国际空间站比足球场还大,重量将近 450 吨,最终必须坠落地球。这是一个极其精密且危险的过程。
近 25 年来,国际空间站(International Space Station, ISS)连续不断接待着各路宇航员,展开科学实验,是人类在近地轨道上历久弥新、深受喜爱的“太空堡垒”。尽管成就辉煌,但其所剩时日已屈指可数。
在接下来的几个月内,美国航空航天局(NASA)将评估那些能够帮助 ISS 顺利“退役”的商业飞行器方案,它们将帮助 ISS 安全坠入地球大气层,并燃烧殆尽shadowrocker小火箭更新节点。NASA 预计将为这一服务支付近 10 亿美元的费用,并避免使用来自俄罗斯的飞行设施。残酷结局已提上日程,将在接下来的十年初见分晓,但事实证明,对于航天工程和国际外交来说,事情非常微妙。
ISS 是“国际和民间合作的重要象征。”美国东北大学(Northeastern University)的政治学学者迈亚·克罗斯(Mai’a Cross)说,“就民间合作而言,我认为许多人会将其描述为人类有史以来所开展的最大项目。”
尽管 ISS 还受到加拿大、日本和欧洲多国的支持,但主要还是美国和俄罗斯的产物,也是两国几十年来不稳定关系背景下为数不多但合作坚定的领域之一。ISS 最初的节点舱一个产自美国,另一个产自俄罗斯,于 1998 年末抵达近地轨道。而空间站的第一批成员:一名美国宇航员和两名俄罗斯宇航员则在 2000 年 11 月正式入驻。自此之后,ISS 始终有人驻留,其使用寿命更是超过了最初设定的 15 年的目标。
然而,万事无长久。“虽然你不愿意看到空间站消失,它的退役将让我们非常难过,但让它无止尽地停留在轨道上也确实不切实际。”商业太空技术(Commercial Space Technologies)公司总裁乔治·奈尔德(George Nield)评价说,他也是 NASA 航空航天安全顾问小组(Aerospace Safety Advisory Panel)的前成员,该委员会存在已久,致力于敦促 NASA 制定出让 ISS 尽早退役的清晰策略。
空间实验室的末日劫难源自其在近地轨道上的位置:地球大气脆弱的上层区域。因此,能上得去的注定要掉下来,大气粒子以缓慢的速度稳定冲刷,将空间站逐步拉回我们的星球。
如果没有周期性的助推力,近地轨道上的航天器速度会越来越慢,高度也会越来越低,最终下降得足够深之后,便会解体穿过大气层,焚烧殆尽。ISS 的大部分轨道维持助推力由俄罗斯进步号(Progress)货运飞船稳定提供,一旦与空间站对接完毕,就会周期性地启动发动机,以抵消空间站不断下坠的趋势。
俄罗斯进步号货运飞船停靠 ISS Nauka 多功能实验室模块上。来源:NASA, 2021
理论上来讲,NASA 及其合作伙伴能够将 ISS 抬升至完全脱离地球大气层的轨道中。但是,要将这么重的空间站“举高高”,成本极为高昂。而且即便空间站被遗弃到“坟场轨道”上,仍然会产生威胁,因为它过于老旧又笨重,最终解体将不可避免,会产生无数碎片,可能损坏其他卫星。
“你不会想把它留在轨道上。”哈佛-史密松天体物理中心(Center for Astrophysics Harvard & Smithsonian)的天体物理学家乔纳森·麦克道威尔(Jonathan McDowell)说,“把空间站想象成博物馆,这很美好,但它只会越来越破败,直到分崩离析。”拆除 ISS 也不可行,奈尔德补充说,因为当初设计的时候就没考虑过日后会拆卸,任何特别想尝试这么做的人都将面临老化部件带来的可怕风险,毕竟这些部件已暴露在太空极端环境中超过 20 年了。
如果空间站不在轨道上运行,那它必然要在闪耀的光芒中化为灰烬。可能会发生下面两种情况:要么是在精细控制下,破坏性地坠入大气;要么发生工程师所说的“不可控脱轨”,大自然“一时心血来潮”,让空间站从高空掉落至地球表面。虽然可能很耀眼,但后一情况毫无疑问相当危险。ISS 比足球场还要大,它的运动轨道覆盖了全球 90% 以上的人口。迄今为止,坠落的航天器碎片几乎从未对人类和财物造成损伤,但作为史上最大型的脱轨物体,ISS 能轻易改变这一局面。
“不受控地进入地球显然会影响地面上的人,导致死亡、受伤以及严重的财物损坏。”奈尔德说,“那将不会是美好的一天。”
NASA 专家表示,引导 ISS 坠向地球的最安全方法是令其投向人烟稀少的南太平洋区域,减少伤害几率。

但棘手之处在于,ISS 长达 1.5 个小时的轨道周期会让它在地球表面以每分钟约 402 千米的直线速度一闪而过,其投射在地面的轨迹会随着地球自转而不断变化。ISS 穿越大气层下降的时间越长久,沿着这条运动轨迹扩散出去的碎片就越多,它们错误坠落地球其他某处造成严重破坏的可能性也就越高。但 ISS 的坠落过程不能发生得太快:如果以太大的力量穿越大气层,空气阻力也随之增加,空间站的太阳能电池板或者单个节点舱等大块碎片将被撕裂成小碎片,不可控因素由此产生,这些小碎片可能会以无法预测的轨道再次进入大气层。空间站的不规则几何结构会加剧问题的严重性,凸显了在大气层下坠过程中保持稳定方向的重要性。如果坠落时空间站发生翻转,那为脱离轨道提供推进力的火箭将不再指向正确方向shadowrocked小火箭是什么,可能让 ISS 偏离既定路线。
