飘锚地球,承接重型运载火箭衣钵澳门皇家赌场

2019-08-28 21:57 来源:未知

  出品:科普中国

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  作者:矛隼工作室

  作者:矛隼工作室

截至2月20日,《流浪地球》票房突破40亿,坐稳了中国影史票房第2的位置。作为国内全新一类电影——硬核科幻的开山之作,能有这个成绩,实属喜人。

  监制:光明网科普事业部

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虽然在某影片评分网站上,这部片子被许多人诟病存在不少“强行煽情”之处,但在小编看来,就算是“强行煽情”,效果还是很不错的。事后也有不少观众表示,在一些感人情节出现时,他们的情感被影片牵着走,尤其是片尾刘培强驾驶“领航者号”空间站冲向木星的片段,更是让人潸然泪下。

  众所周知的是,国际太空站已经太老了。这个从上个世纪开始建设,足足有几百吨重,十几层楼高的庞然大物,将在不久的未来退役。一方面,是因为国际太空站的核心舱段所经历史过于久远,其中一部分已经老化或者无法满足需求;另一方面,则是因为国际太空站太贵了。

  人类与上个世纪登上了月球,把人类重新定义为了“活跃在地月系中的物种”。之后的登月虽然停止,但是更精妙复杂的航天飞机又开始了自己的旅程。

不过,相比起用空间站点燃木星的情节,小编想到的却是另外一件事,那就是,到时候要建一座“领航者号”一样的空间站,真不是件容易的事。

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国际空间站的囧境

  图为国际太空站(来源:NASA)

  正在起飞的航天飞机(来源:wiki)

2001年3月23日,运作了20多年的俄罗斯“和平号”空间站坠入南太平洋,自此,全世界只剩下由美国主导、共16个国家出人出力建造的国际空间站仍漂浮在离地面400公里的太空轨道上。

  作为一个凝聚着多个国家技术合作的结晶,国际太空站总计花费了超过一千亿美元——这甚至超过了中国如此多年以来的总航天经费。而这样的经费让美国政府有点撑不住了,近日,特朗普表示将考虑终止国际太空站的经费供应,并将资金提供给火星计划和深空之门空间站。

  然而随着新世纪的到来,航天飞机退役,人类航天似乎又重新回到了一个黑暗的时代。许多评论家曾经信心满满的认为,航天飞机之后将会是无助推器的空天飞机甚至轨道电梯的时代,然而事实是,直到2018,人类不再能投送一个超过三十吨的物体进入轨道了。

自1998年第1个模块——“曙光号”功能货舱上天以来,包括对地观测、天文观测、太空生命科学研究、航天医学、流体物理等研究任务就开始向ISS转移。等到“和平号”退役,美国、俄罗斯、欧洲、日本等国的顶级学者,更是只剩这一个地方搞太空科研。20年来,ISS也不负众望,完成了“无重力种植”、“太空动物”、“太空旅行延时反应”、“地球监控”等多项任务,可谓战功彪炳。

  根据媒体报道,国际太空站将于2024年停止运行,在此之后,国际太空站就会因为没有动力系统并因空气阻力而逐渐降低轨道,最终坠入大气层。

  美国在本世纪初有一个“星座计划”,而其核心将是把人类重新送上月球。

早前,NASA公布了2025年载人登陆小行星、2030年载人登陆火星的计划。在美国科学家的设想中,ISS将是该计划不可或缺的一部分。鉴于深空穿梭的复杂性,前期的火星之旅不可能中途返航,因此科学家必须在相近条件下,把可能的错误一个个试出来。

  很多的人或许认为从此之后,中国空间站将会成为唯一的太空站,但其实不是,那是因为美俄已经准备好了新的空间站计划——深空之门国际月球轨道空间站。

  星座计划是由战神系列火箭和猎户座飞船组成的方案。最初的战神一号运载火箭被用于发射猎户座飞船以完成国际太空站的乘员交换。而其设计也非常有趣,其一级火箭为一个五段固体火箭,来自于航天飞机的固体助推器。当然,这个助推器与航天飞机时代一样可以重新添加燃料并复用。

