國(guó)際空間站退役倒計(jì)時(shí)：NASA商業(yè)空間站四巨頭競(jìng)速接班

隨著國(guó)際空間站于2030年接近其使用壽命終點(diǎn)，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)計(jì)劃過(guò)渡到新的近地軌道(LEO)商業(yè)空間站，以繼續(xù)利用其獨(dú)特的微重力環(huán)境和研究?jī)?yōu)勢(shì)。NASA正在采用分階段的方式來(lái)支持商業(yè)擁有和運(yùn)營(yíng)的近地軌道空間站的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和演示，NASA和其他客戶可以從這些空間站購(gòu)買服務(wù)，并刺激微重力市場(chǎng)商業(yè)活動(dòng)的增長(zhǎng)。

PART 01

NASA商業(yè)空間站分階段計(jì)劃

美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)計(jì)劃通過(guò)其商業(yè)近地軌道開(kāi)發(fā)計(jì)劃(CLD)，用商業(yè)建造的空間站取代國(guó)際空間站。

第一階段

在第一階段，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)正通過(guò)資助協(xié)議和非資助協(xié)議，支持多個(gè)商業(yè)空間站及其他商業(yè)能力的研發(fā)工作。

2020年，NASA授予Axiom Space一份合同，要求其提供至少一個(gè)可居住的商業(yè)艙段，該艙段將連接到國(guó)際空間站。

已完工的Axiom Space空間站的渲染圖，其中包括有效載荷動(dòng)力熱控艙、1號(hào)居住艙、氣閘艙、2號(hào)居住艙以及科研制造設(shè)施

2021年，NASA與藍(lán)色起源、諾斯羅普·格魯曼公司及Starlab公司簽署《太空法案協(xié)議》，共同推進(jìn)商業(yè)空間站設(shè)計(jì)方案。諾斯羅普·格魯曼公司隨后退出該協(xié)議，轉(zhuǎn)而加入支持Starlab Space的項(xiàng)目。藍(lán)色起源與Starlab Space正致力于開(kāi)發(fā)可直接進(jìn)入近地軌道的商業(yè)空間站。《太空法案協(xié)議》旨在通過(guò)NASA提供技術(shù)專長(zhǎng)、評(píng)估、經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、技術(shù)和數(shù)據(jù)，推動(dòng)商業(yè)航天相關(guān)事業(yè)的發(fā)展。NASA為商業(yè)實(shí)體提供技術(shù)和資金援助，支持其開(kāi)發(fā)并完善執(zhí)行任務(wù)的解決方案。

2023年，NASA通過(guò)第二輪“商業(yè)航天能力合作計(jì)劃”選定藍(lán)色起源、諾斯羅普·格魯曼、Sierra Space、SpaceX、Special Aerospace Services、ThinkOrbital及Vast七家企業(yè)建立合作關(guān)系，共同推動(dòng)商業(yè)航天事業(yè)發(fā)展。這種結(jié)構(gòu)化的NASA專業(yè)知識(shí)共享模式，在消耗極少政府資源的同時(shí)，有效培育了對(duì)構(gòu)建強(qiáng)大低軌經(jīng)濟(jì)至關(guān)重要的能力發(fā)展。

第二階段

在第二階段，NASA計(jì)劃通過(guò)多項(xiàng)資助的《太空法案協(xié)議》，支持行業(yè)對(duì)商業(yè)空間站的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。NASA計(jì)劃于2026年初授予多份第二階段資助的《太空法案協(xié)議》。

通過(guò)全面公開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)選定的第二階段資助協(xié)議將包含三年基礎(chǔ)期，可選里程碑最長(zhǎng)可達(dá)五年，并按完成里程碑支付款項(xiàng)。里程碑至少包括關(guān)鍵設(shè)計(jì)審查準(zhǔn)備就緒及進(jìn)行至少30天、四人乘員的在軌演示。

第三階段

PART 03

NASA針對(duì)商業(yè)空間站的戰(zhàn)略將第三階段達(dá)到頂峰，該階段將采用基于《聯(lián)邦采購(gòu)條例》的合同，通過(guò)充分公開(kāi)的競(jìng)爭(zhēng)采購(gòu)空間站服務(wù)。此最終階段還將提供正式的設(shè)計(jì)驗(yàn)收與認(rèn)證，確保滿足NASA的安全要求。第三階段的更多細(xì)節(jié)仍在制定中。

