美國月球軌道空間站建設(shè)啟動實質(zhì)研發(fā)

王琴 范全林 張曉雯 （中國科學院國家空間科學中心）

2018年9月，美國國家航空航天局（NASA）發(fā)布《國家太空探索計劃報告》，其中包括了2019－2024年未來6年的深空發(fā)射任務表。報告列舉的11次任務清單中，與月球有關(guān)的任務多達8次，占72.7%，清晰揭示了美國主導的月球軌道空間站（LOP-G）建設(shè)進入實質(zhì)研發(fā)階段。月球軌道空間站是任務的“重中之重”，大推力重型運載火箭太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）是實現(xiàn)重返月球、登陸火星夢想的重點任務之一。

NASA未來6年深空探測任務剖面圖

1 國際載人深空探索選擇月球軌道作“起跳板”

自阿波羅載人登月計劃后，在長達近半個世紀的時間內(nèi)，人類再沒有走出近地軌道（LEO）。進入21世紀，NASA動議的載人深空探測任務雖然幾經(jīng)沉浮，但美國重返月球、登陸火星，直至未來進入太陽系深處的夢想?yún)s從未放棄。21世紀初，美國前總統(tǒng)小布什提出重返月球的“星座計劃”，以載人登月為重點，目標最終是實現(xiàn)登陸火星。美國前總統(tǒng)奧巴馬上任后雖然取消了“星座計劃”，但提出了“小行星重定向任務”（ARM），意在利用航天器從小行星表面采礦并拖曳至月球軌道，供航天員登陸探測。特朗普總統(tǒng)上任后又取消了ARM，提出了月球軌道空間站計劃（LOP-G）。

LOP-G由前些年熱議的深空門戶（DSG）發(fā)展而來。為了探討“國際空間站”（ISS）時代載人航天的發(fā)展方向，也是為了探討地球軌道以遠的載人任務和長期深空探索，ISS合作機構(gòu)十余年來反復醞釀和推動在地月空間建立一個可載人居住的空間站。

LOP-G由前些年熱議的深空門戶（DSG）發(fā)展而來。為了探討國際空間站（ISS）載人航天的發(fā)展方向和地球軌道以遠的載人任務和長期深空探索，ISS合作機構(gòu)十余年來反復醞釀和推動在地月空間建立一個可載人居住的空間站。期間NASA和其他ISS成員圍繞相關(guān)地月空間站建議進行了多輪博弈，最終確定了“適合包括火星在內(nèi)的深空探測”，認為這個地月空間站應既滿足航天員可以周期性訪問、作為人類開展太陽系探測的跳板，同時兼顧遠距離探測月球、并為月表科研活動提供延伸支持。

在2017年前后，地月空間站以月球軌道空間站（LOP-G）的形式從航天界進入公眾視野。簡言之，LOP-G是基于“國際空間站”（ISS）框架，由NASA主導，歐洲航天局（ESA）、俄羅斯航天國家集團（ROSCOSMOS）、日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）和加拿大國家航天局（CSA）等參與研發(fā)的近月空間站。NASA希望按照國際合作及商業(yè)模式建造和運行LOP-G，既可減輕美國的投資壓力，又能利用歐、俄、日、加等航天強國的技術(shù)優(yōu)勢。LOP-G容積約125m3，規(guī)模遠小于ISS。根據(jù)NASA專家披露的新信息，LOP-G將擁有50kW電力和推進系統(tǒng)（PPE），可對接的航天員工作艙、兩個居住艙、氣閘過渡艙、后勤補給艙、在軌加注和通信艙（ESPRIT）以及資源利用艙，支持航天員出艙（EVA），未來可供4名航天員持續(xù)開展工作21天。雖然LOP-G項目運營模式尚未最終確定，但基于各參與國家優(yōu)勢的任務分工已基本明確，相關(guān)的運輸系統(tǒng)或著陸技術(shù)仍在討論之中。

月球軌道空間站LOP-G建設(shè)任務分工及意向表

NASA載人深空探索發(fā)展戰(zhàn)略示意圖

不同于長期有人照料的空間實驗室，LOP-G作為一個訪問型空間站，它將支持航天員在月球軌道和月面上短期駐留，并且經(jīng)月球中轉(zhuǎn)往返火星及深空，開展科學探索，同時兼顧太空安全和商業(yè)航天等目標。這與NASA長期呼吁和謀劃的載人深空探索發(fā)展戰(zhàn)略是一致的。為了再次跨出近地軌道，NASA力爭在自己主導下，通過多國若干年的協(xié)同努力，在月球附近建立靈活、可復用、可持續(xù)的空間站基礎(chǔ)設(shè)施，為載人環(huán)火和登陸，乃至更深遠的太陽系探測提供“起跳板”，是載人深空探索萬里長征的第一步。