截至目前,空间站试验已经确定了宇航员在外太空长途飞行中可能面临的32种潜在健康风险,对空间站的研究对于减轻其中至少21种风险是必不可少的。这是一个重点领域。

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然而,如今全球科研人员却面临着一个严重的问题——ISS老了。

  图为深空之门空间站轨道对接的想象图(来源:NASA)

  图为战神一号的想象图(来源:wiki)

在1993年完成设计工作时,科研人员给ISS定下的使用年限是10-15年,也就是最迟到2008年就该退休。届时,理应有材料更先进、设计更完善的新空间站来接替它的工作。

  深空之门月球轨道空间站将位于三十多万公里外的月球轨道上,而其除了肩负国际太空站的几乎所有任务之外,还要更多的涉及到小行星和月球的探索。

  而其二级火箭则使用了一台J-2X液体发动机,以液态氧和液态氢为燃料,这也是土星五号的发动机之一。

但是并没有。NASA先是宣布将ISS使用寿命延长至2015年,又从2015年延长至2020年,再从2020年延长至2024年。若不是因为缺少大气层的庇护,ISS直接暴露在各种辐射、离子流下,结构强度和设备寿命确实已经难堪重任,想必NASA会将其使用价值无限压榨下去。最终,NASA只得宣布,ISS将在2024年退休。

  在本世纪,对于小行星的探索、撞击、采样返回任务非常受各国航天机构的关注。而NASA的引力牵引机方案正是在月球轨道研究小行星的计划。

  没错,战神一号火箭的几乎所有的核心技术,都来自于航天飞机时代甚至更以前的遗产。之后的战神系列火箭也都如此,这能显著地降低研发周期,并且使用现有部件也能大大的降低成本。最终规划出的超级运载火箭为战神五号,原计划被用于携带猎户座飞船“重返月球”。但是很快,在新的财务规划里,战神五号也被取消。

其实,单从太空实验的内容来说,人类科学家远没有将ISS利用到极致,目前站上仅有50%的资源用在科学实验上。也就是说,地球人还不需要花费大量的资金和时间去重新设计建造更先进的空间设备,只需要每年维护一下,必要时换上新的模块即可。但就算是这种简单的任务,各国不打算进行下去,原因是什么?

  引力牵引机方案是使用小型飞船接近小行星,随后开始自转来获得广义相对论的空间效应,产生引力拖拽小行星的计划。NASA计划以此捕获一个超小型小行星并将其移动至月球轨道,随后依靠深空之门空间站对其展开研究,不过这一计划由于经费问题实质上可能已经下马。

  2011年9月14日,美国国家航空航天局重新决定了新一代超重型火箭的计划。NASA副主管查尔斯·波尔顿表示:“当初我为能与航天飞机一起飞翔而骄傲,如今未来的探险者们则梦想有朝一日能在火星上漫步旅行。”

因为没钱。

  深空之门还将让人类重返月球表面,由于其距离月球极近,而月球引力又极小,可以很方便的完成月球表面的探索任务。无论是NASA的引力牵引机还是月球着陆采样返回,都可以帮助人类更深入的了解外星体的结构组成。

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到目前为止,ISS的建造 运营成本已经达到1600亿,平均每年64亿美元,其中美国承担了大部分——将近1000亿美元,剩下的由俄罗斯、欧洲、加拿大、日本和巴西分摊。

  位于月球轨道的深空之门空间站面领着很大的建设问题。众所周知的是,人类上次登月是使用着号称有史以来最强的土星五号运载火箭,而现在将运抵月球轨道的深空之门舱段并不比登月组合体的体积要小。

  SLS太空发射系统的想象图(来源:wiki)

如今要维持空间站运作,光是常驻空间站的航天员,每人每年就需要658千克食品、209千克服装和其他个人用品。运送1千克物品到空间站的费用为2.2万美元,这就差不多460万美元了。如果按照ISS设计的满载6-7人,那每年花费就上升至3000多万美元。

