王景泉（北京空間科技信息研究所）

近年，私營(yíng)機(jī)構(gòu)開始提供空間發(fā)射和載人航天飛行服務(wù)。在商業(yè)化載人航天方面，最著名、最重要的飛行當(dāng)屬維珍銀河（Virgin Galactic）公司亞軌道飛行和太空探索技術(shù)（SpaceX）公司及其他商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)（COTS）參與者的軌道飛行。商業(yè)載人空間站是近年來悄然興起的新領(lǐng)域，美國(guó)比格羅（Bigelow）公司率先開發(fā)商業(yè)空間站。

1 商業(yè)空間站發(fā)展的背景與動(dòng)因

美國(guó)載人航天的私營(yíng)化早在布什時(shí)代就已開始。2010年2月1日，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬提出美國(guó)航空航天局（NASA）不再向低地球軌道運(yùn)送航天員的決策后，根據(jù)奧古斯丁委員會(huì)的建議，如果私營(yíng)公司能成功提供商業(yè)軌道補(bǔ)給服務(wù)，那么這將是實(shí)現(xiàn)向“國(guó)際空間站”商業(yè)運(yùn)送人和貨物的前提。

1990年，在“國(guó)際空間站”計(jì)劃推遲和預(yù)算限制的情況下，美國(guó)國(guó)會(huì)取消了其中的可膨脹運(yùn)輸居住艙（TransHab）設(shè)計(jì)。2004年，比格羅公司從美國(guó)航空航天局購買了這種可膨脹運(yùn)輸居住艙技術(shù)的專利權(quán)，并為此簽署了3份航天項(xiàng)目協(xié)議，于是該公司成為美國(guó)航空航天局幾個(gè)可膨脹艙技術(shù)開發(fā)關(guān)鍵承制商中唯一的商業(yè)化公司。此后，比格羅公司利用可膨脹技術(shù)進(jìn)行私營(yíng)空間站的設(shè)計(jì)，并發(fā)射了起源－1、2（Genesis－1、2）探路者載人試驗(yàn)飛行器。截至2011年初，這種可膨脹的居住艙樣艙仍在軌運(yùn)行，收集到這種艙長(zhǎng)期軌道生存能力的較多數(shù)據(jù)。

2010年初，美國(guó)航空航天局在預(yù)算申請(qǐng)中宣布重新開始全周期的“制造可膨脹式空間站艙計(jì)劃，使其更寬敞，對(duì)于發(fā)射來說更輕、更便宜”。該局還考慮將比格羅可膨脹飛行器連接到“國(guó)際空間站”上，通過測(cè)試生命支持、抗輻射屏蔽、熱控和通信等能力檢驗(yàn)其安全性。

起初，比格羅公司就瞄準(zhǔn)“多種用戶市場(chǎng)，包括生物和制藥公司、研究機(jī)構(gòu)、娛樂公司、政府和民間用戶”，其商業(yè)模式是將一個(gè)甚至多個(gè)可膨脹艙連成的小型空間站或居住艙出租給各種研究機(jī)構(gòu)和公司。該公司運(yùn)營(yíng)商業(yè)空間站的目的是利用新的途徑開發(fā)空間商業(yè)化，這與傳統(tǒng)的“國(guó)際空間站”和航天飛機(jī)運(yùn)行體制相比，具有低成本和快速轉(zhuǎn)向的優(yōu)勢(shì)。

2 可膨脹運(yùn)輸居住艙技術(shù)的利用

比格羅公司的商業(yè)空間站基本設(shè)計(jì)就是采用美國(guó)航空航天局的可膨脹運(yùn)輸居住艙方案。與“國(guó)際空間站”剛性結(jié)構(gòu)乘員居住艙相比，可膨脹艙未充氣時(shí)體積小，易于發(fā)射，其全面膨脹后，直徑可達(dá)8.2m，相比之下，“哥倫布”實(shí)驗(yàn)艙直徑只有4.4m。比格羅公司利用可膨脹居住艙的專利，可向美國(guó)航空航天局和其他公司提供比傳統(tǒng)飛行器和空間艙制造更便宜的選擇。

