美国商业公司执行私人航天员任务分析.pdf

空间瞭望智库专栏Space International 国际太空 20237Space Outlook Think Tank Column4美国商业公司执行私人航天员任务分析赵琪 宋国梁 张蕊（北京空间科技信息研究所）北京时间 2023 年 5 月 22 日 5:37，美国公理空间公司（Axiom Space）在佛罗里达州肯尼迪航天中心39A 发射台利用猎鹰-9（Falcon-9）运载火箭成功发射“载人龙”（Crew Dragon）飞船，执行第二次“国际空间站”（ISS）私人航天员任务。“载人龙”飞船经过约 15.5h 飞行后，与“国际空间站”和谐号（Harmony）节点舱天顶点对接。飞船搭载的 4 名航天员以私人航天员身份在轨开展了为期 8 天的短期考察任务。5 月 30 日23:05，搭载 Ax-2 乘组的自由号（Freedom）“载人龙”飞船从“国际空间站”脱离对接，经过 12h 飞行，“载人龙”飞船在佛罗里达海岸安全溅落。41 任务概况此次任务代号为公理任务-2（Ax-2），是公理空间公司利用“载人龙”飞船执行第 2 次私人航天员任务，也是该型飞船第 10 次执行载人飞行任务。本次任务飞船编号为 C212，被命名为“自由号”，该飞船为首次重复使用。本次任务中，猎鹰-9 运载火箭编号为 B1080.1，是该火箭一子级的首次发射任务。本次任务原计划 2023 年 5 月 8 日实施，但受到“猎鹰重型”（Falcon Heavy）运载火箭发射卫讯-3（ViaSat-3）卫星任务推迟的影响，Ax-2 任务也随之推迟，使得该任务在轨时间由 10 天缩短至 8 天。本次任务发射过程按照美国国家航空航天局（NASA）和太空探索技术公司（SpaceX）确定的操作程序进行，猎鹰-9运载火箭在零发射窗口点火，顺利将“载人龙”国际太空07（公开）.indd 42023/7/20 15:44Space International 国际太空总第 535 期5飞船送入预定轨道，并首次在载人航天任务中实现运载火箭一子级的陆上垂直回收。2 乘组与站上活动航天员乘组此次任务中，自由号飞船搭载了 4 名乘员，分别为美国籍航天员佩吉惠特森（Peggy Whitson）和约翰肖夫纳（John Shoffner），沙特阿拉伯籍航天员阿里阿尔卡尼（Ali Alqarni）和雷安娜巴纳维（Rayyanah Barnawi）。任务指令长佩吉惠特森飞行经验丰富，曾 3次前往太空，在职业生涯进行过 10 次舱外活动，累计舱外活动时间 60h21min，在太空中累计停留 675天，创造了女性舱外活动次数、美国累计太空停留时间等多项纪录。惠特森也是第一位担任 NASA 首席航天员的女性，该职位是 NASA 航天员队伍中的最高级职位。惠特森 2018 年 6 月从 NASA 退休，目前的身份是公理空间公司顾问和载人航天部门主任。飞行员约翰肖夫纳是一名商人、赛车手和飞机驾驶员，累计飞机驾驶时间 8500h，曾担任 Ax-1任务的备份航天员。阿里阿尔卡尔尼是一名沙特空军的战斗机搭乘自由号“载人龙”飞船的 4 名航天员（左起:Alqarni、Whitson、Shoffner 和 Barnawi）飞行员，雷安娜巴纳维则是一名癌症研究人员。2023 年 2 月 12 日，沙特航天委员会（SSC）宣布两人参加 Ax-2 任务，并在“国际空间站”开展 14项生物医学和物理实验。两位航天员成为第二位和第三位进入太空的沙特人，巴纳维成为沙特首位女航天员。站上活动与应用情况Ax-2任务的乘员活动侧重于科学、教育和推广，4 名航天员计划在“国际空间站”上进行超过 20 项不同的实验，确定人类航天探索新技术的实用性，同时在飞行过程中收集数据，加强对地球和轨道上人体生理学的理解。这种公私合作关系为发展商业太空经济提供了机会，并支持低地球轨道上的生物医学产品和先进材料的商业创新和制造。Ax-2 任务为用户在低地球轨道上开展科学研究、生物制造、技术验证等各类应用提供了更多的机会。作为第二次前往“国际空间站”的私人任务，Ax-2 任务是公理空间公司及其学术和工业伙伴在微重力条件下进行概念验证研究和前沿突破的重要一步。参与 Ax-2 任务应用项目的商业公司有生物服务公司（BioServe）、西达斯西奈医学中心（Cedars Sinai）、螺旋视觉公司（Cortivision）等。国际太空07（公开）.indd 52023/7/20 15:44空间瞭望智库专栏Space International 国际太空 20237Space Outlook Think Tank Column6Ax-2 任务典型应用项目实验类别实验名称实验应用生命科学与桑福德干细胞研究所合作的低地球轨道癌症研究项目越来越多的证据表明，微重力条件会加速人类干细胞的衰老、炎症和免疫功能障碍。