“國際空間站”有望延壽至2024年

郭筱曦 李力（ 北京空間科技信息研究所 載人航天工程辦公室）

2014年1月8日，美國航空航天局（NASA）局長查爾斯·博爾登與美國白宮科學技術政策辦公室主任約翰·霍爾德倫發表聯合公報，宣布奧巴馬政府已批準將“國際空間站”現有的運行期限至少延長4年，即延至2024年，目的是讓美國航空航天局和其他航天機構實現更多的關鍵目標，包括發展和支持商業航天與載人空間探索，使“國際空間站”的價值最大化。但近日來，由于俄烏沖突引發的美俄太空合作關系緊張，可能會影響“國際空間站”在2020年之后的運營模式，甚至延壽。

1 延壽討論進程

延長“國際空間站”運行壽命的討論和猜測已持續多年，到聯合公告發布之前，美國政府的官方姿態是只為其提供資金至2020年。

“國際空間站”首個艙段曙光號功能貨艙于1998年發射入軌，建造工作隨之啟動。“國際空間站”美國部分的離軌時間最初定于2016年。美國航空航天局沒有預料到的是，“國際空間站”設計和建造過程中的預算遠遠超過了最初的預計，其建造進度也一再拖延，主要原因就是2003年初發生的哥倫比亞號航天飛機失事事件，此后美國航空航天局兩度停飛航天飛機，“國際空間站”的建造進度受到很大影響。

2010年3月，美國航空航天局、俄羅斯聯邦航天局（Roscosmos）、歐洲航天局（ESA）、加拿大航天局（CSA）和日本宇宙航空開發機構（JAXA）的領導人會面討論“國際空間站”延壽可能性。在一份聯合聲明中，各合作伙伴再次肯定充分開發空間站科學、工程、應用和教育潛力的重要性，并表示沒有明確的技術限制阻礙“國際空間站”從當前的規劃期延長運行至2020年，且有可能到2028年。

截至2013年底，共有93艘俄羅斯“聯盟”系列載人飛船/“進步”系列貨運飛船，37架次航天飛機，3艘“龍”飛船（貨運），2艘“天鵝座”飛船（貨運），4艘日本“H-2轉移飛行器”（貨運）及4艘歐洲“自動轉移飛行器”（貨運）到訪過“國際空間站”。站上共進行過177次航天員艙外活動以支持站體建造和維修。

2 各方反應

美國國內

美國航天界很多人都提倡將“國際空間站”計劃延長至2028年。延壽決定對于空間站擁護者來說至少是部分勝利。政府想讓“國際空間站”延壽需要得到國會的支持。美國航空航天局外聯副局長戴維·韋弗稱，美國航空航天局已經開始接觸參眾兩院的核心成員，反應是積極的。而實際上，多名國會核心成員公開表達了他們對于這一決定的支持。

參議院撥款委員會主席參議員芭芭拉·米庫爾斯基表示贊成延長“國際空間站”運行期限的決定，繼續站上的重要研究意味著納稅人能從中得到最大回報。參議院商務委員會空間小組委員會主席參議員比爾·納爾遜也支持延壽，以他所在州的肯尼迪航天中心為例說明情況，繼續運行“國際空間站”能提供更多工作機會。

眾議院科學委員會資深成員眾議員埃迪·約翰遜對于政府已經與國際合作伙伴關于“國際空間站”延長運行到2024年開始重要對話表示滿意，期待看到政府提案及延壽期間“國際空間站”活動優先級和目標的更多細節。空間小組委員會資深成員眾議員堂娜·愛德華茲給出了類似觀點，但同時表示任何延壽決定都需要確保有必要的資源，從而不會對美國航空航天局在科學、航空和載人探索領域的其他重要任務產生不利影響。眾議院撥款委員會副主席眾議員約翰?克伯森認為延壽是必然結果，且他很高興看到美國航空航天局明白確保美國繼續占據制高點的價值。

