載人航天國(guó)際合作新目標(biāo)：地月軌道空間站

□ 張雪松

載人航天國(guó)際合作新目標(biāo)：地月軌道空間站

□ 張雪松

國(guó)際空間站又獲得了4年延壽，但2024年后也將退役，美國(guó)的載人航天任務(wù)將轉(zhuǎn)向深空。深空載人航天耗資極為巨大，更依賴國(guó)際合作，正因?yàn)槿绱耍绹?guó)牽頭歐俄日正在深化地月軌道（Cislunar）空間站的方案，這將是未來(lái)最有希望的國(guó)際合作載人航天項(xiàng)目，它堪稱地月空間上的小“國(guó)際空間站”。

▲ 21世紀(jì)初美國(guó)宇航局提出的L1軌道的空間站設(shè)想

自2004年美國(guó)總統(tǒng)小布什提出重返月球的“星座計(jì)劃”以來(lái)，美國(guó)的載人航天重心就開始轉(zhuǎn)向深空?！靶亲?jì)劃”耗費(fèi)幾十億美元后只發(fā)射了Ares-IX進(jìn)行亞軌道測(cè)試，2009年新上任的奧巴馬總統(tǒng)取消了這個(gè)計(jì)劃，提出21世紀(jì)20年代中期載人登陸小行星，21世紀(jì)30年代中期飛向火星的遠(yuǎn)景藍(lán)圖，但沒(méi)有提出詳細(xì)的路線圖和時(shí)間表。載人登陸火星雖是人類的終極目標(biāo)，但奧巴馬任內(nèi)并沒(méi)有多大進(jìn)展，只討論出一堆紙面方案，當(dāng)然這些方案并不是毫無(wú)價(jià)值，一個(gè)兼顧載人登月、登陸小行星和登陸火星的地月空間站方案就在這段時(shí)間里逐漸完善，并得到越來(lái)越多的認(rèn)同。2016年競(jìng)選獲勝的美國(guó)新總統(tǒng)特朗普以及6月份剛成立的美國(guó)國(guó)家航天委員會(huì)都有很強(qiáng)的重返月球的愿望，更是增加了地月空間站的份量。

拉夫特瑞的探索門戶平臺(tái)

月球附近的中轉(zhuǎn)站/前哨站并不是一個(gè)新創(chuàng)意，十幾年前美國(guó)宇航局就有在地月L1軌道部署一個(gè)中轉(zhuǎn)站，服務(wù)于載人登月的想法，但地月空間站并非當(dāng)年設(shè)想的重復(fù)?，F(xiàn)在的地月空間站，源自2011年11月波音公司國(guó)際空間站項(xiàng)目經(jīng)理拉夫特瑞提出的方案，拉夫特瑞將其稱之為探索門戶平臺(tái)，它使用國(guó)際空間站上已經(jīng)檢驗(yàn)的技術(shù)和艙段，在地月空間L1或L2點(diǎn)部署一個(gè)中轉(zhuǎn)站，作為從現(xiàn)在近地軌道到未來(lái)載人登月、登陸近地小行星和火星任務(wù)的過(guò)渡，并降低未來(lái)深空載人探索任務(wù)的成本。最初的方案中包括使用航天飛機(jī)軌道機(jī)動(dòng)系統(tǒng)和氣閘艙的功能艙，縮水版的加拿大機(jī)械臂，多用途后勤艙（MPLM），節(jié)點(diǎn)艙以及星辰2服務(wù)艙等部分，還可能增加比格羅公司的充氣膨脹式艙段，它們將使用SLS火箭發(fā)射抵達(dá)地月系拉格朗日點(diǎn)軌道。從近地軌道到L2軌道的速度增量比直接奔向火星低近1千米/秒，而L2軌道上的中轉(zhuǎn)站出發(fā)，只需要很小的速度增量就能在月球表面任何位置著陸，去往近地小行星和火星軌道的速度增量也不大，是一個(gè)十分合適的載人深空任務(wù)出發(fā)地，簡(jiǎn)而言之，L2軌道空間站的過(guò)渡方案要比孤注一擲直接載人登火更為合理。

拉夫特瑞的方案為舉棋不定的美國(guó)宇航局提供了新的選擇，波音也在爭(zhēng)取合作與盟友。2012年10月的國(guó)際宇航大會(huì)上，美國(guó)波音公司和俄羅斯能源集團(tuán)聯(lián)合提出了基于國(guó)際空間站的L2平動(dòng)點(diǎn)探索平臺(tái)的方案。新平臺(tái)由美國(guó)的功能艙、節(jié)點(diǎn)艙和俄國(guó)的科學(xué)能源艙組成，載人飛船可以使用獵戶座或是俄國(guó)的“聯(lián)邦號(hào)”飛船，貨運(yùn)甚至可以使用天鵝座飛船，同時(shí)文中還提到了研制可重復(fù)使用載人登月艙，以及基于歐空局ATV飛船的可重復(fù)使用的月球轉(zhuǎn)移飛行器（LTV）。雖然文中偏重于介紹使用可重復(fù)使用的登月艙來(lái)實(shí)現(xiàn)載人登月，但同樣指出無(wú)論是前往維護(hù)日地L2軌道的大型空間望遠(yuǎn)鏡，還是作為組裝火星飛船的集結(jié)地，L2探索平臺(tái)都是非常理想的。