“起源”艙在軌飛行示意圖

可膨脹運(yùn)輸居住艙的設(shè)計(jì)采用混合結(jié)構(gòu)，它綜合并封裝了可膨脹結(jié)構(gòu)的大量功效和承重剛性結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，其主要特點(diǎn)如下。

多層可膨脹殼體

運(yùn)輸居住艙的可膨脹殼體由多層高強(qiáng)度隔熱毯組成，采用具有防護(hù)能力的冗余球膽設(shè)計(jì)，以防護(hù)軌道流星體碎片?？膳蛎洑んw的底部達(dá)24層之多，且各層都有獨(dú)特的設(shè)計(jì)，以抵御速度是子彈的7倍的空間碎片和小流星體撞擊，并具備在太空溫度范圍內(nèi)的隔熱能力。

可膨脹殼體能夠起到碎片防護(hù)作用的關(guān)鍵是采用一種名為納克斯泰爾（Nextel）的材料，這種材料通常用在汽車引擎罩中作為隔離材料，其開闊的單元泡沫中充滿幾英寸厚的夾層空間，類似用于地面座椅墊的發(fā)泡。

居住艙采用分層設(shè)計(jì)

居住艙從結(jié)構(gòu)的外到內(nèi)主要包括4層，依次為：

第4層：壓力通道區(qū)主要設(shè)計(jì)成提供居住艙與任何連接的飛行器之間的通道。初步的通道設(shè)計(jì)有2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)“國(guó)際空間站”艙門，保護(hù)諸如電子設(shè)備和電源設(shè)備等艙體膨脹期間所需要的關(guān)鍵設(shè)備。

第3層：該層配備踏車和固定自行車，各種類型醫(yī)學(xué)和緊急裝置的完整健康照料設(shè)備，有一個(gè)提供身體清潔的典型“空間洗浴區(qū)”?？拷?xùn)練區(qū)的地球觀測(cè)窗口直徑51cm。另外，該層還包括與第1層相同的存儲(chǔ)區(qū)，提供備用部件、供給品、衣服和其他設(shè)備的存儲(chǔ)。

第2層：乘員居住區(qū)設(shè)計(jì)為6個(gè)單獨(dú)的乘員住處，每個(gè)乘員住處容積2.3m3。中央通道橫穿該層中央核心結(jié)構(gòu)和水儲(chǔ)箱。每個(gè)隔間備有睡袋、存放個(gè)人物品的區(qū)域及用于娛樂和個(gè)人工作的計(jì)算機(jī)娛樂中心。

機(jī)械室外延伸到核心結(jié)構(gòu)，占該區(qū)域空間的一半，室內(nèi)對(duì)聲學(xué)和視覺是隔離的。該區(qū)域的另一半屬于起居室區(qū)域上方的通風(fēng)窗通風(fēng)范圍。機(jī)械室主要有環(huán)境控制和生命支持系統(tǒng)、電源和電子設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)從第1層到第3層的氣流返回。

可膨脹運(yùn)輸居住艙方案圖

第1層：該層配備有電冰箱、微波爐、水箱和炊具等廚房用品，以及1個(gè)有12個(gè)座位的餐桌，足夠空間站的全部居住人員和輪換人員坐在一起開會(huì)和就餐。該層還有3個(gè)長(zhǎng)方形機(jī)架、1個(gè)地球觀測(cè)窗口和存儲(chǔ)區(qū)。

3 “起源”探路者居住艙的飛行驗(yàn)證

為了進(jìn)行與居住艙相關(guān)的運(yùn)輸飛行器技術(shù)試驗(yàn)和驗(yàn)證，研制了起源－1、2探路者飛行器，并相繼于2006年和2007年成功發(fā)射。

起源-1

起源－1是比格羅公司研制并發(fā)射的第一個(gè)艙體，內(nèi)部居住容積11.5m3，2006年起源－1由俄羅斯第聶伯號(hào)火箭發(fā)射。飛行器入軌后，順利進(jìn)行了結(jié)構(gòu)膨脹、太陽電池翼展開和內(nèi)部系統(tǒng)啟動(dòng)等試驗(yàn)。軌道飛行任務(wù)持續(xù)5年，全面試驗(yàn)包括測(cè)試封裝與展開程序、抵抗輻射和空間碎片及耐受其他空間傷害和環(huán)境等。