商業(yè)近地軌道(LEO)開(kāi)發(fā)(CLD)項(xiàng)目各階段時(shí)間線

PART 02

Vast公司Haven-1單模塊空間站

總部位于加利福尼亞州的Vast公司計(jì)劃于2026年5月發(fā)射世界上第一個(gè)商業(yè)空間站——Haven-1。Haven-1采用單模塊設(shè)計(jì)，作為簡(jiǎn)單的概念驗(yàn)證，旨在軌道上運(yùn)行三年，以支持由四名宇航員組成的乘組執(zhí)行四次為期兩周的任務(wù)。Haven-1配備科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，能夠支持微重力研究和半導(dǎo)體等技術(shù)的制造。Haven-1可供私人和政府任務(wù)使用。

Haven-1渲染圖

Haven-1的直徑為4.4米，居住空間為45立方米，約為國(guó)際空間站(ISS)的八分之一。它將由SpaceX的獵鷹9號(hào)火箭發(fā)射入軌，首批宇航員將在空間站入軌幾個(gè)月后乘坐SpaceX的載人龍飛船前往。Haven-1內(nèi)部設(shè)計(jì)包括一個(gè)1.2米的穹頂窗、一張可展開(kāi)的公共餐桌、每個(gè)船員的私人睡眠空間以及由星鏈提供的高速互聯(lián)網(wǎng)連接。

Haven-1內(nèi)部空間

Vast公司投資建設(shè)了自己的設(shè)施，不僅能夠生產(chǎn)Haven-1模塊，還能每年生產(chǎn)兩個(gè)更大的Haven-2模塊——Haven-2是國(guó)際空間站的潛在繼任者，Vast目前正處于規(guī)劃的早期階段。2025年Vast公司完成了Haven-1驗(yàn)證版的建造——該版本并非用于飛行，僅用于地面測(cè)試——并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加壓和發(fā)射受力等方面的測(cè)試。Haven-2的規(guī)模將遠(yuǎn)大于Haven-1，采用模塊化組裝。如果Haven-2計(jì)劃在2026年NASA商業(yè)近地軌道開(kāi)發(fā)計(jì)劃第二階段獲得批準(zhǔn)，其首個(gè)模塊預(yù)計(jì)將于2028年由SpaceX星艦發(fā)射升空。

PART 03

Nanoracks公司Starlab空間站

2025年夏，Nanoracks公司的商業(yè)空間站“星際實(shí)驗(yàn)室”(Starlab)完成了其空間站架構(gòu)和系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)及安全審查，接下來(lái)將啟動(dòng)詳細(xì)設(shè)計(jì)和硬件開(kāi)發(fā)，以及關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審。

Starlab概念圖

Starlab空間站由一個(gè)直徑和高度均約為8米的大型鋼制外殼模塊組成，包括一個(gè)服務(wù)艙和一個(gè)居住艙。該空間站設(shè)計(jì)可容納4人，也可臨時(shí)容納8人，容積為340立方米。空間站還配備60千瓦的動(dòng)力推進(jìn)裝置、用于貨物和外部有效載荷服務(wù)的大型機(jī)械臂。Starlab的核心是空客LOOP多用途軌道艙。該設(shè)計(jì)采用多層結(jié)構(gòu)，通過(guò)中央隧道連接，隧道周圍環(huán)繞著溫室，為宇航員提供充足的空間進(jìn)行科學(xué)研究、鍛煉和休閑活動(dòng)。Starlab也已開(kāi)始建造一個(gè)全尺寸、高保真度的空間站模型。該模型將安置在NASA約翰遜航天中心的航天器模型設(shè)施內(nèi)，用于人機(jī)交互測(cè)試。

LOOP多用途軌道艙

Starlab的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)特點(diǎn)是它能夠通過(guò)超重型運(yùn)載火箭的一次飛行，以完全體形式進(jìn)入軌道：SpaceX星艦已被選中執(zhí)行其發(fā)射任務(wù)。這樣一來(lái)，Starlab空間站就可以在地面完成所有設(shè)備安裝，一旦進(jìn)入軌道，將在幾周內(nèi)投入運(yùn)行。

此外，Starlab還完成了對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)、采購(gòu)計(jì)劃以及諾斯羅普·格魯曼公司天鵝座飛船對(duì)接系統(tǒng)設(shè)計(jì)的審查。2023年，諾斯羅普·格魯曼公司與Starlab合作，為商業(yè)空間站提供貨物物流服務(wù)和工程咨詢。

