从太空经济谈起:21世纪会是人类宇宙纪元的开端吗

2019/02/05 23:55
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整个太空经济闭环的起点,正是产生废物更少、资产利用率更高的可再利用火箭。从长远来看,任何传统的地面制造业在轨道上都可以收获更高的生产效率和经济效益。

Space Economy: Would the 21st Century be the Beginning of Spacefaring Age?

仰望星空 脚踏实地

我的征途是星辰大海。

——田中芳树《银河英雄传说》

已仙逝的理论物理学家、宇宙学家、作家史蒂芬·霍金 (Stephen Hawking),曾在2017年的斯坦梅斯科学节 (The Starmus International Festival) 上,留下这样一番话:

我们的物质资源正以惊人的速度消耗殆尽。我们给地球带来了灾难性的气候变化。气温上升,极地冰帽消退,森林遭到滥砍滥伐,生物物种不断灭绝。我们就是一帮无知、轻率的家伙。留给我们的空间已经不多了,而唯一可以去的地方是其他的星球。现在该是去探索其他太阳系的时候了。将人类文明散播出去,可能是我们拯救自己的唯一办法。我确信人类必须离开地球。

正是怀着这样的信念,霍金与物理学家、风险投资家尤里·米尔纳 (Yuri Milner) 一道,在2016年4月12日正式启动了名为“突破摄星” (Breakthrough Starshot Initiative) 的太空探索计划,旨在一代人的时间当中,完成人类探测器首次飞抵距离太阳系最近的一颗恒星——4.4光年外的半人马座α星的壮举,并将收集到的数据传回地球。该计划初期投资1亿美元,最终可能将耗资50亿至100亿美元。

目前“摄星”构想的核心,是由被称为“星片” (StarChip) 、数以千计的纳米机器组成的光帆航天器。这些“星片”将利用激光照射在其表面上产生的光压作为推进力。如果使用足够高功率的激光照射这张星片组成的“风帆”(“摄星”计划希望激光功率能达到100千兆瓦级别),理论上其飞行速度可以达到光速的20%。以这一惊人的速度,光帆飞行器有望在出发后的20年内抵达半人马座α星,其传回的数据再经过约4年的时间,由地球上的激光设备接收。

光帆航天器艺术想象图 来源:Breakthrough Starshot

当然,“摄星”计划仍存在着太多的“如果”:

  • 地面的激光基站占地规模将达数平方公里,而且选址必须是气候干燥的高海拔地区,以尽可能减轻大气散射对激光能量的损耗;

  • 每一次推进所需的电力高达数千兆瓦时,需要庞大的发电机组和蓄电设施;

  • 数以千计的纳米机器必须装载在一艘“母舰”中,成功发射到高海拔轨道上;

  • 为了补偿大气效应的影响,得运用实时自适应光学技术;

  • 将激光光束聚焦到光帆上,做到在几分钟内将单个纳米机器加速到目标速度;

  • 充分考虑旅途中星际尘埃碰撞造成的偏差和风险;

  • 捕捉目标星系中行星的图像和其他科学数据,并使用微缩机载激光通信系统将其传回地球;

  • 地面的激光基站得在探测器预定到达时间的逾4年后仍能正常运作,以接收发回的数据。

平心而论,光帆推进系统的理论性能指标,远远超过当前科学技术所能实现的维度,目前仍在向学界公开征求上述技术难题的解决方案;而“摄星”计划的推进与实现,则要仰赖来自全人类社会的合作与支持,以及有关国家政府和国际组织的许可。


如果说“摄星”计划体现了人类对深空探索的无限遐想和对自身未来的美好期冀,那么人类对大气外层空间开发利用的现状,则可以用“理想很丰满,现实很骨感”来形容。

自1972年阿波罗17号的两位美国宇航员结束最后一次月面登陆任务以来,世界各国就再未执行过针对地外天体的载人任务

而在2001年俄罗斯和平号空间站报废溅落太平洋之后,唯一可供人类在外层空间长期居住的轨道空间研究中心,就是由美俄日加巴欧六个国家与地区共管的国际空间站 (International Space Station)。该空间站目前处于不断延续使用寿命的状态,主管的俄罗斯宇航局 (Roscosmos) 和美国国家航空航天局 (NASA) 预计国际空间站到2024年结束任务使命,但存在再次延期的可能性。

在2016年发射升空的“天宫二号”之后,中国跳过了计划中的“天宫三号”,将研发工程重点放在建造中国第一个长期空间站上,原计划于2018年完成研制并发射空间站核心舱“天和”号,现预计要到2022年发射升空(2018年4月央视网报道)。

与陷入漫长低谷期的载人航天形成鲜明对比的是,在过去半个多世纪、尤其是在信息技术革命 (ICT) 引发的第二轮全球化浪潮中,围绕地球的轨道变得愈加繁忙拥挤,各国争相开展发射任务,编织日益庞大的人造卫星网络——“卫星星座” (satellite constellation)。

刚刚过去的2018年是近年来卫星发射任务最为繁忙的一年(按运载火箭分) 来源:Morgan Stanley Research

截至2018年,在地球轨道上正常运转的人造卫星有1980颗,主要划分为商用、军用、非军事政府用和民用(科研用)卫星,其中有些装载着两用组件。据高盛研究部门估算,虽然只有约四分之一卫星的主要任务为军事用途,但这部分卫星占据了该领域资本支出的约四分之三。

大部分通信卫星自重都超过1吨,诸如哈勃望远镜的部分太空资产甚至可以达到10吨以上。但在摩尔定律的影响下,卫星小型化令更加灵活的轨道平台成为可能,小型卫星或简称“小卫星” ("Smallsats") 的应用越发广泛。尺寸最小的小卫星被称为“立方卫星” ("CubeSats") ——外型为大约10X10X10厘米的立方体,重约1千克。