起源-2

起源－2發(fā)射時(shí)直徑1.6m，入軌后膨脹到其全尺寸。在發(fā)射的2天以內(nèi)，姿態(tài)控制系統(tǒng)阻尼了所有的旋轉(zhuǎn)，并將天線指向地球。飛行器運(yùn)行在近圓軌道，設(shè)計(jì)軌道壽命大于12年。姿態(tài)控制系統(tǒng)和太陽電池翼運(yùn)行良好，外表面未受任何損傷。在軌道進(jìn)出太陽光照期間，內(nèi)部壓力保持為69.6kPa和72.4kPa。2011年2月，測(cè)量報(bào)告顯示，壓力、熱控和環(huán)境控制性能良好，到2011年9月仍在軌道運(yùn)行。

（1）起源－2系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

與起源－1相比，起源－2有很大技術(shù)改進(jìn)。除了采用起源－1的標(biāo)準(zhǔn)制導(dǎo)控制系統(tǒng)外，起源－2還采用了反作用控制輪組件和精確的測(cè)量系統(tǒng)，使其在沒有消耗燃料的情況下，也能保持飛行器的旋轉(zhuǎn)速率和角動(dòng)量。起源－2載有22臺(tái)攝像機(jī)，比起源－1多9臺(tái)，可更好地對(duì)飛行器內(nèi)、外拍照。攝像機(jī)大都裝在鉸接平臺(tái)上，1臺(tái)無線攝像機(jī)能夠增加外部拍照。

起源－2在軌飛行示意圖

BA－330概念圖

與起源－1使用的單儲(chǔ)箱膨脹系統(tǒng)不同，起源－2使用多儲(chǔ)箱膨脹系統(tǒng)，不但提高了可靠性，而且也可更好地調(diào)整氣體控制。防護(hù)罩外面增加了包覆層數(shù)，可更有效地進(jìn)行防護(hù)和熱管理。最后，飛行器上敏感器組通過增加壓力、溫度、姿態(tài)控制和輻射探測(cè)敏感器，進(jìn)一步增強(qiáng)相應(yīng)功能，從而有助于確定保持飛行器系統(tǒng)完整性的軌道環(huán)境。

（2）起源－2系統(tǒng)的有效載荷

起源－2的外部和內(nèi)部裝載了用于科學(xué)、商業(yè)和娛樂目的的多個(gè)系統(tǒng)。起源－2裝載了起源－1生命科學(xué)艙的改進(jìn)型，該艙內(nèi)有阿拉加斯加蟑螂、南非蝎子和植物種子等生物體，進(jìn)行改變生活環(huán)境研究。該生物艙系統(tǒng)的功能部件有自主食物和水供應(yīng)系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)等，其中的敏感器和攝像機(jī)可監(jiān)視并記錄艙內(nèi)生物體的健康和活動(dòng)情況。

起源－2搭載了兩類商業(yè)有效載荷。第一類稱為“讓你的物件飛行”計(jì)劃，允許個(gè)人或客戶付費(fèi)將照片和其他小型物件送入軌道。飛行器共搭載了幾十個(gè)這種物件，當(dāng)用戶的物件在飛行器內(nèi)部漂浮時(shí)，利用內(nèi)設(shè)攝像機(jī)對(duì)每個(gè)物件拍照，然后下傳到地面并在比格羅公司的網(wǎng)站上顯示。搭載一個(gè)小物件的價(jià)格大約300美元。第二類是外部成像傳輸系統(tǒng)，進(jìn)行閃光成像和飛行器殼體信息的測(cè)試。有2套放映機(jī)和攝像機(jī)安裝在太陽電池翼頂端。關(guān)于娛樂，起源－2搭載了稱為“太空賭博游戲”的游戲競(jìng)賽項(xiàng)目，意在培育公眾對(duì)這個(gè)節(jié)目的興趣。