  目前的运载火箭中最大的是重型猎鹰火箭,但是让其运送一个二十吨的舱段进入月球轨道仍然显得有些费力。

  最终决定的运载火箭,就是我们今天要谈的SLS太空发射系统运载火箭。

这只是一小部分,花钱的大头在于设备,每年送上去的备件和科学试验用品重达数吨乃至数十吨,简单估算下来,至少需要10亿美元。

  最终解决这一方案的是SLS太空发射系统,这将是一个体型堪比土星五号的超级重型火箭。其由NASA带头研制,其由两个固态助推器和三台RS-25主发动机组成一级火箭,这几乎全都是航天飞机的遗产技术。初期版本的载人SLS太空发射系统运力只有七十到一百吨。但是后期的货运型SLS太空发射系统的运力可以达到一百三十吨,甚至有报道称其达到165吨。这代表着SLS将彻底超过土星五号,成为人类历史上运力最强的运载火箭。

  SLS太空发射系统运载火箭被设计用于载人航行和货运,他将把飞船送入地球轨道、月球轨道甚至更远的太空。无论是国际太空站还是NASA的火星计划都会从中受益。

这还只是运输成本,考虑到研发设备、培育人员等事项,要投入的资金量更是巨大。仅NASA一家,过去每年在这方面的预算就高达30亿美元。

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  初期版本的SLS运载火箭将有约计70吨的近地轨道运送能力,而最终版本的货运三级运载火箭的运输能力将达到130吨。

根据特朗普2月15日签署的拨款法案,2019年NASA将获得215亿美元的运作资金,维护ISS的资金占比超过1/10。放在世纪初,拿出这么多钱可能不算什么,但是NASA现在有60个新项目,他们要建新的韦伯太空望远镜,要开发“木卫二”探测器,“机遇号”宣布死亡后,NASA肯定要更精细地维护“好奇号”火星探测器,此外还有猎户座飞船研发、SLS火箭等探索工程,这些都是要花大钱的。

  图为SLS太空发射系统(来源:NASA)

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  SLS除了发射空间站结构舱段之外,还将发射猎户座飞船,这种飞船将是深空之门与地面的核心人员运送方式,也是人类从深空之门到月球的摆渡船。

  图为美国各种运载火箭的对比图,从左起为土星五号、航天飞机、战神一号、战神五号,最后一个是SLS运载火箭(来源:wiki)

(NASA历年经费,数据来源于维基百科)

  值得一提的是,NASA的火星计划将在轨道上建造巨大的登火组合体飞船,而这个飞船也很有可能被设置在月球轨道上建造,或者干脆与深空之门空间站对接来方便控制。

  这项计划最终得以实施,根本的原因是其费用较低,原因是其大量的使用了之前的航天飞机和战神系列的科技遗产,几乎是“凑”成了这人类历史上最伟大的运载火箭。

而ISS的其他合作方,细数下来也出不了多少钱。比如,俄罗斯去年宣布,到2025年前总共在航天计划投入400亿美元,也就是每年57亿美元左右,其中只有3.3亿美元用于空间站,另外12%用于维持“格洛纳斯”导航系统,12%维护航天发射场,40%研发重型火箭。

  当然,深空之门并不是唯一的在轨空间站。

  以最初版本的SLS运载火箭为例,其一级火箭使用的是四台航天飞机时代所留下的RS-25D/E液氢液氧发动机,并装备有两个航天飞机固态火箭。而SLS的二级火箭则是使用的RL10B-2上面级液氢液氧发动机,这是与德尔塔IV运载火箭上面级一样的发动机。

日本方面,根据公开数据,他们在2014年提供给空间站的就算只有357亿日元,以现在的汇率算就是3.2亿美元

  国际太空站很有可能不会失控坠落,而是将会被民营公司接管。毕格罗公司就对国际太空站曾抱有兴趣,原因是其可能需要以国际太空站作为平台测试自己的充气太空舱。

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欧盟更吝啬,他们去年6月公布的预算案显示,在2021-2027年6年间,航天经费只有160亿欧元,也就是每年27亿欧元不到。而在更早的2016年,欧盟曾提出,他们愿意为维持空间站运作到2024年支出8.07亿欧元——不是每年,是总共支出9.2亿美元。

