楊青格 張帆 （北京航天動(dòng)力研究所）

俄羅斯離開現(xiàn)役“國際空間站”（ISS）項(xiàng)目后，俄羅斯軌道服務(wù)站（ROSS）將成為其在太空領(lǐng)域的前哨。目前，俄羅斯航天國家集團(tuán)（ROSCOSMOS）已經(jīng)確定了ROSS第一階段的基本構(gòu)型和參數(shù)。預(yù)計(jì)2024年秋季，ROSS的“科學(xué)和能源模塊”（TEM）將搭乘安加拉－A5M（Angara－A5M）運(yùn)載火箭入軌。

1 與“國際空間站”分道揚(yáng)鑣

俄羅斯已經(jīng)公開表示，將會(huì)在2024年正式退出“國際空間站”合作項(xiàng)目。近年來，“國際空間站”組件的磨損越來越嚴(yán)重，包括“星辰”（Zvezda）模塊頻繁出現(xiàn)漏氣問題。俄羅斯能源火箭航天公司（RKK Energia）的首席執(zhí)行官弗拉基米爾·索洛維曾對(duì)此表示，到2025年后，“國際空間站”系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)“雪崩式”的故障。

沒有俄羅斯的技術(shù)加持，“國際空間站”將走向哪種結(jié)局尚未可知。盡管一些新款組件曾經(jīng)計(jì)劃應(yīng)用于俄羅斯艙段，但最終也不了了之。不僅是因?yàn)檫@些組件的技術(shù)過時(shí),更重要的是俄羅斯已經(jīng)正式?jīng)Q定離開“國際空間站”，另立門戶。

現(xiàn)階段，美國和其他國家正在著手解決“國際空間站”的后續(xù)問題。由于俄羅斯“星辰”模塊的動(dòng)力系統(tǒng)負(fù)責(zé)空間站的軌道校正，如果直接移除該模塊，將會(huì)給“國際空間站”帶來較大影響。

2 設(shè)計(jì)概念“太空樂高”

ROSS由俄羅斯能源火箭航天公司負(fù)責(zé)開發(fā)。俄羅斯科學(xué)院院長亞歷山大·謝爾蓋耶夫認(rèn)為，ROSS的設(shè)計(jì)概念接近于樂高積木：即設(shè)計(jì)具有開放性原則，所有的組件都可以被替換，且易于操作，以便延長ROSS的使用壽命。

根據(jù)俄羅斯航天國家集團(tuán)公布的設(shè)計(jì)方案來看，就結(jié)構(gòu)而言，ROSS可以視作大型的蘇聯(lián)和平號(hào)空間站（Mir）。共有5個(gè)永久元件通過一個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊彼此相連。未來，可以根據(jù)不同的任務(wù)再增加其他元件。

俄羅斯ROSS的相關(guān)參數(shù)

“科學(xué)和能源模塊”

現(xiàn)階段，俄羅斯航天國家集團(tuán)正在準(zhǔn)備發(fā)射第一個(gè)組件，即“科學(xué)和能源模塊”。該模塊于2010年組裝，原計(jì)劃用于“國際空間站”。俄羅斯航天國家集團(tuán)現(xiàn)決定將其轉(zhuǎn)用于ROSS。

“科學(xué)和能源模塊”擁有實(shí)現(xiàn)自主飛行的所有必要系統(tǒng)：包括控制面板、定向陀螺儀、廚房、衛(wèi)生間、床位等設(shè)施。在俄羅斯航天國家集團(tuán)發(fā)布的一段視頻中還出現(xiàn)了一個(gè)機(jī)器人模型，可能未來該模塊的一些工作將由機(jī)器人“費(fèi)多爾”（FEDOR）的衍生產(chǎn)品來完成。

“科學(xué)和能源模塊”示意圖

與“國際空間站”項(xiàng)目不同，ROSS的主要科學(xué)設(shè)備將放在外部，而非空間站內(nèi)部。俄羅斯航天國家集團(tuán)前任董事長德米特里·羅戈津曾在2022年1月的皇家會(huì)議上表示，ROSS的天底板將為空間站提供監(jiān)視和轉(zhuǎn)播設(shè)備，負(fù)責(zé)觀察外層空間的設(shè)備狀態(tài)，監(jiān)測(cè)小行星和彗星等潛在威脅。