比格羅公司10年來不斷發(fā)展相關(guān)技術(shù)，重新設(shè)計(jì)艙的纖維層，如其研制的聚乙烯纖維防護(hù)結(jié)構(gòu)，是凱夫拉纖維強(qiáng)度的2倍。為了能夠采用美國(guó)航空航天局的技術(shù)，比格羅公司從2006年7500萬美元投資額，增加到2010年的1.8億美元。

在互動(dòng)交流中，以上5位演講嘉賓圍繞在人工智趨勢(shì)下，新技術(shù)賦能醫(yī)藥物流等話題進(jìn)行了對(duì)話。5位嘉賓認(rèn)為，未來，將由單一模式向協(xié)同、共享、高效等方面發(fā)展，醫(yī)藥物流趨于個(gè)性化、柔性化服務(wù)體系，標(biāo)準(zhǔn)化定制也應(yīng)該遵循二八原則。專業(yè)團(tuán)隊(duì)合作中，鏈主企業(yè)在供應(yīng)鏈中起到重要作用，應(yīng)用場(chǎng)景更為廣泛。在輕松、幽默、詼諧的氣氛中將本次沙龍推向高潮，眾多參會(huì)觀眾報(bào)以熱烈的掌聲，盛贊沙龍觀點(diǎn)犀利，讓人意猶未盡。

4 未來商業(yè)空間站可膨脹基本艙

比格羅公司傾注了大量財(cái)力、人力、物力開展了基本艙的研究，主要包括以下幾個(gè)型號(hào)。

“太陽舞者”艙

2個(gè)“起源”飛行器發(fā)射以后，公司開始研制更大的艙，名為“太陽舞者” （Sundancer）艙。該艙是比格羅公司計(jì)劃發(fā)射的第3個(gè)艙，該艙裝備完整的生保系統(tǒng)、姿態(tài)控制和軌道機(jī)動(dòng)系統(tǒng)，具有重復(fù)推進(jìn)和離軌能力。與“起源”飛行器相同，“太陽舞者”艙的外表面可膨脹部分貼在中央核心部分的周圍，其入軌完全膨脹后，長(zhǎng)度為8.7m，直徑為6.3m，內(nèi)部容積180m3。與“起源”相比，該艙有3個(gè)地球觀測(cè)窗口。比格羅公司原本計(jì)劃于2011年用太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的獵鷹－9（Falcon－9）火箭發(fā)射“太陽舞者”艙，但目前推遲到2014年。

起源－2、“銀河”、“太陽舞者”、BA－330的尺寸比較圖

如果美國(guó)航空航天局能夠利用這些成果，只需投入正常成本的一部分，就可幫助擴(kuò)大“國(guó)際空間站”。美國(guó)航空航天局目前正在評(píng)估采購比格羅可膨脹活動(dòng)艙（BEAM）用于“國(guó)際空間站”的建議，該艙是已經(jīng)在軌的“起源”飛行器的擴(kuò)大版本。如果此建議被采納，比格羅可膨脹活動(dòng)艙將發(fā)揮膨脹和軟邊艙的優(yōu)勢(shì)，并再一次獲得驗(yàn)證技術(shù)的機(jī)會(huì)。

“銀河”艙

2008年年中，比格羅公司完成了“銀河”艙的建造，該艙容積16.7m3。比格羅公司計(jì)劃2014年租用獵鷹－9或宇宙神－5火箭發(fā)射。

BA-330艙

2011年7月，比格羅公司宣布研制BA－330艙[又名 “鸚鵡螺”（Nautilus）]作為“太陽舞者”艙的繼任者。 BA－330艙的容積330m3，裝滿負(fù)載后的總質(zhì)量約23000kg，膨脹后長(zhǎng)13.7m，直徑6.7m。

5 商業(yè)空間站的總體設(shè)計(jì)構(gòu)想

構(gòu)建可膨脹居住艙商業(yè)空間站

比格羅公司計(jì)劃2014年開始建造由可膨脹艙組成的商業(yè)空間站。該公司預(yù)計(jì)，由于采用幾層強(qiáng)度是凱夫拉2倍的聚乙烯纖維，其可膨脹艙壁更加耐用，同時(shí)在理論上柔性結(jié)構(gòu)壁比剛性結(jié)構(gòu)更能耐受微小隕石的撞擊。在地面試驗(yàn)中，能穿透標(biāo)準(zhǔn)的“國(guó)際空間站”艙體材料的微流星體只能穿過比格羅可膨脹艙壁的一半。