LOP-G將在環(huán)繞地月連線L2點的近直線暈軌道上運行

2 LOP-G牽引月球探測助力未來深空任務

與我國嫦娥四號中繼星“鵲橋”的Halo使命軌道（或稱“暈軌道”，“暈”字借自日暈、月暈）類似，LOP-G亦將運行在地月連線延長線的L2點，但采用近直線暈軌道（NRHO）。NRHO軌道屬于Halo軌道族，其軌道形狀不同于環(huán)地或環(huán)月衛(wèi)星的橢圓軌道，軌道面是圍繞L2點的三維非規(guī)則曲線，幾乎垂直于地月系平面，軌道周期6～8天，近月點距離約2000km，遠月點距離約75000km，L1和L2分別代表NRHO軌道的可通過定期軌控保持軌道的穩(wěn)定性。

NASA載人深空探測規(guī)劃中并無明確的月球基地建設(shè)任務，而ESA又在呼吁多國參加其開發(fā)月球資源的“月球村”計劃，俄羅斯、日本等亦對月表科研活動興趣濃厚，此時LOP-G任務提出并實施兼顧了各方航天發(fā)展的六大主要訴求。

一是“中繼站”。和“鵲橋”類似，LOP-G直視月球背面，其通信艙可實現(xiàn)與月面工作的各類著陸器和巡視器的中繼通信覆蓋。

二是“門戶站”。LOP-G注定是人類往返火星探測的前哨，啟程前對火星飛船在軌組裝和測試。另一方面，在LOP-G上可在軌組裝、測試小衛(wèi)星/立方星群及小行星探測器，開展地月空間科學探測、近地小行星探測等，而后者也承載了人類太空資源開發(fā)和利用、預防和規(guī)避近地小天體與地球相撞的重要使命。

三是“樞紐站”。LOP-G所在的NRHO軌道維持容易，同時它又能升降軌道以完成不同性質(zhì)的任務，既可以作為地月轉(zhuǎn)移的過渡軌道，僅需約730m/s的速度增量即可進入環(huán)月極地軌道，也能進入月球的高軌道進而支持探測器前往太陽系其他目標天體，大幅降低深空探測任務的推進劑需求。

四是“中轉(zhuǎn)站”。將LOP-G作為月表探測任務的中轉(zhuǎn)站，支持航天員和遙操作機器人的月面著陸、巡視和返回等作業(yè)，使進入月球或隨時往返的任務更加靈活，助力各類月表科學探測活動的開展。

航天員在LOP-G生活艙模擬艙中進行實驗

五是“接力站”。無論是航天員重返月球或是奔向火星或更遠深空，LOP-G是人類離開近地軌道后的接力站，既可為航天員提供太空生存所需，亦可為各類深空探測器加注燃料，提供能源，使得月球著陸器的重復使用成為可能。

六是“試驗站”。LOP-G可以測試和研發(fā)未來深空探測新技術(shù)，并兼顧商業(yè)航天的優(yōu)勢資源發(fā)展所需裝備。

3 NASA預算獲批確保LOP-G任務落實

LOP-G任務實施具體化，LOP-G建設(shè)可操作性強。為了盡快建設(shè)LOP-G，NASA在未來6年時間內(nèi)連續(xù)實施8次發(fā)射任務，分別是：2019年通過商業(yè)航天發(fā)射小型月球著陸艙； 2020年實現(xiàn)太空發(fā)射系統(tǒng)與獵戶座飛船的首飛（EM-1）； 2022年載人繞月探測（EM-2）； 2022年還包括2次任務—發(fā)射LOP-G的首個能源和推進（通信）組件（PPE），發(fā)射中型月球著陸艙；2024年后至少安排3次任務—載人繞月發(fā)射在軌加注和通信艙（ESPRIT）以及資源利用艙（EM-3），發(fā)射LOP-G補給和機械臂，發(fā)射大型載人月球著陸艙。

NASA近兩年的預算表明，美國已大幅提高與月球及深空探測相關(guān)的經(jīng)費投入，夯實了建設(shè)LOP-G及相關(guān)運載及地面支撐系統(tǒng)的經(jīng)費保障。2019財年NASA總財政預算為198.922億美元，為近年最高。NASA研制和發(fā)射LOP-G所需相關(guān)經(jīng)費2019財年已達45.085億美元，包括深空探測計劃中研制和發(fā)射LOP-G經(jīng)費42.905億美元（其中探測系統(tǒng)36.698億美元，月球軌道空間站5.042億美元，先進地月和月表探測能力1.165億美元）和科學計劃中月球探測預算2.18億美元。