此外，ROSS不需要科研人員長期駐守。俄羅斯航天國家集團(tuán)將采取短期訪問的形式，派遣科研小組前往ROSS，頻率為每年1～2次，每次訪問時(shí)間為2個(gè)月，小組人員數(shù)量為2～4人，主要負(fù)責(zé)維護(hù)機(jī)器和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。其余時(shí)間，ROSS將采取自動(dòng)化形式完成上述檢測(cè)工作。俄羅斯航天國家集團(tuán)之所以會(huì)縮短機(jī)組人員的停留時(shí)間，不僅僅是由于自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步，更主要的是為了保障人員安全。至于重金打造的空間服務(wù)站具有哪些實(shí)用價(jià)值，羅戈津表示，軌道服務(wù)站設(shè)計(jì)的一個(gè)重要特點(diǎn)便在于其高度的可修復(fù)性，還可根據(jù)不同的任務(wù)調(diào)整目標(biāo)設(shè)備和個(gè)別組件，利用率很高。

3 空間服務(wù)功能

俄羅斯未來軌道服務(wù)站的主要意義在于服務(wù)功能。首先，ROSS可以把其他航天器部署在軌道內(nèi)，將多個(gè)模塊組裝成一個(gè)整體，從而對(duì)其進(jìn)行維護(hù)和調(diào)整。ROSS將為航天器提供多種服務(wù)平臺(tái)，并與軌道核動(dòng)力拖船協(xié)同工作。由核動(dòng)力拖船將航天器送達(dá)ROSS，當(dāng)航天器完成維修任務(wù)后，再由核動(dòng)力拖船將其運(yùn)回。

其次，ROSS還可以直接從站內(nèi)發(fā)送衛(wèi)星，原理類似于使用機(jī)械臂從“國際空間站”發(fā)射小型衛(wèi)星。

最后，ROSS還能對(duì)非常遙遠(yuǎn)的大型空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行組裝。例如：將星際航天器的大型部件從地球上以部件的形式送入軌道，然后由ROSS在軌道內(nèi)將其組裝成一個(gè)整體。當(dāng)然，上述服務(wù)項(xiàng)目目前僅處于初級(jí)設(shè)計(jì)階段，距離真正實(shí)施還有很長一段路要走。

4 高緯度軌道環(huán)境

2022年6月，俄羅斯航天國家集團(tuán)表示，ROSS將在傾角為96°～98°的軌道上運(yùn)行（“國際空間站”的傾角為51.6°）。得益于此，該服務(wù)站將可以覆蓋整個(gè)地球表面，從南極到北極，一覽無余。現(xiàn)役“國際空間站”僅覆蓋了俄羅斯近20%的領(lǐng)土面積，北部地區(qū)幾乎全部在輻射范圍之外，甚至連莫斯科和彼得堡也只是偶爾可以看到很少的一部分。相比之下，俄機(jī)組人員可以從ROSS的舷窗（軌道高度為300～350km）俯瞰俄羅斯的全部國土。

傾角96°～98°的軌道環(huán)境通常也適用于偵察衛(wèi)星，以便根據(jù)地面上物體的影子確定其形狀。每隔1.5h，ROSS便可以經(jīng)過北極上空，重點(diǎn)監(jiān)視俄羅斯的北方海路，守護(hù)俄羅斯的國家經(jīng)濟(jì)利益。利用ROSS的導(dǎo)航跟蹤，可以時(shí)刻掌握北極冰情的發(fā)展、主要含油區(qū)和污染區(qū)的變化。該空間服務(wù)站所在軌道將為科學(xué)研究開辟一條新的道路。原有的“國際空間站”軌道傾角為51.6°，周圍的太空環(huán)境已經(jīng)非常清楚。為了取得下一階段的進(jìn)步，載人航天不能始終局限于某個(gè)軌道范圍。因此，俄羅斯航天國家集團(tuán)決定走向更高的緯度。

然而，高緯度的空間環(huán)境非常不利于機(jī)組人員的健康。在極地地區(qū)，輻射帶接近于地球表面，因此會(huì)出現(xiàn)極光。在這樣的環(huán)境下，機(jī)組人員無法像在“國際空間站”那般，待滿半年甚至1年的時(shí)間。俄羅斯科學(xué)院醫(yī)學(xué)和生物問題研究所載人航天輻射安全部主任維亞切斯拉夫·舒爾沙科夫?qū)Υ吮硎?，總體而言，高緯度空間站的輻射水平將比“國際空間站”高出約30%。同時(shí)，太陽質(zhì)子事件（由太陽耀斑或日冕發(fā)射產(chǎn)生的高能量質(zhì)子和離子流）也將給機(jī)組人員帶來巨大的危險(xiǎn)。在現(xiàn)役“國際空間站”軌道遇到太陽質(zhì)子事件后，輻射將增加10倍；但在高緯度空間站遇到太陽質(zhì)子事件后，輻射將增加50倍。