  毕格罗也有自己的空间站计划,其将建设一个大型充气空间站名为“鹦鹉螺”,其发射体积并不十分庞大,但在完全展开之后内部体积高达330立方米,是天宫二号的十倍之多。

  图为航天飞机的主发动机(来源:wiki)

整体算下来,未来几年,ISS各方出资只能达到过去25年平均水平的2/3左右。

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  SLS运载火箭的一级火箭是由航天飞机的燃料罐改进而来,这一个模块在之前经常被称之为“橙罐”。航天飞机上的橙罐仅仅作为一个燃料箱,其将把燃料输送进入航天飞机的发动机,本身没有任何推动能力。而在SLS身上,“橙罐”底部被改造以链接火箭的主推进系统(MPS),也就是底部的四台发动机,而顶端则被改装为级间结构。

雪上加霜的是,近期,空间站又爆出一则坏消息——ISS美国舱段厕所坏了,超过10升液体飘入舱内。

  图为毕格罗充气太空站的想象图(来源:百度图片)

  从某种意义上,从土星五号到航天飞机,再到战神系列,再到最终的SLS太空发射系统,技术一代一代传承,可以说是美国航天一步一个脚印的结果。

厕所坏了可能不是什么大事,但是这引出了更大的问题。小编搜集资料后发现,这几年,ISS上坏的可不仅仅是厕所。去年8月,NASA报告ISS俄罗斯分段联盟MS-09航天器轨道舱内出现一个直径2毫米的洞,可能导致氧气在18天全部泄露;11月,又是在俄罗斯舱段,一台电脑突然死机;而在更早之前,还曾出现过氨气泄漏、氢氧化钾泄漏等严重事故。

  除此之外,Axiom 航天公司试图在国际空间站基础上建设自己的铝制外壳舱段,并随后建设自己的空间站,此公司将与Made In Space合作探索在近地空间进行工业生产的可能性。

  而最终的SLS太空发射系统,将达到这些史无前例。

可以说,ISS年久失修的现象越来越明显,与之相应,维护成本也会变得越来越高。

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原本小编还以为,NASA宣布停掉ISS只是说说而已,毕竟几大航天大国不可能没有空间站。算完这笔账后才发现,这次可能是真的运作不下去了。

  图为Axiom航天公司的铝制外壳空间站想象图(来源:百度图片)

  图为SLS运载火箭的版本计划(来源:NASA)

未来空间站工程

  总体而言,国际太空站之后,新的空间站将如同雨后春笋一样大量的建设起来,世界航天也将进入一个新的时代。中国航天也要奋起直追,一同进入这伟大的新航天时代。

  第一个史无前例是最强的运载能力,后期版本的SLS太空发射系统的运载能力将超过土星五号。第二个则是完完全全使用液氢液氧发动机,这是燃料储存技术的发展的体现。而最后一点,在于其将帮助人类完成史无前例的壮举——包括月球轨道空间站和登上月球。

在ISS走入暮年,寿终正寝之后,全球顶尖的太空科学家们难道就失去用武之地,只能在地面仰望星空吗?那倒不至于,全世界对于ISS退休,已经准备了几个备胎方案。

  总而言之,太空发射系统接下了之前美国超重型火箭的衣钵传承,请大家拭目以待它在未来的表现吧。

美国

对于ISS达到设计寿命后的处理方式,美国政府去年初提出了一个非常资本主义的解决方法——将其私有化,私人承包,自负盈亏。

据悉,这一充满铜臭味的解决方案和崇尚经商的共和党无关,而是NASA局长布里登斯廷(Jim Bridenstine)提出的。不过,小编查了查,这位去年4月才上任的NASA新局长并不是科学人员,甚至没有一点科学背景,只是一味纯粹的政客,在进入NASA前是俄克拉荷马州国会议员。

