美国建造商业空间站的动因与进程

王景泉（北京空间科技信息研究所）

近年，私营机构开始提供空间发射和载人航天飞行服务。在商业化载人航天方面，最著名、最重要的飞行当属维珍银河（Virgin Galactic）公司亚轨道飞行和太空探索技术（SpaceX）公司及其他商业轨道运输服务（COTS）参与者的轨道飞行。商业载人空间站是近年来悄然兴起的新领域，美国比格罗（Bigelow）公司率先开发商业空间站。

1 商业空间站发展的背景与动因

美国载人航天的私营化早在布什时代就已开始。2010年2月1日，美国总统奥巴马提出美国航空航天局（NASA）不再向低地球轨道运送航天员的决策后，根据奥古斯丁委员会的建议，如果私营公司能成功提供商业轨道补给服务，那么这将是实现向“国际空间站”商业运送人和货物的前提。

1990年，在“国际空间站”计划推迟和预算限制的情况下，美国国会取消了其中的可膨胀运输居住舱（TransHab）设计。2004年，比格罗公司从美国航空航天局购买了这种可膨胀运输居住舱技术的专利权，并为此签署了3份航天项目协议，于是该公司成为美国航空航天局几个可膨胀舱技术开发关键承制商中唯一的商业化公司。此后，比格罗公司利用可膨胀技术进行私营空间站的设计，并发射了起源－1、2（Genesis－1、2）探路者载人试验飞行器。截至2011年初，这种可膨胀的居住舱样舱仍在轨运行，收集到这种舱长期轨道生存能力的较多数据。

2010年初，美国航空航天局在预算申请中宣布重新开始全周期的“制造可膨胀式空间站舱计划，使其更宽敞，对于发射来说更轻、更便宜”。该局还考虑将比格罗可膨胀飞行器连接到“国际空间站”上，通过测试生命支持、抗辐射屏蔽、热控和通信等能力检验其安全性。

起初，比格罗公司就瞄准“多种用户市场，包括生物和制药公司、研究机构、娱乐公司、政府和民间用户”，其商业模式是将一个甚至多个可膨胀舱连成的小型空间站或居住舱出租给各种研究机构和公司。该公司运营商业空间站的目的是利用新的途径开发空间商业化，这与传统的“国际空间站”和航天飞机运行体制相比，具有低成本和快速转向的优势。

2 可膨胀运输居住舱技术的利用

比格罗公司的商业空间站基本设计就是采用美国航空航天局的可膨胀运输居住舱方案。与“国际空间站”刚性结构乘员居住舱相比，可膨胀舱未充气时体积小，易于发射，其全面膨胀后，直径可达8.2m，相比之下，“哥伦布”实验舱直径只有4.4m。比格罗公司利用可膨胀居住舱的专利，可向美国航空航天局和其他公司提供比传统飞行器和空间舱制造更便宜的选择。

“起源”舱在轨飞行示意图

可膨胀运输居住舱的设计采用混合结构，它综合并封装了可膨胀结构的大量功效和承重刚性结构的优点，其主要特点如下。

多层可膨胀壳体

运输居住舱的可膨胀壳体由多层高强度隔热毯组成，采用具有防护能力的冗余球胆设计，以防护轨道流星体碎片。可膨胀壳体的底部达24层之多，且各层都有独特的设计，以抵御速度是子弹的7倍的空间碎片和小流星体撞击，并具备在太空温度范围内的隔热能力。

可膨胀壳体能够起到碎片防护作用的关键是采用一种名为纳克斯泰尔（Nextel）的材料，这种材料通常用在汽车引擎罩中作为隔离材料，其开阔的单元泡沫中充满几英寸厚的夹层空间，类似用于地面座椅垫的发泡。

居住舱采用分层设计

居住舱从结构的外到内主要包括4层，依次为：

第4层：压力通道区主要设计成提供居住舱与任何连接的飞行器之间的通道。初步的通道设计有2个标准“国际空间站”舱门，保护诸如电子设备和电源设备等舱体膨胀期间所需要的关键设备。

第3层：该层配备踏车和固定自行车，各种类型医学和紧急装置的完整健康照料设备，有一个提供身体清洁的典型“空间洗浴区”。靠近训练区的地球观测窗口直径51cm。另外，该层还包括与第1层相同的存储区，提供备用部件、供给品、衣服和其他设备的存储。

