載人去火星先控小行星

劉聲遠

美國宇航局正致力于研發辨識、捕捉和轉移小行星到月球附近一個穩定軌道，并且派遣宇航員把小行星樣本送回地球任務。通過這一被稱為“小行星轉移”的任務、通過測試未來載人火星任務所需的技術，將大大推進該局載人前往火星的計劃。

40年來，宇航員在太空中一直需要依賴地球來獲取物資和機動支持。而利用美國“阿波羅號”登月艙和航天飛機等飛行器完成的許多任務持續的時間都很短，只能持續數天或數星期。在處于低地球軌道的國際空間站上，宇航員一般能待6個月。如果出現緊急情況，空間站上的宇航員幾小時內就能返回地球。因此，這些任務被稱為地球依賴任務。

奠基載人火星之旅

在空間站上進行的測試，正在幫助我們尋找擺脫地球依賴的途徑，這樣一來，宇航員在太陽系中更遠的地方進行探索時就能更加自主。美國宇航局的小行星轉移任務和載人探索小行星任務將進一步提升宇航員在深空（尤其是在地球與火星之間）的自主能力，或者，至少能提升宇航員在月球附近從事探索的自主能力。

月球附近的深空環境不同于低地球軌道上的環境，而是非常類似于美國宇航局“獵戶座號”飛船將會在往返地球與火星之旅中經歷的環境。例如，宇宙輻射會更強烈。另外，地球與月球之間的往返時間也比較長：就現有技術而言，載人機組需要11天，貨運飛船需要10～100天。載人火星之旅或載人火衛（火星衛星）之旅的任務期更長，在此過程中宇航員能依賴地球物資供給的可能性更低。對于測試這樣的任務來說，月球附近空間很合適。

載人往返火星系統（火星及火衛）一次，可能需要500天或更長時間，其中包括6～9個月的飛行時間，因此載人火星任務不能依賴地球。為解決這一問題，美國宇航局將通過小行星轉移任務，研發一系列新技術和新設備，把載人火星之旅從設想變為現實。

太陽能電力推進

采用先進的太陽能電力推進技術，是未來把更大的負載送往深空和送到火星系統的一種重要手段。與燃燒化學推進劑產生推力的化學推進不同，太陽能電力推進是利用太陽能電池板的電力將氙氣等惰性氣體分子離子化，然后通過電場將其加速后噴出，進而產生推力。由于太陽能電力推進方式對推進劑的利用非常高效，因而其所需的推進劑僅為常規化學推進方式的1/10～1/5。化學推進能產生很大的推力，但是要消耗大量的推進劑，所以只適合于將航天器從地球送上太空等需要提供短期動力的任務。太陽能電力推進產生的推力并不大，僅僅與頂起一張A4紙的力道差不多，但是這個推力可以長時間地持續產生，也就可以持續不斷地給航天器加速。由于太空中的阻力可以忽略不計，經過持續加速的航天器最終可以達到驚人的速度，所以太陽能電力推進技術非常適合于深空探測任務。

捕捉小行星并讓它轉向的機器人任務，將測試迄今為止用于太空任務的最大和最先進的太陽能電力推進系統，也將測試由美國宇航局“太空發射系統”火箭發射的“獵戶座號”飛船怎樣與太陽能電力推進的飛船對接和運作。在載人火星任務實施之前，這一新技術將有助于把居住艙、推進劑和大量貨物發送至火星系統。

軌跡和導航

載人火星之旅需要解決與地球距離很遠以及運輸貨物很多的問題。這一貨物量比目前送往空間站的貨物量大得多。而將較大質量的貨物發送到火星的技術將在一定程度上得益于小行星轉移任務。這是一種通過一系列精準機動，以一定的距離和大量延時來攔截小行星的技術。此外，到達月球軌道所需的精準度與到達火星軌道所需的精準度類似；執行月球附近的小行星轉移任務需要非常精準的能量平衡和高度控制，這與往火星運送貨物所需的工作精準度有很高的可比性。

用“獵戶座號”飛船載人前往月球附近的小行星，要求一系列復雜機動來與機器人飛船會合和對接。這項旅程的出發段和返回段，各需要一次重要的月球引力助力點火，它們將在月面上方大約100千米處進行。插入和離開遙遠的返回式軌道，也需要非常精準的機動，這與插入或離開火星、火衛軌道時的點火有相當可比性。

宇航服革新

美國宇航局今天用于國際空間站上的一些宇航服系統還是40年前設計的。這些宇航服統稱“艙外活動單元”，它們是真正的工程學杰作，但要讓宇航員在太空中維護它們并不容易，因此它們一般都會被送回地球維護。鑒于深空探測和登陸火星、火衛表面等任務的復雜性，原有的宇航服需要在主要的生命保障系統等方面進行升級。例如，面對火星表面的二氧化碳大氣層，現有宇航服主要生命保障系統的降溫技術就顯得過時了。

美國宇航局正在研發一種先進的主要生命保障系統，它將通過改進二氧化碳去除、濕度控制和氧調節技術，來保護火星宇航員。宇航服的降溫系統也正在重新設計，目的是讓液體在稍高的大氣壓（類似于火星表面環境）下在太空的儲存時間更長。宇航局科學家也在對宇航服的手套進行升級，提高熱容量和靈活性。重新設計主要生命保障系統是為了讓該系統持續更長時間，讓機組成員能在太空環境自行修復宇航服。在小行星轉移任務的機組階段，在宇航員嘗試太空行走以采集小行星樣本期間，先進的主要生命保障系統將得到測試。

