陳藍：中國空間站，如何彎道超車？

【2016年4月24日是首個“中國航天日”，空間站建設是中國航天的重要項目之一。中國航天科技集團五院新聞發言人王中陽近日表示，正在開展空間站核心艙初樣總裝集成測試、光學艙方案設計，新型縮小比例飛船返回艙正進行出廠前的各項測試，預計在2018年前後完成研製併發射“天和一號”空間站核心艙。

本文作者認為，中國空間站如果能與國際空間站共軌，將達成多方共贏的局面，而且將促使“主要航天國家轉而和中國共建第二國際空間站，中國在國際空間站退役後將成為載人航天領域（至少在近地軌道）的主導者”。雖然調整為共軌需要克服政治上的困難，但目前仍有操作的空間。】

前不久，中國載人航天工程辦公室宣佈，天宮一號的功能已於近日失效，它的軌道將逐步降低，最終將再入大氣層燒燬。原來人們普遍預期，今年天宮二號發射後，將和天宮一號實現同時在軌飛行，並能利用這種機會開展相關實驗。如果同時在軌飛行和相關實驗能夠實現，那可能會是歷史上第二次兩個空間站協同工作。但從目前的情況看，這種可能性已經不復存在。

回顧歷史，兩個或多個空間站同時飛行的情況有不少，如美國的天空實驗室和前蘇聯的多個禮炮號，國際空間站和天宮一號，以及禮炮號空間站新老更替時的短期重疊。但這些空間站當時都是相互獨立的，並未進行任何協同工作。唯一的例外是在1986年，前蘇聯聯盟T-15號飛船發射後先後對接了剛剛發射的和平號和即將退役的禮炮七號空間站，並將部分設備從禮炮七號帶到了和平號。這是歷史上唯一一艘對接兩個空間站的飛船，也是歷史上第一次空間站之間的人員和設備轉移。

國際空間站，由奮進號航天飛機機組攝於2011年5月29日。這是航天飛機的倒數第二次飛行，將阿爾法磁譜儀（AMS）送上了國際空間站。該照片是在航天飛機脱離空間站後拍攝的。（圖片來源：NASA）

要完成這樣的任務需要兩個空間站位於同一軌道。實際上，共軌所帶來好處遠不止1986年的飛行所演示的，它還能提供以下極為重要的功能：

·相互救援：當一個空間站發生緊急情況且它的逃生飛船也損壞的情況下，只要任一空間站上還有一艘載人飛船，它就可以將人員轉移到另一個空間站，以等待後續飛船返回地球。兩個空間站都為對方提供避難所。人類航天飛行史上還沒有實現過這種能力，它將給雙方的乘員帶來雙重的安全保證。

·相互支持：兩個空間站能提供很多基本能力的冗餘和備份，能互相支援。這尤其在其中一個空間站缺乏某些功能時發揮作用。比如，可以共享軌道提升航天器、存儲空間和給養、天地通信數據鏈路、在軌醫學支持，以及備用對接/泊接口，等等。如果沒有這樣的相互支持能力，如目前國際空間站，相同的工作將需要更多的花費，甚至需要額外進行一次發射才能完成。

·聯合實驗：它使得某些需要雙空間站才能進行的實驗成為可能。例如，激光通信、長基線天文觀測，等等。此外，雙空間站也使科學家可以在兩個空間站上同步進行相同的實驗以便比較結果。事實上，它為很多我們從來都沒有想象過的創新實驗打開了一扇門。

·艙段延壽：兩個空間站共軌還帶來了一個可能性，就是它們的艙段可以互換。一個空間站退役，它上面未到使用年限的艙段可以轉移到另一個空間站繼續使用，直到它的使用年限，使投資能得到充分利用。

·載人編隊飛行：在太空時代早期，曾經出現過兩艘載人飛船近距離編隊飛行。但那都是短時間的飛行。載人編隊飛行對未來載人深空任務可能是很有價值的。它為長期載人航天任務提供了更多的冗餘和靈活性。共軌空間站提供了這樣一個機會，可以實驗這一概念。

我們可以將這樣的共軌空間站稱為“空間站編隊”。它們飛行在同軌不同位置，能獨立工作，但又相互協同。所以，這樣的編隊可以被看作為一個整合的“虛擬空間站”，既能起到單一空間站所起到的許多作用，更能提供更大的安全性和單一空間站所不能提供的功能。編隊中還能不斷加入新的空間站，比如Bigelow公司的商業空間站，來進行擴展。

我們在這裏提出的建議，就是將研製中的中國空間站發射到國際空間站同一軌道，但相隔一定距離，比如100公里。兩個空間站都是獨立運行的，但它們共同工作，相互支持。來訪的載人飛船或貨運飛船能很快地從一個空間站轉移到另一個。這個設想將世界上所有國家的載人航天計劃納入統一框架。它不僅能從技術上大大提高飛行的安全性、獲得更多的科學回報，而且在政治上，也能進一步延續國際空間站的合作精神，並使中國對人類做出更大的貢獻。