第2层：乘员居住区设计为6个单独的乘员住处，每个乘员住处容积2.3m3。中央通道横穿该层中央核心结构和水储箱。每个隔间备有睡袋、存放个人物品的区域及用于娱乐和个人工作的计算机娱乐中心。

机械室外延伸到核心结构，占该区域空间的一半，室内对声学和视觉是隔离的。该区域的另一半属于起居室区域上方的通风窗通风范围。机械室主要有环境控制和生命支持系统、电源和电子设备，能实现从第1层到第3层的气流返回。

可膨胀运输居住舱方案图

第1层：该层配备有电冰箱、微波炉、水箱和炊具等厨房用品，以及1个有12个座位的餐桌，足够空间站的全部居住人员和轮换人员坐在一起开会和就餐。该层还有3个长方形机架、1个地球观测窗口和存储区。

3 “起源”探路者居住舱的飞行验证

为了进行与居住舱相关的运输飞行器技术试验和验证，研制了起源－1、2探路者飞行器，并相继于2006年和2007年成功发射。

起源-1

起源－1是比格罗公司研制并发射的第一个舱体，内部居住容积11.5m3，2006年起源－1由俄罗斯第聂伯号火箭发射。飞行器入轨后，顺利进行了结构膨胀、太阳电池翼展开和内部系统启动等试验。轨道飞行任务持续5年，全面试验包括测试封装与展开程序、抵抗辐射和空间碎片及耐受其他空间伤害和环境等。

起源-2

起源－2发射时直径1.6m，入轨后膨胀到其全尺寸。在发射的2天以内，姿态控制系统阻尼了所有的旋转，并将天线指向地球。飞行器运行在近圆轨道，设计轨道寿命大于12年。姿态控制系统和太阳电池翼运行良好，外表面未受任何损伤。在轨道进出太阳光照期间，内部压力保持为69.6kPa和72.4kPa。2011年2月，测量报告显示，压力、热控和环境控制性能良好，到2011年9月仍在轨道运行。

（1）起源－2系统的技术特点

与起源－1相比，起源－2有很大技术改进。除了采用起源－1的标准制导控制系统外，起源－2还采用了反作用控制轮组件和精确的测量系统，使其在没有消耗燃料的情况下，也能保持飞行器的旋转速率和角动量。起源－2载有22台摄像机，比起源－1多9台，可更好地对飞行器内、外拍照。摄像机大都装在铰接平台上，1台无线摄像机能够增加外部拍照。

起源－2在轨飞行示意图

BA－330概念图

与起源－1使用的单储箱膨胀系统不同，起源－2使用多储箱膨胀系统，不但提高了可靠性，而且也可更好地调整气体控制。防护罩外面增加了包覆层数，可更有效地进行防护和热管理。最后，飞行器上敏感器组通过增加压力、温度、姿态控制和辐射探测敏感器，进一步增强相应功能，从而有助于确定保持飞行器系统完整性的轨道环境。

（2）起源－2系统的有效载荷

起源－2的外部和内部装载了用于科学、商业和娱乐目的的多个系统。起源－2装载了起源－1生命科学舱的改进型，该舱内有阿拉加斯加蟑螂、南非蝎子和植物种子等生物体，进行改变生活环境研究。该生物舱系统的功能部件有自主食物和水供应系统、空气循环系统等，其中的敏感器和摄像机可监视并记录舱内生物体的健康和活动情况。

起源－2搭载了两类商业有效载荷。第一类称为“让你的物件飞行”计划，允许个人或客户付费将照片和其他小型物件送入轨道。飞行器共搭载了几十个这种物件，当用户的物件在飞行器内部漂浮时，利用内设摄像机对每个物件拍照，然后下传到地面并在比格罗公司的网站上显示。搭载一个小物件的价格大约300美元。第二类是外部成像传输系统，进行闪光成像和飞行器壳体信息的测试。有2套放映机和摄像机安装在太阳电池翼顶端。关于娱乐，起源－2搭载了称为“太空赌博游戏”的游戏竞赛项目，意在培育公众对这个节目的兴趣。

