美國載人太空探索的
艱難進程

Difficult Process of U.S. Human Space Exploration

王景泉 （北京空間科技信息研究所）

奧巴馬政府中止了重返月球的載人航天計劃以后，其提出的載人登火星構想給美國載人航天出了一個大難題。雖然咬住了低地球軌道以遠的大方向未曾放松，但遙遠的火星如何去，美國經歷了關于未來載人航天的爭論和艱難抉擇。現在，以載人登火星為背景的小行星探索計劃又遇到了新問題—2016年4月提出的“太空復興”法案對該計劃提出了質疑，特朗普政府的決策仍很艱難。

1 “靈活性途徑”顯示美國低地球軌道以遠載人航天的無奈過渡

隨著“阿波羅計劃”（The Apollo Program）的結束，美國一直在構想外層空間載人探索的下一步。1984年，美國政府批準空間站作為下一步計劃。1993年，美國與俄羅斯等其他國家合作建設“國際空間站”（ISS）。但美國人總覺得這樣做偏離了未來載人太空探索的路線，決定航天飛機和空間站分別于2011年和2016年退役。由于國際合作伙伴的堅持，“國際空間站”仍在持續(xù)運行。

布什政府將載人太空探索的新構想確定為重返月球的星座計劃，將“國際空間站”和航天飛機的投資轉入該星座，但沒有得到國會支持?！鞍⒉_計劃”以及由此衍生的重返月球計劃給美國航空航天局（NASA）造成很大負擔，而且從經濟和技術層面來看，實施這種計劃的黃金時代已經過去。

2010年4月15日，奧巴馬總統(tǒng)在肯尼迪航天中心做就任總統(tǒng)后的第一次航天政策講演，宣布取消布什政府重返月球的星座計劃，并提出載人登火星、為“國際空間站”商業(yè)乘員運輸的發(fā)展投資、進行新型空間技術開發(fā)，以及將“國際空間站”延長至2020年。隨之而來的問題是載人登火星將如何實現？

“靈活性途徑”策略出臺的背景

載人登火星遇到了技術與經費等諸多問題，為此奧巴馬政府指定奧古斯丁委員會（Augustine Commission）對載人航天進行專門研究。該委員會在“探尋與大國相稱的載人航天計劃”的報告中，提出了載人太空探索的“靈活性途徑”，即基于能力驅動的新戰(zhàn)略。該途徑提出以發(fā)展基礎技術為重點，通過地月空間、小行星等一系列探索的曲折方式，或選擇先到月球再到火星等線性方式，待能力具備時再選擇目標而不是過早地確定目標，更不是直接去載人登火星。

“靈活性途徑”旨在停止無休止的爭論，希望解決涉及到多方面的問題。首先，只有發(fā)展技術才能有效地促進未來的載人探索，這種技術發(fā)展不具體指定專門任務和具體目的地，而是重點發(fā)展基礎技術，技術配置則可能用于各種各樣的專門任務目標，但技術發(fā)展的核心和原則不能離開利用已有基礎的“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）和“獵戶座”（Orion）飛船。新構思的實質是，星座計劃雖然取消，但必須要做到研制的硬件能力不至廢棄，重構后兩個系統(tǒng)可用到新的計劃中。第二，“靈活性途徑”牽引出一系列的具體步驟，發(fā)展入、出太空的技術，為最終決定到達火星或其他行星的理想目標留出決策時間。飛往低地球軌道（LEO）以遠的長遠目標，如果選擇月球，就出現了“飛過目標再重復”等違背美國意志的問題。決策還指出，月球應該由別的國家和美國私營部門來繼續(xù)，根據“國際空間站”再補給的經驗，深空載人探索應逐步推向商業(yè)模式。這是美國載人太空探索下一步決策的深層思維。

提出多目的地的過渡性迂回策略

載人航天作為長周期的發(fā)展領域，沒有確定的未來目的地和長遠的目標終究是個大問題。2012年6月，“NASA太空技術路線圖和優(yōu)先級”報告發(fā)布，提出“重振NASA的技術優(yōu)勢，為新時代的太空探索鋪平道路”的口號，明確了多目的地的載人探索戰(zhàn)略。今后幾十年，NASA努力將航天員送到低地球軌道以遠的多個可能的目的地，最終目的地是火星。這些可能的目的地包括地月空間、近地小行星(NEAs)、月球、火星及其衛(wèi)星。

1）地月空間。主要是為地球重力影響以外更復雜的任務做準備，學習和訓練人類在太空如何生活和工作，為未來的太空活動和深空任務培育能力。

2）近地小行星。探索地外小行星將揭示“三個如何”問題，即太陽系如何形成、地球生命如何開始形成，以及如何預測和緩解小行星撞擊的威脅，還包括為如何利用小行星資源，為未來的太空探索開辟道路。