标准商用卫星多载有保障在轨运行15年的燃料(主要用于轨道维持机动以抵御高度衰减),而其搭载的电子设备往往有着更长的使用寿命(主要依靠搭载的太阳能电池板供电)。小卫星运营商通常只做1-3年的运营规划。在使用寿命终结之后,卫星通常会被置于墓地轨道 (指远离常规运营轨道、防止弃置卫星与正常运行的航天器发生碰撞的特殊轨道) 或执行离轨机动坠入大气烧毁,但是不乏运营商会将卫星留在原地,成为危险的太空垃圾。截至2018年,地球圈总计有4857颗卫星,即有约60%是滞留轨道的太空垃圾。

不同的卫星运转在不同的轨道上,适用于不同的应用场景:

卫星运行的关键轨道 - 近地轨道 (LEO) 、地球静止轨道 (GEO) 和椭圆轨道,每种轨道上的卫星都有自己的特定价值和发射要求 来源:Goldman Sachs Research

  • 近地轨道 (Low Earth Orbit, LEO) 卫星在轨道上的速度比地球自转的速度更快,允许它们每1.5小时就可以围绕地球运转一圈。因为它们更接近地球(高度从150公里到800公里不等),这些卫星通常用于地球观测。国际空间站和哈勃望远镜,以及很多地球观测卫星都位于LEO。各家运营商都计划将LEO用于低延迟通信(例如无线网络卫星服务),但与地球过近的距离和卫星过快的速度,意味着覆盖全球需要上百颗卫星。以SpaceX的猎鹰9号 (Falcon 9) 火箭为标志的可再利用火箭技术,将为LEO的开发利用带来翻天覆地的变化(详见下文)。

  • 地球静止轨道 (Geostationary Orbit, GEO) 也称为地球同步赤道轨道,是地球赤道上方36000公里的特定轨道,该轨道上的卫星以与地球自传相同的速度运转。GEO是大多数通信卫星所在的地方,因为它们可以保证与地面上某一特定点的相对静止。地球静止轨道的缺点在于其与地面的距离,在双向通信的延迟上存在”硬上限“,但卫星电视和无线电等单向广播则无需考虑这一缺点。只需GEO上的三颗卫星,就可以实现对全球的信号覆盖。考虑到通信卫星的庞大自重,将其发射到GEO的任务主要由中重型运载火箭来完成;可再利用火箭作为新一代低成本替代方案,在该领域同样拥有巨大的潜力(例如SpaceX的猎鹰重型火箭)。

  • 中圆轨道 (Medium Earth Orbit, MEO) 位于GEO和LEO之间(36000公里以下、2000公里以上),代表了两者之间的折衷方案。部分双向通信网络卫星在MEO上运行,需要数十颗卫星来实现全球覆盖,但相对于GEO而言延迟更低。全球定位系统 (GPS) 的32颗卫星星座就处在MEO上,提供全球导航服务。

  • 椭圆轨道 (Elliptical Orbit) 可以指非圆形轨道中的任意一个。这些轨道往往具有特定的应用场景,其中最常见的是对极地区域的信号覆盖,同步赤道的卫星往往无法为这些地区提供优质的服务。地球静止转换轨道 (Geostationary Transfer Orbit, GTO) 是一种特殊的椭圆轨道,用作将卫星送到GEO的中间步骤,最终在椭圆的远端变轨进入环形的静止轨道。

虽然在数量上大多数卫星处在LEO上,但因大多数大型电信卫星都位于GEO上,目前商业价值仍集中在GEO。

当今世界,美国(包括政府与私人运营商)手中掌握着40%的卫星,远超该国在全球GDP当中的占比。俄罗斯继承了苏联太空计划遗留下来的历史遗产,拥有远超本国经济体量的太空资产 (10%)。中国在太空领域的地位日益增长,在卫星总数量中的占比 (13%) 已仅次于美国,与本国经济体量基本相当。其他经济体量更小的国家往往会将资源集中在政府主导的太空项目上,或者参与美国等大国主导的军事项目,以换取自身无力取得的空间情报能力。

卫星的国别归属(左)与各国GDP的全球占比(右) 来源:Goldman Sachs Research

太空“私有化”

溥天之下,莫非王土。

——《诗经·小雅·谷风之什·北山》

全球定位系统 (GPS)、记忆海绵、LED灯、人工假肢、婴儿辅食、合成轮胎...... 今天的人们习以为常的这些事物,都能追根溯源到NASA的实验室里。在外层空间对基础科学、应用技术和空间探索的研究与投资,构成了现代经济的根基。

但过去半个世纪中主权国家政府在太空领域的主导地位,毫无疑问出现了松动,一大原因是政府机构在科研投资立场上的转变。20世纪下半叶,绝大多数科研经费都来源于联邦拨款;而进入21世纪以来,国家预算中科研经费的占比日益萎缩。

国家科学基金会等政府资助机构,往往倾向于为增量研究提供资金,而风险较大的创见性项目(尤其是纯科研探索、非军事目的的项目)则被拒之门外。以美国硅谷亿万富豪为代表、吸纳与鼓励新想法和新尝试的私人资金,逐步走上前台。2015年,私人资金(包括企业捐款)自二战以来首次在基础科学研究中成为主要资金来源。

目前NASA年预算持平在不到200亿美元 难有余力支持创见性项目 来源:Morgan Stanley Research

联邦预算占比逐年下滑的NASA,以及其他太空领域相关的公共部门,都在经历前所未有的“私有化”浪潮,将越来越多本由政府承担的职责转交到私人部门手中,而首当其冲的是要具备成本可承受(商业化)的太空发射能力。

21世纪初的第一波“私有化”并不彻底,采取的是政府和社会资本合作 (public-private partnership) 的形式。由军事工业联合体 (military-industrial complex) 洛克希德·马丁 (Lockheed Martin) 和波音 (Boeing) 集团旗下发射业务部门组成的合资公司联合发射联盟 (ULA) 一家独大,在2016年之前垄断美国国防部和NASA等联邦政府客户的发射任务订单长达十年。ULA采用的是传统的一次性运载火箭(主要有德尔塔IV和宇宙神V两个型号),其关键部件无法在发射后被回收重复使用,单次发射成本居高不下、窗口条件异常苛刻,是令商用航天领域裹足不前的一块绊脚石。

