国际空间站注定在烈火中消亡

这个著名的轨道前哨站升空二十年后,科学家和工程师们正在决定它将如何以及何时返回地球

International Space Station

2018年10月4日拍摄的国际空间站。

凡是上升的,终将坠落——可悲的是,这包括国际空间站

整整 20 年来,这个巨大的轨道实验室一直是人类的家园,这些幸运的地球人在任何时候都可以冒险进入微重力这个颠倒的世界。但和我们其他人一样,国际空间站也在老化。而且它不能无限期地靠自身力量保持在轨道上——它需要来自访问航天器的定期推进或燃料注入。如果这些推进停止或出现其他问题,迟早,这个实验室将会坠落。

哈佛大学的天文学家乔纳森·麦克道尔(Jonathan McDowell)专门研究追踪轨道上的物体和从轨道上坠落的物体,他告诉 Space.com:“基本上,任何到达空间站的货运飞船,或者实际上任何渡船,通常在一定程度上都有多余的推进剂。他们必须有推进剂来进行交会,然后他们有时可以有多余的推进剂来进行再入轨。”


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目前,这些飞行将至少持续到 2024 年。并且由于空间站的国际性质——它是美国、俄罗斯、加拿大、日本和欧洲航天局参与国之间的伙伴关系——退役它的决定将始终基于工程和政治两方面。

美国国家航空航天局官员在一份给 Space.com 的声明中写道:“虽然国际空间站目前已获得国际合作伙伴政府的批准,可以运行到至少 2024 年 12 月,但从技术角度来看,我们已批准国际空间站飞行到2028 年底。此外,我们的分析未发现任何会阻止我们在需要时将期限延长至 2028 年之后的任何问题。”

但总有一天,空间站的时代会到来。该设施正在老化,并且始终面临着太空碎片和微陨石撞击的风险。如果人类不让它退役,最终太空的危险也会让它退役。

对于美国国家航空航天局和俄罗斯联邦航天局Roscosmos来说,空间站的最终命运一直是一个幽灵,但随着时间的推移,它在太空专家心中变得越来越重要。

麦克道尔说:“‘哦,我们最终会把它带下来的,’这个想法一直存在;‘我们承诺让它脱离轨道。’但我的感觉是,他们直到大约五年前才真正考虑过细节。在那之前,就像是,‘啦啦啦,它在轨道上,我们还在建造它,我们不会担心如何摆脱它。’这也许不是你应该做事的方式。”

美国国家航空航天局航空航天安全咨询小组 (Aerospace Safety Advisory Panel) 一直是改变这种状况的主要声音,该小组评估美国国家航空航天局在太空飞行中采取的安全措施。该小组至少十年来一直对空间站将如何结束表示担忧,这受到了当时即将退役的美国国家航空航天局航天飞机的刺激,航天飞机本可以用来让国际空间站脱离轨道。

该小组仍在定期在其对美国国家航空航天局政策的分析中引用该问题。

该小组成员大卫·韦斯特(David West)在小组于 10 月 1 日以虚拟方式举行的季度会议上说:“小组继续跟踪国际空间站计划脱轨策略的未完成工作状态以及相关空间站计划文件中某些措辞的微调。我们将继续监控各方就该策略达成协议的进展情况。”

美国国家航空航天局证实,计划中的空间站脱轨方案以及应对突发严重事故的方案正在制定中,但尚未公开。“美国国家航空航天局正在与整个国际空间站合作伙伴积极合作,制定在空间站寿命结束时安全地使其脱离轨道的计划,”美国国家航空航天局官员在一份给 Space.com 的声明中写道。

数十年的努力

空间站的规划始于 20 世纪 80 年代,虽然今天大型轨道实验室的概念已不足为奇,但在当时却是史无前例的。

总部位于休斯顿的 Axiom 公司负责太空制造和研究的主管克里斯蒂安·曼德(Christian Maender)告诉 Space.com:“当我们开始建造国际空间站时,没有人知道如何建造这样的东西。我们建造了有史以来最大的和平时期工程项目,并且通过建造整体航天器的各个部分来实现,这些部分在到达轨道之前从未真正见过面或接触过。” Axiom 公司计划通过从国际空间站分离来建造自己的空间站。

总而言之,空间站的建造需要 42 次独立的发射。根据美国国家航空航天局的数据,该设施在地球上的重量将超过 900,000 磅(420,000 公斤),长度接近一个足球场,可居住空间相当于一栋六居室的房子。

