美國大學及咨詢機構對載人航天未來發展的研究

王景泉（北京空間科技信息研究所）

□□從2004年美國政府“太空探索新構想”的提出到可具體實施的星座計劃的出臺，美國上下不斷對航天飛機、“國際空間站”（ISS）的使用期限和重返月球、飛往火星戰略目標等問題發表各自的見解。目前，“太空探索新構想”和星座計劃進退維谷，奧巴馬政府組織高層評審委員會進行研究，對諸多問題重新梳理和認識，以確認載人航天發展方向，提出解決方案，但該委員會提出的報告并未得出明確的結論，讓奧巴馬政府左右為難。本文整理了美國大學和咨詢機構幾種不同的觀點，這些觀點反映出美國載人航天決策的艱難。

1 支持既定的載人航天發展方向，但提出必須突破若干重大問題

目前美國載人航天未來的發展已處在關鍵時期。美國一些咨詢機構提出了對未來發展影響較大的、必須解決的關鍵問題。

1.1 美國需要發展飛往月球及以遠目標的下一代空間運輸系統

現在是發展航天飛機退役后新型空間運輸系統的一個好機會，下一次機會不知要等多少年。美國自身需要驗證如何保持太空探索領先地位，同時美國也是國際航天事業的重要合作伙伴。為此，美國必須在其已經發展的領域之外，確定更明確的發展意圖。美國如果要擁有以前未曾有過的能力，還必須明確從月球以遠到深空目標的探測范圍。一旦實現這些目標，就能證明美國載人航天的發展超越了美國航空航天局（NASA）前40年所取得的成就。近地行星或太陽-地球平衡點等探測任務應在發展重返月球及其支持硬件之前實施，任何新的航天運輸系統都應具有飛往月球以遠目標的能力。最終的目標應是在下一個50年的某個時間把人送上火星。

1.2 “太空探索新構想”中提出的時間表無法按期實現

為了實現原定的目標，NASA需要在很多方面作出犧牲。在工程方面有3個可控制的變量：成本、計劃、性能。如果計劃流程和機構預算固定，在技術挑戰使成本不可避免地增加時，繼續發展的選擇要么是折中技術性能，要么是犧牲其他項目的調用資金。為了實現2020年重返月球的目標，當不能從管理和預算辦公室獲取需要的資金時，上述兩種辦法NASA都采用過。為了以與可利用預算相稱的步調實現目標，2020年這一重返月球的期限就必須解除。

未來的月球基地設想圖

1.3 規定具體的探測目標將限制運輸系統飛向其他目的地的能力

美國前總統布什確定2020年重返月球目標產生的另一個結果是，對NASA把月球作為目的地產生了爭議，星座計劃的驅動因素幾乎全部來自于月球，而很少關注其他目的地。關于星座計劃，目前符合規定要求的設計就是重返月球，這是高成本適應既定目標的方案，對于其他探測目標有必要重新構想。因此，除了實現重返月球的最終期限需要解除外，還要解決將月球作為唯一目標的問題。

1.4 預算成本必須放在首要考慮的地位

對于阿波羅計劃來說，成本不是問題?！伴_始研制就有錢”的思維定式延續到航天飛機和空間站，也殃及到當今重返月球的星座計劃。但從有限成本的角度看，今天的NASA似乎無法在現有投入下確定載人航天的途徑。NASA主要集中于滿足星座計劃的工程要求，而較少關注于研制和運行成本，從而成為計劃向前推進的障礙。如果按目前NASA有限的預算，以及對星座計劃研制成本和2015年以后支持ISS的模糊要求，2020年重返月球的目標是無法實現的。事實證明，實現低成本和持續發展的最佳途徑是最大限度地利用現有航天運輸基礎設施。

1.5 下一代的深空載人任務應該作為國際合作項目實施

太空不再是美國和俄羅斯的專有領域，已經日益國際化；太空也不再是國家驕傲的唯一標志，而成為外交和國際合作的手段。美國不應在該領域再因為虛榮心而孤立自己，必須歡迎新的國際合作伙伴，實現互惠互利，構建太空探索事業的聯合能力。事實上，包括美國在內的任何一個國家要想擁有這種探索太空的能力都會感到困難重重，或者說一個國家獨立實施載人深空探索是不可能的。由于需要進行多次大型發射任務，ISS已經開創了國際合作、伙伴分擔的先例。盡管美國和俄羅斯都有過各自獨立的載人航天計劃，但最后真正的工程實施，還是以合作形式實現了ISS計劃。ISS計劃為地球軌道以遠目標的國際合作進一步發展奠定了基礎，可以將ISS國際合作的模式加以延伸，作為工程技術和新時代國際合作的起點。