樣本采集和保存技術

小行星是太陽系形成時期留存至今的“建筑材料”，它們與太陽系行星和衛星的“組成材料”是一樣的。“獵戶座號”飛船上的宇航員將采集被轉移的小行星樣本，把它們送回地球接受科學分析。此外，宇航員對小行星的探測將可能提供小行星內部的結構信息，有助于解決長久以來有關小行星的許多爭論。未來的宇航員可能會利用一些小行星資源提取水和可呼吸的空氣，制造火箭燃料，甚至進行3D打印。endprint

通過研發樣本安全采集和保存的新技術，美國宇航局也將為帶火星樣本返回地球做準備。這些技術將確保地球微生物不會污染火星樣本，同時也保護地球不受帶回地球的火星樣本中可能包含的火星微生物侵害。另外，避免塵埃進入宇航服、主要生命保障系統和“獵戶座號”飛船內的技術也很重要。

會合及對接技術

未來載人火星任務需要在深空與飛船會合、對接的新技術，它們將超越目前在國際空間站上采用的“國際對接系統”。載人火星任務可能需要首先發射多艘飛船到月球附近，其中包括居住艙和貨艙。宇航員可能需要與這些艙對接，之后才能開始前往火星的旅程。登陸火星的宇航員也需要與他們乘坐的“獵戶座”飛船重新對接，才能踏上返回地球的旅程。

通過小行星轉移任務，美國宇航局將研發新的傳感器系統，以執行這類新的對接和近距離靠近任務，同時還將研發機械和電子系統來連接兩艘飛船。這些新技術、新設備將是未來火星系統載人任務所必不可少的。

研發探索構建單元

總的來說，小行星轉移任務合并了美國宇航局現有技術、技術潛能及載人太空探索成就。該任務是對“獵戶座號”飛船和“太空發射系統”的早期全面檢測，也將為未來載人火星任務奠定更好的基礎。通過構建能重復使用和升級的系統，小行星轉移任務也將降低探索成本。最終，該任務將促使美國宇航局在載人火星之旅的道路上更快推進，同時將所需的新研發、在空間站的經歷積累、在月球附近進行新系統測試的成本、次數降至最低。總而言之，通過小行星轉移任務的開展，更快、更好、更節省成本地為未來載人火星之旅奠定基礎。

阿波羅計劃

阿波羅計劃是由美國宇航局執行的美國第三個載人航天飛行計劃。1969年，阿波羅計劃讓人類首次登陸月球。在6次阿波羅太空飛行中，共有12人登陸月球。阿波羅計劃建立了載人航天飛行的多座里程碑。在載人前往低地球軌道方面，阿波羅計劃至今仍然獨樹一幟。在阿波羅8號任務中，載人飛船首次環繞另一顆天體。阿波羅計劃一共將382千克月球巖石和土壤送回地球，大大促進了科學家對月球組成及地質歷史的了解。

低地球軌道

低地球軌道是指環繞地球、高度在2000千米以內的軌道，其軌道周期為84～127分鐘。除了阿波羅計劃外，所有載人航天項目都是在低地球軌道中或下面進行的。迄今為止所有載人空間站和絕大多數人造衛星，也都在低地球軌道中運行。低地球軌道載人航天高度保持者是美國宇航局“雙子座11號”空間站，其離地最高高度為1374千米。

小行星轉移任務

小行星轉移任務也稱小行星抓取和利用任務，是由美國宇航局在2013年建議的一次太空任務。按照該任務架構，“小行星抓取機器人任務”飛船將與一顆大型近地小行星會合，使用有抓手的機械臂從這顆小行星表面抓取一塊直徑4米的大圓石。飛船將記錄該小行星的特征，證明至少一種行星防御小行星撞擊的策略，然后把這塊大圓石送入一條穩定的月球軌道，在那里由機器人探測器以及未來的載人飛船（小行星轉移載人任務）做進一步檢測。如果投資獲準，該任務預計在2021年12月實施發射。它的其他目標包括測試未來人類深空探測所需的一系列新能力，包括先進的離子推進器。美國宇航局2018年預算計劃草案提出取消該任務。2017年6月，該任務的通知中說該任務“中止”。然而，科學家仍在為挽救該任務而努力。不過，就算該任務最終取消，也會有替代任務為深空探測（包括載人火星任務）鋪路。

太空發射系統

太空發射系統是由美國航天飛機衍生而來的重型、不可重復使用運載火箭，將應用于美國未來的載人火星之旅。作為航天飛機替代物，太空發射系統將成為最強大的火箭。該系統將不斷升級，其首期版本能運載70噸負載到低地球軌道，二期版本的運載能力將升至130噸以上。

月地距離

指地球中心與月球中心之間的平均距離，為38.4萬千米。因受月球軌道影響，月球與地球之間最大距離是40.55萬千米，最小距離是36.34萬千米。

“獵戶座號”飛船

“獵戶座號”多功能載人飛船是一種旨在把一個4人機組送到低地球軌道或之外的宇宙飛船。美國宇航局計劃采用該局的太空發射系統來發射獵戶座飛船，并計劃用獵戶座飛船把宇航員送往小行星或火星系統，必要時用“獵戶座號”飛船從國際空間站把宇航員或供給物資接回地球。

“獵戶座號”飛船的研發最初是由美國宇航局在2011年5月24日宣布的，該項目研發目前仍在進行中。“獵戶座號”飛船的設計是基于美國宇航局已取消的“星座”計劃中的“獵戶座載人探索飛船”。“獵戶座號”飛船有兩個主艙，其中指令艙由美國洛克希德·馬丁公司建造，服務艙由歐洲空中客車公司建造。“獵戶座號”飛船首次測試飛行于2014年12月5日成功進行。它的首次載人飛行預計最早會在2023年進行。endprint