乘坐“气球”去飞天？
□ 冯源
“阿尔法空间站”的原比例模型
阿尔法空间站的气闸舱特写
充气式空间站的肇始
充气式空间站概念始于上世纪90年代。最初的想法，是用充气式结构来建立一艘星际飞船，把航天员送往火星，叫做“充气式住舱”。这个时期，美国正牵头组织世界多个航天机构，共同建设国际空间站。由于国际空间站进度拖延、费用超支，NASA也考虑把这种技术用在国际空间站上。但在1999年，美国国家航天咨询委员会建议NASA放弃充气式太空舱的工程研制，降格为继续推动技术开发。到了2000年，美国众议院不顾白宫的反对，执意叫停了“充气式住舱”研发，要求NASA把相关技术转让给民营企业。站出来接盘的正是 比格罗公司。
2013年，一家美国媒体采访了“充气式住舱”概念的提出者威廉姆·施耐德，使人们了解到了这个概念从提出到初步实现的过程。
1997年，施耐德任NASA约翰逊航天中心的资深工程师。在那段时间里，施耐德一直在考虑，人类已经发明了不少高强度纤维，例如芳纶，是不是可以用它们来建造一种轻质的太空居住舱呢？于是，他提出了用充气式住舱为火星任务服务的理念。按照他当时的设计，可以研制一种内部容积为600立方米的“充气式住舱”。如果用现行的铝结构来制造这种住舱，会非常庞大而沉重，地球上没有哪种运载工具可以把它发射上天。而“充气式住舱”折叠起来以后，可以装在航天飞机货舱里，一次就发射上天。
“充气式住舱”项目被国会取消的时候，施耐德已经从NASA退休，在得克萨斯农工大学担任教职。他对这个决定大失所望。但他当时并不知道，身为连锁旅店老板的土豪罗伯特· 比格罗一直对宇航事业大有兴趣，后者早在1999年就阅读了《航空航天》杂志对“充气式住舱”的有关报道。他联系了NASA，也联系了施耐德本人，并邀请施耐德担任他的顾问。NASA看到有人接盘，顺利向他转让了技术。施耐德也欣然接受邀请，亲自参与设计了比格罗公司的各型充气式太空舱。
2006年，比格罗公司的第一个充气式太空舱“精灵一号”用俄罗斯第聂伯火箭发射升空。充气式设计经受住了发射时的载荷与振动（“第聂伯”火箭的振动比航天飞机剧烈得多），顺利抵达480千米的轨道高度并展开，完全没有漏气的迹象，并成功展开了太阳电池和多台相机。
施耐德当时在山里度假，听到发射成功的消息后，大喜过望。在接受记者采访时，施耐德不但对充气式结构给予了高度评价，也对比格罗本人大为赞赏，把他与美国航宇先驱之一的霍华德·休斯相提并论。
“充气式住舱”的特点
“充气式住舱”最大的关注点，当然是充气式的外壳。它的构成相当复杂，不但要起到密封和维持气压的作用，还要保温、防辐射、防太空垃圾的撞击。因此，它的外壳可以分为如下层次：
比格罗本人与B330模型在一起
1.衬里层；2.气密层；3.结构支撑层；4.微流星和太空垃圾防护层；5.保温和原子氧防护层，另外还有展开系统、静电放电系统、辐射防护系统等。衬里层的主要目的是保护气密层不受舱内活动的破坏。气密层是最重要的层次之一，在展开时需要保证它与衬里层、结构支撑层之间的良好转位，避免折叠、撕裂等现象。气密层之外就是结构支撑层，是整个充气结构的受力主体，载荷相当大。因此，结构支撑层用高强度的芳纶材料制成。微流星和太空垃圾防护层可能是充气式结构中难度最大的一项，选用了美国3M公司的Nextel陶瓷纤维织物，多层Nextel之间用聚亚安酯泡沫隔开，并以芳纶织物加强。在发射时，聚亚安酯泡沫抽真空压缩，入轨后自行膨胀开，形成间隔防护效果。保温层则主要用反射膜构成。上述各层材料结合在一起构成了外壳，展开后的厚度达到约30厘米。舱内可以保持一个标准大气压的压力，这样的压力不但可以把壳体撑开，还能供航天员舒适地生活。
“充气式住舱”的内部设计为四层楼，其中一楼是厨房和餐厅，二楼是卧室和设备间，三楼是健身房和储藏室，四楼是通向国际空间站主体的通道。各楼层的地板和墙壁在发射时都像折纸一样折叠起来。入轨后，随着外壳的展开，折叠起来的板件发生相应运动，形成各个不同功能的隔间。
充气式结构的最大好处是能降低发射质量。按照比格罗公司的说法，其研制中的B330舱内部容积330千米，发射质量20吨。而现役的国际空间站“命运”舱容积160千米，发射质量却达到15吨之多。
发射前压缩成一个小体积的BEAM
仍在轨道上飞行的精灵一号充气式太空舱
精灵一号和精灵二号
精灵一号是比格罗公司第一个发射升空的航天器。主要目标是测试长期太空飞行充气式结构相关的结构、材料和技术。精灵一号长4.4米，直径2.54米，内部容积11.5立方米。但它发射时的直径只有1.6米，升空后的展开时间为10分钟。升空后不久的2006年12月，精灵一号遭遇了太阳风暴，控制系统电脑一度死机，但地面控制人员设法重新启动了电脑。到2007年3月，精灵一号进入完全工作状态。它的设计寿命只有6个月，但直到2011年所有电子设备还保持着良好的工作状态，预计它到2018年会逐步坠入大气层烧毁。