國務卿約翰·克里指出，“國際空間站”能夠“推動創新和經濟發展，促進科學進步，并激勵下一代探索者從事科學、技術、工程和數學領域研究和事業”。副國務卿威廉·伯恩斯最簡潔地概括了“國際空間站”延壽的重要意義：“拓展人類足跡到太陽系更遠處、更深更快地推動創新以及使地球上更多人受益于探索和發現，與我們每個人都息息相關。”

美國商業航天聯合會和航天基金會等非官方航天團體也發表聲明表示支持。美國商業航天聯合會會長洛佩茲·阿萊格里亞發表聲明稱，“國際空間站”是美國航空航天局載人航天計劃皇冠上的明珠，延壽決定正值關鍵時刻，為“國際空間站”實現其廣泛且多層面的潛力鋪平了道路。美國航天基金會強烈支持“國際空間站”延壽至2024年的決定，盡管2024年還很遠，但現在及早打算十分重要，懇求國會遵循政府的決定，批準并全額資助延壽計劃。

國際合作伙伴

即使有了國會的支持，延壽決定還要得到俄羅斯、日本、加拿大和歐洲航天局成員國等國際合作伙伴的同意才有意義。盡管多數合作伙伴表達過在2020年之后繼續使用空間站的意愿，但要他們正式達成意見一致并承諾必要資源仍可能花費數年。

公報發表次日的會議是由國際宇航科學院（IAA）組織的航天機構領導人峰會（以下稱華盛頓峰會），會上很多成員國代表都表達了對“國際空間站”延壽方案的支持。

俄羅斯聯邦航天局載人航天項目局局長阿列克謝·克拉斯諾夫表示這是一個積極信號，而且與俄羅斯的想法一致。2011年10月，克拉斯諾夫就曾表示俄方認為單純從技術角度考慮，“國際空間站”服役期完全可延長至2028年，且俄方已制定相關計劃，但“國際空間站”延長運行到2020年之后會面臨一些財政考驗。

俄羅斯在2008年時提出計劃用第三代多艙段近地軌道空間站“軌道載人組裝和試驗復合體”（OPSEK）取代日后服役期滿的“國際空間站”，在其離軌時使俄羅斯的幾個已在軌艙段與其分離，重新配置為以一個球形節點艙為中心的“軌道載人組裝和試驗復合體”空間站，設想作為未來前往月球、火星甚或土星任務的載人行星際飛船組裝點。2010年，隨著“國際空間站”延壽，新空間站計劃也相應向后推了，俄航天官員后來發表聲明證實此計劃仍記錄在案。

意大利航天局（ASI）局長恩里科·薩杰塞、法國國家空間研究中心（CNES）主席讓·伊夫·勒加爾、德國航天中心（DLR）執行委員會主席約翰·迪特里希·韋爾納都表達了對“國際空間站”延壽的支持。但日本宇宙航空研究開發機構理事長奧村直樹表示對美國的決定感到驚訝，日本宇宙航空研究開發機構和其他合作伙伴一樣只承諾到2020年，會立刻在日本政府內部展開關于進一步延壽的研討。

盡管形勢樂觀，但讓國際合作伙伴出資援助才更具挑戰性。韋爾納指出德國是“國際空間站”運營成本歐航局份額的最大出資方，其他成員國對繼續參與會持更為保留的態度，部分成員國因經濟危機正在削減經費，歐航局方面關于“國際空間站”未來走向的討論過程也非常復雜。

歐洲航天局載人航天主管托馬斯·賴特爾曾指出，歐航局所做的任何支持“國際空間站”運行的決定都要聯系到歐洲在地球軌道以遠載人探索規劃中的作用。2013年1月，歐航局與美國航空航天局正式達成協議，為其在研的“獵戶座”飛船建造服務艙；2014年1月，歐航局宣布已與美國內華達山脈公司簽訂協議，為其根據美國航空航天局“商業乘員”計劃在研的追夢者號小型載人飛機提供硬件。日本也會從空間站延壽中獲益，且美國航空航天局已經在與日本宇宙航空研究開發機構討論多訂購3艘“H-2轉移飛行器”的事宜。