預(yù)計(jì)比格羅公司可膨脹艙能用于微重力研究和開發(fā)，空間制造等，其他潛在的應(yīng)用還包括可變重力研究（用于重力梯度在微重力以上，包括0.16g月球重力、0.38g火星重力的研究）；在太空旅游方面，多艙連接可以作為太空旅館；在空間運(yùn)輸方面，可膨脹艙可作為月球或火星載人任務(wù)的飛船。

商業(yè)空間站的總體方案構(gòu)想

比格羅公司的商業(yè)空間站包括“太陽舞者”艙和BA－330艙、中央對(duì)接節(jié)點(diǎn)、推進(jìn)系統(tǒng)、太陽電池翼和乘員艙?？臻g站部件的最初發(fā)射計(jì)劃在2014年，2015年可出租使用。

“商業(yè)空間站-天空行走者”在軌示意圖

· 比格羅公司的空間站設(shè)計(jì)方案之一稱作“空間站復(fù)合體阿爾法”，主要由容積為330m3的一個(gè)BA－330艙和2個(gè)小一些的“太陽舞者”艙組成，這些艙將通過對(duì)接節(jié)點(diǎn)與推進(jìn)艙連接。

· 比格羅公司的空間站設(shè)計(jì)方案之二稱作“空間站復(fù)合體喝彩”，由4個(gè)BA－330艙、2個(gè)對(duì)接節(jié)點(diǎn)和2個(gè)推進(jìn)艙組成。

· 比格羅公司的空間站設(shè)計(jì)方案之三包括9個(gè)BA－330艙，居住空間2800m3。

比格羅公司早期構(gòu)想的空間站稱為“商業(yè)空間站-天空行走者”（CSS Skywalker），是為太空旅館提出的設(shè)計(jì)方案，由多個(gè)BA－330艙組成，到達(dá)軌道后膨脹并連接，并采用多方向推進(jìn)艙（MDPM），能使太空旅館飛行在行星間或月球軌道。

2010年比格羅公司又提出可膨脹居住艙的新方案設(shè)計(jì)—BA－2100，可居住容積要比BA－330的大得多，可達(dá)2100m3。該艙質(zhì)量為70～90t，需用重型運(yùn)載器發(fā)射。

2010年開始，該公司在內(nèi)華達(dá)州北拉斯維加斯建設(shè)大型生產(chǎn)廠房，研制其設(shè)計(jì)的太空艙，這個(gè)16800m2的工廠2012年投入生產(chǎn)，包括制造3種不同飛行器的3條生產(chǎn)線，是該公司已有面積的2倍。

2010年11月，比格羅公司表示未來可能建造10個(gè)以上空間站，因?yàn)楦鶕?jù)分析，發(fā)展商業(yè)空間站具有堅(jiān)實(shí)的商業(yè)市場(chǎng)。乘員和乘客的運(yùn)輸是該公司發(fā)展商業(yè)空間站的關(guān)鍵。2004年比格羅公司開設(shè)了5000萬美元的刺激基金，稱為美國(guó)太空獎(jiǎng)，目的在于刺激載人飛行器的研制，但到2010年初該太空獎(jiǎng)期滿為止，也沒有出現(xiàn)贏家。2009年8月，比格羅公司宣布研制“獵戶座-里特”（Orion Lite）飛行器，打算在美國(guó)航空航天局研制“獵戶座”飛行器的基礎(chǔ)上，研制出低成本和較小能力的飛行器，這種飛行器可利用宇宙神－5或獵鷹－9火箭發(fā)射到低地球軌道，最多可搭載7名乘員。

