2022開年不久就遭遇「黑天鵝」事件。俄烏戰爭不僅改變了政治格局,也影響到了太空。隨著俄美關係迅速惡化,甚至走向斷交邊緣,以俄美為主建造的國際空間站的命運也迅速變得不確定起來。

讓我們回顧一下。2月25日,即戰爭爆發第二天,俄羅斯國家航天公司總經理羅戈津就發聲,稱制裁將危及國際空間站並會導致其失控墜落,因為只有俄羅斯艙段才具備維持空間站軌道的能力。俄羅斯國家航天公司還放出了一段動畫,顯示俄羅斯段從國際空間站脫離的過程。這段視頻令西方很多人感到震驚。

3月14日,羅戈津稱已經給空間站夥伴國發去信件,要求他們研究解除制裁的問題並在月底前答覆。俄羅斯將在之後做出是否終止合作的決定。

NASA、歐洲航天局和加拿大航天局都在3月31日前做出了響應,表示將繼續支持國際空間站,卻對制裁不置一詞,實際就是拒絕了俄羅斯的要求。

這是預料之中的結果。不過,俄羅斯並未馬上宣佈終止合作關係,而是將最終決策提交到了更高的決策層。4月12日,羅戈津表示,即使決定不再繼續合作,俄羅斯也將履行自己在國際空間站方面的所有國際義務。

另一方面,在戰況越來越膠著的同時,俄美空間站合作卻在照常進行。3月18日,聯盟MS-21飛船將三名俄羅斯宇航員送上了國際空間站。3月30日,美國宇航員馬克•范德•海乘坐聯盟MS-19飛船返回地球。關於俄羅斯將會把他丟棄在空間站的傳言不攻自破。

顯然,和開戰初期相比,俄羅斯為自己留下了更多的餘地。不過,俄羅斯去年4月就已經宣佈,將在合作協議於2024年到期之後正式退出國際空間站項目。所以,不管高層最終如何決定,俄羅斯在未來兩年內退出國際空間站一事不會有太多變數。

其實俄羅斯多年前就開始謀劃在退出國際空間站之後建造自主的空間站。這個計劃一直在調整和修改,規模不斷縮減。它的最新方案是一個短期有人訪問的極軌空間站,名為ROSS。它的全部艙段都是新研製的。

至於國際空間站俄羅斯段,理論上它分離後能獨立工作。但其最早的艙段壽命已經超過20年,恐怕也用不了多久了。由於和計劃中的極軌空間站傾角差距懸殊,國際空間站上的現有艙段不可能轉移過去繼續利用。

俄羅斯一直都有宏偉的計劃,但它的航天工業規模和實際能力卻一直在萎縮,所謂心比天高、命比紙薄。這是它的經濟結構、政治環境和人口趨勢所決定的,一時無解。

俄烏戰爭帶來的國際制裁將進一步打擊俄羅斯經濟,巨額的戰爭費用也會加重經濟的負擔。可以預料,俄羅斯民用航天發展將愈加困難,有限的資金也會集中到軍用項目上。耗資巨大的極軌空間站大概率會被擱置,甚至變成永遠的夢想。

但作為一個航天大國,作為人類第一個發射人造衛星、載人飛船和空間站的國家,驕傲的俄羅斯是不會輕易放棄載人航天和空間站的。

可是,國際空間站上俄羅斯的曙光號和星辰號已經十分老舊,已出現裂縫並發生過洩露事件。俄羅斯段從國際空間站上獨立出來後隨時可能出現嚴重問題,甚至雪崩式失效。一旦發生這種情況,俄羅斯將即刻被「打回地球」。對俄羅斯來說,退出國際空間站後盡快恢復載人航天能力已經刻不容緩。

所以,和中國合作就變成了一個很有吸引力的想法,甚至是唯一選擇。事實上羅戈津已經表達了這個意願。將於年底前建成的中國空間站具備姿控、軌道維持和變軌、能源電力、出艙維護、貨運供給等能力,也預留了遠期擴展位置。

羅戈津表達加入中國空間站的意願(圖源:CGTN)
羅戈津表達加入中國空間站的意願(圖源:CGTN)

俄羅斯發射艙段對接中國空間站,能以最快的速度、最低的成本重建空間站科研能力並延續它的載人航天計劃,填補自主空間站建成之前的空檔期。

未來俄羅斯經濟狀況好轉,它還有一個比極軌空間站風險更小的選擇,就是向中國空間站繼續發射更多艙段,最終形成能獨立工作的俄羅斯段,就像在國際空間站上那樣。如果需要,它也能分離出來成為獨立空間站,和中國空間站共軌運行。共軌空間站有很多優點,我們下面還會提到。

