開在國際太空站的第一朵花，讓NASA看到載人火星任務的契機

• 文／林彥興｜EASY 天文地科小站主編、清大天文所碩士生，努力在陰溝中仰望繁星

2021 年底，美國政府宣布再次延長國際太空站（ISS）的服役年限，讓它繼續運作到 2030 年，續寫這座人類史上最大人造衛星的傳奇。與此同時，NASA 的「商業近地軌道太空站」（Commercial Leo Destinations, CLD）也正如火如荼地展開，旨在創造多元而蓬勃的近地軌道經濟圈。

舉世唯一的微重力實驗室：國際太空站

國際太空站絕對夠格問鼎當代最偉大的工程奇蹟之一。由美國、俄羅斯、日本、歐洲與加拿大共同打造，ISS 的質量約 450 公噸，大小相當於一座美式足球場，是歷史上最大最重的人造衛星，二十多年來以約 7.6 km/s 的高速，在 400 多公里高的近地軌道上繞行地球。太空站上常駐約 7 名左右的太空人，負責維護太空站的運作，並且在這獨一無二的微重力環境下，進行各式各樣的科學研究。

這樣一個龐然大物，世界上沒有任何一款火箭有辦法一次就把它送上軌道。因此 ISS 的建造，是一次一個地把艙段發射到軌道上，然後讓它在茫茫太空中，精準地與之前發射的其他艙段對接，像拼樂高一樣，一步一步地把整個太空站組裝起來。從 1998 年到 2011 年，多國團隊一共花了 13 年的時間、31 次發射，才完成 ISS 的建造。

然而，光是「建造」太空站是不夠的，為了維持太空站的運作，太空站上必須要有太空人常駐，因此每隔幾個月，多國團隊就得發射載人任務，把新一批太空人送上太空站，並讓前一批太空站上的太空人返回地球。同時，為確保這些太空人能在太空正常生活，它們還得更頻繁地發射無人貨運太空船，為太空人帶來食物、水、維修零件等資源。

截至 2021 年底，已發射了超過 66 批「遠征隊」（expeditions）輪班駐守 ISS，並且發射 144 趟無人貨運任務。每一趟任務背後，都要耗費數億美金的火箭發射成本，及數百噸的火箭推進劑。再加上太空人的訓練、基礎設施建造、早期的研究與試驗、多國間的協調合作……等等，這個計畫的規模之宏大可見一斑。

自由市場的力量：商業補給與運載服務

國際太空站的建造與運作是如此的昂貴，即使是全世界資源最豐富的太空機構：NASA，要長年維持它的運作也顯得力不從心。

其中一個重要的原因，在於 NASA 當年用於運補國際太空站的主力——太空梭（STS）。太空梭不僅操作危險，成本也非常昂貴。面對這種情況，NASA 想到：「也許我們可以從最簡單運送補給物資開始，培養一批民間太空公司，等它們的成長茁壯之後，就可以把這些「日常瑣事」外包出去給它們做。」

在自由市場的競爭壓力下，這些民間太空公司自然會拚命地找出效率最高的辦法達成目標。如此一來，NASA 省了錢，又培育了國內的航太科技實力，豈不是一舉兩得？

於是，2006 年，NASA 啟動了「商業軌道運輸服務」（COTS）計畫，讓民間太空公司在 NASA 專業人員的幫助之下，自行設計一套火箭與太空船參與競爭。

每達到一個 NASA 設定的里程碑，就可以拿到相當可觀的資助，進行下一階段的開發，由此一步一步地完成整套系統的開發。經過激烈的競爭，最終由老牌太空公司「軌道科學」（Orbital Science）與當時的新創太空公司 SpaceX 奪下勝利，取得「商業補給服務」（CRS）合約。時至今日，雙方的「天鵝座」（Cygnus）與「天龍號」（Dragon）系列貨運太空船，仍是補給國際太空站的主力。

有了 CRS 的成功經驗，NASA 決定打鐵趁熱，在 2011 年啟動「商業載人服務」（CCP），讓商業太空公司負責難度更高的載人太空飛行任務。

經過多年競爭，這次脫穎而出奪得合約的是 SpaceX 與波音兩家公司。然而，命途多舛的波音「CST-100 星際航線」（Starliner）太空船頻頻發生問題，至今（2022 年 2 月）仍未成功執行任務。另一邊，SpaceX 的「載人版天龍號太空船 Crew Dragon」太空船則相對順利得多，不僅已經 4 度成功把太空人送上 ISS，更將 Crew Dragon 用於太空旅遊，在「靈感 4 號」（Inspiration 4）任務中讓 4 位民間太空人體會了 3 天的軌道飛行，並且未來還會執行更多類似任務。讓我們看到這些為政府機構打造的太空船，其實有著巨大的商業潛力。