1.6 確定一項高風險計劃必須關注公眾輿論

從探索委員會首次會議開始，公眾評論家就提出了中肯的質詢，這些質詢可簡單概括為“NASA只關注工程和飛行器問題，而沒有說明去干什么，什么時候達到目的，計劃是什么，是否要到達月球以遠的目標”。要贏得公眾的支持，應該讓公眾了解這些目標及其發展目的。NASA已經證明了自身具備能勝任的技術能力，盡管機構內外進行了許多研究，已經闡述了探索太空的必要性，但還是需要增強公眾的輿論支持力。

1.7 NASA應該向公眾公布包括實施里程碑的長期深空探索計劃

2009年11月25日航天飛機拍攝的ISS

對于任何長期太空探索事業，必然會經歷多屆政府的決策，各屆政府也必須確定帶有具體里程碑的投資策略，像阿波羅計劃那樣（盡管更多的是將該計劃作為策略），要使公眾了解計劃的具體情況，獲得公眾支持，步調一致地奔向目標。這一過程之所以必要，不僅僅是由于公眾支持的需要，而且也由于每一屆新政府對于新計劃必要性認識的需要。NASA的太空探索計劃將使國家的年輕一代受到鼓舞，對未來充滿希望，是向時代挑戰的美國夢想。國家必須向公眾表明立場，此次探索對美國意義重大，而不僅僅是40年前阿波羅登月計劃的簡單重復。

1.8 必須支持機器人探索這種輔助手段

NASA載人和機器人探索事業已經形成了獨立的文化，事實上每一項計劃都和其他計劃有某種關聯。現在，由于載人航天經費不足，機器人科學事業得到了促進，高性能的機器人技術也對載人航天形成了威脅，導致對載人航天了解不深刻的科學家的評論抹殺了載人航天的美好前景。載人航天和機器人技術對航天機構都異常重要，也難以分離，因此機器人探索和載人探索應該有相同的優先級，并能夠有效地相互支持。

2 建議美國載人航天更長時間停留在近地軌道，重點解決地球上的現實問題

美國萊斯大學的研究報告試圖為NASA提供新的參考性發展方案，并根據現有能力和現實預算提出建議。該報告提出，奧巴馬政府給NASA發展提供了難得的新機會，但需要調整策略。在載人航天領域，最好不要繼續走嘗試縮小載人航天斷檔期的彎路，也不要在目前的載人航天構想上繼續耗費關鍵資源。在新政府的第一任期內，NASA要努力對冷戰后的世界發展作出中肯、清醒的判斷，并重構載人航天的目標。

2009年1月奧巴馬就職典禮以后，美國進入新的改革時代，但目前美國航天計劃面臨許多難題。盡管在ISS大型硬件的組裝方面已經取得了巨大的成功，但在航天飛機運行中發生的悲劇和遇到的難題，使NASA在非常艱難的情況下被迫自我發展。

目前美國載人航天未來的發展已處在關鍵時期。美國一些咨詢機構提出了對未來發展影響較大的、必須解決的關鍵問題。

美國新型月球車在2009年總統就職典禮上展示

布什政府集中于“太空探索新構想”產生的更嚴重后果是：2010年以后美國要依賴俄羅斯進行載人航天運輸，每一次運輸都要支付大量資金；不重視科學，特別是削減在ISS上的科學研究項目，這給國際合作伙伴的參與熱情潑了冷水。另外，星座計劃預算超支、研制時間推遲，且只能形成有限的能力。特別是，全部聚焦于重返月球的理由沒有很強的說服力，難以形成國家的一致意愿。

航天飛機飛往空間站

萊斯大學的研究報告認為，在短期內，NASA的外層空間載人飛行應從以月球和火星為目標快速轉向與能源和環境有關的技術領域，應該更多地強調對地球和在近地軌道進行研究，包括大力拓展和提高地球觀測系統能力。對于地球軌道以遠的太空探索計劃，NASA應和國際合作伙伴進行長期研究與規劃。

地球上能源安全和對環境的威脅，特別是氣候變化及其對地球生態、陸地表面、海洋和全球人類生活的影響，將是人類在今后50年乃至更長時間所面臨的最具挑戰性的問題。能否解決好國家安全、外交政策、經濟和社會平等問題將更多地取決于國家對上述挑戰的反應能力。NASA擁有三大資源，能對這些挑戰作出更大貢獻。

第一，NASA具有航空和航天運行方面的獨特能力，具有觀測地球環境的極大優勢。自20世紀70年代美國發射了第一顆“陸地衛星”（Landsat）以后，NASA就承擔了這一領域的關鍵任務。遺憾的是，NASA沒有持續擴大這一成果，這是由于一定程度上受限于圍繞全球變暖和氣候變化引起的政治爭論。這一障礙可以通過加強對全球氣候變暖科學依據的研究和擴大新一屆政府制定的應對政策的開放度來消除。