比格罗公司10年来不断发展相关技术，重新设计舱的纤维层，如其研制的聚乙烯纤维防护结构，是凯夫拉纤维强度的2倍。为了能够采用美国航空航天局的技术，比格罗公司从2006年7500万美元投资额，增加到2010年的1.8亿美元。

在互动交流中，以上5位演讲嘉宾围绕在人工智趋势下，新技术赋能医药物流等话题进行了对话。5位嘉宾认为，未来，将由单一模式向协同、共享、高效等方面发展，医药物流趋于个性化、柔性化服务体系，标准化定制也应该遵循二八原则。专业团队合作中，链主企业在供应链中起到重要作用，应用场景更为广泛。在轻松、幽默、诙谐的气氛中将本次沙龙推向高潮，众多参会观众报以热烈的掌声，盛赞沙龙观点犀利，让人意犹未尽。

4 未来商业空间站可膨胀基本舱

比格罗公司倾注了大量财力、人力、物力开展了基本舱的研究，主要包括以下几个型号。

“太阳舞者”舱

2个“起源”飞行器发射以后，公司开始研制更大的舱，名为“太阳舞者” （Sundancer）舱。该舱是比格罗公司计划发射的第3个舱，该舱装备完整的生保系统、姿态控制和轨道机动系统，具有重复推进和离轨能力。与“起源”飞行器相同，“太阳舞者”舱的外表面可膨胀部分贴在中央核心部分的周围，其入轨完全膨胀后，长度为8.7m，直径为6.3m，内部容积180m3。与“起源”相比，该舱有3个地球观测窗口。比格罗公司原本计划于2011年用太空探索技术公司（SpaceX）的猎鹰－9（Falcon－9）火箭发射“太阳舞者”舱，但目前推迟到2014年。

起源－2、“银河”、“太阳舞者”、BA－330的尺寸比较图

如果美国航空航天局能够利用这些成果，只需投入正常成本的一部分，就可帮助扩大“国际空间站”。美国航空航天局目前正在评估采购比格罗可膨胀活动舱（BEAM）用于“国际空间站”的建议，该舱是已经在轨的“起源”飞行器的扩大版本。如果此建议被采纳，比格罗可膨胀活动舱将发挥膨胀和软边舱的优势，并再一次获得验证技术的机会。

“银河”舱

2008年年中，比格罗公司完成了“银河”舱的建造，该舱容积16.7m3。比格罗公司计划2014年租用猎鹰－9或宇宙神－5火箭发射。

BA-330舱

2011年7月，比格罗公司宣布研制BA－330舱[又名 “鹦鹉螺”（Nautilus）]作为“太阳舞者”舱的继任者。 BA－330舱的容积330m3，装满负载后的总质量约23000kg，膨胀后长13.7m，直径6.7m。

5 商业空间站的总体设计构想

构建可膨胀居住舱商业空间站

比格罗公司计划2014年开始建造由可膨胀舱组成的商业空间站。该公司预计，由于采用几层强度是凯夫拉2倍的聚乙烯纤维，其可膨胀舱壁更加耐用，同时在理论上柔性结构壁比刚性结构更能耐受微小陨石的撞击。在地面试验中，能穿透标准的“国际空间站”舱体材料的微流星体只能穿过比格罗可膨胀舱壁的一半。

预计比格罗公司可膨胀舱能用于微重力研究和开发，空间制造等，其他潜在的应用还包括可变重力研究（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，多舱连接可以作为太空旅馆；在空间运输方面，可膨胀舱可作为月球或火星载人任务的飞船。

商业空间站的总体方案构想

比格罗公司的商业空间站包括“太阳舞者”舱和BA－330舱、中央对接节点、推进系统、太阳电池翼和乘员舱。空间站部件的最初发射计划在2014年，2015年可出租使用。

“商业空间站-天空行走者”在轨示意图

· 比格罗公司的空间站设计方案之一称作“空间站复合体阿尔法”，主要由容积为330m3的一个BA－330舱和2个小一些的“太阳舞者”舱组成，这些舱将通过对接节点与推进舱连接。

· 比格罗公司的空间站设计方案之二称作“空间站复合体喝彩”，由4个BA－330舱、2个对接节点和2个推进舱组成。

· 比格罗公司的空间站设计方案之三包括9个BA－330舱，居住空间2800m3。

比格罗公司早期构想的空间站称为“商业空间站-天空行走者”（CSS Skywalker），是为太空旅馆提出的设计方案，由多个BA－330舱组成，到达轨道后膨胀并连接，并采用多方向推进舱（MDPM），能使太空旅馆飞行在行星间或月球轨道。