要打破主权国家政府对太空发射手段的垄断,只能另辟蹊径。以2008年SpaceX成功发射首枚私人资助的液体推进剂火箭猎鹰1号 (Falcon 1) 为开端,SpaceX、Blue Origin(发射载具仍停留在亚轨道试验阶段、火箭引擎2018年9月为ULA采用)、轨道ATK(2017年被老牌军工企业诺斯罗普·格鲁曼全资收购为其创新系统部门)等私人航天公司相继开始了私人资本运作“开发-发射-回收-再利用”全流程的尝试。

2012年5月22日,SpaceX的猎鹰9号运载火箭搭载“龙” (Dragon) 无人飞船进行首次全功能发射,完成私人航天器对国际空间站的第一次货运补给任务后,“龙”飞船成功重返大气层。

从国际空间站上拍摄的“龙”飞船 来源:NASA

2015年12月21日,SpaceX的猎鹰9号运载火箭在将载有的11枚商用卫星送入轨道后,在夜间成功完成首次垂直着陆 (vertical landing),初步具备火箭再利用能力。

猎鹰9号首次成功垂直着陆的瞬间 来源:SpaceX

2018年2月6日,SpaceX成功发射现役航天器中总推力、有效载荷最大的猎鹰重型 (Falcon Heavy) 运载火箭,将马斯克个人拥有的一辆特斯拉Roadster纯电跑车(重约1.3吨)送入太空,并成功完成两枚一级助推火箭(即常规的猎鹰9号火箭)的完整回收。

猎鹰重型运载火箭发射升空 来源:SpaceX

现已成功实现商业化运作(仅猎鹰9号就已完成28次垂直着陆)的可再利用火箭 (reusable rocket) 技术,通过重复使用造价昂贵的火箭推进段,可以大幅降低进入太空成本 (space access cost)

根据公开数据,摩根大通分析师Seth Seifman估计SpaceX的猎鹰9号运载火箭的基线成本为6200万美元,远低于ULA网站上为其宇宙神V型火箭(与猎鹰9号任务定位相似)开出的1.09亿美元价码。ULA的德尔塔IV型重型火箭的“重型”方案发射成本约为3.5亿美元,而“常规”方案也要花费约1.65亿美元;相比之下,仍处测试阶段的猎鹰重型运载火箭不仅单次发射成本将低至9000万美元,其各项性能指标尤其是有效载荷也超过了ULA可以提供的任何方案。

据SpaceX,该公司在商用发射任务市场上的份额,从2013年的不足10%增长到2018年的超过50%。在美国国内市场上,SpaceX业已成为NASA和商用发射的主导者,2017年其执行的16次发射任务占到了全市场的75%。该公司在军用市场也开始占有一席之地,在2015年获得美国空军竞标资格后,2016年4月美国空军授予SpaceX首份国家安全级别发射任务 (EELV-class) 订单,要求其将一颗GPS III卫星送入轨道;2018年12月23日,SpaceX成功完成该发射任务,与往次同类型任务相比入轨成本降低达40%。

摩根士丹利研究部门2017年的一份基石报告中,将可再利用火箭形象地誉为“通往近地轨道的‘升降机’”,认为在该技术的发展中蕴藏着太空经济的未来:

在我们看来,可再利用火箭如同通往近地轨道(LEO)的升降机。当伊莱沙·奥的斯 (Elisha Otis) 在1854年首次展示安全升降机时,公众恐怕难以理解这一新发明对建筑设计和城市规划的影响。大约20年后,纽约、波士顿和芝加哥的每一座多层建筑,都围绕着中央升降机竖井而建。这些垂直运输的早期应用仅限于大约10到11层的建筑,因为加高实心砖石结构高度的成本非常昂贵。1871年芝加哥大火之后1880年代钢架结构的出现,使得液压升降机达到了20层的高度。电气升降机(也就是我们今天所熟知的“电梯”)接通了电力,使其运行速度提升了三倍,令1913年60层伍尔沃斯大厦的建造成为可能,并最终在1931年建成了102层的帝国大厦。虽然升降机这一突破开启了垂直运输领域的新时代,但革命的实现需要的是一系列循序渐进的补充性创新。

升降机技术出现前后截然不同的曼哈顿天际线 来源:Morgan Stanley Research

很多人认为汽车产业是从戈特利布·戴姆勒 (Gottlieb Daimler) 设计的内燃机中“诞生”的。但是,从离经叛道的无马马车到现代意义上的汽车的演变,需要一系列承前启后的创新,包括钒钢和流水装配线,而这两者都归功于亨利·福特 (Henry Ford)。创新需要富有魅力的资本家,心怀不懈进取的精神。是伊莱沙·奥的斯,托马斯·爱迪生和亨利·福特将资本和技术相结合的才能,造就了升降机、电力和汽车。今天,我们有埃隆·马斯克 (Elon Musk, SpaceX老板) 和杰夫·贝佐斯 (Jeff Bezos, Blue Origin老板),他们在交通、商业和信息技术领域扮演着相似的角色。埃隆·马斯克率先将自己的事业扩展到了地外空间和星际领域,但他远非孤身一人。世界上有许多成功的领导者、资本家和政府机构,同样致力于解锁太空的商业、研究和军事应用场景。太空实际上是一片日益活跃的沃土,吸引着科技创新和资本投入。这应当引起投资者的注意。

基线场景预计到2040年太空经济将达到逾1万亿美元市值 来源:Morgan Stanley Research

除了可再利用火箭,还有其他效法轨道ATK飞马座 (Pegasus) 空射运载火箭的新兴方案。空中发射入轨技术可以绕过传统的发射台,使用喷气动力的飞机(完全可以是经改造后的商用飞机)爬升到合适的海拔高度后,携带有效载荷的小型固体推进剂火箭与机身分离,点火发射将航天器送入近地轨道。空射运载火箭系统面向的是500千克以下的小卫星市场,是维珍银河 (Virgin Galactic),维珍轨道 (Virgin Orbit) 和同温层发射 (Stratolaunch) 的商业目标。


不断降低的发射成本,为太空经济创造了切实可行的客观条件;而呼之欲出的5G时代,及其对网络带宽 (bandwidth) 日益增长的需求,则将成为太空经济增长的主要驱动力。

更多关于全球5G技术竞争的内容请见《概览:为何各国拼尽全力在5G竞赛中占得先机?