3）月球。在人類和機器人任務到達月球以前，應產生大量關于地球衛(wèi)星的科學信息，揭示月球大量潛在信息。擴大載人任務，將會帶來月球、地球、太陽系乃至整個宇宙的新發(fā)現。

4）火星及其衛(wèi)星。人類登陸火星表面，將獲得難以置信的科學發(fā)現。同時，探索火星也是內太陽系以遠人類長期太空探索的第一步。

2 用技術開發(fā)和能力驅動掩蓋目的地論證的徘徊

多目的地不可能同時進發(fā)，需要深入研究待選擇目的地的先后順序和相應的開發(fā)任務。技術開發(fā)路線的確定，要建立在多目標選擇背景下，培育安全、可靠、可提供、可持續(xù)并具有靈活性的太空計劃。NASA的載人太空探索戰(zhàn)略，主要特點是集中于發(fā)展適應多目的地的核心能力，而不是開發(fā)只能專用的、針對具體目的地的硬件。技術和能力的根本目的是解決低地球軌道以遠乘員和物品的運輸問題，是從低地球軌道到火星探索的關鍵，意味著NASA能應對日益復雜的任務。

低地球軌道以遠乘員和貨物的運送

研制“獵戶座多用途乘員飛行器”（Orion MPCV）和演進型重型發(fā)射飛行器“航天發(fā)射系統(tǒng)”。“獵戶座多用途乘員飛行器”由乘員艙、服務艙和發(fā)射救生系統(tǒng)組成。乘員艙在發(fā)射、登陸和回收期間為航天員提供安全的居住條件，也是完成任務以后返回地球的唯一的飛行器。演進型重型發(fā)射飛行器設計為可承載上述飛行器、貨物、設備和科學實驗的發(fā)射飛行器，到達低地球軌道以遠的目的地，初期運載能力70t，升級后運載能力達130t。

太空推進

NASA目前先進的太空推進技術包括太陽能電推進(SEP)、核反應堆加熱推進劑的核熱推進(NTP)和利用核反應堆產生電能再使推進劑電離的核電推進(NEP)。太陽能電推進是到達火星和近地小行星的高效率技術，利用大面積（達670m2）的太陽電池帆板將太陽能變成電能，形成比化學推進更高效率的電推進系統(tǒng)。核熱推進利用液氫、水等過熱液體推進劑，一般比太陽能電推進和核電推進有較高的推力，但同樣的里程需要更多推進劑。

現在太空使用的太陽能電推進，基本在4～5kW的水平，適用于飛行器的位置保持。NASA希望新的載人飛行器達到10～15kW，為此軌道-ATK公司正在研制10m直徑的圓形太陽電池陣，能產生35kW的電力，可作為今天小型電姿態(tài)控制系統(tǒng)和明天大型空間拖拉系統(tǒng)之間的過渡供電系統(tǒng)，首飛試驗預計在2016-2019年之間進行。

長期太空居住

未來的火星探索任務將對航天員帶來許多挑戰(zhàn)，包括長期的太空旅行、極端的溫度和塵埃等，為此要研制長期居住系統(tǒng)，必須具備許多工程、生物學、后勤以及可實施處置方案等能力，包括高可靠的環(huán)境控制和生命支持系統(tǒng)(ECLSS)、視頻存儲、準備和制作、輻射防護以及乘員身體和心理健康保障等方面。

移動探索艙

乘員到達目的地后，無論是在太空還是在目的地表面，他們必須安全地離開舒適的居住艙去探索和觀察目的地、處理實驗、采集樣品等。移動探索艙方案增加了可操縱漫游的加壓駕駛室，乘員可以全面、安全和舒適地探索，一次離開主居住艙時間可達數周。

先驅機器人

NASA使用過的面向月球的月球勘察軌道器（LRO）和面向小行星的“黎明”（Dawn）先驅機器人，主要用于目的地成像和繪圖，而未來先驅機器人要有能力采集更復雜的現場數據。

乘員與機器人接口

人與機器人接口能力包括手段、程序和實現人與機器人之間無縫交互作用的技術。具體的接口有手動輸入裝置、預編程的手勢和命令、生物電子接口等。

目的地系統(tǒng)

能力是NASA新途徑和未來載人太空探索的基礎。面對不同目的地，NASA確定了各種能力，包括目的地運送、在太空和在目的地操作、以及居住和具體目的地系統(tǒng)等。其他如地面操作、太空操作、艙外活動（EVA）系統(tǒng)等也需要大量技術開發(fā)。