商業近地軌道太空站：打造蓬勃的近地軌道經濟圈

時光飛逝，歲月如梭，國際太空站轉眼間已經服役超過 20 年。整體而言，太空站的狀態還算良好，但是大大小小的故障仍時有耳聞。因此，即使美國政府宣布讓 ISS 持續服役到 2030 年，尋找國際太空站的接班人仍是刻不容緩。

對此，NASA 故技重施，啟動了「商業近地軌道太空站」（Commercial Leo Destinations, CLD）計畫。這次不只運貨、載人，而是要讓商業太空公司自行設計、建造與運營商業太空站。經過第一階段的評選，目前有 3 組團隊獲選，它們分別是：

1. Orbital Reef，此為藍色起源（Blue Origin）與內華達太空公司（Sierra Space）、波音、Redwire Space、Genesis Engineering Solutions 等多家公司組成的聯合團隊所提出的方案。它擁有大直徑的艙段、大直徑的對接口，能夠支持 6 名太空人的生活，無論是技術或是商業規劃上都相當有野心。

2. Starlab，此為 Nanoracks、Voyager Space 和洛克希德·馬丁（Lockheed Martin）組成的聯合團隊提出的方案，特色是使用了一個巨大的充氣式艙段，讓整座太空站只需發射一次就能進入軌道，不需要多次發射再對接。

3. 第三個是諾斯洛普．格魯曼提出的太空站計畫，不過它目前還沒有一個閃亮的名字。相較於上述 2 項方案，諾斯洛普的計畫就顯得相當中規中矩。它們使用了大量現成的技術以降低開發風險，避免計畫延宕，但就顯得缺乏亮點，商業計畫也相對不被 NASA 看好。

最後，當廠商們的技術發展成熟（預計是在 2025 年以後），NASA 就會從指導者變成客戶，付錢購買廠商們的服務。除了角逐 CLD 計畫的 3 個團隊之外，還有另一組人馬——Axiom Space，也是商業太空站大賽的選手之一。比起剛剛起步的 CLD 三家，Axiom Space 不僅已經拿到 NASA 的合約，而且太空站怎麼建造也都已經有了相當完整的規劃。若進展順利，應該會成為第一個成功入軌的商業太空站。

蓬勃發展的近地軌道經濟圈

國際太空站是 21 世紀初人類的太空技術結晶，是世界各國耗時 13 年、斥資上千億美金完成的偉大工程。然而時過境遷，這座龐然大物逐漸顯露疲態。值得慶幸的是，得益於 15 年來商業太空領域的高速發展，民間太空公司已經一步步掌握火箭、貨運、載人太空船，乃至於太空站的開發與運營技術，讓太空不再是政府機關的專利，也讓 ISS 不怕後繼無人。

隨著資源與人力的不斷投入，一個生機勃勃的近地軌道經濟圈，也許並沒有我們想像的那麼遙遠！

參考資料與延伸閱讀

• Biden-Harris Administration Extends Space Station Operations Through 2030
• Spacewalkers Complete Multi-Year Station Battery Upgrades | NASA
• International Space Station Facts and Figures | NASA
• Visiting Vehicle Launches, Arrivals and Departures | NASA
• NASA Selects Companies to Develop Commercial Destinations in Space | NASA
• Commercial LEO Destinations (CLD) | NASA
• Three Winners for Commercial LEO Destinations Awards – SpacePolicyOnline.com
• How 20 Years of Life On The ISS Began With Expedition One
• The Story of How NASA Went From Space Shuttles To SpaceX & Commercial Rockets
• Every Spacecraft Which Has Visited The Space Station
• NASA & Axiom Space Designing Commercial Expansion Of Space Station
• Axiom Commercial Space Station（內有已建成的艙段零件照片）
• 輕鬆認識太空運載火箭
• 【貨運太空船系列】COTS 與 CRS
• 太空站故障 NASA 緊急進行太空漫步

