載人航天國際合作新目標：地月軌道空間站

□ 張雪松

載人航天國際合作新目標：地月軌道空間站

□ 張雪松

國際空間站又獲得了4年延壽，但2024年后也將退役，美國的載人航天任務將轉向深空。深空載人航天耗資極為巨大，更依賴國際合作，正因為如此，美國牽頭歐俄日正在深化地月軌道（Cislunar）空間站的方案，這將是未來最有希望的國際合作載人航天項目，它堪稱地月空間上的小“國際空間站”。

▲ 21世紀初美國宇航局提出的L1軌道的空間站設想

自2004年美國總統小布什提出重返月球的“星座計劃”以來，美國的載人航天重心就開始轉向深空。“星座計劃”耗費幾十億美元后只發射了Ares-IX進行亞軌道測試，2009年新上任的奧巴馬總統取消了這個計劃，提出21世紀20年代中期載人登陸小行星，21世紀30年代中期飛向火星的遠景藍圖，但沒有提出詳細的路線圖和時間表。載人登陸火星雖是人類的終極目標，但奧巴馬任內并沒有多大進展，只討論出一堆紙面方案，當然這些方案并不是毫無價值，一個兼顧載人登月、登陸小行星和登陸火星的地月空間站方案就在這段時間里逐漸完善，并得到越來越多的認同。2016年競選獲勝的美國新總統特朗普以及6月份剛成立的美國國家航天委員會都有很強的重返月球的愿望，更是增加了地月空間站的份量。

拉夫特瑞的探索門戶平臺

月球附近的中轉站/前哨站并不是一個新創意，十幾年前美國宇航局就有在地月L1軌道部署一個中轉站，服務于載人登月的想法，但地月空間站并非當年設想的重復。現在的地月空間站，源自2011年11月波音公司國際空間站項目經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，它使用國際空間站上已經檢驗的技術和艙段，在地月空間L1或L2點部署一個中轉站，作為從現在近地軌道到未來載人登月、登陸近地小行星和火星任務的過渡，并降低未來深空載人探索任務的成本。最初的方案中包括使用航天飛機軌道機動系統和氣閘艙的功能艙，縮水版的加拿大機械臂，多用途后勤艙（MPLM），節點艙以及星辰2服務艙等部分，還可能增加比格羅公司的充氣膨脹式艙段，它們將使用SLS火箭發射抵達地月系拉格朗日點軌道。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軌道上的中轉站出發，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，是一個十分合適的載人深空任務出發地，簡而言之，L2軌道空間站的過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宇航局提供了新的選擇，波音也在爭取合作與盟友。2012年10月的國際宇航大會上，美國波音公司和俄羅斯能源集團聯合提出了基于國際空間站的L2平動點探索平臺的方案。新平臺由美國的功能艙、節點艙和俄國的科學能源艙組成，載人飛船可以使用獵戶座或是俄國的“聯邦號”飛船，貨運甚至可以使用天鵝座飛船，同時文中還提到了研制可重復使用載人登月艙，以及基于歐空局ATV飛船的可重復使用的月球轉移飛行器（LTV）。雖然文中偏重于介紹使用可重復使用的登月艙來實現載人登月，但同樣指出無論是前往維護日地L2軌道的大型空間望遠鏡，還是作為組裝火星飛船的集結地，L2探索平臺都是非常理想的。

▲ 2017年3月28日最新公布的計劃，第一階段地月空間站，包括一個電推模塊，一個居住艙，一個氣閘艙，還有一個機械臂，另外還有一個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，增加了深空運輸模塊（DST）

▲ SLS火箭發射獵戶座飛船和探索增強模塊

"百花齊放"的系列探索平臺方案

2013年美國的月球探索分析小組會議上，來自波音公司的克勞斯結合小行星重定向（ARM）項目提出了一系列的探索平臺方案，由俄國的科學能源模塊，美國的航天飛機氣閘艙以及國際空間站節點艙等模塊組成，節點艙還可選用俄國的球形模塊。探索平臺中最為簡單的構型只有一個ARM平臺加一個節點艙/氣閘艙，復雜的包括ARM平臺，美/俄節點艙、俄國科學能源模塊。克勞斯方案和拉夫特瑞方案大同小異，可以看作把原來專門設計的功能艙替換為ARM平臺，此外克勞斯在后續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軌道的探索平臺方案，在美國宇航局的資助下，軌道科學等公司也參與了競爭，競相提出深空居住艙方案和以此為基礎的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研制的探索增強模塊（EAM），作為L2軌道空間站的居住艙。