中國的得與失

前面已經羅列了空間站編隊的優點。對中國而言，編隊飛行提供的安全性尤為重要，因為和俄美相比，中國缺乏空間站長期運行的經驗。一旦發生類似和平號曾經發生的意外碰撞（導致一個艙段失壓）、火災和控制電腦故障等問題，附近國際空間站能提供的救援能力就顯得尤其重要。

由於通信和對接口兼容，地面上美、俄等國的載人飛船和貨運飛船也能提供緊急救援發射。位於國際空間站軌道後，從拜科努爾和東方港發射場發射的救援飛船也可以到達中國空間站，安全性進一步得到加強。另一方面，在神舟飛船或貨運飛船因故停飛的情況下，也能依賴他國飛船（包括商業飛船）繼續空間站的運行，就如航天飛機停飛期間美國可繼續國際空間站的工作一樣。

中國空間站想象圖。（圖片來源：互聯網/中國載人航天工程辦公室）

此外，提高軌道傾角與國際空間站共軌，還能帶來一些額外的好處。例如，擴大了對地觀測的範圍，能覆蓋中國、美國、日本的全部，以及歐洲大部分。如果需要的話，中國空間站的共軌自由飛行天文望遠鏡也可以在國際空間站進行在軌維護。

政治方面，前面已經提到對弘揚合作和擴大中國影響力的意義。從具體實施層面上來説，中國空間站的擴展計劃從技術上已經考慮了國際合作和對接其他國家的艙段，未來完全有可能成為第二國際空間站。中國正在通過聯合國外空委積極推進空間站的國際合作。但到目前為止並未看到實質性進展。吸引主要航天國家（如歐洲和俄羅斯）參加中國空間站存在很多具體困難，其中預算和資金是主要問題之一。與國際空間站共軌使得這個計劃實現的可能大為增加。

國際空間站部分艙段（如歐洲的哥倫布艙和俄羅斯的多功能實驗艙）發射時間較晚，有較長的剩餘壽命。如果共軌，在國際空間站退役後，它就可以很容易地轉移到中國空間站，繼續發揮作用。對歐洲和俄羅斯來説，由於無需鉅額投入，實施可能性很大。如果主要航天國家轉而和中國共建第二國際空間站，那麼中國在國際空間站退役後將成為載人航天領域（至少在近地軌道）的主導者，國際影響力和話語權必然大大增加，就如美國目前通過國際空間站實現的地位一樣。

但如果中國空間站未能實現和國際空間站共軌，那麼這種可能性將大大降低。也許有一些發展中國家會與中國合作，但無論是資金還是技術，他們的貢獻以及因此產生的科學成果都將非常有限，到最後還是中國自己玩的遊戲。這和主要航天國家參與的合作不可同日而語。

另一方面，對中國來説，將自己的空間站發射到國際空間站軌道，必須解決以下兩個技術問題，並需要一定的資金投入：

·發射運力問題。國際空間站軌道是一根傾角51.6度、高度400公里的圓軌道，比計劃中傾角42-43度的中國空間站軌道傾角更大。計劃發射空間站艙段的長征5B型火箭，發射神舟飛船的長征2F和天舟貨運飛船的長征7號火箭都可能存在少許運力差距。通過適當減少發射時艙段和飛船攜帶的推進劑和設備，或者將國際空間站降軌到350公里（如國際空間站2011年前使用的350公里高度軌道），應該能解決這個問題。中國空間站完成後，仍可用貨運飛船將兩個空間站提升到400公里軌道。

·測控站和着落場問題。傾角的改變也改變了發射落區和着陸路徑，使得現有的部分測控站和酒泉附近的備用着陸場無法使用。可能需要在酒泉的東南（新的發射落區）新建測控站，並在內蒙四子王旗西南新建測控站和備用着陸場（用於彈道式再入緊急着陸）。同時，印度洋、文昌附近可能需要重新部署測控船。世界各地的緊急着陸點也必須重新規劃和準備。

目前離開中國空間站的第一個試驗性核心艙的發射（2018）還不到三年。如果要實現這裏建議的空間站編隊，即使不考慮政治上可能存在的問題，技術上的實現也面臨非常大的挑戰。不過，按目前計劃，試驗性核心艙發射後如果一切正常，它將直接作為空間站建造基礎。如果它不滿足在軌建造空間站條件，則會再發射一個改進的核心艙。因此，存在另一個方案，就是試驗艙仍然發射到42-43度軌道，但不再作為空間站核心。2020年左右，將正式的核心艙發射到國際空間站軌道。這樣可以爭取到兩年時間，雖然試驗艙不能再利用，但如果能實現空間站編隊，仍然是值得的。

總而言之，通過共軌和國際空間站合作，對中國來説絕對是利大於弊，得大於失。

中國空間站設計軌道。此圖顯示天宮一號軌道。按目前計劃，中國空間站將採用相同傾角的軌道。可見俄羅斯兩個發射場均在軌道最北點以北，美國北部地區，包括五大湖，也在軌道覆蓋範圍以北。（圖片來源：陳藍/Sebastian Stoff）