此外,地球大气层犹如“喜怒无常的怪兽”:随着太阳 11 年的活动周期时而变薄,时而增厚,还会随着昼夜交替变化。“你要让像 ISS 这么大的物体脱离轨道,整个过程非常、非常依赖于大气密度状况。”美国普渡大学(Purdue University)的航空航天工程师戴维·阿纳斯(David Arnas)解释说,“就算花很多时间,基本上也无法预测。”
结合上述所有因素,理想的坠落过程会是这样:首先经过数周或者数月的轨道自然脱离,ISS 的高度会慢慢降低,抵达距离地球约 402 千米的高空。此时,与空间站相连的定制飞行器将开始脱轨燃烧。空间站将下降距离地球表面近一半的高度,之后会产生一些不稳定效应。在距离地球表面约 201 千米的高空,任务控制组将调整 ISS 的运动轨迹以及火箭燃烧,将空间站接近圆形的轨道改变成椭圆形,使得其最接近地球的点,或者说近地点,位于地球上方约 145 千米之处。在剩余的下降过程中,空间站将穿过更低、密度更大的大气层,此举将有助于最大限度地缩短穿越时间。从145 千米的近地点开始,任务控制组将命令火箭进行最后一次燃烧,进一步将空间站往下推,让其坠入南太平洋。
完成这一壮举需要什么?直到最近,NASA 官方表示数艘(也许是三艘)俄罗斯进步号飞船将协同运作让 ISS 脱离轨道。但由于协调单个脱轨飞行器难度极大,这一计划充其量只是最好的权宜之计。
“即便一切进展顺利,也将是一大挑战。”奈尔德说,“确实需要在非常短的时间内建造好几艘进步号飞船,发射入太空,与空间站对接,开始执行任务。”
而且,美俄在 ISS 合作方面进展颇不顺利。俄乌冲突让俄罗斯与美国的关系降至冷战以来的冰点,使得 ISS 合作关系也紧张起来。俄罗斯还表示在 NASA 准备好之前就想终止 ISS 合作,也不保证在这种情况下会继续提供进步号飞船,执行可控的脱轨任务。(NASA 对此没有立即给予回复。俄罗斯宇航局也没做出评论。)
与此同时,俄罗斯制造的硬件发生了一系列令人不安的事故,动摇了对这个国家航天航空能力的信心。2018 年,俄罗斯联盟号太空飞船停靠在空间站上,发现船上的一个小孔有漏气现象,俄罗斯官方表示可能是蓄意钻出来的破坏行为。同年晚些时候,一艘载有两名前往 ISS 的宇航员的俄罗斯飞船因发射失败而安全中止。2021 年,原定于 2007 年发射的科学节点舱终于抵达空间站,但自此之后,该舱段各种负面新闻缠身,例如推进器哑火导致空间站短暂翻滚了一会儿,令人相当不安。去年,俄罗斯冷却系统分别发生了三起泄露事故,将有毒的氨气释放入太空中。今年八月,俄罗斯在沉寂半个世纪之久后首发登月计划,但以坠毁于月球而惨淡收场。
所有这些事故都让 NASA 和美国更加青睐本国生产的离轨飞行器,即便它们价格不菲。“如果我们口袋里有这个筹码,就能大大降低俄罗斯的议价权。”麦克道威尔说到。
但他随后又补充说,如果 NASA 只想要一架设计符合当今全球太空飞行器标准的离轨飞行器,那可能没有太多的选择。“当你一开始思考这件事,情况就变得显而易见,它们没能力在短时间内完成大规模的最终燃烧。”他认为,最接近这一要求的现有技术是阿尔忒弥斯任务中的欧洲服务节点舱,2022 年秋季,它为美国无人驾驶的猎户座飞船提供推进力,完成了一次里程碑式的绕月之旅,并计划在未来十年内协助完成人类登月任务。而其他飞行器,要么太弱,要么太强,要么无法携带足够的燃料来完成任务,因此,NASA 正就全新的定制离轨飞行器寻求商业合作建议。
无论是选择全新的飞行器,或者改造现有的飞行器来适应任务,NASA 的最终决定将在美俄关系之外掀起涟漪,影响支撑 ISS 的许多其他国际关系。国际空间站的终结如同其建设以及维护,都是由多方共享责任,但是 NASA 的公开文件并没有清晰表明加拿大、日本、欧洲或者俄罗斯航天局是否也签署了由美国领导的商业执行计划。
该大型项目命中注定的结局也为各种国际对话铺平了道路,即关于未来太空合作的对话。一直以来,NASA 通过《阿尔忒弥斯协定》(Artemis Accords)与对月球探索感兴趣的国家建立双边合作关系,不过俄罗斯不在其列。中国如今已拥有自己的轨道实验室(中国空间站),同时也公布了探月工程和火星任务。ISS 的退役是否会缓和中美关系,谁也说不准。
政治学者克罗斯表示,未来,任何国际合作都不会再复制 ISS 的历史,国际空间站仍会是独一无二的显赫成就。“参与太空任务的国家前景,开始完全不同于俄罗斯与美国开始合作建造 ISS 时的状况。”她还补充说自己希望在 ISS 落幕之前,各国之间已建立好合作关系。
无论 ISS 在何时终返地球,它的坠落将成为人类航天事业漫长又辉煌历史中最毁誉参半的里程碑之一。“历史上,我们并没有太多机会完成这样的壮举。”阿纳斯说,“到了真要那么做的一天,他们一定会非常、非常紧张。”