它很大。

在空间站设计之初,其消亡并非完全没有考虑过。就在几年前的 1979 年,美国国家航空航天局的天空实验室空间站脱离轨道坠落。该机构曾计划使用航天飞机的早期飞行引导该设施受控摧毁在地球大气层中。但是,该飞行器被推迟了,即使太阳活动增强、地球大气层变暖和膨胀,从而加速了该设施的厄运,80 吨的天空实验室仍然搁浅。

结果,该航天器自行坠落,失控,美国国家航空航天局无法将碎片瞄准偏远地区,也无法减缓航天器的下降速度以减少这些碎片的大小。相反,空间站的碎片散落在澳大利亚各地,其中最大的一块是一个巨大的氧气罐。该事件是人们思考大型物体如何脱离轨道的转折点。

麦克道尔说:“在太空时代的早期,没有人担心这个问题。大东西从天上掉下来,没什么大不了的。多年来,人们变得越来越厌恶风险。”太空飞行持续的时间越长,专家们就越担心废弃的轨道碎片,尤其是其中最大的碎片。

麦克道尔认为,如果空间站确实自行坠落到地球上,风险将是巨大的。空间站重约 400 吨,是迄今为止绕地球运行的最重的人造物体。物体越大,大气层就越不可能完全将其烧毁。并且由于空间站伸出的太阳能电池板,它很容易失去控制而旋转,届时救援选择将受到限制,麦克道尔说。

他说,无论是什么导致了不受控制的重返大气层,结果都不会好看,虽然不是核灾难级别的 Grim。它更像是飞机坠毁,尽管碎片散布在更广阔的区域。“最糟糕的情况,我想是 9/11,对吧?”麦克道尔说。“因为最糟糕的情况是一架飞机坠毁,其中一部分在人口稠密地区。那很糟糕。但它不是小行星撞击那么糟糕。”

如何(安全地!)摧毁空间站

那么如何控制空间站的重返大气层呢?

美国国家航空航天局和俄罗斯航天国家集团的一组工程师在 2017 年国际宇航大会上提交了一篇论文,评估了一些处置方案。他们的工作基于 2001 年在俄罗斯和平号空间站上进行的脱轨程序;国际空间站的重量大约是和平号空间站的三倍。

但该计划的要点与空间站如何在正常运行期间保持其高度的方式相呼应。最常见的是,俄罗斯的进步号货运飞船将在对接空间站时进行一次燃烧,或者将燃料转移到主服务舱的推进器中,以给空间站自身的燃烧提供燃料;无论哪种方式,空间站都会升高。

在受控脱轨中,进步号飞船将做同样的事情,但方向相反,降低空间站的最低高度。根据手头航天器的精确阵列,也可以使用服务舱推进器。

这些经过精心定时的燃烧将使空间站仅在其轨道上的一个点降低,使重返大气层更具可预测性,并允许管理者将碎片瞄准广阔的、人烟稀少的南太平洋。剩下的就取决于地球大气层的破坏力。不出所料,该策略存在风险。如果某些因素导致燃烧偏离计划,那么,可预测性就消失了。

2017 年的论文列出了计划脱轨和应对空间站潜在灾难的方案。该小组写道,如果轨道实验室突然出现无法修复的故障,该设施背后的组织将只有两周的时间来决定如何进行。

不同的前进道路

国际空间站的继任者可能会面临更平稳的退役——尽管仍然是火热的退役。

总部位于德克萨斯州的 Axiom Space 公司计划从明年开始发射新的空间站模块,并且随着对进入轨道的商业兴趣增长以及国际空间站的老化,最终将从国际空间站分离出来,形成自己的自由飞行轨道设施。

但 Axiom 从空间站复杂的命运中吸取了教训,并且已经努力应对其设施将如何结束。该公司正计划使其模块比空间站上的模块更真正地模块化,无论如何都可以轻松移除和更换部件,这为该公司提供了未来的灵活性。

这种安排也意味着每个模块都可以控制自己的命运。曼德说:“每个模块都将设计有自己的制导、导航和控制系统,以及自己的推进器能力。因此,它们基本上可以自行飞行,然后在需要时,它们可以分离并自行返回地球大气层。”

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Meghan Bartels is a science journalist based in New York City. She joined 大众科学 in 2023 and is now a senior news reporter there. Previously, she spent more than four years as a writer and editor at Space.com, as well as nearly a year as a science reporter at Newsweek, where she focused on space and Earth science. Her writing has also appeared in Audubon, Nautilus, Astronomy and Smithsonian, among other publications. She attended Georgetown University and earned a master’s degree in journalism at New York University’s Science, Health and Environmental Reporting Program.

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