對俄羅斯來說,這是一個捷徑。但技術上是不是可行?能不能滿足俄羅斯的需求?我們來分析一下。

有人認為中俄對接口不兼容是最大問題,其實不然。且不說中國對接機構本來就是參照國際空間站美國段早期使用的俄羅斯APAS-89/95異體同構周邊式對接機構設計的,差異很小,即使是完全不同的對接口,增加一個小小的轉換模塊就能輕易解決兼容性問題,費用也不會太高。

比如,國際空間站為了接納採用最新NDS對接口的載人龍飛船,增加了一個NDS到APAS-95的適配段。又比如,上世紀蘇聯/俄羅斯和平號空間站為了對接美國航天飛機,專門建造了一個對接艙,其一邊是蘇聯所用的桿-錐式對接口,另一邊是匹配航天飛機的APAS-89對接口。

如果是新研製的艙段則更簡單,只要中國提供一個對接機構,問題就解決了。當初航天飛機上對接和平號的對接機構就是俄羅斯提供的。

最大的問題其實是軌道傾角。俄羅斯現有發射場緯度較高,拜科努爾北緯45.6度,東方發射場北緯51.5度,都無法直接將空間站艙段和聯盟飛船發射到中國空間站所在的41.5度傾角的軌道。

去年6月,俄羅斯曾透露,它希望和歐洲航天局談判,將歐洲航天局庫魯航天中心現有的聯盟發射台進行載人化改造,以支持聯盟飛船飛往中國空間站和月球軌道。庫魯位於南美法屬圭亞那,靠近赤道,可以發射任意傾角的航天器。不過,在俄烏戰爭爆發後的今天,這個可能性已經歸零。俄歐原有的航天合作已經全部終止,不用說設想中的計劃了。

不幸的是,改變傾角的變軌需要很大的能量。根據筆者計算,如果要從45.6度傾角、400公里高度的圓軌道變軌到41.5度傾角同高圓軌道,需要大約0.54公里/秒的速度增量。聯盟號/進步號飛船自帶推進劑大概只有800公斤,即使用盡也只能提供不到0.4公里/秒的速度增量。優化火箭和彈道後也許能勉強到達。但推進劑用盡後,飛船已無法完成後續任務。

而要從51.6度變到41.5度,所需速度增量則高達1.34公里/秒。如此大的速度增量已經遠超火箭末級和飛船自身能力。這就是早先俄羅斯尋求歐洲航天局合作在庫魯發射聯盟號的根本原因。

有兩個解決辦法。第一個辦法是在中國建設俄羅斯火箭發射台。這也符合俄羅斯逐步擺脫對拜科努爾的依賴的總體策略。由於空間站艙段數量很少,俄羅斯新一代飛船也還遙遙無期,新建重型火箭(安加拉5號或聯盟5號)發射台效費比低,必要性不大。新空間站艙段交由中國長征5B發射是最佳選擇。

而建設聯盟2號發射台成本低、見效快,除了用於聯盟/進步飛船、空間站小艙段發射外,還可以用於商業發射。可以利用文昌的低緯度優勢,為發展中國家提供商業發射服務。當然,計劃中寧波象山的商業發射場緯度28度,和美國卡納維拉爾角相同,也可以成為選項。這個新發射台也許是俄羅斯樂見的。

第二個解決辦法是研製一款重型轉移飛行器,能完成20噸級航天器從45.6度到41.5度軌道,或10噸級航天器從51.5度到41.5度軌道的轉移。目前世界上還沒有這樣級別的航天器。

筆者認為,和這個需求最接近的是中國的天舟貨運飛船。如果將其加壓艙取消,全部改為輕質儲箱,那麼其推進劑攜帶量有望從目前2噸提高到7噸以上。它和俄羅斯飛船/空間站艙段分別發射,由俄羅斯航天器主動對接,然後組合體進行軌道轉移。

筆者按天舟主發動機315秒比沖估算,它正好能滿足前面提出的需求。而20噸的艙段從51.5度到41.5度則需要兩艘這樣的轉移飛行器。顯然,這並非是一個經濟上合理的方案。但如果未來它能進一步發展成可重複使用的太空拖船系統,即能主動對接另行發射的無動力廉價推進劑貨船並實現補給,則還是頗具價值的。