在 Ax-1 任务中，研究人员发现低地球轨道上癌症干细胞似乎更容易再生，对标准疗法的抵抗力也更强。Ax-2 任务包括确定两种抑制药物是否能逆转乳腺癌类器官模型的再生。另一项实验是跟踪航天员在太空飞行前、期间和之后血液干细胞的健康状况，以评估太空环境对干细胞老化、免疫功能和癌症干细胞产生的影响人体研究与星云研究与发展公司、基尔大学和威尔康奈尔医学院合作的星云人体研究生物样本和生物数据项目该项目组合皆在研究人类如何适应和应对太空飞行，以更好地了解微重力环境下的人体生理学以及如何在太空中保持人体健康。项目利用新型神经科学工具，包括测量大脑的血流量和大脑的电活动，对眼睛瞳孔的无创评估来评估颅内压力，以及监测视神经的长期变化，来改进对神经系统健康的监测。项目有助于提高未来航天飞行的安全性，并能够推动快速、无创监测的开发，以及早期干预和对策制定。项目还采集了血液和生物样本，以检查与航天飞行有关的多组生物标志物，并绘制染色体和端粒的长度、结构和表观遗传学的变化物理科学法 赫 德 国 王 石 油 与 矿 业 大 学（KFUPM）、沙特航天委员会和纳米架公司（Nanoracks）合作，在微重力环境下进行云播种项目云播种是通过在云中植入碘化银（AgI）晶体等颗粒来人工制造雨水的过程。该实验首次在太空微重力环境下检验云播种。潮湿的空气和 AgI 晶体在一个反应室中混合，以研究成核（即水蒸气在 AgI 晶体上凝结形成水滴）的可能性。该实验的结果有助于开发天气控制技术，以便在未来载人月球和火星探测的定居点开展人工降雨科学、技术、工程和数学（STEM）“国 际 空 间 站”的 业 余 无 线 电（ARISS）项目ARISS 通过业余无线电与“国际空间站”在轨乘组建立连线机会，激励全世界的学生追求科学、技术、工程和数学方面的兴趣和职业。ARISS 的主要目标是通过业余无线电组织“国际空间站”上的乘组与校内或公共论坛的学生进行连线，促进对 STEM 主题的探索。在 Ax-2 任务期间，公理空间公司乘组利用 ARISS 与世界各地的学生进行“国际空间站”业余无线电联系梦想公司（Dream Up）与纳米架公司合作的 STEM 实验项目通过3个视觉实验展示地球上和微重力环境下流体行为的差异，探索“国际空间站”上不同形状风筝的空气动力学行为，并展示太空的真空环境下对热传递的影响。沙特阿拉伯各地的学生则参与地球上的地面实验，用定制的工具包收集对比数据，普通公众可以使用梦想公司提供的家用材料和说明收集自己的数据。该项目与沙特航天委员会合作进行技术验证与 日 本 载 人 航 天 系 统 公 司（JAMSS）合作进行的气味可视化研究项目JAMSS 气味可视化是一个技术演示项目，通过使用 2 个石英晶体微天平（QCM）传感器检测“国际空间站”加压环境中的气味。收集到的数据随后被用于可视化太空游客的生活质量，并在未来得到应用公理空间通信系统技术验证项目公理空间通信系统有效载荷将开发和测试站上通信的替代方式，以用于某型移动设备。该测试有助于乘组更灵活地与任务控制中心和地球上的亲人进行通信国际太空07（公开）.indd 62023/7/20 15:44Space International 国际太空总第 535 期73 后续计划私人航天员任务进展2022 年 8 月，公理空间公司作为唯一一家竞标单位获得 NASA 授予的第二次私人航天员任务。同时，NASA 对于私人航天员任务增加了一项要求，即私人航天员任务必须由一名有飞行经验的前 NASA航天员指挥，对于执行短期任务且没有接受过专业训练的航天员提供必要保障。2023 年 3 月 14 日，NASA批准了公理空间公司第三次前往“国际空间站”的私人航天员任务，该任务计划最早于 2023 年 11 月发射。公理空间公司表示，后续前往“国际空间站”的私人航天员任务将主要面向政府，由政府资助的航天员将成为此类任务的主要客户，未来的 Ax-3和 Ax-4 任务乘员中将只有一名个人客户。2022 年11 月，匈牙利政府计划通过与公理空间公司达成协议，斥资 1 亿美元在 2024 年底或 2025 年初将一名航天员送往“国际空间站”执行为期一个月的私人航天员任务，届时将测试 12 台匈牙利设备，并进行匈牙利大学的 8 项实验，同时为欧洲航天局（ESA）进行研究和实验。除匈牙利外，公理空间公司还与土耳其达成协议，计划将一名土耳其航天员送往“国际空间站”。商业空间站进展公理空间公司在执行私人航天员任务的同时开发一系列连接到“国际空间站”的商业舱段，这些舱段将在“国际空间站”2030 年左右退役后作为独立商业空间站的核心。在公理空间公司安装完这些商业舱段后，公司将拥有属于其自身的对接端口，这样可以极大增加飞行机会，而不必竞争私人航天员任务，目前 NASA 将私人航天员任务限制在每年2 次。公理空间公司计划最早在 2025 年底发射其首个商业空间站舱段，2026 年发射第二个商业空间站舱段，可以使公司的商业舱段一次最多容纳 8 人，在2026 年末或 2027 年，该空间站还将增加一个用于科学研究的舱段。