• 本文轉載自臺北天文館《臺北星空》第 103 期

• 文／徐麗婷｜政大應用物理所兼任助理教授

國際太空站（International Space Station，ISS）是地球軌道上最大的衛星，也是太空中最大的人造物體，其大小約有一個足球場這麼大，有時候我們從地表用肉眼就可以看到它快速地在夜空中劃過。國際太空站在距離地球表面 400 公里高的低地球軌道上運行，並且以每秒約 7.7 公里的速度繞行地球。以這個速度繞地球一圈只需要 93 分鐘，所以太空站每天會繞行地球 15.5 圈（這也表示太空站上的太空人每天可以看 15 次以上的日出與日落）。

冷戰時代的太空競賽

設置國際太空站的目的，主要是作為太空實驗室、天文臺，以及為未來可能的月球和火星登陸計劃提供運輸、維護和中繼站的服務。在 2010 年美國國家太空政策中，國際太空站更被賦予了為商業、外交和教育服務的額外目的。

然而，最初設立太空站的想法，其實是源自於冷戰時期美國與蘇聯的太空競賽。蘇聯在 1980 年代已經率先發射了模組化的太空站到地球軌道上，而美國政府擔憂蘇聯擁有比美國更強大的核武攻擊力量，因此在 1984 年提出了「戰略防禦計畫」，又稱為「星戰計畫」（Strategic Defense Initiative， 或稱 Star Wars Program），其目標是要建造太空中的反彈道飛彈系統，以阻止敵方的洲際飛彈和太空飛行器。美國太空總署提出的自由號太空站（Space Station Freedom）計劃就是這個「星戰計畫」的一部分，雷根總統更在 1984 年宣示將在 10 年內完成太空站的建設。

但是由於太空站預算龐大、加上 1986 年挑戰者號太空梭的爆炸意外，太空站計劃不斷地被延宕。一直到 1991 年蘇聯解體後，冷戰正式結束，美國和蘇聯的太空競賽也失去了意義。冷戰結束後，美國總統柯林頓於 1993 年宣布結束自由號太空站的計劃。同年，在美國副總統高爾的推動下，美國太空總署開始與俄羅斯聯邦太空總署協商合作建立太空站的構想，這也促成了兩國初步的太空合作計畫：「太空梭–和平號計劃」。

國際太空站的前身：太空梭–和平號計劃（1993–1998）

國際太空站的成立主要分為二個階段：第一階段是從 1993 到 1998 年，由美國太空總署（NASA）和俄羅斯聯邦太空總署（Roskosmos）所合作的「太空梭–和平號計劃」（ShuttleS–Mir Program），而這個計劃也可以說是國際太空站的前身（見圖 2）。

其中俄羅斯在 1986 年升空開始興建的和平號太空站（space station Mir），是世界上第一個模組化的太空站，也是第一個讓人類可以長期居住的太空研究中心。在這個「太空梭–和平號計劃」其間，NASA 一共執行了 11 次太空梭任務，並且派了 7 名美國太空人長駐在和平號上（累計將近 1000 天）向俄羅斯太空人學習長時間的太空生活經驗、操作太空站、太空漫步訓練、和進行各種科學實驗。其目的就是為了建造之後的國際太空站而作準備。

2001 年，因為和平號太空站的設備老化且缺乏維修經費，俄羅斯聯邦太空總署決定將其墜毀於地球大氣層，而其碎片則是掉入南太平洋海域中，結束它長達 15 年的太空服役生涯。

國際太空站（1998–現在）

國際太空站目前由五個太空機構聯合運作，包括美國太空總署（NASA）、俄羅斯聯邦太空總署（Roscosmos）、日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）、加拿大太空總署（CSA）和歐洲太空總署（ESA）。最初在命名國際太空站時是提議稱之為「阿爾法太空站」，但是俄羅斯方面並不贊成「阿爾法」（Alpha，α 是希臘字母表裡的第一個字母）這個名字，因為「阿爾法」有表示「第一個」的意涵。事實上俄羅斯的和平號才是第一個模組化的太空站，所以他們認為國際太空站的名字應該稱作「貝塔」（Beta，β 是希臘字母表裡的第二個字母）會更合適。在各國商談之後才決定直接定名為「國際太空站」（International Space Station）。

