實(shí)中的一系列困難，這一設(shè)想已然無法按時(shí)實(shí)現(xiàn)。不過，在北京時(shí)間2023年4月20日，SpaceX公司開展了首次“星艦”飛行試驗(yàn)。盡管組合體在點(diǎn)火起飛后，由于多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行中出現(xiàn)工作異常，速度、高度嚴(yán)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(jìn)入太空的。

根據(jù)SpaceX公司官網(wǎng)公布的數(shù)值，“星艦”完全重復(fù)使用時(shí)，近地軌道運(yùn)載能力為150噸；一次性使用時(shí)，近地軌道運(yùn)載能力為250噸?！靶桥灐敝睆郊s9米，高度約119米，全箭起飛質(zhì)量約5000噸，最大起飛推力7260噸，規(guī)模遠(yuǎn)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(gè)環(huán)繞地球的空間站“天空實(shí)驗(yàn)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(jì)劃剩余的材料。

得益于“土星五號”碩大的體格，“天空實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過了同期蘇聯(lián)的禮炮空間站。“天空實(shí)驗(yàn)室”建設(shè)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(yuǎn)鏡等。生活設(shè)施也考慮得極為周全，有11個(gè)食品貯藏器和5個(gè)食品冷凍器，可以貯藏907公斤不同種類的冷熱食品。

計(jì)劃變身為空間站的超重﹣星艦的二級星艦飛船為可重復(fù)使用的入軌級，高50米，直徑為6.61米，總重約1200噸，結(jié)構(gòu)干重約125噸，一次可將100人送達(dá)月球或火星。

SpaceX公司表示，可以通過采取與“天空實(shí)驗(yàn)室”一樣的做法，將星艦飛船的推進(jìn)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(dá)1000立方米，將超過國際空間站的全部容積。

進(jìn)階之前磨難重重

美國宇航局將“星艦”改造為空間站的計(jì)劃，實(shí)際上可以追溯至其在2014年推出的商業(yè)航天能力協(xié)作計(jì)劃。該計(jì)劃按照無資金支持的《太空法案》執(zhí)行，旨在以美國宇航局既有專業(yè)知識的結(jié)構(gòu)化共享為代價(jià)，實(shí)現(xiàn)最少的政府資源投入，促進(jìn)并形成強(qiáng)大的商業(yè)近地軌道經(jīng)濟(jì)所需要的至關(guān)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(yè)技術(shù)知識、評審和數(shù)據(jù)，幫助這些公司開發(fā)新技術(shù)，各公司則通過自籌資金進(jìn)行能力實(shí)現(xiàn)，發(fā)展低軌經(jīng)濟(jì)。該計(jì)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(fā)布了第二輪商業(yè)航天能力協(xié)作計(jì)劃，繼續(xù)以美國宇航局所持有的技術(shù)專長、評估、經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、技術(shù)和數(shù)據(jù)的分享來推動(dòng)商業(yè)航天應(yīng)用。在這一輪計(jì)劃中，美國宇航局選擇包括SpaceX公司在內(nèi)的7家美國公司，以滿足未來商業(yè)和政府需求為目標(biāo)，促進(jìn)載人航天和商業(yè)近地軌道經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

其中SpaceX公司負(fù)責(zé)開發(fā)一個(gè)集成的近地軌道架構(gòu)，該架構(gòu)包括將“星艦”作為運(yùn)輸系統(tǒng)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(yùn)輸、通信、運(yùn)營和地面支持在內(nèi)的組合能力。

此次美國宇航局和SpaceX公司達(dá)成協(xié)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(chǎn)品設(shè)計(jì)評審，并為此明確了2023～2028年的13個(gè)里程碑節(jié)點(diǎn)，這也是“星艦”變身空間站所需要克服的技術(shù)挑戰(zhàn)。

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(fā)射星艦飛船。接下來需要克服的挑戰(zhàn)依次是“星艦”首次攜帶有效載荷發(fā)射、“星艦”回收成功、推進(jìn)劑在軌儲(chǔ)存驗(yàn)證、“星艦”在軌服務(wù)/回收/對接驗(yàn)證、低軌長期載人運(yùn)營驗(yàn)證、“星艦”發(fā)射/入軌/著陸全流程驗(yàn)證、“星艦”低軌運(yùn)輸和居住能力驗(yàn)證、“星艦”低軌載人空間站能力驗(yàn)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(yùn)行的空間站。

暢想未來前景光明

對于軌道空間站，人們其實(shí)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(fā)射費(fèi)用，以及運(yùn)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(nèi)部容積也僅有915.6立方米，相當(dāng)于在320平方米的房子內(nèi)，要常駐6名航天員，只能算是一個(gè)“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(fèi)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(xù)加入。此后8年，又有6名太空游客陸續(xù)登上國際空間站，費(fèi)用達(dá)數(shù)千萬美元。

花這么多錢，卻只能擠在這么小的地方，確實(shí)不利于太空旅游市場的擴(kuò)大和產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。星艦飛船改造的空間站，輕輕松松就可以達(dá)到1000立方米的容積，甚至可以批量制造發(fā)射入軌。那么，未來在近地軌道上出現(xiàn)一連串豪華太空度假賓館，應(yīng)該也不愁沒有客人入住了。

當(dāng)“星艦”變身空間站的技術(shù)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(dá)目的地了。

當(dāng)然，再美好的未來，也需要付諸一步步現(xiàn)實(shí)的行動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前SpaceX公司面臨最緊要的一件事就是盡快實(shí)現(xiàn)超重-星艦的成功首飛。

據(jù)美國聯(lián)邦航空管理局官網(wǎng)9月8日消息，“星艦”首飛事故的調(diào)查工作已經(jīng)完成。最終的調(diào)查報(bào)告列舉了導(dǎo)致首飛失利的多個(gè)根本原因，并要求SpaceX公司必須采取63項(xiàng)整改措施，防止事故再次發(fā)生。措施包括重新設(shè)計(jì)火箭硬件以防發(fā)生泄漏和火事故災(zāi)、重新設(shè)計(jì)發(fā)射臺(tái)以提高其穩(wěn)定性、在設(shè)計(jì)過程中引入更多評審、對包括自主飛行安全系統(tǒng)在內(nèi)的關(guān)鍵安全系統(tǒng)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(shí)所有整改措施，并向美國聯(lián)邦航空管理局申請?jiān)S可證修改，在滿足所有的安全、環(huán)境和其他監(jiān)管要求后，就可以復(fù)飛“星艦”了。（作者：于遠(yuǎn)航 圖片來源：SpaceX 把關(guān)專家：中國航天科技集團(tuán)科技委副主任 江帆）