▲ 2017年3月28日最新公布的計(jì)劃，第一階段地月空間站，包括一個(gè)電推模塊，一個(gè)居住艙，一個(gè)氣閘艙，還有一個(gè)機(jī)械臂，另外還有一個(gè)后勤艙圖上被擋住了，右方是靠近中的獵戶座飛船

▲ 第二階段的地月空間站，增加了深空運(yùn)輸模塊（DST）

▲ SLS火箭發(fā)射獵戶座飛船和探索增強(qiáng)模塊

"百花齊放"的系列探索平臺(tái)方案

2013年美國(guó)的月球探索分析小組會(huì)議上，來(lái)自波音公司的克勞斯結(jié)合小行星重定向（ARM）項(xiàng)目提出了一系列的探索平臺(tái)方案，由俄國(guó)的科學(xué)能源模塊，美國(guó)的航天飛機(jī)氣閘艙以及國(guó)際空間站節(jié)點(diǎn)艙等模塊組成，節(jié)點(diǎn)艙還可選用俄國(guó)的球形模塊。探索平臺(tái)中最為簡(jiǎn)單的構(gòu)型只有一個(gè)ARM平臺(tái)加一個(gè)節(jié)點(diǎn)艙/氣閘艙，復(fù)雜的包括ARM平臺(tái)，美/俄節(jié)點(diǎn)艙、俄國(guó)科學(xué)能源模塊。克勞斯方案和拉夫特瑞方案大同小異，可以看作把原來(lái)專門設(shè)計(jì)的功能艙替換為ARM平臺(tái)，此外克勞斯在后續(xù)修訂中還增加了使用比格羅公司BA330充氣太空艙的想法。洛·馬公司不甘示弱，同樣提出了L2軌道的探索平臺(tái)方案，在美國(guó)宇航局的資助下，軌道科學(xué)等公司也參與了競(jìng)爭(zhēng)，競(jìng)相提出深空居住艙方案和以此為基礎(chǔ)的L2軌道空間站。克勞斯2014年的建議方案中，就提到了以天鵝座飛船為基礎(chǔ)研制的探索增強(qiáng)模塊（EAM），作為L(zhǎng)2軌道空間站的居住艙。

▲ 克勞斯探索平臺(tái)文件中的載人登月

▲ 探索平臺(tái)（使用俄國(guó)艙段和節(jié)點(diǎn)艙）對(duì)接獵戶座飛船和小行星重定向（ARM）模塊

▲ 探索平臺(tái)（使用航天飛機(jī)氣閘艙）對(duì)接獵戶座飛船和小行星重定向（ARM）模塊

▲ 探索平臺(tái)地月空間站全圖，包括獵戶座飛船，ARM模塊，節(jié)點(diǎn)艙，科學(xué)-能源模塊（SPM）

地月空間站雛型

美俄合作是國(guó)際空間站的基石，L2軌道空間站構(gòu)想之初，美俄合作倍受重視，但2014年烏克蘭危機(jī)讓兩國(guó)關(guān)系急轉(zhuǎn)直下，同時(shí)作為美國(guó)傳統(tǒng)盟友，歐洲和日本也開始參與進(jìn)來(lái)，這個(gè)位于地月空間的空間站發(fā)生了很大的變化。根據(jù)俄國(guó)航天科普作家阿納托利·扎克在美國(guó)行星學(xué)會(huì)網(wǎng)站博客發(fā)表的文章，最新的地月空間站方案中美國(guó)提供節(jié)點(diǎn)艙和服務(wù)艙，俄羅斯提供氣閘艙，加拿大提供機(jī)械臂，歐洲和日本各提供一個(gè)居住艙。簡(jiǎn)而言之俄羅斯的份額大幅度減少，至于美國(guó)更是因?yàn)閾碛蠸LS火箭和獵戶座飛船成為這個(gè)深空軌道上的小“國(guó)際空間站”的頂梁柱。這個(gè)地月空間的小型“國(guó)際空間站”將部署在大幅值逆行軌道（DRO），它進(jìn)入和脫離的速度增量比L2軌道略低，但俄羅斯塔斯社消息則表示空間站將位于近直線軌道（NRO）上，NRO軌道更有利于載人登月尤其是極區(qū)著陸探測(cè)任務(wù)，這應(yīng)該與現(xiàn)在美國(guó)、俄羅斯和歐洲都熱衷載人登月任務(wù)有關(guān)。

