《流浪地球》里的那些超级科技：谁能造出“领航者号”空间站？

rootcat

截至 2 月 20 日，《流浪地球》票房突破 40 亿，坐稳了中国影史票房第 2 的位置。作为国内全新一类电影——硬核科幻的开山之作，能有这个成绩，实属喜人。
虽然在某影片评分网站上，这部片子被许多人诟病存在不少 " 强行煽情 " 之处，但在小编看来，就算是 " 强行煽情 "，效果还是很不错的。事后也有不少观众表示，在一些感人情节出现时，他们的情感被影片牵着走，尤其是片尾刘培强驾驶 " 领航者号 " 空间站冲向木星的片段，更是让人潸然泪下。
不过，相比起用空间站点燃木星的情节，小编想到的却是另外一件事，那就是，到时候要建一座 " 领航者号 " 一样的空间站，真不是件容易的事。
国际空间站的囧境
2001 年 3 月 23 日，运作了 20 多年的俄罗斯 " 和平号 " 空间站坠入南太平洋，自此，全世界只剩下由美国主导、共 16 个国家出人出力建造的国际空间站 ( ISS ) 仍漂浮在离地面 400 公里的太空轨道上。
自 1998 年第 1 个模块—— " 曙光号 " 功能货舱上天以来，包括对地观测、天文观测、太空生命科学研究、航天医学、流体物理等研究任务就开始向 ISS 转移。等到 " 和平号 " 退役，美国、俄罗斯、欧洲、日本等国的顶级学者，更是只剩这一个地方搞太空科研。20 年来，ISS 也不负众望，完成了 " 无重力种植 "、" 太空动物 "、" 太空旅行延时反应 "、" 地球监控 " 等多项任务，可谓战功彪炳。
早前，NASA 公布了 2025 年载人登陆小行星、2030 年载人登陆火星的计划。在美国科学家的设想中，ISS 将是该计划不可或缺的一部分。鉴于深空穿梭的复杂性，前期的火星之旅不可能中途返航，因此科学家必须在相近条件下，把可能的错误一个个试出来。
截至目前，空间站试验已经确定了宇航员在外太空长途飞行中可能面临的 32 种潜在健康风险，对空间站的研究对于减轻其中至少 21 种风险是必不可少的。这是一个重点领域。
然而，如今全球科研人员却面临着一个严重的问题—— ISS 老了。
在 1993 年完成设计工作时，科研人员给 ISS 定下的使用年限是 10-15 年，也就是最迟到 2008 年就该退休。届时，理应有材料更先进、设计更完善的新空间站来接替它的工作。
但是并没有。NASA 先是宣布将 ISS 使用寿命延长至 2015 年，又从 2015 年延长至 2020 年，再从 2020 年延长至 2024 年。若不是因为缺少大气层的庇护，ISS 直接暴露在各种辐射、离子流下，结构强度和设备寿命确实已经难堪重任，想必 NASA 会将其使用价值无限压榨下去。最终，NASA 只得宣布，ISS 将在 2024 年退休。
其实，单从太空实验的内容来说，人类科学家远没有将 ISS 利用到极致，目前站上仅有 50% 的资源用在科学实验上。也就是说，地球人还不需要花费大量的资金和时间去重新设计建造更先进的空间设备，只需要每年维护一下，必要时换上新的模块即可。但就算是这种简单的任务，各国不打算进行下去，原因是什么 ?