第二，NASA有獨特的手段建立新的模型，管理大規模工程和計劃。這些獨特的手段包括完成工作所要求的計算機建模、大規模計算，以及飛機、衛星和通信等手段。NASA與對氣象和氣候預報負有主要責任的國家海洋與大氣局（NOAA）、美國地質調查局（USGS）和大氣研究國家中心（NCAR）之間加強合作，再通過國家基金會的支持，將是提高未來美國氣象預報和氣候預測的關鍵。但只有NASA具有設計和發射地球觀測所需要的衛星的科學、工程和技術能力。

第三，由于任務的獨特性，NASA積累了與可選擇的能源系統有關的廣泛工程經驗，如風力渦輪機、太陽電池陣、燃料電池等。NASA也是具有改進所有類型飛機燃料效率經驗的主要機構，而這些能力又是NASA任務成功的關鍵。

基于上述分析，萊斯大學的研究報告提出如下建議。

2.1 重構載人航天發展計劃

這是到目前為止最具挑戰性的建議。進行重構的一個途徑是將早期聚焦于月球和火星的目標轉向增強對ISS的支持。支持ISS的理由很充分，繼續太空和平利用的國際合作，特別是通過ISS進行科學研究，這些都將十分重要。將航天飛機飛行時間延長到2015年以后，可以減少ISS對俄羅斯航天運輸系統的依賴，并能滿足所有ISS用戶往返的要求。

對于星座計劃，建議通過取消戰神－1（Ares－1）火箭來實現計劃重構，即使Ares－1成功，也無法具備比其他運載器更多的優勢，主要問題是研制時間太長、資金太緊缺。另外，也建議取消其他與月球表面有關的工作，包括月球著陸器、月球航天服、漫游車及其他月球表面系統的研制。對NASA來說，載人重返月球所遇到的這些問題關鍵來自于技術和經濟的直接挑戰，這些活動在未來的適當時候可以重新開始。關于取消載人登火星的問題應在國家層面加以描述，必須承認火星任務存在難以置信的挑戰。由于需要漫游車進行大面積的探索，專門飛往火星的機器人任務至少要等到下一個10年。

“獵戶座”飛船?？吭诳臻g站示意圖

“獵戶座”飛船的模擬乘員艙

目前的“獵戶座”（Orion）項目也應重構，縮小這種新載人飛船的尺寸，變為乘坐3名乘員的具有陸地著陸能力的類似“阿波羅”尺寸大小的飛船，或類似X－38型的升力體飛行器。小尺寸的飛船可利用阿里安－5或德爾他－4火箭發射，估計能夠在2014年或2015年發射到ISS。美國應該邀請歐洲和日本參加Orion項目，為了保證國際參與是有意義的和有效的，應該采納國家研究委員會的報告《美國堡壘之外》中的建議。如果不再投資唯一的Ares－1火箭，2015－2020年在新型商業地球軌道運輸業務領域NASA就會處于全面優勢地位。

對于重構的發展途徑，提出近期重點從月球轉向空間站，轉到基于Ares－5重型火箭上。Ares－5發射能力對任何未來的深空探索都是關鍵，而遠期重點則轉向深空小行星或彗星攔截能力。對實現Ares－5發射能力的多種方案進行研究，包括液體助推器、液體返回助推器和國際合作方案，還包括NASA運載火箭方案指南中所提出的使用現有大多數航天飛機的硬件，包括2個固體火箭助推器和外部燃料貯箱。唯一的關鍵性修改是像“阿波羅”飛船艙底部發動機那樣改進航天飛機外部燃料貯箱。Ares－5火箭盡管也使用了航天飛機部件，但在本質上是全新的火箭。飛往小行星的能力將為提供美國飛向月球能力奠定基礎，是未來需要的一種能力。載人小行星或彗星攔截等深空任務的實施能反映出美國在太空的領先地位，也是面對可能的中國登月計劃競爭應該開拓的領域。

在太空探索中，推進問題是較大的限制因素。從長期看，集中于創新型推進研究的大膽計劃是非常必要的。重構載人航天計劃需要一個前提，美國重返月球，甚至飛往火星的任何一項未來計劃，都需要獲得國家的頂層優先級，這將涉及到許多美國聯邦機構、大學和工業界，而且可能延伸到國際范圍。通過重構載人航天計劃，資源利用優勢將使NASA集中力量對其他的重大短期或長期國家優先級項目作出貢獻。