在摩根士丹利的基线场景中,在逾1万亿美元预期市值的全球太空经济中,大都来自于对5G网络的带宽消费,其中光是互联网服务的估值,就高达4100亿美元

大多数太空经济价值与互联网带宽有关 来源:Morgan Stanley Research

摩根士丹利预计在卫星互联网服务中,自动驾驶车辆 (autonomous vehicles) 数据用量的增长将最为显著。假设自动驾驶车辆最终在全世界范围内得到普及,其数据流量将高达每90分钟4TB(据英特尔和现有谷歌自动驾驶汽车数据用量的推断),远超本地存储计算的处理能力,当前全球交通数据的量级只能相形见绌。

上述数字还未计入其他配套服务的带宽消费:行车诊断、物联网接入、车内摄像头和一些型号的自动驾驶仪采用的高清摄像头,都会产生大量的互联网数据需求。2017年5月,著名汽车配套系统企业德尔福集团 (Delphi Automotive) 首席技术官Glen W. De Vos曾指出,若将所有配套服务计算在内,自动驾驶车辆的数据流量将超过每小时80TB,接近每小时100TB的水平。

到2040年全球移动数据流量将是2016年的约200倍,而全球IP流量将是2016年的约60倍,绝大部分数据将来自自动驾驶汽车 来源:Morgan Stanley Research

而要跟上呈指数增长的互联网流量需求,近地轨道上的低成本卫星宽带 (satellite broadband) 是不二之选。选择在近地轨道上建设这样一张网络,不仅可以解决卫星通信常有的信号延迟问题,还可以跨越通信基站和光纤设施所面临地地理障碍,更加灵活地覆盖高纬度极端环境,服务低经济发展程度水平的地区。

2018年2月22日,SpaceX成功将两颗实验卫星送入轨道,对宽带互联网星座 (broadband internet constellation) 提案开展概念验证。2018年3月29日,联邦通信委员会 (FCC) 首次批准并授权SpaceX在近地轨道上建设由4425颗卫星组成的卫星互联网服务。据SpaceX预计,这一暂命名为“星链” (Starlink) 的太空互联网基础设施,将在2020年代中期初步形成运营能力,向地面用户提供价格低廉的宽带服务。2018年11月15日,FCC同期批准了来自SpaceX、开普勒通信、Telesat和Leosat运营近地轨道卫星系统的申请。

摩根士丹利对SpaceX假想贴现现金流 (hypothetical DCF) 的最新分析(2018年11月),将该公司的净现值从460亿美元+提高到了520亿美元+,也正反映了其对太空经济前景的乐观看法。在研究更新中摩根士丹利重申,即便卫星宽带不被作为未来发展的重点,也不会影响对卫星发射和近地轨道的整体重视,该领域还有太多创新思路根本无法被记入估值模型中:

想想上个世纪90年代那些根本无法被当时模型所消化的互联网创新。无法被现有框架理解,并不代表太空经济的繁荣不会到来,它只是意味着,更具创见性的先驱者们必须利用以更低成本进入太空的能力,提出前人难以想象的解决方案。

......我们相信,一场太空复兴的新时代已经拉开帷幕,科学探索和预算分配之间的良性循环机制将为太空经济的发展增砖添瓦。

轨道工业联合体

如果当初我问人们想要什么,他们会说“更快的马”。

——亨利·福特

人类进入太空的途径变得更加经济便捷,将掀起一波外层空间探索的新热潮。日本IT社长前泽友作与SpaceX2018年高调宣布的首次私人绕月旅行计划,就是一个典型的例子;马斯克自己也有在2024年让SpaceX的大猎鹰火箭 (BFR) 完成首次星际(火星)载人任务的计划。

在这股热潮的背后,是轨道空间开发利用的无限可能性。升降机的大规模普及,让垂直空间的高效利用和高人口密度的超级城市成为可能,改变了房地产行业的面貌;同理,上文所述可再利用火箭等技术上的革新,将戏剧性地降低进入近地轨道的成本,打开了通向轨道“不动产” (orbital real estate) 的大门。

科技进步有望让进入太空的成本曲线出现戏剧性下降 来源:Morgan Stanley Research

根据华盛顿邮报2018年2月披露的NASA内部文件,美国政府计划于2025年全面停止对该轨道实验室的直接财政投入,但并不准备将其废弃,而是在那之前逐步完成空间站的私有化,让其成为第一例名副其实的轨道“不动产”:

在2025年结束对国际空间站的直接联邦支持的决定,并非届时要令其脱离轨道,再入大气层自毁——航天工业未来仍可通过商业平台的形式,继续保障国际空间站某些要素能力的正常运作。未来7年中,NASA将致力于拓展国际和商业伙伴关系,以延续人类对近地轨道的进入能力和轨道存在。

文件中并未就国际空间站私有化的具体实施,以及哪些民间企业可以参与私有化进程给出更多细节,但指出美国政府“将寻求商业部门进行市场分析和商业规划,征询实施私有化的可行方案。”而任何可行方案的大前提,是私人航天企业必须具备常规载人往返国际空间站的能力。