2017年3月扎克最新發(fā)表的文章稱，美國(guó)宇航局與其他國(guó)際空間站合作伙伴正在幕后悄悄完成地月空間的空間站設(shè)計(jì)。2017年2月各個(gè)航天局在日本筑波開會(huì)，深化論證月球軌道空間站的具體設(shè)計(jì)，接下來(lái)的幾個(gè)月中繼續(xù)完善，筑波會(huì)議上這個(gè)小“國(guó)際空間站”參與國(guó)們作出了一項(xiàng)重要決定，讓空間站運(yùn)行在近直線暈軌道（NRHO）上，這個(gè)繞著月球的大橢圓環(huán)軌道近月點(diǎn)約1500千米，遠(yuǎn)月點(diǎn)高達(dá)約70000千米，這樣的軌道上空間站總是位于地面控制站的觀測(cè)范圍內(nèi)，同時(shí)也避免了月球遮擋陽(yáng)光，還節(jié)省了用于軌道維持的推進(jìn)劑?！翱臻g站”運(yùn)行在NRHO軌道上最大的好處是易于進(jìn)入和脫離，獵戶座飛船從奔月軌道變軌對(duì)接“空間站”消耗的推進(jìn)劑更少，緊急或是日常脫離返回地球時(shí)同樣更為容易，從這個(gè)“空間站”前往小行星或是火星也遠(yuǎn)低于環(huán)月軌道，不過(guò)天下沒(méi)有免費(fèi)的午餐，從NRHO軌道下降到月球表面，需要消耗更多的推進(jìn)劑，這對(duì)登月艙的設(shè)計(jì)指標(biāo)提出了更高的要求。月球空間站另一個(gè)看點(diǎn)是真正的閉環(huán)環(huán)控技術(shù)，它將做到比國(guó)際空間站更高水平的水和氧氣的回收，這也是深空載人航天需要更大速度增量帶來(lái)的必然需求。根據(jù)目前的設(shè)想，這個(gè)地月空間站的主要艙段將使用美國(guó)的SLS重型火箭發(fā)射，至于載人飛船自然首選美國(guó)的獵戶座飛船，不過(guò)PPB服務(wù)艙后來(lái)分為美國(guó)負(fù)責(zé)的推進(jìn)模塊PPE和歐洲負(fù)責(zé)的加油通信模塊ESPRIT兩部分，后者打算使用阿里安6火箭發(fā)射，俄國(guó)也在評(píng)估使用本國(guó)的安加拉-5大型火箭發(fā)射氣閘艙甚至“聯(lián)邦號(hào)”飛船的可能性。隨著重型“獵鷹”以及載人“龍”飛船的逐漸成熟，太空探索技術(shù)公司也可能在乘員往返環(huán)節(jié)上分一杯羹?？臻g站貨運(yùn)方面，各國(guó)航天機(jī)構(gòu)都想將其交給自己的承包商，無(wú)論是美國(guó)聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的重型火神火箭，還是太空探索技術(shù)公司的重型獵鷹火箭都有機(jī)會(huì)，太空探索技術(shù)公司和軌道·ATK公司更因?yàn)楝F(xiàn)有的國(guó)際空間站貨運(yùn)經(jīng)驗(yàn)而占據(jù)優(yōu)勢(shì)，俄羅斯也可能使用安加拉-5火箭發(fā)射下一代“進(jìn)步號(hào)”飛船，為這個(gè)深空載人空間站提供貨物服務(wù)。

▲ 2017年新提出的NRHO軌道示意圖

▲ L2軌道上的探索平臺(tái)可以機(jī)動(dòng)到近月軌道，支持載人登月

▲ 國(guó)際空間站和地月空間站位置示意圖

俄羅斯執(zhí)著于未來(lái)進(jìn)行載人登月，已經(jīng)提議討論為這個(gè)月球空間站預(yù)留轉(zhuǎn)移到月球低軌道的能力。歐空局局長(zhǎng)更是野心勃勃要在月球極地建立月球村，美國(guó)新總統(tǒng)也對(duì)立竿見(jiàn)影的載人登月任務(wù)更感興趣。更重要的是，各國(guó)的載人航天需要保持延續(xù)性，2024年國(guó)際空間站即將墜落，而載人火星任務(wù)難度太大遙遙無(wú)期，在預(yù)算有限的未來(lái)，對(duì)美俄歐日來(lái)說(shuō)，通過(guò)國(guó)際合作在月球軌道上建立一個(gè)小型“國(guó)際空間站”不失為一個(gè)理想的選擇。

責(zé)任編輯：陳彩連