戰神－5火箭的“地球出發級”運送“獵戶座”飛船和月球著陸器飛往月球

2.2 瞄準能源和環境的短期（4年以內）投資

這一建議會使每一個NASA中心有獲得獨特能力和訓練員工的機會。各個NASA中心的研究重點需要重新調整，并承擔與專業技術特點相一致的責任。短期投資將涉及到全面了解和最優化的大尺寸風渦輪發電機相關的空氣動力學、結構和機構技術；全面了解和最優化高效率太陽電池陣和小尺寸燃料電池技術的應用；還將全面利用NASA監視、建模和預測長期氣候的能力，以及NASA的儀器、飛機、衛星、計算機和通信等設施來實現另一類計劃。這類計劃包括增強ISS監視地球的利用和擴展目前的地球觀測系統，并要求和NOAA、USGS及NCAR緊密合作。另外，為了將地球與其他星球進行比較，還將采用機器人探索。這樣將實現對地球行星科學更好的了解。所有這些領域的突破，太陽能電池和燃料電池的快速發展，環境和行星學知識的進一步了解，都將對未來的行星探測活動十分關鍵。

2.3 瞄準地球能源和環境的長期（4～8年）投資

作為長期能源發展，這期間主要任務是進行驗證，利用航天飛機和ISS進行小規模初期研究，進行從軌道到地球的無線電能傳輸試驗。天基太陽能電站系統的全面實施，要求具有比目前可利用的更大規模和更低成本的設施發射能力。在沒有實現發射成本大幅度降低以前，這種系統是不可行的，然而基于航天飛機和ISS的近地軌道的驗證，可以使美國了解其中存在的問題和要求的效率。如果初期在中地球軌道能實現小型和更高效率的太陽能電池采集系統，就會邁出一大步，有可能提供與大型、更高軌道航天器相同的能力。通過這種小規模的試驗，并依靠NASA監視、建模和大規模復合體系統工程能力，還將開始驗證探索行星可能的技術。

“獵戶座”飛船與“牽牛星”月球著陸器進入月球軌道

2.4 確保正在進行的和高效的機器人空間科學計劃

NASA正在進行的、高效的機器人空間科學計劃應該擴展，特別是強調大學的研究，并加強國際合作。NASA“太空探索新構想”的負面作用是，使美國在很長的時間內沒有能力繼續運行載人航天系統，基本上使NASA聚焦于一項單一的任務，失去了各項任務的平衡，損害了那些曾貢獻于國家、具有領先地位的科學、工程、研究和技術任務。這項建議的目的是使NASA轉向于對未來美國人民乃至全人類都有重要貢獻的方向，即轉向能源和環境2個重大領域，特別要重視氣候變化。如果按照這種設想，NASA不但將繼續在太空進行載人飛行，完成ISS建造，實現對國際合作伙伴的承諾，而且將重新建立起NASA科學、工程、研究和技術等多種活動的平衡，為載人太空探索計劃打下基礎。

3 支持“太空探索新構想”確定的目標，但建議其作為國際合作項目

美國麻省理工大學的研究人員重新思考了政府投資開展載人航天活動的理由，并依據這些理由提出了解決目前困境的思路。

麻省理工大學的研究人員把載人航天的主要目標定義為：那些只能通過人類實際到達才能實現的、所產生的效益超過機會成本，因而值得冒很大人員生命安全風險的目標，包括探索、民族自豪感、國際威望和領先地位。只有當載人航天能顯示人類經驗的擴展時，才有意義去實現其目標，并吸引最廣大的民眾。次要目標是指，那些能因為人類實際到達太空而產生效益，但本身并不足以證明所花成本或所冒風險的合理性目標。這類目標包括科學、經濟發展、新技術和教育等。

研究人員認為新的美國載人航天政策應該根據這些目標來進行投資、期望值和可接受的人員生命安全風險等的權衡，國會和白宮應該減輕“用太少的資源干太大的任務”的壓力，因為這種壓力曾導致了災難的發生，并導致了NASA今天的困境。具體建議包括：

NASA應該繼續航天飛機飛行，直至其完成當前任務，然后退役。

美國應該制定一項將ISS的使用期延長到2020年（原計劃運行到2015年）的大范圍的、有資金支持的計劃，以支持探索的主要目標。

新政策應在未來探索的月球、火星及其他有希望的目的地的權衡選擇中發揮指導性作用。

NASA應該在能支持這些探索的新技術中重新開展基礎性研究。

美國應該重申其在載人航天領域國際領導地位的長期既定政策，并繼續致力于與現有國際伙伴的合作。

美國應繼續保持ISS計劃中的現有國際合作伙伴關系，包括與俄羅斯的持久性合作關系，并應開始與中國、印度和其他積極發展航天力量的國家開展合作。

未來載人登火星設想