SpaceX预计将在2019年完成约18次发射任务,其中包括NASA商业载人航天计划 (Commercial Crew Flight Program) 的首次载人示范任务,拟于2019年6月由SpaceX的猎鹰9号火箭搭载“龙”载人飞船执行。2011年由亚特兰蒂斯号轨道器完成最后一次航天飞机任务后,前往国际空间站的载人任务(也是目前唯一仍在常规执行的载人航天任务)便一直由俄罗斯的联盟号 (Soyuz) 运载火箭搭载同名飞船完成。若任务顺利完成,这将是航天飞机停飞之后宇航员首次从美国本土进入太空,同时也将是史上首次由私人飞船完成载人航天任务,为之后前往国际空间站的常规任务铺平道路。

执飞首次载人示范任务的美国宇航员Robert Behnken和Douglas Hurley上校,背景为“龙”载人飞船 来源:NASA


降低入轨成本、保障轨道存在,逻辑上的下一步便是从科幻中走入现实的剧情:建设“轨道工业联合体” ("orbital industrial complex"),形成太空经济的闭环。

作为工业制造环境,轨道空间不仅比地球表面灵活得多,在材料科学等领域的考量中甚至优于月面。轨道空间理想的零重力 (zero-gravity) 和纯净真空 (pure vacuum) 环境,在地球上无法复制;通过抛物线飞行、大型中性水池等模拟出来的所谓“微重力”,以及在实验室高精密仪器中制造的“局部真空“ (partial vaccum),不仅成本过高、窗口过短,在工业生产要求上也差之毫厘失之千里。

反观轨道工业,如果生产过程中需要重力作用,只要在设计上允许特定舱段旋转产生离心力,就可以轻易制造人工重力环境,不仅可以做到完美模拟地表重力,还可以根据需要提供任何重力强度的理想环境;在旋转结构的工业设施中,与旋转轴线处在不同的距离,就可以受到不同强度的重力作用。太空的本质就是接近完美(平均每立方米氢原子低至个位数)且大量“存在”的“免费”真空,而若工业过程中需要气体参与,只需要对特定气密舱段加压即可。

通用动力在对太空制造设施 (SMF) 的可行性评估中指出,“满足基本制造设备需求的设施质量和能量......仍是类比地球制造设备的数据估算出来的;在太空和月面使用的情况下,可以大大降低这些设施的质量和能耗。”况且,在太空中太阳能电池可以源源不断地收集成本低廉的电力能源;麻省理工学院太空系统实验室 (Space Systems Laboratory) 在1979年提交给NASA的报告中如是说道:

SMF的能量来源最有可能是太阳能;另一种可能性不那么高的选择是核能。因此SMF运作的能源成本与其他太阳能系统 (SPS) 的成本结构相似:建造太阳能阵列 (solar array) 时的大额初期投入,以及随后非常低的运作成本(用于轨道姿态控制的离子推进器不需要消耗燃料,维护要求较低)。如此一来,在长时间使用的情况下,SMF运作的能源成本会远低于地面制造业的能源成本。

太空制造设施 (SMF) 概念图 来源:NASA

没有了重力和风速的制约,轨道工业联合体可以在规模上大大超出地表建筑的极限,降低对结构设计与强度的苛刻要求,甚至可以通过自动化辅助手段,在轨道上直接构建出符合特定产品规制的舱段模块,譬如批量建造大型星际飞船的太空船坞。事实上,从长远来看,任何传统的地面制造业在轨道上都可以收获更高的生产效率和经济效益。

对小行星和月面资源的开采,会彻底改变地球圈矿产储量和供应的面貌,尤其是对稀贵金属如铂金、锂等的价格将造成不可逆的冲击。这将进一步降低从地面向轨道供给生产原料所造成的火箭燃料负担,反过来还可能通过生产中心向轨道上的转移,帮助减轻地面上的能源和环境危机。轨道上诞生的新科技、新材料、新产品会派生出新的产业(太空采矿、太空制造、太空旅游),成为太空经济增长和进步的新动力。

整个太空经济闭环(即尽可能长时间地保持产品、材料和资源在经济中的价值)的起点,正是产生废物更少、资产利用率更高的可再利用火箭。除了利用化学燃料作为推进剂的火箭,基于轴向超导加速器原理设计的大型电磁质量加速器 (electromagnetic mass driver) 或称线性弹射器 (linear catapult),若能得益于轨道空间环境下超导材料研发的突破,最终从概念成为现实,将在进一步提高有效载荷、降低发射成本的同时,极大地缩短发射周期,增强天地之间的物流和客流往来。该技术同样可以用于向轨道工业联合体高效输送月面基地采掘出的矿物资源。

科幻作品中描绘的线性弹射器 来源:Ark Performance

更加大胆的设想,还包括因大量科幻作品描写而为公众熟知的“太空电梯”(“天钩”/“天梯”/“轨道电梯”)。这一概念作为升降机对垂直空间利用的终极方案广受欢迎,但因其必须同时满足在 (1) 同步轨道上设置 (2) 足够庞大的空间站作为配重,并 (3) 在轨道空间制造或组装 (4) 材料强度足以胜任的缆绳连接到 (5) 位于赤道附近的固定/浮动基站,还必须扛过 (6) 极端天气、飞机碰撞、武装袭击等不可抗力因素,事实上令其成为实现可能性最低、隐含风险最高的方案。

太空殖民地与拉格朗日点

......地球圈漂浮着巨大的人工都市,作为人类的“第二故乡”,人们就在这里出生、成长、生儿育女并走向死亡。

——富野由悠季《机动战士高达》开篇语

私人企业 (轨道工业联合体) 利益和国家主权雄心的结合,最终将催生对外层空间半永久和永久性居住区 (habitat) 的综合开发,也就是所谓的“太空殖民地” (space colony)。