幸運(yùn)的是，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)階段的太陽活動(dòng)頻率很低，此狀態(tài)可以持續(xù)幾十年之久。但當(dāng)太陽輻射低的時(shí)候，機(jī)組人員還會(huì)面臨另一種威脅，即暴露在銀河射線下的機(jī)率大幅度增加，最主要的不利影響為記憶力下降。在現(xiàn)役“國際空間站”遇到銀河射線后，輻射將低于1/2；而在高緯度地區(qū)，輻射將增加2/3。

俄羅斯航天國家集團(tuán)并未企圖遮掩未來軌道服務(wù)站的危險(xiǎn)。他們公開表示，高緯度軌道意味著更高的輻射危險(xiǎn)，因此需要大大縮短機(jī)組人員的飛行時(shí)間。當(dāng)然，未來軌道服務(wù)站的重點(diǎn)并非在于機(jī)組人員將會(huì)面對(duì)的工作環(huán)境，而是空間站設(shè)備攜帶的巨大功能，以及將要完成的空間任務(wù)。因此，只要確保目標(biāo)設(shè)備順利運(yùn)行，軌道服務(wù)站將會(huì)為世界提供非常寶貴的科學(xué)價(jià)值。考慮到高緯度的危險(xiǎn)環(huán)境，俄羅斯航天國家集團(tuán)已經(jīng)將曾經(jīng)的旅游艙段設(shè)計(jì)全部移除。此外，俄羅斯政府還需要采取其他手段，促進(jìn)未來空間站的旅游效益。

5 發(fā)射計(jì)劃

俄羅斯政府計(jì)劃從本國境內(nèi)將ROSS送入軌道，因此將發(fā)射地點(diǎn)定為東方航天發(fā)射場(chǎng)，運(yùn)載器為安加拉－A5M重型火箭，發(fā)射時(shí)間為2024年。

目前俄羅斯航天國家集團(tuán)已經(jīng)在普列謝茨克發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行了3次安加拉－A5火箭的試飛，旨在為日后發(fā)射安加拉-A5M重型火箭奠定發(fā)射基礎(chǔ)。盡管安加拉－A5在試飛期間成功入軌，但并未將有效載荷送入目標(biāo)軌道。2023年4月12日，俄羅斯航天國家集團(tuán)公開表示，2023年秋天將在東方發(fā)射場(chǎng)正式發(fā)射安加拉－A5火箭，若發(fā)射成功，將于2024年準(zhǔn)時(shí)發(fā)射安加拉－A5M重型火箭。后續(xù)，ROSS機(jī)組人員將乘坐“雄鷹”（Orel）航天飛船前往。據(jù)悉，該飛船可容納2～4名人員。第一次試飛（無人駕駛模式）計(jì)劃將于2024年進(jìn)行。

ROSS的創(chuàng)建工作將分為兩個(gè)階段進(jìn)行。第一階段為2024～2030年，將“科學(xué)和能源模塊”送入軌道。第二階段為2030～2035年，將其他模塊送入軌道，目前這些模塊還在設(shè)計(jì)之中。

盡管俄羅斯提出了很多ROSS相關(guān)的工作計(jì)劃，但這些計(jì)劃大概率會(huì)延期。鑒于ROSS所需的發(fā)射場(chǎng)、運(yùn)載火箭和航天器也在試運(yùn)行中，因此具體的發(fā)射時(shí)間尚未公布。

6 結(jié)語

相比現(xiàn)役的“國際空間站”，俄羅斯ROSS采用了非常靈活的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)不同的任務(wù)調(diào)整模塊組件，不僅提高了任務(wù)覆蓋能力，還降低了產(chǎn)品維護(hù)成本。其“科學(xué)和能源模塊”結(jié)構(gòu)采用了自主運(yùn)行模式，減少了機(jī)組人員的空間作業(yè)難度。此外，ROSS更加側(cè)重于服務(wù)功能，提高了空間站的實(shí)用意義。未來配以核動(dòng)力拖船技術(shù)，將會(huì)極大促進(jìn)深空探索項(xiàng)目，將人類科學(xué)軌跡向宇宙深處延展。