1998 年 11 月，國際太空站的第一個模組：俄羅斯的曙光號功能貨艙（Zarya）發射升空；同年 12 月，美國的團結號節點艙（Unity）發射進入軌道並與曙光號連接；2000 年 7 月，俄羅斯的星辰號服務艙（Zvezda）升空與太空站連接。星辰號服務艙主要是提供太空人的生命維持系統，包括太空人睡眠的區域、健身器材、飲用水裝置、廚房設備、廁所以及其他衛生設施。這些設備都是為了 2000 年 11 月首批登上國際太空站的太空人做準備。（圖 3 的三張照片可以看到最初三個模組陸續建構太空站的演進。）

國際太空站的架設工作一直持續到 2002 年。不幸的是，在 2003 年發生了哥倫比亞號太空梭（Columbia）的失事事件，NASA 停飛了所有的太空梭，國際太空站的建設也因此受到拖延。在太空梭停飛的兩年半裡，太空人的物資完全依賴俄羅斯聯盟號（Soyuz）太空船的輸送，一直到 2005 年 NASA 太空梭才再度重返太空。之後太空梭連續運送了大量的桁架與太陽能板到太空站上組裝（見圖 4）。日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）於 2008 年也加入了建造國際太空站的行列，陸續在太空站增設了希望號實驗艙（Kibo）；2012 年，美國太空探索科技公司（SpaceX）發射了第一艘商業用太空船飛龍號（Dragon spacecraft）。

國際合作太空站的組裝

目前國際太空站的空間大小約為 1,000 立方公尺，總質量約 41 萬公斤。整個站體長約 108 公尺，寬約 74 公尺（大概是一個足球場的大小）。要建造完整的太空站，需要 40 多次的太空飛行任務才能達到。到 2020 年為止，NASA 太空梭一共執行了 36 次任務來運送國際太空站的模組，另外負責運送模組的還包括俄羅斯的質子號（Proton）和聯盟號（Soyuz）運載火箭，以及美國太空探索科技公司的「獵鷹 9 號」（SpaceX Falcon–9）。太空站的模組主要是先在地面上建造完成，再運送到太空中組裝。

下面列出一些規模較大的太空站模組：

• 曙光號功能貨艙（Zarya，於 1998 年11 月升空）
• 團結號節點艙（Unity，於 1998 年 12 月升空）
• 星辰號服務艙（Zvezda，於 2000 年 7 月升空）
• 命運號實驗艙（Destiny Laboratory Module，於 2001 年 2 月升空）
• 協和號節點艙（Harmony，於 2007 年 10 月升空）
• 哥倫布號實驗艙（Columbus orbital facility，於 2008 年 2 月升空）
• 日本希望號實驗艙（Japanese Experiment Module，又稱 Kibo，於 2008~2009 年間分批發射升空）
• 綜合桁架結構與太陽能板（於 2000~2009 年間分批發射升空）
• 科學號實驗艙（Nauka，於 2021 年 7 月升空）

國際太空站在繞行地球的過程中，高度會逐漸下降。為了維持太空站的軌道高度，會以太空站的推進系統、或是以來訪的飛行載具引擎來提供推力，藉此推高太空站的軌道高度。太空站所在的低地球軌道上，同時也存在很多太空碎片。前面所提到的改變太空站軌道高度的方法，也可以應用在避開太空碎片撞擊的操作上（Debris Avoidance Manoeuver， DAM）。萬一太空站來不及執行 DAM 以躲避太空碎片，那麼所有的太空人將會集合到俄羅斯的聯盟號（Soyuz）太空船上，若太空站受到嚴重破壞時就可以緊急撤回地球。這樣的緊急疏散事件在 2009、2011、2012 和 2015 年都虛驚過一次，但只有進入聯盟號，沒有撤離。

國際太空站上的實驗

由於國際太空站以高速繞著地球轉，太空站上的地心引力與離心力幾乎相互抵消。但是實際上，太空站上的重力環境其實並非是全然的「零重力空間」，而是還受到非常微小的重力影響，我們稱之為「微重力環境」（micro-g environment）。太空站設立的其中一個重要目的，就是做為在微重力環境下的實驗室，其研究領域包括天文生物學、天文學、氣象學、物理學、材料科學和太空天氣等。

在微重力的環境下研究植物生長、流體力學、材料合成、燃燒現象和結晶過程等，都有助於科學家更加了解在無重力下的各種物理現象。例如，圖 6 是非常著名的火焰實驗：在太空中燃燒的火焰會因為在微重力的環境下變成圓形的。另外一個重要的實驗，是研究長期在太空中生活對人體的影響，包括肌肉萎縮和骨質流失等問題。研究顯示長時間的太空旅行可能會造成太空人有重大骨折的風險，所以現在太空站上裝有為太空人設計的健身器材，讓太空人每天都能有固定的運動量，以防止肌肉萎縮及維持人體循環系統的健康運作。