最初的尝试,自然是建立在国际空间站等前人经验的基础上,在轨道工业联合体中设置半永久性的专用居住舱段,供参与生产环节的技师和统筹保障运作的宇航员等长期驻留。但随着进入太空的人类越来越多,专供一般社会人士观光、消费甚至移民、提供必要甚至全套公共服务的永久性居住区亦将提上日程;而这样的综合开发项目,除了应满足对致命宇宙射线辐射的屏蔽、适宜呼吸又不会加大火灾隐患的大气等保障人身安全的基本要求之外,还需更加强调人的生理和社会需求。

为研究长时间身处失重环境对健康的影响,2015年3月27日到2016年3月2日,美国宇航员Scott Kelly和俄罗斯宇航员Mikhail Korniyenko在国际空间站上共同度过了342天。除了常见的骨质脱钙现象,研究发现失重会使宇航员的体液在上半身积聚,导致面部水肿、眼压上升和其他不良反应。

国际空间站上的宇航员往往借助规律的锻炼(跑步机、抗阻力器械)帮助治疗骨质疏松;但对于未来在太空长期居住的一般社会人士而言,则可能需要模拟地表强度的人工重力,抵消这些不良反映。这么做的唯一办法,就是让整个太空殖民地自转

除了重力加速度,其他对人造成直接影响的环境参数还包括个人空间光照强度。居住区在设计时必须提供舒适的生活、服务、社交和娱乐设施。人们的这些需要可以按面积、容积和人均内部质量需求进行分析,作为人口规模、滞留时间、居住区偏远程度等的函数。

百人居住区和万人居住区按照各种功能分配的必要人均面积、场所高度和容积 来源:NASA

人类感知器官中最重要的组成部分就是他的视觉系统;这使得太空居民在工作,休息和生活区域拥有适当的照明至关重要。据NASA保守估算,光照强度在生活与工作区为人均556.7瓦,在农业区为人均5692瓦,总照明需求约为人均6248瓦。考虑到减轻人们工作中眼疲劳的最佳方法是采用漫散射或反射光,工作区设施和家具表面的属性根据其反射光的效果也需要统一设计考量,尽可能选择漫散射的无光泽表面而不是镜面表面。

在NASA艾莫斯研究中心领衔上述“太空资源与太空居住”研究的普林斯顿大学物理学家Gerard K. O'Neill,根据团队的研究成果提出了太空殖民地的最初设想“奥尼尔圆柱体” ("O'Neill cylinder")。设计由两个反向旋转的圆柱体组成,每个圆柱体的直径为5英里 (约合8千米),根据容纳的人口数量其直径能够扩展到20英里 (约合32千米)。

奥尼尔圆柱体外部艺术想象图 来源:NASA

每个圆柱的内表面沿着其长边分为六等份的条形区域,其中三条是透明的采光面,通过外部数以亿计的镜面反光单元变换入射角度,调整自然光照强度模拟昼夜与季节变化;另外三条是模拟地表重力可供居住的“陆地”表面。此外,半径10英里(约合16公里)的外部农业环以不同的速度旋转,以支持不同重力条件下的农作物无土栽培和鱼类淡水养殖。内部居民如需从事工业生产,则可将工业区设在圆柱两端不旋转的中轴部分,以便在制造过程中提供无重力环境。

奥尼尔圆柱体内部艺术想象图 来源:NASA

按照奥尼尔的设想,每个圆柱体可以容纳2000万-2500万居民,每40个圆柱体串联成供8到10亿人居住的巨型殖民地阵列,布置在称为“拉格朗日点”的地月引力平衡点上。在L1到L5五个拉格朗日点上两个天体的万有引力达到均衡状态,太空殖民地能够对地球和月球保持相对静止,可以为殖民地与地月之间的通信和交通往来带来极大便利。五个拉格朗日点中,L4和L5为稳定均衡的太空“锚地”;而L1、L2、L3为不稳定均衡,在这里的殖民地实际上是在围绕太空中一点的晕轮轨道 (halo point) 上运转,为防止脱轨需要殖民地进行轨道维持机动,不过由殖民地太阳能供电的离子推进器可以自动完成该操作。

拉格朗日点示意图,居中的黄点为地球,紫点为月球,拉格朗日点以编号红点表示 来源:Kodansha Bluebacks

2019年1月3日,中国的无人月面探测器嫦娥四号在靠近月球南极的冯·卡门陨石坑 (Von Kármán crater) 的内侧成功着陆,这也是人类航天器首次在月球背面着陆(即月球被地球潮汐锁定后始终无法从地球上观测到的月球表面)。嫦娥四号着陆器上携带的生物科普试验载荷引起了较多关注,但该实验实质是在着陆器内封闭模块导入月面自然光照这一单一变量观察样本动植物的生长状态,模块中的水、土壤、空气等仍是地球产物,远非真正意义上的“月面种田”。

嫦娥四号上的生物科普实验载荷内部图片 来源:重庆大学

更具现实意义的,是承担嫦娥四号着陆器地月之间信号中继任务的鹊桥号中继卫星。月球背面的通信天线因受到月球本身的阻挡,无法直接向地球传输数据,必须通过覆盖月背区域的通信卫星进行中继。2018年5月21日发射的鹊桥号中继卫星,不仅是世界首颗月球专用的通信中继卫星,而且还跳过了绕月轨道,直接选择进入拉格朗日点L2的晕轮轨道,在完成嫦娥四号既定中继任务的同时,验证了中国在L2点维持轨道存在的能力。

鹊桥号为嫦娥四号进行地月信号中继的示意图 来源:Loren Roberts/ The Planetary Society

日本大阪大学物理学教授、日本月面着陆验证计划SLIM的参与者佐伯和人评论认为,登陆月背的意义不仅在于月面探索的科学成就,更在于创设了一套以拉格朗日点L2为核心的信号中继系统

如果只是要完成一次探索任务,完全可以通过低成本的绕月轨道卫星来完成中继任务,但中国正在做的是稳步发展基础设施技术,将目光投向对月球的长远开发。不论如何,都应该在L2点上建立一座载人空间站。(2018年)4月2日溅落太平洋的“天宫一号”曾进行过轨道对接测试,也是给未来太空站的建设提供参考。放眼全球,现在对待月球计划最为严肃的国家,就是中国。

人类社会做好准备了吗?