商業(yè)載人航天的價(jià)格也在變化。2007年4月，比格羅公司曾宣布2012年提供商業(yè)服務(wù)的價(jià)格是在軌停留4周需要支付1500萬美元，如果再增加4周時(shí)間只增加300萬美元；租用全部在軌設(shè)施1年支付8800萬美元，租用一半設(shè)施1年支付5400萬美元。但是，在2010年2月商業(yè)航天飛行聯(lián)盟組織的電視會(huì)議上，比格羅公司宣布新的價(jià)格：在比格羅居住艙停留30天（包括運(yùn)送、訓(xùn)練和消耗品）需要支付2300萬美元。

6 商業(yè)空間站的應(yīng)用前景

目前，比格羅公司對(duì)于空間飛行的努力已經(jīng)獲得了多項(xiàng)榮譽(yù)，如2006年10月獲得亞瑟·克拉克（Arthur C. Clarke）基金會(huì)創(chuàng)新獎(jiǎng)，該獎(jiǎng)項(xiàng)主要獎(jiǎng)勵(lì)在空間飛行領(lǐng)域?qū)ι鐣?huì)有重大影響或擁有特別貢獻(xiàn)，確立卓越思想的創(chuàng)新或發(fā)明。2007年1月，航天基金會(huì)宣布比格羅公司是2007年航天成就獎(jiǎng)的獲得者。

未來商業(yè)空間站想像圖

比格羅公司已經(jīng)和波音公司合作研制“國(guó)際空間站”的運(yùn)輸飛船。同時(shí)，由于美國(guó)航空航天局開始了月球或火星載人任務(wù)的研究和試驗(yàn)設(shè)計(jì)，于是該公司也在考慮地球以遠(yuǎn)目標(biāo)飛行的商業(yè)化問題。

比格羅可膨脹活動(dòng)艙可用于“國(guó)際空間站”

2010年初開始，美國(guó)航空航天局重新重視可膨脹艙技術(shù)，并考慮了多種艙的方案。2011年1月，比格羅公司和美國(guó)航空航天局討論提供比格羅可膨脹活動(dòng)艙作為“國(guó)際空間站”的存儲(chǔ)艙。如果美國(guó)航空航天局繼續(xù)推進(jìn)這項(xiàng)合作，比格羅可膨脹活動(dòng)艙的縮小比例實(shí)驗(yàn)艙能在24個(gè)月以后入軌。另外，比格羅公司與波音公司合作研制CST－100艙，加入到美國(guó)航空航天局的商業(yè)乘員研究計(jì)劃（CCDev）中。

利用商業(yè)空間站發(fā)展太空旅館

雖然近年來比格羅公司重點(diǎn)研制構(gòu)成空間站基礎(chǔ)的“太陽舞者”和BA－330艙，但是如何將商業(yè)空間站變成用于太空旅游的太空旅館，也一直在研究與設(shè)計(jì)。

商業(yè)空間站面向國(guó)際租用

多年來，比格羅公司堅(jiān)持其主要市場(chǎng)的調(diào)查，許多國(guó)家政府苦于沒有獨(dú)立研制空間站的能力，對(duì)租用空間站感興趣。目前，該公司已經(jīng)和澳大利亞、日本、荷蘭、新加波、瑞典、英國(guó)、阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)迪拜等7個(gè)國(guó)家簽訂了諒解備忘錄，這些國(guó)家對(duì)使用比格羅的商業(yè)空間站設(shè)施感興趣。該公司創(chuàng)始人羅伯特·比格羅估計(jì)，有這種興趣的國(guó)家甚至可達(dá)50個(gè)。

商業(yè)空間站用于地球軌道以遠(yuǎn)目標(biāo)探索

2010年2月，美國(guó)航空航天局宣布奧古斯丁委員會(huì)提出重新調(diào)整載人軌道飛行計(jì)劃，更多地為商業(yè)發(fā)射提供者提供機(jī)會(huì)。為此，羅伯特·比格羅說，該公司也有飛往月球甚至火星的雄心與構(gòu)想；2個(gè)月后，比格羅表示，公司規(guī)劃的月球中轉(zhuǎn)站將部署在拉格朗日L1點(diǎn)，且其私營(yíng)月球基地將由3個(gè)BA－330艙組成。