國際空間站軌道，可觀察美國北部地區，也在俄羅斯兩個發射場可達範圍內。（圖片來源：陳藍/Sebastian Stoff）

軌道圖説明：曲線為空間站飛行軌跡地面投影（顯示最近三圈）。TIANGONG-1為天宮一號，ISS為國際空間站。紅點為航天發射場。JSLC為酒泉衞星發射中心，WSLC為文昌航天發射中心，KSC為美國航天局肯尼迪航天中心，Kourou為歐洲航天局庫魯航天中心，Baikonur為俄羅斯租用的哈薩克斯坦拜科努爾航天發射場，Vostochny為俄羅斯新建的東方港航天中心。水平紅線為軌道所達最高緯度。

歐洲的角色

實現兩個空間站的編隊，不光中國受益，國際空間站夥伴國的受益可能更大。國際空間站已經在軌運行17年多。到2024年（或2028年）退役的時候，它的連續工作時間將超過25年（或29年）。老化的設備將成為最大的安全隱患。空間站編隊帶來的安全保障對國際空間站來説會變得越來越重要。

國際空間站退役後，參與國的載人航天計劃將面臨重大選擇。對歐洲來説，除了跟隨美國投入深空任務，似乎並沒有更多的選擇，這意味着放棄近地軌道的活動。和中國空間站合作，可以打開一扇新的大門，繼續保持近地空間的存在。對俄羅斯來説，能否獨立實施自己的空間站計劃似乎也存在很多問號。和中國的合作可能也是一個好的選擇。如果兩個空間站的編隊計劃得以實現，那麼他們在國際空間站較新的幾個艙段，比如歐洲的哥倫布艙和俄羅斯的多功能實驗艙（將於2017年發射）可以直接轉移到中國空間站繼續工作。

對這個建議來説，政治障礙可能遠遠大於技術障礙。在去年十月耶路撒冷召開的國際宇航大會期間，資深航天記者彼得·塞爾丁（Peter De Selding）在推特上報道了新任歐洲航天局長沃爾納（Johann-Dietrich Wörner）的發言，他説他希望中國放棄自己的空間站，轉而加入國際空間站。雖然願望良好，但這是一個極為天真的想法。他可能完全不瞭解中美航天合作的歷史。

中國從1990年代末到2000年代中多次表達過參加國際空間站的意願，但都被美國方面拒絕了。美國國會到目前為止都沒有改變對中美航天合作的態度。而在中國方面，也不可能在自己空間站的核心艙段還不到三年就要發射的時候，轉而放棄自己的獨立性和長期計劃參加國際空間站，然後將自己的載人航天計劃捆綁在還不到10年就要退役的國際空間站上。俄羅斯制定的分離自己部分艙段的計劃，以及烏克蘭危機帶來的問題都提醒中國不要重蹈俄羅斯的覆轍。中美之間還有潛在的全球和地區利益衝突的可能性。中國未來可能面臨俄羅斯今天面對的情況，甚至更為嚴重。

鑑於以上情況，即便是這個難度相對較小的空間站編隊建議，由中國方面單方面推動也是不現實和不合理的。為實現這個計劃，中國方面需要做的工作最多，投入最大，承擔的風險也最大。只有在合作方展示誠意並信守承諾的情況下，中國方面才會積極參與。美國態度的改變是合作的前提。實現這一計劃最合適的牽頭者和推動者應該是歐洲，或者説歐洲航天局。歐洲需要完成以下任務：

·説服美國改變對中美航天合作的態度，告訴美國這樣的合作也符合美國利益。由於空間站編隊雙方都具有獨立性，美國改變態度的可能性是存在的。有樂觀的理由。

·規劃和制定空間站編隊的實施方案，協調包括中方在內的各方並完成必要的技術工作，包括保證對接/泊接口兼容、數據通信系統的集成、建立協同的任務管理和控制系統，等等。對所有這些工作，歐洲航天局從國際空間站獲得的經驗將會提供極大的幫助。

·協調歐洲和國際空間站其他夥伴國的資源，為中國計劃的修改導致的工作提供支援。例如，ISS降軌的實施。又如，利用歐洲EDRS中繼衞星，乃至NASA的TDRS或俄羅斯的Luch系統來部分替代中國計劃新建的測控站，等等。

要在三到五年內完成上述工作並非簡單任務。但目前存在的機會和窗口非常難得，一旦錯過可能以後很長時間將不會出現。我們也相信這裏提出的建議在技術上和政治上都具有可行性，且是代價最低，最容易實現的合作方案。剩下的時間已經不多。這需要雙方強烈的意願和果斷的決策，只有這樣才能克服一切挑戰。我們希望中國國家航天局、歐洲航天局、美國航空航天局能夠迅速行動起來，抓住機會，繼國際空間站之後，再次改變未來幾十年人類載人航天的歷史。

（作者陳藍，英文電子雜誌“Go Taikonaut”創辦人之一，該雜誌旨在向英語世界普及中國的航天成就。）

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