PART 04

Axiom Space公司

Axiom Station模塊化空間站

Axiom Space公司設(shè)計(jì)的Axiom Station模塊化空間站計(jì)劃用于商業(yè)航天活動(dòng)和太空旅游。

Axiom Station效果圖

2020年，NASA授予Axiom公司一份價(jià)值1.4億美元的合同，負(fù)責(zé)在2026年前將一個(gè)居住艙模塊(Hab-1)安裝到國(guó)際空間站上。該公司將Hab-1的結(jié)構(gòu)建造外包給了意大利的泰雷茲阿萊尼亞宇航公司。在建造接近尾聲、準(zhǔn)備運(yùn)往休斯頓進(jìn)行內(nèi)部裝配之際，2024年底，Axiom Spac調(diào)整了其空間站部署計(jì)劃，計(jì)劃首先安裝有效載荷、電力和熱模塊(PPTM)。NASA提出變更要求是基于國(guó)際空間站的離軌時(shí)間安排、空間站需為SpaceX脫軌飛行器提供支持，以及希望最大限度挽救空間站設(shè)備和科研成果的考量。原計(jì)劃將Axiom的Hab-1艙段與SpaceX的脫軌飛行器同時(shí)對(duì)接至同一端口(前端口)，這將導(dǎo)致需要耗費(fèi)大量時(shí)間和成本更換適配器以兼容兩艘航天器。PPTM將使用ISS的其他對(duì)接端口(節(jié)點(diǎn)1或節(jié)點(diǎn)2的底部端口)，使該模塊能與脫軌飛行器共存，并簡(jiǎn)化運(yùn)行路線。NASA及其他ISS合作伙伴將利用PPTM在脫軌前轉(zhuǎn)移昂貴的研究設(shè)備。相比Hab-1，PPTM將為ISS設(shè)備提供更大的存儲(chǔ)容量,這將有助于保護(hù)硬件，并允許繼續(xù)在國(guó)際空間站上進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)。PPTM預(yù)計(jì)最早于2027年完成集成并發(fā)射，它將成為國(guó)際空間站退役前唯一獲準(zhǔn)對(duì)接的商業(yè)模塊。

Axiom Station部署路線圖

Axiom空間站的下一模塊Hab-1最早于2028年發(fā)射。Hab-1發(fā)射升空并與PPTM對(duì)接后將形成一個(gè)商業(yè)空間站，可以獨(dú)立于國(guó)際空間站進(jìn)行作業(yè)。最終，其他模塊將連接到Axiom Station：一個(gè)氣閘模塊(AL)、另一個(gè)居住模塊(Hab-2)和一個(gè)研究與制造模塊(RMF)。

PART 05

藍(lán)色起源公司和Sierra Space公司

Orbital Reef空間站

2021年10月25日，藍(lán)色起源公司宣布將與Sierra Space公司合作，建造一個(gè)名為“軌道礁”(Orbital Reef)的“多功能太空商業(yè)園區(qū)”，旨在開(kāi)拓多個(gè)太空新市場(chǎng)，為科研、工業(yè)、國(guó)際和商業(yè)客戶提供具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的端到端服務(wù)，包括太空運(yùn)輸和物流、太空居住、設(shè)備安置以及包括宇航員在內(nèi)的各項(xiàng)運(yùn)營(yíng)。

Orbital Reef效果圖

Orbital Reef空間站在初期階段可同時(shí)容納十人，居住空間為830立方米。Orbital Reef最重要的組成部分是由Sierra Space公司提供的大型集成柔性環(huán)境(LIFE)充氣模塊，實(shí)驗(yàn)室、廚房、花園和睡眠區(qū)都將設(shè)于其中。Orbital Reef距離完工還很遙遠(yuǎn)，最樂(lè)觀的估計(jì)也認(rèn)為它要到2027年才能發(fā)射。2025年4月，NASA使用由藍(lán)色起源公司組裝的每一層的獨(dú)立模型，進(jìn)行了人機(jī)交互測(cè)試。Orbital Reef空間站的進(jìn)度落后于其他競(jìng)爭(zhēng)項(xiàng)目并不令人意外，因?yàn)槠鋬杉夷腹径济τ谄渌?xiàng)目。Sierra Space一直在忙于其首架追夢(mèng)者(Dream Chaser)航天飛機(jī)“堅(jiān)韌號(hào)”(Tenacity)的研發(fā)。與此同時(shí)，藍(lán)色起源終于在2025年1月將其首枚新格倫(New Glenn)火箭送入軌道，并在推進(jìn)后續(xù)幾枚運(yùn)載火箭發(fā)射計(jì)劃的同時(shí)，也在為其首艘“藍(lán)月號(hào)”(Blue Moon)月球著陸器做準(zhǔn)備。新格倫火箭將用于發(fā)射Orbital Reef的大型核心艙段。