第二次私人航天员任务进一步支撑了该公司建造空间站及进入太空的能力，在支持低地球轨道经济产业增长的同时使公司向实现商业空间站的目标又迈进了一步。4 几点分析（1）私人航天员任务促进低地球轨道商业化快速发展公理空间公司时隔一年再次开展私人航天员任务，在首次私人航天员任务基础上吸取了大约 200条经验教训，并对公司的计划、训练方法以及最终执行任务的方式进行了调整。随着后续私人航天员任务进入常态化运行模式，NASA 在低地球轨道商业开发计划中明确提出的发展私人航天员任务目标正快速实现，太空旅游市场将迎来更多商业机会。近年来，SpaceX、蓝源（Blue Origin）、维珍银河（Virgin Galactic）等商业航天公司都将部分业务重心转移至轨道和亚轨道太空旅游市场，5 月 25 日，维珍银河公司时隔近两年再次利用太空船二号（Space Ship Two）飞行器成功将 6 人送入亚轨道。SpaceX 也计划于 2023 年 9 月实施“北极星黎明”（Polaris Dawn）任务，进行世界首次商业舱外活动。更多的竞争者意味着更低的成本和更优质的服务，未来，私人航天员任务将成为发展低地球轨道经济计划的一部分，而 NASA 将成为低地球轨道上的众多客户之一，低地球轨道向商业化快速发展。（2）私人航天员任务开创载人航天活动新模式私人航天员任务不同于普通的太空旅游，该类型任务需要航天员在空间站完成大量科学实验和研究。NASA 和商业公司将与“国际空间站”航天员国际太空07（公开）.indd 72023/7/20 15:44空间瞭望智库专栏Space International 国际太空 20237Space Outlook Think Tank Column8和地面飞行控制员协调，为私人航天员在轨活动进行规划。商业公司负责提供任务规划、硬件开发、生命支持、医疗支持、乘员培训与乘组配置、安全认证、在轨运行和任务管理服务。在私人航天员选拔方面，NASA 及其国际合作伙伴会对商业公司提出的航天员名单进行背景审查，同时，拟议的私人航天员需要接受 NASA 的医疗资格测试以获得飞行批准。NASA将根据该机构支持任务的能力、商业公司成功执行任务的能力及公司对低地球轨道商业化目标的贡献，综合评估私人航天员任务。NASA 私人航天员任务开创了载人航天活动新模式，为人类进入低地球轨道提供了新思路。（3）私人航天员任务将扩大进入太空国家规模随着科技进步和商业化航天的发展，进入航天领域的门槛越来越低，航天已不再是少数发达国家的专利，众多航天基础较为薄弱的国家纷纷选择与航天大国开展合作，发展本国的航天事业。随着公理空间公司瞄准的客户群体发生改变，不具备独立实施载人航天计划的国家有望通过该模式将本国航天员送入太空。公理空间公司为世界各国提供的私人航天员载人航天项目，是以可负担、可持续和可预测的价格提供统包服务。相比于政府间合作，通过与商业公司签署相关合同，能让有意愿将航天员送入太空的国家更方便实现任务目标，进而扩大进入太空国家的规模。参考文献1Jeff Foust.SpaceX launches second Axiom Space private astronaut mission to ISSEB/OL.2023-05-21.https:/ Selects Axiom Space for Third Private Astronaut Station MissionEB/OL.2023-03-15.https:/www.nasa.gov/press-release/nasa-selects-axiom-space-for-third-private-astronaut-station-mission.3Wikipedia.Axiom Mission 2EB/OL.2023-06-06.https:/en.wikipedia.org/wiki/Axiom_Mission_2.4SpaceNews.Axiom announces new government human spaceflight programEB/OL.2023-04-18.https:/ Space.Ax-2:The second private mission to the International Space StationEB/OL.2023-05-30.https:/ Clear Axioms Second Private Astronaut Mission CrewEB/OL.2023-02-14.https:/www.nasa.gov/press-release/nasa-partners-clear-axiom-s-second-private-astronaut-mission-crew.国际太空07（公开）.indd 82023/7/20 15:44