有两种东西,我对它们的思考越是深沉和持久,他们在我心灵中唤起的赞叹和敬畏就会越来越历久弥新,一是我们头顶浩瀚灿烂的星空,一是我们心中崇高的的道德法则。

——康德

不论是颠覆生产力极限的轨道工业联合体,还是容纳上千万移民的太空殖民地,这些美好未来的实现,还有诸多国际现实造成的障碍需要克服。

人类处在自我毁灭边缘的冷战最高潮时,以美苏为首的国际社会起草并签署了《关于各国探索和利用包括月球和其他天体的外太空活动所应遵守原则的条约》,于1967年10月10日正式生效,无限期有效,史称《外层空间条约》(Outer Space Treaty)。该条约作为国际公约级别的母法,奠定了国际空间法领域的基础,其中“不得通过提出主权要求,使用、占领或以其他任何方式把包括月球和其他天体在内的外层空间据为己有”和“不在绕地球轨道及天体外放置或布置核武器或任何其他大规模杀伤性武器”,是美苏军备竞赛最终未恶化为外空全面军事化的一大原因。

然而,这并不意味着主权国家放弃了太空;恰恰相反,太空作为国家安全的“终极高地”,充斥着日益增多且越发脆弱的军事资产,从太空敞口最大的美国角度来看更甚。美国国防部依靠卫星提供从通信和图像到导航和定位在内的所有情报。这些天基能力 (space-based capability) 是进行空中、海上和地面作战所必需的,因此如果美国与其他太空大国开战,美国必须保证自己拥有技术优势。举例来说,美国对洲际弹道导弹 (ICBM) 的第一道防线就是天基红外预警卫星系统 (SBIRS)。摩根大通分析师Seth Seifman指出,五角大楼在投资研发新技术以抵御诸如高超音速导弹等空陆打击手段的同时,必须考虑如何保护价值数百亿美元的卫星系统等太空资产免受潜在威胁。

注:2007年1月11日,中国成功进行了一次反卫星导弹试验,命中并摧毁了轨道高度865公里的已报废气象卫星风云一号C。中国外交部发言人刘建超2007年1月23日就中方进行的外空试验表示,中国一贯主张和平利用外空,反对外空武器化和外空军备竞赛,中国从来没有、今后也不会参加任何形式的外空军备竞赛;在有关方面表达了关切之后,中方已向包括美国、日本在内的有关国家通报了外空试验的情况。

事后考察与追踪证据证明,该次测试是人类历史上产生太空垃圾数目最多的单次事件,据当年12月估计,造成了逾2300片大型 (大于10厘米) 、逾35000片中型(大于1厘米)和100多万个小型(大于1毫米)的太空垃圾。由于目标卫星的轨道高度大气阻力非常小,这些太空垃圾将在轨道上运行数十年后才能摩擦燃尽,尤其是动能较大的大型碎片。NASA2015年第一期轨道碎片季刊中,公布了根据太阳反射的轨道碎片评估,预计到2035年大约还会有~25%的大型碎片滞留在轨道上。

红实线为2009年9月针对风云一号C事件大型碎片滞留做的初次评估,红虚线为2013年9月评估 来源:NASA

目前已证实成功试射反卫星导弹的国家有俄罗斯、美国和中国。

美国总统特朗普拟于2019年2月在2020财年总统预算中,向国会提议设立美国武装力量的第六大军种“太空军” (United States Space Force)。虽然在五角大楼特别是美国空军内部,对单独成立“太空军”的必要性存在较大争议,但各方都认为新财年中国会国防授权法案会加大太空领域的军费开支。

摩根士丹利预计,到2040年美国在太空领域的政府开支将翻一番,达到逾900亿美元,约占该领域全球政府开支的一半 来源:Morgan Stanley Research

主权国家出于防务安全需求对太空产业加大重视与投入,在短期内对私人航天企业也许是一宗利好,对有能力接下国防订单的少数行业龙头来说尤其如此。但中长期来看,以主权国家为单位的太空军事竞赛,不仅有悖于《外层空间条约》中合作谋求共同利益的精神,更是不可避免地会要求私人部门“站队”,闭塞国际间的技术交流,阻碍太空“私有化”浪潮,甚至在外层空间爆发冲突,对轨道环境造成不可逆转的危害。

1978年NASA天体物理学家Donald J. Kessler提出凯斯勒症候群 (Kessler syndrome,或称凯斯勒效应Kessler effect) 的场景假设,认为当近地轨道 (LEO) 上物体密度达到一定程度时,物体之间的碰撞(譬如太空垃圾碰撞一颗卫星)会诱发连锁反应,每一次碰撞都造成更多的碎片,进而产生更多的碰撞,直至碎片覆盖整个轨道表面,令特定高度的轨道陷入长时间无法使用的状态,甚至阻碍其他航天活动的安全进行。主权国家间在外层空间的武装冲突,是最有可能在未来百年内触发凯斯勒症候群的外部因素。

目前太空垃圾主要密集分布在近地轨道和地球静止轨道上 来源:NASA

以2016年为分水岭,第二轮全球化进程步入下半场,自由主义、国际主义陷入低潮,民粹主义、民族主义方兴未艾,主权国家间“以邻为壑”的趋势愈演愈烈,地缘摩擦演变为区域性冲突的可能性陡增。前文在讨论轨道运输方案时,之所以判断广受欢迎的“天空电梯”实现的可能性还不如线性弹射器,主权国家的干预也正是原因之一:撇去设计上舍本逐末、在材料和工程科学上难以实现不谈,太空电梯这样一座空间基础设施所蕴含的宏观经济和地缘政治价值,意味着谁控制了它的固定/浮动基站,谁就控制了全球经济的命脉;如果不能武装夺取其控制权,最恶场景很可能是潜入破坏其正常运作,甚至直接摧毁太空电梯本身,随之带来的人道主义灾难和政治外交恶果无法估量。