2010年比格罗公司又提出可膨胀居住舱的新方案设计—BA－2100，可居住容积要比BA－330的大得多，可达2100m3。该舱质量为70～90t，需用重型运载器发射。

2010年开始，该公司在内华达州北拉斯维加斯建设大型生产厂房，研制其设计的太空舱，这个16800m2的工厂2012年投入生产，包括制造3种不同飞行器的3条生产线，是该公司已有面积的2倍。

2010年11月，比格罗公司表示未来可能建造10个以上空间站，因为根据分析，发展商业空间站具有坚实的商业市场。乘员和乘客的运输是该公司发展商业空间站的关键。2004年比格罗公司开设了5000万美元的刺激基金，称为美国太空奖，目的在于刺激载人飞行器的研制，但到2010年初该太空奖期满为止，也没有出现赢家。2009年8月，比格罗公司宣布研制“猎户座-里特”（Orion Lite）飞行器，打算在美国航空航天局研制“猎户座”飞行器的基础上，研制出低成本和较小能力的飞行器，这种飞行器可利用宇宙神－5或猎鹰－9火箭发射到低地球轨道，最多可搭载7名乘员。

商业载人航天的价格也在变化。2007年4月，比格罗公司曾宣布2012年提供商业服务的价格是在轨停留4周需要支付1500万美元，如果再增加4周时间只增加300万美元；租用全部在轨设施1年支付8800万美元，租用一半设施1年支付5400万美元。但是，在2010年2月商业航天飞行联盟组织的电视会议上，比格罗公司宣布新的价格：在比格罗居住舱停留30天（包括运送、训练和消耗品）需要支付2300万美元。

6 商业空间站的应用前景

目前，比格罗公司对于空间飞行的努力已经获得了多项荣誉，如2006年10月获得亚瑟·克拉克（Arthur C. Clarke）基金会创新奖，该奖项主要奖励在空间飞行领域对社会有重大影响或拥有特别贡献，确立卓越思想的创新或发明。2007年1月，航天基金会宣布比格罗公司是2007年航天成就奖的获得者。

未来商业空间站想像图

比格罗公司已经和波音公司合作研制“国际空间站”的运输飞船。同时，由于美国航空航天局开始了月球或火星载人任务的研究和试验设计，于是该公司也在考虑地球以远目标飞行的商业化问题。

比格罗可膨胀活动舱可用于“国际空间站”

2010年初开始，美国航空航天局重新重视可膨胀舱技术，并考虑了多种舱的方案。2011年1月，比格罗公司和美国航空航天局讨论提供比格罗可膨胀活动舱作为“国际空间站”的存储舱。如果美国航空航天局继续推进这项合作，比格罗可膨胀活动舱的缩小比例实验舱能在24个月以后入轨。另外，比格罗公司与波音公司合作研制CST－100舱，加入到美国航空航天局的商业乘员研究计划（CCDev）中。

利用商业空间站发展太空旅馆

虽然近年来比格罗公司重点研制构成空间站基础的“太阳舞者”和BA－330舱，但是如何将商业空间站变成用于太空旅游的太空旅馆，也一直在研究与设计。

商业空间站面向国际租用

多年来，比格罗公司坚持其主要市场的调查，许多国家政府苦于没有独立研制空间站的能力，对租用空间站感兴趣。目前，该公司已经和澳大利亚、日本、荷兰、新加波、瑞典、英国、阿拉伯联合酋长国迪拜等7个国家签订了谅解备忘录，这些国家对使用比格罗的商业空间站设施感兴趣。该公司创始人罗伯特·比格罗估计，有这种兴趣的国家甚至可达50个。

商业空间站用于地球轨道以远目标探索

2010年2月，美国航空航天局宣布奥古斯丁委员会提出重新调整载人轨道飞行计划，更多地为商业发射提供者提供机会。为此，罗伯特·比格罗说，该公司也有飞往月球甚至火星的雄心与构想；2个月后，比格罗表示，公司规划的月球中转站将部署在拉格朗日L1点，且其私营月球基地将由3个BA－330舱组成。