从1998年曙光号舱段升空算起,国际空间站已经在近地轨道上运行了整整28年。按照最初的设计寿命,它其实早就该功成身退,进入退役阶段。然而现实是,美国与俄罗斯都不愿让这座庞大的轨道实验平台过早谢幕,于是通过不断延寿、维护与升级,使它一路运行至今,成为人类历史上服役时间最长的空间工程之一。
随着在轨时间不断拉长,国际空间站的状态也不可避免地出现各种问题。近年来,空气泄漏事件更是频繁被外界关注。在6月5日的一次处置过程中,俄罗斯宇航员正在对疑似泄漏点进行修复,而为了应对可能发生的突发风险,空间站内另外5名宇航员一度紧急进入载人龙飞船避险,随时准备撤离。经过约2小时紧张维修后,俄罗斯方面暂停作业,局势趋于稳定,进入飞船避险的宇航员也随即返回空间站继续驻留。 正是因为空间站服役时间过长、问题不断累积,安全性越来越难以长期保证,美国方面已经开始着手规划其退役方案。与普通航天器不同,国际空间站体量极其庞大,总重量接近400吨,长度约110米、宽度约88米,整体规模几乎相当于两个足球场,是人类迄今建造的最大、最复杂的在轨航天设施。 如果只是几吨或十几吨的小型航天器,退役时通常会选择直接坠入大气层焚毁,大部分结构会在高温中燃尽,仅有少量残骸可能落入海洋或荒无人烟地区。但国际空间站完全不同,它由多个舱段拼接组成,结构复杂、质量巨大。在再入大气层过程中,它不可能像普通航天器那样整体烧蚀干净,而是会在高温环境下逐步解体,形成大量碎片。这些碎片在超过1000℃的剧烈燃烧与结构破坏中四散分离,可能覆盖极大范围,甚至对地面造成潜在威胁。 因此,国际空间站的退役必须采取极为谨慎的方式,不能任其自然坠落,而必须进行可控离轨。NASA计划在未来几年内,通过专门设计的脱轨飞行器对其进行牵引与引导,使其在受控状态下逐步脱离轨道,并最终定点坠入南太平洋等无人海域,以最大限度降低风险。 为实现这一目标,NASA此前已与SpaceX签署了一份价值8.43亿美元的合同,委托其研制用于引导国际空间站美国舱段退役的美国脱轨飞行器。该飞行器将在龙飞船基础上改造升级,携带超过35000磅(约15.8吨)的推进剂,其整体能力将显著强于现役载人龙飞船。 SpaceX任务管理总监莎拉·沃克(Sarah Walker)介绍称,这一脱轨飞行器将配备增强型结构舱段,不仅增加推进剂储罐,还会集成发动机、航电系统以及独立供电设备,使其具备长时间、高强度轨道机动能力。 该飞行器预计将搭载多达46台天龙Draco发动机,其中16台布置在飞行舱段,用于姿态控制,另外30台分布在加长的躯干结构中,用于提供主要推进力。当它与国际空间站对接后,这些发动机将协同工作,逐步推动空间站降低轨道高度,从约400公里下降至约220公里的过渡轨道。 在这一过程中,空间站内的宇航员将提前乘飞船撤离,整个轨道下降过程预计持续12至18个月。当人员全部撤离后约6个月,美国脱轨飞行器将执行最终点火,推动空间站进入大气层。随后,这座庞大的轨道建筑将在剧烈气动加热中解体燃烧,残余无法完全烧毁的碎片将落入预定的无人海域,实现定点坠海。 不过,即便方案设计得如此精细,实际执行仍然充满复杂性与风险。国际空间站由美俄舱段共同构成,美国负责的只是其中一部分,而俄罗斯舱段并没有对应的独立脱轨系统。一旦整体结构分离,美国舱段在脱离后可能会面临姿态失控的问题,而俄罗斯舱段若缺乏有效牵引,也可能陷入不可控状态,从而带来额外风险。 即便拥有专门的美国脱轨飞行器,也无法保证整个过程万无一失。毕竟国际空间站体量巨大、结构复杂,即使在分离后,美国舱段也可能因受力不均或姿态扰动而偏离预定轨道,导致再入过程出现偏差,使原本精确控制的坠落变得更加难以预测。 与此同时,在讨论国际空间站退役的同时,人们也自然会联想到中国空间站的未来安全问题。目前,中国空间站同样在近地轨道长期运行,预计服役时间将达到十几年甚至更久。在长期太空环境中,它同样面临微流星体与空间碎片的威胁。 国际空间站频繁出现泄漏问题,其中一个重要原因就是长期服役导致的材料老化与金属疲劳。此外,轨道上的高速微小颗粒撞击,也可能造成结构损伤甚至微小泄漏。 相比之下,中国空间站目前运行时间仅5年多,整体仍处于年轻阶段,尚未进入明显的老化周期,因此暂时不存在类似国际空间站那样的系统性风险。 从空间碎片威胁来看,近地轨道环境确实充满高速运动的小颗粒与碎片。对于尺寸较大的目标,人类具备较完善的监测与预警能力,空间站也可以通过变轨进行主动规避。但对于更微小的颗粒,则难以实现完全监测与规避,因此不可避免会发生偶发性撞击事件。 此前,中国的天和核心舱太阳翼就曾遭遇微小碎片撞击,神舟二十号飞船返回舱舷窗也出现过类似损伤情况。为此,神舟十七号航天员曾执行出舱任务,对太阳翼进行了修复,而神舟二十号飞船最终则采取无载返回方式安全返回地球。 从神舟二十三号任务开始,返回舱舷窗玻璃已进行加强设计,以提升抗冲击能力。同时,中国也在系统性提升空间站整体的防护水平。 自神舟十八号任务起,航天员在出舱活动中已开始为中国空间站安装空间碎片防护装置,显著增强了其抵御微小颗粒与碎片撞击的能力。除了结构防护外,中国还建立了完善的航天员安全保障机制,例如载人飞船采用发一备一的运行模式。只要有航天员在轨工作,地面就会同步准备一艘备用飞船,一旦出现紧急情况,可迅速发射升空,将航天员安全接回地面。