▲ 克勞斯探索平臺文件中的載人登月

▲ 探索平臺（使用俄國艙段和節點艙）對接獵戶座飛船和小行星重定向（ARM）模塊

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

▲ 探索平臺地月空間站全圖，包括獵戶座飛船，ARM模塊，節點艙，科學-能源模塊（SPM）

地月空間站雛型

美俄合作是國際空間站的基石，L2軌道空間站構想之初，美俄合作倍受重視，但2014年烏克蘭危機讓兩國關系急轉直下，同時作為美國傳統盟友，歐洲和日本也開始參與進來，這個位于地月空間的空間站發生了很大的變化。根據俄國航天科普作家阿納托利·扎克在美國行星學會網站博客發表的文章，最新的地月空間站方案中美國提供節點艙和服務艙，俄羅斯提供氣閘艙，加拿大提供機械臂，歐洲和日本各提供一個居住艙。簡而言之俄羅斯的份額大幅度減少，至于美國更是因為擁有SLS火箭和獵戶座飛船成為這個深空軌道上的小“國際空間站”的頂梁柱。這個地月空間的小型“國際空間站”將部署在大幅值逆行軌道（DRO），它進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著陸探測任務，這應該與現在美國、俄羅斯和歐洲都熱衷載人登月任務有關。

2017年3月扎克最新發表的文章稱，美國宇航局與其他國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計。2017年2月各個航天局在日本筑波開會，深化論證月球軌道空間站的具體設計，接下來的幾個月中繼續完善，筑波會議上這個小“國際空間站”參與國們作出了一項重要決定，讓空間站運行在近直線暈軌道（NRHO）上，這個繞著月球的大橢圓環軌道近月點約1500千米，遠月點高達約70000千米，這樣的軌道上空間站總是位于地面控制站的觀測范圍內，同時也避免了月球遮擋陽光，還節省了用于軌道維持的推進劑。“空間站”運行在NRHO軌道上最大的好處是易于進入和脫離，獵戶座飛船從奔月軌道變軌對接“空間站”消耗的推進劑更少，緊急或是日常脫離返回地球時同樣更為容易，從這個“空間站”前往小行星或是火星也遠低于環月軌道，不過天下沒有免費的午餐，從NRHO軌道下降到月球表面，需要消耗更多的推進劑，這對登月艙的設計指標提出了更高的要求。月球空間站另一個看點是真正的閉環環控技術，它將做到比國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的必然需求。根據目前的設想，這個地月空間站的主要艙段將使用美國的SLS重型火箭發射，至于載人飛船自然首選美國的獵戶座飛船，不過PPB服務艙后來分為美國負責的推進模塊PPE和歐洲負責的加油通信模塊ESPRIT兩部分，后者打算使用阿里安6火箭發射，俄國也在評估使用本國的安加拉-5大型火箭發射氣閘艙甚至“聯邦號”飛船的可能性。隨著重型“獵鷹”以及載人“龍”飛船的逐漸成熟，太空探索技術公司也可能在乘員往返環節上分一杯羹。空間站貨運方面，各國航天機構都想將其交給自己的承包商，無論是美國聯合發射聯盟的重型火神火箭，還是太空探索技術公司的重型獵鷹火箭都有機會，太空探索技術公司和軌道·ATK公司更因為現有的國際空間站貨運經驗而占據優勢，俄羅斯也可能使用安加拉-5火箭發射下一代“進步號”飛船，為這個深空載人空間站提供貨物服務。

▲ 2017年新提出的NRHO軌道示意圖

▲ L2軌道上的探索平臺可以機動到近月軌道，支持載人登月

▲ 國際空間站和地月空間站位置示意圖

俄羅斯執著于未來進行載人登月，已經提議討論為這個月球空間站預留轉移到月球低軌道的能力。歐空局局長更是野心勃勃要在月球極地建立月球村，美國新總統也對立竿見影的載人登月任務更感興趣。更重要的是，各國的載人航天需要保持延續性，2024年國際空間站即將墜落，而載人火星任務難度太大遙遙無期，在預算有限的未來，對美俄歐日來說，通過國際合作在月球軌道上建立一個小型“國際空間站”不失為一個理想的選擇。

責任編輯：陳彩連