2007年精灵二号发射，设计与精灵一号基本一样。不过精灵二号没有它的姊妹型号那样长寿。在完成了两年半的设计寿命之后，电子设备就停止了工作。
与BEAM不同的是，这两个舱段都是在太空独立飞行的，并未与国际空间站对接。
关于BEAM和B330
本次发射的BEAM主要是作为正式型号B330的演示验证样机，它的尺寸比B330小得多。
当然，由于尺寸小，BEAM的舱内没有分隔空间，只是给国际空间站的航天员提供了一个筒装的空间用于试验测试。
BEAM的部署过程也很有些特色，它在发射时装在“龙”飞船后方的圆柱形非加压舱里，当“龙”飞船对接在国际空间站上之后，加拿大机械臂会伸到它的后面，把压缩状态的BEAM掏出来，然后在宇宙空间里旋转270°，对接到宁静号节点舱上。然后BEAM充气膨胀起来，长度和直径都进入工作状态。然后，航天员就可以利用这一部分空间了。BEAM会在国际空间站停留两年。各种技术验证成熟后，比格罗公司就会开始发射B330。B330的尺寸要大得多，尺寸和质量参见表2
BEAM压缩体准备装进龙飞船
不仅如此， 比格罗公司还提出过一个内部容量高达2250立方米的BA2100舱概念。 比格罗打算用B330和BA2100构成规模更大的空间站，以及日后飞向月球乃至火星的飞船。相关的概念有七八个，其中规模最大的，内部容积达到8300立方米。但在官方网站上未见说明BA2100以及其他空间站的说明，显然是暂时没有进入工程研制阶段。目前保留下来的计划只有B330。
吹个气球飞往火星？
NASA早年虽然被迫放弃了“充气式住舱”，但一直对这个设想念念不忘。2015年1月26日，NASA局长博尔登在自己的博客里说：“低轨道的世界属于产业界。我们需要理解自己的目的地。比格罗公司的太空舱将取代当前国际空间站的某些功能。低轨道的基础设施属于产业界，如果我们不能拥有一种切实可行的、充满活力的低轨道基础设施来支持商业航天产业，我们就无法去往火星。”
比格罗公司则早在2005年就提出了一个叫做“太空行走者商业空间站”的概念，由多个B330围绕一个中央节点舱构成主体。这个空间站不仅仅可以在地球轨道上运行，甚至可以前往星际轨道乃至绕月飞行轨道。 比格罗甚至为它定出了一晚100万美元的客房价格。但是由于没有合适的人员运输手段和它配套，“太空行走者”一直停留在概念阶段，到2009年前后彻底放弃。
随着NASA商业载人航天计划的推进，出现了波音公司CST-100和太空探索技术公司载人“龙”飞船等设计，使比格罗公司看到了新的希望。比格罗和这两家企业进行了接触，并提出了“阿尔法空间站”的新想法。比格罗曾经设想，当空间站初步建成后，需要每年发射6次来保证人员往返。空间站进一步扩大之后，每年的载人飞行次数可能增加到12次甚至24次。不过比格罗和洛马公司的谈判没有继续下去，于是CST-100和比格罗空间站的缘分到此为止。比格罗和太空探索技术公司达成了合作协议，双方共同提出了单次往返船票2650万美元、三分之一个B330舱60天租金2500万美元的价目表，而B330舱也确定用重型猎鹰火箭来发射。
按照初期设计，“阿尔法空间站”由一个B330舱和两个较短的“日光舞者”舱围绕一个中心节点舱组成。比格罗公司甚至在内华达州工厂里按照这个设计完成了一套原比例模型。但是到了2013年，这个设计又被放弃了，改成两个B330舱的构型。如今在比格罗公司的官方网站上，已经不再有“日光舞者”舱的说明，只剩下B330舱和BEAM舱。从官网展示的图片看，当前的“阿尔法空间站”是一个直线型的空间联合体，用两个B330舱直接连接构成主体，太阳能电池安装段部署在两侧，载人“龙”飞船从中心舱的两端与空间站对接。
这样一个空间站的总容积可以达到660立方米。相比之下，国际空间站基本完工后的容积是837立方米。如果“阿尔法空间站”真的能部署并投入使用，可以在很大程度上接替国际空间站。
而比格罗公司官网 另外一个页面中，讨论了NASA的“下一步探索技术伙伴”计划。在这个页面的配图上，出现了一个类似于“阿尔法空间站”的月球轨道站设想图，只不过把两端的载人“龙”换成了“猎户座”。这个轨道站不但能前往月球，还能前往火星乃至深空。
目前,比格罗公司和太空探索技术公司已经达成了战略合作伙伴关系。后者打算在2016年内发射重型“猎鹰”火箭，并且一直在谋划飞往火星。或许在不远的将来，我们就可以看到一个硕大的气球带着考察组向火星进发。