3 “國際空間站”延壽的主要障礙

延壽公告被視為“國際空間站”的一個重大里程碑，但即使是美國航空航天局官員也承認這僅是漫長進程的開端，接下來還要爭取美國國會和國際合作伙伴的支持。阻礙他們做出決定的主要因素包括技術和財政方面。

技術障礙及評估

首先，“國際空間站”個別艙段面臨超期服役問題。到2024年，首個艙段曙光號功能貨艙（設計壽命15年）以及團結號節點艙等在軌將超過26年；于2000年發射的艙段和部分，如星辰號服務艙、P6桁架段和尋求號，在軌將滿24年。在2011年之前，航天飛機能將站上的故障或破損部件運回地面進行維修。但航天飛機已經退役，商業貨運飛船未來能否具備這一功能還未可知，大型部件的運輸則更加困難。“國際空間站”能否安全且狀態良好地運行至達到設計壽命之后？美國航空航天局的答案是：可以。

波音公司的技術評估

波音公司針對“國際空間站”延壽所做的技術評估于2013年秋季完成并提交給美國航空航天局，重點是空間站的美國在軌段。風險評估主要關注艙段和其他結構與桁架的銜接點處的應力，高壓供氧管線循環回路，以及太陽電池翼年久退化導致的供電不足等隱患。其他老化問題可能不會立即構成安全性風險，但會造成累積損害。最主要的是微流星體撞擊問題，此外還包括輻射、熱循環和桁架結構反復撓曲等問題。美國航空航天局表示今后每年都會重新進行評估。

（1）結構完整性

盡管站體看起來似乎是剛性結構，但在各種載荷作用下會彎曲和撓曲。年復一年的撓曲對站體的結構完整性造成威脅。為評估站體結構的長期健康狀態，波音公司工程師根據美國航空航天局的預計使用情況開發了詳細的計算機模型，考慮到由對接、軌道提升、乘員活動和熱循環引起的應力，并結合來自站上加速計和應變儀的實際數據。目的是表征整個站體各處的應力，確定隱患區域并查明延長任務期間的變化趨勢。

重復性熱應力和機械應力是其中一個關注點。另一點則是確保周期性發動機點火或其他活動不會過度“激勵”站體結構，建立某種諧振蕩，而諧振蕩是需要嚴格避免的。站上熱應力最高的區域之一是位于P6太陽電池翼基座處的集成電子組件。P6桁架段發射于組裝階段初期，且由于該太陽電池翼旋轉跟蹤太陽，P6集成電子組件承受的熱量比其他部組件更高。

波音公司“國際空間站”項目經理表示，絕大多數結構和機械部件都能支撐到2028年，包括P6桁架段在內的部分結構件需要額外進行有限元模型分析，但總體上問題不大。

（2）系統能否承受與結構疲勞無關的災難性故障

即使結構健全，空間站仍面臨著由微流星體撞擊或與空間碎片碰撞而引起災難性故障的可能性。空間站一直遭受著持續、密集的顆粒撞擊，其中一些是站體本身的少量碎屑，撞擊有可能破壞站體所有的外部結構。空間站設計能夠在壽命期限內承受一定程度的撞擊，而飛控人員通常對需要空間站機動規避的來襲目標處于警戒狀態。

波音公司工程師主要關注空間站上連接至探索號氣閘艙的高壓氧氣瓶和管線等系統。其他同樣重要的系統包括氨冷卻劑循環回路和散熱器，但這些部位即使發生故障也只會影響空間站的運行，而不會威脅它的安全。

（3）關鍵備件的可用性

確保目前在軌的部組件有可用的備件，或在故障可能發生前已進入發射準備程序。目前有超過1t備件正準備發射，用于升級空間站首個艙段曙光號，另有大量部組件正在生產中，包括高壓氧氣瓶和氮氣瓶及氨冷卻劑泵。