Orbital Reef模塊介紹

PART 06

現(xiàn)狀總結(jié)及預(yù)期

盡管Vast的迅猛發(fā)展勢(shì)頭可能使其Haven-1成為美國(guó)首個(gè)商業(yè)空間站，但該公司在第二階段的競(jìng)爭(zhēng)中仍有長(zhǎng)路要走。不過(guò)，搶占先機(jī)或能幫助Vast在這個(gè)尚未定型的研究市場(chǎng)中確立立足點(diǎn)，甚至連空間站有限的實(shí)驗(yàn)艙位都可能因國(guó)際空間站過(guò)度飽和的需求溢出而供不應(yīng)求。若Haven-2在2028年的部署計(jì)劃切實(shí)可行，Vast在NASA眼中或?qū)@得與Axiom平分秋色的地位。

從技術(shù)層面看，Axiom目前顯然處于領(lǐng)先地位，其用于接替國(guó)際空間站的飛行硬件已進(jìn)入集成階段。憑借多次私人航天任務(wù)積累的載人航天運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，該公司在第二階段競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)，乍看似乎是穩(wěn)妥的選擇。但《福布斯》等媒體過(guò)去一年的報(bào)道揭示了其財(cái)務(wù)困境——該公司曾數(shù)次為任務(wù)資金籌措而掙扎。Axiom空間站或許技術(shù)最成熟，但其顯然不穩(wěn)定的財(cái)務(wù)狀況，讓人質(zhì)疑其獨(dú)立運(yùn)營(yíng)整座空間站的能力。

相比之下，Starlab已獲得國(guó)際供應(yīng)商的飛行預(yù)訂，成功爭(zhēng)取這些用戶可能成為第二階段評(píng)審的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，且Starlab的技術(shù)成熟度正快速追趕同行。若能持續(xù)達(dá)成設(shè)計(jì)里程碑，它將為NASA提供堅(jiān)實(shí)可靠的選擇——更重要的是，這個(gè)選擇無(wú)需經(jīng)歷長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的在軌組裝過(guò)程。

Orbital Reef項(xiàng)目因進(jìn)展遲緩已明顯落后。雖然沒(méi)有證據(jù)表明其技術(shù)層面存在困難，但相較于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手表現(xiàn)出的緊迫感缺失，可能在NASA進(jìn)行第二階段資金分配時(shí)使其陷入重大劣勢(shì)。

在國(guó)際空間站退役之前，美國(guó)將無(wú)法準(zhǔn)備好具備完整能力的直接“繼任者”。與此同時(shí)，我國(guó)的天宮空間站已全面運(yùn)行并積極尋求國(guó)際合作，影響力日益增強(qiáng)。

隨著馬斯克和此前被提名的NASA局長(zhǎng)人選艾薩克曼均已失寵于特朗普，在持續(xù)的不確定性困擾NASA的情況下，國(guó)際空間站的退役計(jì)劃將如何推進(jìn)實(shí)難預(yù)料。若沒(méi)有NASA穩(wěn)定的投資與支持，這些商業(yè)公司中恐怕沒(méi)有一家能獨(dú)立維持其空間站的運(yùn)營(yíng)。可以明確的是，NASA下一代軌道實(shí)驗(yàn)室的選拔，不僅取決于設(shè)計(jì)者的技術(shù)水平，同樣受制于政治環(huán)境。

主要參考資料

[1] Commercial Space Stations——NASA

[2] Where are America’s Commercial Space Stations in 2025?

[3] The world’s first commercial space station is getting closer to launch

[4] NASA Sees Key Progress on Starlab Commercial Space Station

[5] Axiom Space gets ready for its commercial space station

>End

本文轉(zhuǎn)載自“高端裝備科技信息研究中心”，原標(biāo)題《美國(guó)商業(yè)空間站計(jì)劃進(jìn)展及發(fā)展預(yù)期》。

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