國際太空站的未來發展

在太空站上的各項實驗與儀器測試，對於 NASA 即將執行的重返月球計畫以及之後的火星登陸計畫尤其重要。除了累積在太空中操作與維修各種儀器的經驗之外，對於微重力、宇宙輻射和隔離對太空人身心健康的長期影響，也能研究出較可行的應對之道。

到 2010 年為止，國際太空站所花費的金額已經高達 1,500 億美金，遠遠超過了最初的預算。雖然很多人對國際太空站未來的持續運作抱持著反對的意見，但是基於考量到未來重返月球與登陸火星的計畫，2018 年美國國會還是通過相關法案，確定延長國際太空站的使用期限到 2030 年。

YouTube 相關影片：

參考資料：

1. International Space Station
2. Shuttle–Mir program
3. Assembly of the International Space Station
4. Strategic Defense Initiative
5. 福爾摩沙衛星二號 10 週年專題報導-4

我們一直生活在地球上，所以一直將維持我們生命的許多重要元素視為理所當然。首先是重力，它使我們有重量，使我們在毫無支撐的情況下會從空中向下墜落。重力使物體有了輕重之分，而提起重物往往要花更多力氣；重力使我們爬樓梯比走在平地上更覺得辛苦。重力雖然看不見也摸不到，卻無時無刻影響我們以及身邊所有的事物。

再來是我們呼吸的空氣。圍繞著地球表面的大氣層除了供給我們呼吸的空氣，還有一項非常重要的生存條件——大氣壓力（取決於大氣的密度）。如果大氣太稀薄，我們就無法獲得足夠的氧氣來維持身體運作。大氣壓力會隨著海拔增高而減少，當來到海拔 50 公里的高空，大氣壓力只有海平面的千分之一，在這個接近真空的區域幾乎已經沒有任何物質存在。

其實，真空也並非真的空無一物。在太陽系內充斥著一種稱為「電漿」的高溫粒子，它們來自太陽（太陽風就是流動的電漿），或是來自小行星之間的撞擊，或是從彗星脫離的塵埃碎屑，還有從宇宙遠方穿過太陽系的「宇宙射線」（cosmic rays）。

陽光也是維持地球生命不可或缺的要素。來自太陽的光線中，除了眼睛可以看到的可見光，還有各種射線與電磁波，例如無線電波與 X 射線。陽光為地球帶來熱能，如果沒有太陽，地球將會變成一片冰天雪地。

要暫時離開大氣層，太空人得克服寒冷、散熱、真空等等的問題，並且想辦法維持呼吸和氣壓。若要在太空中待得更久一點，就會面臨更多的難題，例如飲水、上廁所、用餐和睡覺；待得再久一點，就得持續運動，維持身體機能正常運作，保持環境衛生，並且調適個人情緒與心理狀態。

早期太空人在距離地表數百公里的狹小太空艙中，只停留很短暫的時間。現代的太空人在地球軌道的太空站上，常常一待就是數星期，甚至好幾個月。他們不時得離開太空載具，進行艙外活動（太空漫步）。他們開始以飄浮取代行走，睡覺的時候，必須把自己包進固定在牆上的睡袋中，以免在太空艙內到處飄浮。他們不能淋浴，因為四處飄浮的水很難清理，而且水和其他來自地球的物資一樣珍貴。

國際太空站的太空人每天都要運動至少兩小時，利用不同的器材來鍛鍊肌肉。但是生活在失重環境下，身體內的液體會往上半身集中，使得臉部浮腫與小腿變細。這些狀況無法透過鍛鍊肌肉或其他方法改善，但大部分的人回到地球後，這些生理上的改變就會逐漸復原。

除了失重帶來的不便，宇宙射線和太陽風也會對人體造成傷害。地球就像一個巨大的磁鐵，其內部磁場會形成一層無形的防護，當太空人離開地表後就無法再受到保護。為了避免這樣的情況，各國政府會限制太空人在外太空停留的總時數。而這項措施到目前為止成效還不錯，許多太空人回到地球後，都能夠維持健康的生活。但如果人類要在太空中長途旅行，例如未來可能實現的火星探索任務，或甚至移民火星，所要面對的將會是完全不同的挑戰。

本文摘自《太空的故事》，三采出版。