不过,研究与发展中心国防分析研究所计算后得出结论:“到2025年,私人拥有和运营的空间站在经济上不可行”。

从经济上看,私有化不是万能,不可能把30亿的维护成本一下子降下来,那么,一个商业实体运营空间站的唯一途径是依靠政府大量补贴。然而,这类补贴又可能涉及到利益输送之类敏感的政治话题,可行性不强。

除此之外更值得重视的是,NASA还有一项非常宏伟的“深空之门”(Deep Space Gateway)计划。该计划2019年被正式命名为“月球轨道平台门户”(Lunar Orbital Platform-Gateway,LOP-G),是由NASA领导,多国共同倡议,集太阳能通信枢纽、科学实验室、短期居住模块和漫游车等候区于一体的空间站项目。

这个空间站最特殊的一点是,它将围绕月球轨道运转。“深空之门”将运行在离月球30多万公里的轨道上,按照原定计划,除了继承ISS的“遗志”,它还要承担新的小行星和月球探索任务。然而,由于缺钱,“深空之门”尚未出师,其小行星任务已经被砍掉了。

在这方面,“深空之门”将作为美国“重返月球”战略的一部分。由于其距离月球极近,而月球引力又极小,可以很方便的完成月球表面的探索任务。无论是NASA的引力牵引机还是月球着陆采样返回,都可以帮助人类更深入的了解外星体的结构组成。

澳门皇家赌场最新网站,值得注意的是,就连这个任务,都不知何年何月才能得偿所愿。一方面是开始得晚,今年才开始初期研究,投入资金5.04亿美元;另一方面是配套设施研发缓慢。

上一次人类到达月球,靠的是“土星五号”运载火箭,那时冷战时人类科技巅峰水平的产物,在去工业化数十年后,就算有钱有图纸,美国能不能重新造出来还是个问题。因此,NASA重头再来,用“土星五号”和航天飞机的技术遗产,重新研发SLS太空发射系统。

至于这个火箭何时能上天,现在也没有明确消息。

俄罗斯

无……

欧盟

无……

日本

无……

中国

如果美国政府人员看到《流浪地球》里的“领航员号”空间站和上面的中国航天员,心里恐怕会比较别扭,毕竟从2011年国会通过《弗兰克-沃尔夫条款》开始,中国就被排斥在美国领导的全球航天合作之外。

风水轮流转,如果2024年ISS真的退役,那么中国“天宫”空间站可能就是短期内全球唯一的太空科研平台了。

根据目前的规划,“天宫”建造将于2020-2025年间进行,预计在2022年前后建成。空间站轨道高度为400-450公里倾角42-43°,设计寿命10年,可容长期驻留3人,初期将建造3个舱段,包括1个核心舱和2个实验舱,每个规模20多吨,总重量60吨。

由于总重量60吨只有ISS的1/7,而且只有3个舱段,这一计划曾遭到不少人嘲笑,但从技术规划细节看,这很可能只是初期设计,留了充分的后手。比如说,“天宫”有26个舱内载荷机柜装载空间,67个中小型舱外载荷接口,供电功率最高可能有100千瓦。而有3个实验舱、31个科研机柜的ISS,总供电功率也不过90千瓦。

此外,像人员气闸舱、货物气闸舱、桁架外挂点、暴露平台、机械臂、舱外机器人这些设备,ISS有的,“天宫”都有。

和美国不同,中国在空间科研合作上持相当开放的态度。2016年,联合国与中国载人航天工程办公室签署《利用中国空间站开展国际合作谅解备忘录》,商定利用中国空间站为各国提供科学实验机会,并在未来为他国航天员或载荷专家提供在轨飞行机会。

去年,中国常驻维也纳联合国和其他国际组织代表团与联合国外层空间事务办公室在维也纳的中国空间站国际合作机会公告发布仪式上,正式开启中国空间站国际合作,盛情邀请世界各国积极参与,利用未来的中国空间站开展舱内外搭载实验等合作。

60年后……

当然,《流浪地球》中的故事发生在60年后,时代背景和现在不同,在地球灭亡的危机下,建立空间站将是事关全人类的大事。正如电影中表现的那样,那个国家修的空间站不重要,重要的是,所有国家都有人在上面,为地球存续尽一份力。

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