太陽電池翼本身就會隨時間推移而退化，這是在空間飛行的自然結果，但波音工程師認為它們能滿足空間站在2020年前的供電需求。隨著太陽電池翼發電效率的不斷降低，在空間站運行到今后的某一時刻，現有的太陽電池翼可能只能為美國艙段供電，俄羅斯艙段可能不得不依靠自己的太陽電池翼提供電能。

（4）主要組件的期望壽命

波音公司對電氣元件進行了自上而下的分析，以確定易受長時間儲存影響而失效的內部系統。已經確定的問題是可編程計算機芯片隨時間推移因某種方式損失了內部電荷。

假設主體結構符合要求且使用期內沒有出現阻礙因素或災難性故障，則確保備件的穩定供給仍將是空間站運行到2020年及以后的主要技術挑戰。

財政障礙

聯合公報僅是一份未備資金的意向聲明，此后必須經美國國會批準并提供財政支持，而無論是美國航空航天局還是白宮都沒有透露，延壽所須資金將從何而來。當前，美國航空航天局用于空間站運行的投入約為每年30億美元，延壽4年意味著要從美國航空航天局預算中分出約120億美元。而如果其他合作伙伴不支持美國的延壽決定，現在由合作伙伴承擔的費用也將轉嫁給美國。迄今為止，“國際空間站”成本已超過1600億美元，其中大部分由美國承擔，約為1000億美元。美國的空間政策專家警告，如果預算沒有大幅增加，美國航空航天局今后可能無力同時負擔“國際空間站”維護和地球軌道以遠的探索計劃。

其次，受維護成本制約，各國際合作伙伴似乎都越來越不愿意在2020年后將本國為數不多的載人航天經費用于維護一座已在軌運行超過20年的近地軌道空間站。歐航局局長讓·雅克·道爾登在華盛頓峰會上宣布歐航局計劃在2015年削減“國際空間站”歐洲部分運行經費的30%，但目前拒絕透露細節。

最后，商業載人亦會受到財政緊縮影響。2010年，根據奧巴馬政府為美國航空航天局“商業乘員”計劃申請的每年8億美元經費預測，到2015年之前，商業太空公司將能夠進行載人發射。即使空間站按原計劃于2020年退役，五年的商業乘員服務時間也足以刺激近地軌道商業市場的發展了。但事實上進展并不順利。美國航空航天局局長在2013年4月曾證實，除非國會批準從2014財年到2016財年每年8.214億美元、共計34.3億美元的撥款申請，否則商業載人首飛時間將從當前的2017年11月推遲到2018年。

進入2013年以來，美國財政深陷“自動減赤”困局，這是一種全面預算削減機制，在未來10年時間內削減1.2萬億美元的赤字，旨在降低現有項目的規模和范疇。多方預測這一機制將會嚴重影響美國航空航天局的預算。所幸，從2014年1月13日發布的2014財年美國政府綜合撥款法案來看，美國航空航天局本財年的經費與預算申請相差無幾，還略高于上一財年的撥款。

綜上所述，關于如何權衡載人航天的未來，美國航空航天局和眾多國際合作伙伴都面臨著相當艱難的抉擇。

4 美國在“延壽”問題背后的考慮

鞏固載人航天領導地位的需要

美國航空航天局和白宮在公報中明確指出，“國際空間站”延壽將有助于繼續鞏固美國在載人航天領域的領導地位，保持以美國為領導的國際合作伙伴關系，并在更廣泛的領域促成美國的全球領導力。