雖然深空探測的運載和地面支撐系統(tǒng)，包括“獵戶座”（Orion）飛船、太空發(fā)射系統(tǒng)SLS和地面系統(tǒng)，預算比2017年降低了2.592億美元；但先進探測系統(tǒng)卻比2017年增加了7.912億美元，體現(xiàn)在新增LOP-G 5.042億美元，新增先進地月和月表探測能力（ACSC）1.165億美元等方面?？茖W計劃中深空探測/行星科學財政預算從2017年18.275億美元上升到22.347億美元，用于支持重返月球、探測火星和木衛(wèi)二等，其中月球探測預算從0.19億美元大幅增長到2.18億美元，高達11倍之多。

SLS的移動發(fā)射塔運抵肯尼迪航天中心39B發(fā)射場組裝大樓

4 LOP-G工程研制取得重要進展

雖然LOP-G是最近兩年才日益引起關(guān)注，但其所需的各類技術(shù)卻不是從一張白紙起步的。近5年以來，得益于兩輪“空間探索伙伴關(guān)系的下一代空間技術(shù)”（NextSTEP）計劃的支持，阿斯特拉火箭公司、波音公司、洛馬公司等商業(yè)航天公司圍繞先進推進系統(tǒng)、深空居住艙等的原型預研已取得重要進展，NASA正穩(wěn)步推進大推力重型運載火箭SLS和獵戶座飛船研制。SLS首飛火箭正在加緊生產(chǎn)，獵戶座飛船研制接近尾聲。2018年8月SLS的移動發(fā)射塔（ML）已運抵肯尼迪航天中心39B發(fā)射場組裝大樓。9月，獵戶座降落傘系統(tǒng)完成最終考核，這是將人類送往月球及更遠深空的重要里程碑事件。10月，獵戶座隔熱罩和通信模塊分別在肯尼迪航天中心完成安裝和測試。SLS核心階段的五個主要結(jié)構(gòu)部件已完成總裝。2018年年底，SLS的10個運載火箭發(fā)動機固體助推器已全部就位。

當然，LOP-G的工程研制仍存在很多挑戰(zhàn)。NASA計劃2019年在斯坦尼斯航天中心測試SLS火箭的芯級，測試將包括安裝飛行芯級，并使4個RS-25發(fā)動機同時點火。同年也將對歐洲研發(fā)的服務艙及移動發(fā)射塔進行測試。工程師們必須確保SLS、獵戶座和地面系統(tǒng)的安全可靠運行，未來可以支持人類向月球和更遠的地方探索。新一代RS-25發(fā)動機將在利用3D打印和智能制造技術(shù)降低成本的同時，繼續(xù)保持其可靠性。計劃于2020年實施的EM-1任務在肯尼迪航天中心發(fā)射，將實現(xiàn)SLS與獵戶座飛船的首飛，同時這也是與地面發(fā)射系統(tǒng)的第一次綜合試驗，為未來的載人深空探測鋪平道路，引領(lǐng)人類探索月球及更遠地方。后續(xù)還將對EM-2任務載人飛行的乘員艙、發(fā)射中止系統(tǒng)（LAS）進行一系列的測試，而LOP-G的“真正”組裝也將自EM-2開始。

月球軌道空間站LOP-G建設(shè)任務簡表

5 結(jié)語

雖然存在很多不確定性，NASA還是規(guī)劃了2024－2026年執(zhí)行載人的EM-4到EM-7任務：完成國際生活艙（EM-4）、美國生活艙（EM-5）、后勤補給艙（EM-6）、過渡艙（EM-7）。2027－2033年實現(xiàn)LOP-G的深空運輸中轉(zhuǎn)（DST）功能，將全面建成LOP-G：2027年驗證LOP-G的DST功能（EM-8）和載人DST功能（EM-9）；2028年驗證LOP-G的后勤補給和燃料加注等貨運DST功能（EM-10）；2029年開展地月空間為期一年的載人DST驗證（EM-11）；2030年LOP-G開展后勤補給和燃料加注等的DST（EM-12）；2033年利用DST實現(xiàn)載人環(huán)火星探測（EM-13）。

美國是世界頭號航天強國，由NASA主導的LOP-G有望成為人類重返月球和走向深空的重要跳板。但鑒于美國對華航天政策的限制，我國參與LOP-G的可能性很低。2019年，我國將實施嫦娥五號任務，火星探測任務已立項實施。地月空間探索和走向深空是航天強國建設(shè)的重要標志之一，在我們論證探月四期和深空探測規(guī)劃時，美國加快LOP-G 建設(shè)的動向值得重視。