“成就达成:乱成一锅粥” 来源:Kurzgesagt

这样的风险,实际上也不同程度地存在于太空经济的每一个环节当中;太空电梯的最恶场景,同样可能发生在宽带卫星星座、轨道工业联合体、甚至庞大的太空殖民地上。经过上百年的积淀,主权国家 (sovereign state,以及民族国家nation-state,几乎同一时间形成) 的组织形式业已成为一种强社会建构 (social construct),其是否适合人类文明的下一个阶段,乃至于人类文明究竟有没有“下一个阶段”,已经超出了本篇的讨论范畴;只能寄希望于人类科学技术、商业经济乃至社会价值的进步,启蒙与培养新的社会共识。

宇宙纪元的黎明

如果人类社会真的在本世纪达成了建立太空殖民地、诞生第一批太空公民的成就,那么届时人类才刚刚爬出地球的重力井底,准备跨入宇宙纪元的大门。

拉格朗日点上的殖民地,以及月面上的永久性城市(与殖民地同步建成),将不再是地球圈的“边陲”,而将成为圈外新航路的港口和补给站。空间运输的机遇将不再被局限于往返地球轨道,星际货运 (interplanetary freight) 的市场将被打开。以可以殖民的最近行星火星为例,在找出办法将之地球化 (terraforming) 之前,其恶劣的自然环境意味着自给自足的方式非常有限,火星殖民者的初期物资需求将意味着地球圈历史所未见的货运吞吐量。

摩根士丹利研究团队饶有兴致地对星际货运的前景做了一番考察:

我们注意到国际空间站每隔60-90天需要重新补给一次,虽然国际空间站的尺寸要比设想中的星际基地小得多,但人员的规模也相应少了很多。

我们所设想的未来中,每个月都会有货物补给班次从地球发往其他行星/卫星上的人类基地。鉴于缺乏具体的数据点,今天我们无法估算这个潜在市场规模 (TAM) 的价值。

好消息是,天体物理学上存在(并已经通过数次探测器任务验证)一系列由行星间重力作用确定下来的路径,在重力影响下“搭便车”的大型星际飞船只需耗费极少的能量就能穿梭于太阳系中。这一系列被形象地称为“星际运输网络” (Interplanetary Transport Network, ITN) 的航线虽然耗时过久(能量与时间之间的权衡关系),无法被搭载人员的客运飞船所利用,但定时发往的货物补给班次完全可以留足提前量,保证物资按时抵达目的地。

星际运输网络艺术想象图 来源:JPL

SpaceX目前仍在开发中的超重型发射载具大猎鹰火箭 (BFR) ,最初的设计目的即是完成前往火星的货运和殖民任务。BFR的理论有效载荷将达到150吨甚至更多,远超所有其他规划中的发射方案,第一级推进段“超重” ("Super Heavy") 和第二级轨道器“星船” ("Starship") 都将具备可再利用能力,预计最早于2020年进行首次试飞,以在轨道条件下验证轨道器采用的七座新式“猛禽” ("Raptor") 火箭引擎的性能(推进段有31座引擎)。

马斯克2017年给SpaceX定下的理想目标,是在2022年发射头两艘无人货运BFR前往火星,目标是“确认水资源并识别危险”,同时为未来的班次设立“电力、采矿和生命支持基础设施”。随后SpaceX将在2024年发射四艘BFR,其中两艘载人,另外两艘装载额外的设备和物资,目的是在火星表面建立推进剂生产厂,达到在火星表面发射“星船”,使其能够自力返航地球的目的。祝马斯克,祝SpaceX,也祝人类能够完成这样的壮举。

大猎鹰火箭 (BFR) 艺术想象图 来源:SpaceX

最后用马斯克的一条推特,呼应最初霍金的预言:

我们是可观测宇宙中唯一的文明与否并无定论,但只要存在这种可能性,就意味着我们更应当努力将生命拓展到比地球更远的地方。

参考文献 Reference

Jonas, Adam, Sinkevicius, A, etc., Could 2019 Be the Year for Space?, Morgan Stanley Research - Space/ North America, Nov. 2018

Seifman, Seth M., Arnstein, B E., etc., Space Primer: The View From Orbit, J.P.Morgan North America Equity Research - Aerospace and Defense, Jun. 2018

Jonas, Adam, Sinkevicius, A, etc., Investment Implications of the Final Frontier, Morgan Stanley Research - Foundation - Space, Oct. 2017

Stephen Hawking Says Earth is Under Threat and Humans Need to Leave, Newsweek - Tech & Sciences, Jun. 20th 2017

Poponak, Noah, Porat, M, etc., Space: The Next Investment Frontier, Goldman Sachs Equity Research, Apr. 2017

Extraterrestrial Processing and Manufacturing of Large Space Systems, Vol. 1 Final Report, MIT - Space Systems Laboratory, Sep. 1979

O'Niell, Gerard K., etc., Space Resources and Space Settlements, NASA - Scientific and Technical Information Branch, 1979

ブルーバックス編集部, 天宮1号は布石だった?中国が月の裏側で「ジオン公国」建設を始める, 講談社Blueback, Apr. 3rd 2018

陈琦、黄军、姚於,月球上长出了第一片绿叶!,人民网,2019年1月15日

邱晨辉,棉花种在月球发芽!官方:不会对月球环境造成影响,中国青年报,2019年1月15日

Vavrin, A.B., Solar Cycle Sensitivity Study of Breakup Events in LEO, NASA Orbital Debris Program Office - Orbital Debris Quarterly News, Vol.19 Issue 1, Jan. 2015


作者:张一苇

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