2013年4月，美國航空航天局局長表示美國將不再追求重返月球的目標，從而確保將全部精力集中于載人小行星和火星任務。不重復已經實現的載人登月成就，轉而投向無先例的載人活動，也是美國鞏固載人航天領導地位的一種方式。更進一步講，美國航空航天局未來前往火星或其他深空目的地的載人任務也需要“國際空間站”，不只是作為組裝中轉站或發射平臺，更重要的是作為解決醫學和生命保障難題的研究和試驗設施，以期滿足長期太空飛行的需要。在這方面，美國航空航天局期待將于2015-2016年進行的長達1年之久的美俄航天員聯合考察。再考慮到中國將于2020年左右建成自己的載人空間站，時間點恰與之前“國際空間站”的壽命終止時間重合，美國可能不愿將自己在載人航天領域最后的優勢地位拱手讓人，而使中國空間站成為唯一在軌運行的載人空間站。

空間安全與防御方面的需求

隨著空間技術的迅速發展，外層空間得到了廣泛的開發和應用。空間力量的作用日益凸顯，空間安全備受關注。近年來各航天大國都在積極拓展和提高空間態勢感知能力，重點發展天基空間監測能力，搶占空間戰場的“制高點”，為未來空間作戰提供及時、準確的空間目標信息。在2014財年的預算申請中，美國空軍將改進空間態勢感知能力繼續定為優先事項。截至2014年初，已加入美國雙邊空間態勢感知數據共享國家名單的包括日本、意大利、澳大利亞和加拿大，美、法也將簽署最終協議。

“國際空間站”具備自動化的信息收集、傳輸和處理以及天基觀測功能，站上的日本希望號實驗艙機械臂及暴露平臺具有釋放小衛星的能力，因此在空間態勢感知方面具有一定潛能，如在軌釋放地面難以觀測到的小衛星，抵近監測目標。此外，對處于地基觀測盲區的小傾角低軌目標也有補充監視的作用。

建站完成后“全面應用”的期望

2011年航天飛機計劃的最后一次飛行完成了“國際空間站”的建造，后續還要進行一些較小的調整。俄羅斯計劃2014年用一個多用途實驗艙替換目前在軌的碼頭號對接艙，而美國航空航天局也宣布2015年將與畢格羅宇航公司合作在站上臨時增加一個試驗性充氣艙。如今的情況不同于10年前，更多的問題已經不是如何完成建站，而是怎樣應用和能應用多久。

如前所述，美國航空航天局和空間站研究擁護者將“國際空間站”視為未來載人探索規劃和科學研究的關鍵和基石，并且能夠用作將來商業研究活動的先驅。美國航空航天局認為空間站的真正效益在于它能做的比現在進行的政府研究多得多。

鑒于目前除俄羅斯外的其他國際合作伙伴都對進一步延壽持觀望態度，因此，站上研究所獲得的收益能否收回他們的巨額投入，將成為他們是否繼續投資的關鍵。歷史經驗證明，這是一個嚴峻的挑戰，考慮到幾十年前關于微重力研究的收益承諾到現在也未能實現。

進一步推進商業航天發展的愿望

延壽決定可能還會影響美國商業載人航天器的發展。目前，美國航天員只能乘坐俄羅斯“聯盟”飛船進入“國際空間站”，俄羅斯也因此對美國施行了“坐地起價”，迫使美近年來大力發展商業載人航天。

系統通過OPC技術實現和DCS之間的通信，通過SIS,ITCC內部協議實現與SIS,ITCC的通信。在該公司8套裝置現有OPC Server節點上各加1塊網卡并配置獨立于現有各DCS的網段和IP地址，統一通過報警管理數據采集Buffer機進行通信。為了保證安全，1號加氫SIS和ITCC設立單獨的數據采集機后再連接到報警管理數據采集Buffer機。

“國際空間站”延壽決定將改變包括太空探索技術公司和軌道科學公司在內的美國航空航天局商業貨運承包商看待問題的角度，并將拓寬其規劃周期，商業航天現在有了更廣闊的市場。繼續運行空間站鼓勵更多的商業公司進入市場，有助于進一步降低航天成本。