因为没钱。
到目前为止，ISS 的建造 + 运营成本已经达到 1600 亿，平均每年 64 亿美元，其中美国承担了大部分——将近 1000 亿美元，剩下的由俄罗斯、欧洲、加拿大、日本和巴西分摊。
如今要维持空间站运作，光是常驻空间站的航天员，每人每年就需要 658 千克食品、209 千克服装 ( 没有洗衣机 ) 和其他个人用品。运送 1 千克物品到空间站的费用为 2.2 万美元，这就差不多 460 万美元了。如果按照 ISS 设计的满载 6-7 人，那每年花费就上升至 3000 多万美元。
这只是一小部分，花钱的大头在于设备，每年送上去的备件和科学试验用品重达数吨乃至数十吨，简单估算下来，至少需要 10 亿美元。
这还只是运输成本，考虑到研发设备、培育人员等事项，要投入的资金量更是巨大。仅 NASA 一家，过去每年在这方面的预算就高达 30 亿美元。
根据特朗普 2 月 15 日签署的拨款法案，2019 年 NASA 将获得 215 亿美元的运作资金，维护 ISS 的资金占比超过 1/10。放在世纪初，拿出这么多钱可能不算什么，但是 NASA 现在有 60 个新项目，他们要建新的韦伯太空望远镜，要开发 " 木卫二 " 探测器，" 机遇号 " 宣布死亡后，NASA 肯定要更精细地维护 " 好奇号 " 火星探测器，此外还有猎户座飞船研发、SLS 火箭等探索工程，这些都是要花大钱的。


（NASA 历年经费，数据来源于维基百科）
而 ISS 的其他合作方，细数下来也出不了多少钱。比如，俄罗斯去年宣布，到 2025 年前总共在航天计划投入 400 亿美元，也就是每年 57 亿美元左右，其中只有 3.3 亿美元用于空间站，另外 12% 用于维持 " 格洛纳斯 " 导航系统，12% 维护航天发射场，40% 研发重型火箭。
日本方面，根据公开数据，他们在 2014 年提供给空间站的就算只有 357 亿日元，以现在的汇率算就是 3.2 亿美元
欧盟更吝啬，他们去年 6 月公布的预算案显示，在 2021-2027 年 6 年间，航天经费只有 160 亿欧元，也就是每年 27 亿欧元 ( 30 亿美元 ) 不到。而在更早的 2016 年，欧盟曾提出，他们愿意为维持空间站运作到 2024 年支出 8.07 亿欧元 ( 9.2 亿美元 ) ——不是每年，是总共支出 9.2 亿美元。
整体算下来，未来几年，ISS 各方出资只能达到过去 25 年平均水平的 2/3 左右。
雪上加霜的是，近期，空间站又爆出一则坏消息—— ISS 美国舱段厕所坏了，超过 10 升液体飘入舱内。
厕所坏了可能不是什么大事，但是这引出了更大的问题。小编搜集资料后发现，这几年，ISS 上坏的可不仅仅是厕所。去年 8 月，NASA 报告 ISS 俄罗斯分段联盟 MS-09 航天器轨道舱内出现一个直径 2 毫米的洞，可能导致氧气在 18 天全部泄露 ;11 月，又是在俄罗斯舱段，一台电脑突然死机 ; 而在更早之前，还曾出现过氨气泄漏、氢氧化钾泄漏等严重事故。
可以说，ISS 年久失修的现象越来越明显，与之相应，维护成本也会变得越来越高。
原本小编还以为，NASA 宣布停掉 ISS 只是说说而已，毕竟几大航天大国不可能没有空间站。算完这笔账后才发现，这次可能是真的运作不下去了。
未来空间站工程
在 ISS 走入暮年，寿终正寝之后，全球顶尖的太空科学家们难道就失去用武之地，只能在地面仰望星空吗 ? 那倒不至于，全世界对于 ISS 退休，已经准备了几个备胎方案。
美国
对于 ISS 达到设计寿命后的处理方式，美国政府去年初提出了一个非常资本主义的解决方法——将其私有化，私人承包，自负盈亏。
据悉，这一充满铜臭味的解决方案和崇尚经商的共和党无关，而是 NASA 局长布里登斯廷 ( Jim Bridenstine ) 提出的。不过，小编查了查，这位去年 4 月才上任的 NASA 新局长并不是科学人员，甚至没有一点科学背景，只是一味纯粹的政客，在进入 NASA 前是俄克拉荷马州国会议员。