有人可能會問,目前國際空間站上的俄羅斯艙段分家脫離後能不能對接到中國空間站?當然可以,但就像前面所述,80噸左右的俄羅斯艙段從國際空間站51.6度傾角軌道轉移到中國空間站需要巨大的能量。俄羅斯的曙光號和星辰號經過二十多年使用已經老化,已經不值得花費巨資轉移。

唯一值得轉移的是最新發射的科學號(Nauka),也許還有十來年前發射的黎明號(Rasvet)。但目前並沒有適合轉移它們的航天器。即使基於天舟的太空拖船問世,即使只轉移科學號和黎明號,也需要三艘拖船,代價很大。將分離出來的艙段當作獨立空間站使用到最長壽命,同時向中國空間站發射新艙段,也許是更好的選擇。

有一個小問題:對俄羅斯來說,中國空間站的傾角太低,41.5度軌道星下點覆蓋不到俄羅斯國土,也覆蓋不到美國阿拉斯加和加拿大。這對國土資源遙感和對地觀察是不利的。這也是為什麼俄羅斯一直熱衷於極地軌道空間站的原因。

不過,對地觀察只是空間站的一個次要功能。用空間站進行軍事偵察則是一個過時的概念。這個任務無人衛星能完成得更好。就俄羅斯目前的狀況,如果無力自建,那麼必然要放棄一點東西。既然俄羅斯已經表達加入中國空間站的意願,那麼這不應該成為問題。

說了這麼多,好像都是站在俄羅斯的角度。那麼中俄空間站合作,俄羅斯艙段對接中國空間站,對中國有什麼好處呢?

首先,作為第一個發射空間站的國家,俄羅斯長達半個世紀的空間站經驗對中國極有價值。俄羅斯航天雖然已經大為衰落,但有些經驗依然僅此一家。比如它至今仍保持著長達437天的太空長期生活紀錄。中國未來的月球和火星探索就非常需要這樣的經驗。傳授這些經驗,現場實踐要比聽老師講課有效得多。

其次,共享資源、互為備份、增加安全性。中俄空間站艙段有很多相同部分可互為備份,增加空間站的冗余,提高可靠性。比如供電、通信、對接口、氣閘艙、停靠飛船(救生艇)、生命維持系統、食物等等,都能在原有基礎上進一步提高冗余度。

即便未來俄羅斯段具備了獨立能力,分離之後兩個空間站共軌運行,也能提供相互支援和相互救援的功能。載人航天中人的生命始終佔據最高優先級。緊急情況下,這些備份可能至關重要。

最後,中俄已經簽約將共建月球科研站。載人火星登陸也是我們的目標。這些面向未來的探索是人類的共同事業,更需要國際合作。雖然俄烏戰爭把世界暫時分隔成兩個陣營,但我相信這只是暫時的。中俄空間站合作讓我們能積累更多國際合作經驗,為未來的征途鋪平道路。

總之,中俄空間站合作對雙方都有利,我們樂見其成。但另一方面,我們也要關注和把控國際合作的風險。

上世紀九十年代,俄羅斯資金短缺導致國際空間站第一個艙段「曙光號」的完工和發射多次延遲,雙方合作一度陷入困境,國際空間站險些流產。二十多年後,國際空間站又因為俄烏戰爭和俄美關係惡化而瀕臨解體。這頗具象徵意義,也揭示了重大國際合作項目的脆弱性。

中俄雖然政治關係良好,但金融、經濟、知識產權等造成的不確定因素始終存在。中俄在重型直升機、CR929寬體客機等項目上遇到的問題離開地球依然會出現。所以,在合作一開始就充分考慮雙方的不同需求,做好最壞打算和備案,無疑是十分必要的。

理想的情況是,從單個俄羅斯艙段對接中國空間站開始,逐漸增加艙段,最後演變成能獨立工作的組合艙段。需要的時候,它也能分離,成為和中國空間站共軌、具備相互支持和救援能力的自主俄羅斯空間站。這樣的合作模式既保持了雙方的獨立性和自由度,又能相互支持,非常類似目前兩國的政治關係。

總之,中俄空間站合作想像空間很大,潛力無窮,非常值得期待。

(作者為航天愛好者,英文電子雜誌「Go Taikonauts」創辦人之一)

(本文來源觀察者網,授權中時新聞網刊登)

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