“商業乘員”計劃同樣有望從延壽中獲益。美國商業載人的首次發射不會早于2017年，考慮到延壽之前“國際空間站”2020年的運行期限，將最多只有3年時間，用于從美國本土發射美國航天員。目前太空探索技術公司、波音公司和內華達山脈公司已進入“商業乘員綜合能力”（CCiCap）進程的沖刺階段，相應的載人型號“龍”飛船、乘員航天運輸－100載人飛船和“追夢者”小型載人航天飛機已完成一系列里程碑，逐步滿足美國航空航天局的載人航天安全要求。

延長“國際空間站”運行也許會為美國推動近地軌道商業化運作注入新的動力：與商業公司合作運行“國際空間站”，建立公私合作伙伴關系，逐步將“國際空間站”的財政支持性質從政府轉為商業。商業公司有能力吸引資本并提供投資回報，如近地軌道進入途徑是商業太空公司和支持者所認為的利潤中心，那“國際空間站”的商業運行應不止可能，而且有利可圖。盈利可能性將有助于商業空間市場的合法化，并鼓勵投資者為商業乘員運輸提供資金，達到填補當前資金缺口的額度。通過運行“國際空間站”獲利，商業公司可積累所需的空間運行經驗和政治影響力。

但俄羅斯副總理羅戈津在“烏克蘭問題”激化后表示，美國對俄發起的制裁可能影響派駐“國際空間站”的美國宇航員。5月13日他公開表示，俄羅斯將拒絕美國此前提出2020年后繼續維持國際空間站運行的提議。

5 對我國的影響

中國國家航天局（CNSA）新任局長許達哲和中國載人航天工程辦公室主任王兆耀都出席了“國際空間探索論壇”。美國航空航天局局長博爾登會見了許達哲。許達哲局長在1月10日的峰會上表示，非常高興聽到“國際空間站”延壽的消息，但并不因為中國對參與這個項目感興趣，中國正在研制自己的載人空間站，并將于2018-2020年間建成，如果“國際空間站”繼續運行到2020年之后，我們在太空上也有了同伴。

波音公司在研的乘員航天運輸－100載人飛船示意圖

此次峰會的多國設置允許美國和中國的航天機構最高領導人對話，而沒有違反禁止中美航天合作的美國法律。該法由參議員弗蘭克·沃爾夫（弗吉尼亞州共和黨）起草，主要出于國家安全和人權理由。但美國航空航天局表示，過去與中國已有航天項目方面的合作，而美國航空航天局局長博爾登也曾正式參觀過中國的載人航天發射場。

博爾登指出，中國已經參與過“國際空間站”活動，包括由“阿爾法磁譜儀”代表的前沿科學計劃。但這并不代表中國會被邀請加入合作伙伴關系。據他所說，現有的空間站合作伙伴都不愿重啟協議讓新成員國加入，起草和制定協議是令人不快的過程，各成員組織都更樂意讓其他國家以“參與者”的身份加入。博爾登最后說，在可預見的將來，中美載人航天沒有合作可能，至少現在阻礙合作的局勢還沒有改變。然而，沃爾夫作為分管美國航空航天局經費的眾議院撥款小組委員會主席已表態今年不會再次競選。

對于美國禁止中美航天合作的法案，許達哲表達了開放的態度，他表示中國愿意和世界各國包括美國、也包括其他發展中國家進行合作，秉承合作開發共享太空的理念，著重在載人航天、深空探測、空間科學和空間應用四個領域開展國際合作，讓空間開發的成果能夠造福全人類。許達哲還表示，中國與歐盟和俄羅斯等國，在航天領域上都有合作，中美因政治因素停止交流，但此次美方特別邀請中方來參加論壇，仍然展現出了積極信號。

不管“國際空間站”是否進一步延壽，由于艙體老化，我國2020年左右建成的空間站都將是一個很有競爭力的空間科學研究平臺。在手握核心資源的條件下，我國可以進行更廣泛的國際合作，在合作中也將得到更多的實際利益。