不过，研究与发展中心国防分析研究所计算后得出结论：" 到 2025 年，私人拥有和运营的空间站在经济上不可行 "。
从经济上看，私有化不是万能，不可能把 30 亿的维护成本一下子降下来，那么，一个商业实体运营空间站的唯一途径是依靠政府大量补贴。然而，这类补贴又可能涉及到利益输送之类敏感的政治话题，可行性不强。
除此之外更值得重视的是，NASA 还有一项非常宏伟的 " 深空之门 " ( Deep Space Gateway ) 计划。该计划 2019 年被正式命名为 " 月球轨道平台门户 " ( Lunar Orbital Platform-Gateway，LOP-G ) ，是由 NASA 领导，多国共同倡议，集太阳能通信枢纽、科学实验室、短期居住模块和漫游车等候区于一体的空间站项目。
这个空间站最特殊的一点是，它将围绕月球轨道运转。" 深空之门 " 将运行在离月球 30 多万公里的轨道上，按照原定计划，除了继承 ISS 的 " 遗志 "，它还要承担新的小行星和月球探索任务。然而，由于缺钱，" 深空之门 " 尚未出师，其小行星任务已经被砍掉了。
在这方面，" 深空之门 " 将作为美国 " 重返月球 " 战略的一部分。由于其距离月球极近，而月球引力又极小，可以很方便的完成月球表面的探索任务。无论是 NASA 的引力牵引机还是月球着陆采样返回，都可以帮助人类更深入的了解外星体的结构组成。
值得注意的是，就连这个任务，都不知何年何月才能得偿所愿。一方面是开始得晚，今年才开始初期研究，投入资金 5.04 亿美元 ; 另一方面是配套设施研发缓慢。
上一次人类到达月球，靠的是 " 土星五号 " 运载火箭，那时冷战时人类科技巅峰水平的产物，在去工业化数十年后，就算有钱有图纸，美国能不能重新造出来还是个问题。因此，NASA 重头再来，用 " 土星五号 " 和航天飞机的技术遗产，重新研发 SLS 太空发射系统。
至于这个火箭何时能上天，现在也没有明确消息。
俄罗斯
无 ……
欧盟
日本
中国
如果美国政府人员看到《流浪地球》里的 " 领航员号 " 空间站和上面的中国航天员，心里恐怕会比较别扭，毕竟从 2011 年国会通过《弗兰克 - 沃尔夫条款》开始，中国就被排斥在美国领导的全球航天合作之外。
风水轮流转，如果 2024 年 ISS 真的退役，那么中国 " 天宫 " 空间站可能就是短期内全球唯一的太空科研平台了。
根据目前的规划，" 天宫 " 建造将于 2020-2025 年间进行，预计在 2022 年前后建成。空间站轨道高度为 400-450 公里倾角 42-43，设计寿命 10 年，可容长期驻留 3 人，初期将建造 3 个舱段，包括 1 个核心舱和 2 个实验舱，每个规模 20 多吨，总重量 60 吨。
由于总重量 60 吨只有 ISS 的 1/7，而且只有 3 个舱段，这一计划曾遭到不少人嘲笑，但从技术规划细节看，这很可能只是初期设计，留了充分的后手。比如说，" 天宫 " 有 26 个舱内载荷机柜装载空间，67 个中小型舱外载荷接口，供电功率最高可能有 100 千瓦。而有 3 个实验舱、31 个科研机柜的 ISS，总供电功率也不过 90 千瓦。
此外，像人员气闸舱、货物气闸舱、桁架外挂点、暴露平台、机械臂、舱外机器人这些设备，ISS 有的，" 天宫 " 都有。
和美国不同，中国在空间科研合作上持相当开放的态度。2016 年，联合国与中国载人航天工程办公室签署《利用中国空间站开展国际合作谅解备忘录》，商定利用中国空间站为各国提供科学实验机会，并在未来为他国航天员或载荷专家提供在轨飞行机会。
去年，中国常驻维也纳联合国和其他国际组织代表团与联合国外层空间事务办公室在维也纳的中国空间站国际合作机会公告发布仪式上，正式开启中国空间站国际合作，盛情邀请世界各国积极参与，利用未来的中国空间站开展舱内外搭载实验等合作。
60 年后 ……
当然，《流浪地球》中的故事发生在 60 年后，时代背景和现在不同，在地球灭亡的危机下，建立空间站将是事关全人类的大事。正如电影中表现的那样，那个国家修的空间站不重要，重要的是，所有国家都有人在上面，为地球存续尽一份力。