為增強能力，NASA計劃與私營公司合作進行名為“探索合作伙伴的下一代太空技術”（Next STEP）的技術開發(fā)，12項研究合同中有7項是深空居住系統(tǒng)或太空推進等相關分系統(tǒng)。深空居住系統(tǒng)主要研制新的模塊化居住艙，使其具備深空載人拓展能力。正在研制的“航天發(fā)射系統(tǒng)”-“獵戶座乘員探索飛行器”（SLS/Orion）2021年將首次載人飛行到月球軌道的重定向小行星，具備搭載4名航天員執(zhí)行21天任務的能力。但環(huán)月軌道的重定向任務要求至少60天的載人飛行，未來載人登火星至少在深空要生存9個月，需要私營公司研制新型模塊化居住系統(tǒng)。目前NASA的太陽能電推進能力是5kW以下，但2020年小行星重定向任務的電推進需求至少為40kW，這就要求私營公司研制50～300kW的太陽能電推進系統(tǒng)。除專項技術外，還有載人航天的機器人飛行器融合，如在2021年飛行器飛向拖到月球軌道的小行星時，還要搭載2顆立方體衛(wèi)星，以降低風險，提高效費比。重定向任務在月球附近載人攀登小行星時需要物資補給，因此，NASA在2014年初就提出了“月球貨物運輸與軟著陸”（Lunar CATALYST）計劃，在深空載人探索中引入私營企業(yè)參與。

2015年5月，NASA再次發(fā)布新的技術路線圖，主要面向調整后的14項太空關鍵技術領域，旨在推動太空探索漸進式的核心能力構建，沿著飛向月球空間和火星軌道、最后載人登陸火星的發(fā)展思路，進行長時間跨度的技術開發(fā)。

3 低地球軌道以遠載人航天戰(zhàn)略目標的初步選擇

確定多目的地和能力驅動戰(zhàn)略的靈活性過渡策略，使美國載人航天既能遵從奧巴馬總統(tǒng)的要求，又能為具體目標選擇留出論證時間。美國較早地確定了小行星重新定向任務作為近期目標，默認了探索小行星為跳板、火星為最終目標的戰(zhàn)略選擇。

近地小行星何以成為實現最終目標的跳板

（1）探索小行星對人類認識和保護地球的重要性

探索小行星是研究地球演變首要的選擇。小行星是太陽系形成時遺留下的碎片，他們保留了數十億年未曾變化的原始狀態(tài)，與地球具有相互的遺產關系。包括水星、金星、地球和火星的太陽系內部行星，均形成于當今小行星的原始形態(tài)，探索近地小行星可以揭示太陽系早期歷史的線索，并帶給人類地球起源的更多信息。

探索小行星有助于發(fā)現地球生命的起源。近地小行星包含了水和有機成分，這些無疑是地球生命形成的基礎。探索小行星也是保護地球的需要，可以幫助人類發(fā)現小行星是否是造成地球生命危險的自然成因。研究近處的小行星，能為人類更好的預測小行星撞擊做好準備，采取可能的移走或對小行星施以影響，爭取能夠預防災難性事件的發(fā)生。目前已經確認有8000多個近地小行星，尺寸有幾米到幾十公里直徑。

探索小行星有助于開發(fā)近地小行星資源。大多數小行星主要由石頭構成，包含鎳鐵等金屬，有的也包含大量的水，這些材料可為利用近地小行星提供有益的機會。如果能夠在近地小行星采礦和處理這些材料，未來就可能在太空構建空間結構，也許能利用這些材料制造火箭燃料。將人類送上近地小行星，就可以了解探索小行星資源的機會。作為奔向火星的跳板，為到達小行星而開發(fā)的深空推進技術，也可用于將來人類探索火星。

（2）較大難度的技術開發(fā)可為未來火星探索夯實基礎

盡管某些近地小行星通過時靠近地球，或者在月球軌道以內，但更有意義的小行星目的地可能都在數千萬公里遠。為了到達近地小行星，航天員必須要往返飛行至少6個月，這是沒有水、食品和空氣供應的長時間飛行，這種無供應飛行甚至會超過以往經歷過的任何飛行。另外，即使最大的小行星也沒有足夠的重力能使航天員安全著陸或在上面行走，有些小行星運行軌道和結構組成極不穩(wěn)定，不時旋轉并飛出碎石片。這時的近地小行星任務將要求具有的能力允許航天員能接近小行星，靠近考察，實現采樣和測量。錨定一個飛行器或近地小行星的航天服，都應為科學調查近地小行星提供穩(wěn)定的平臺，但近地小行星規(guī)模、旋轉速率和小行星成分的多樣性，都會為設計和操作提出更多挑戰(zhàn)。

先驅機器人將幫助科學家確定某顆近地小行星是任務的最佳選擇。地面操作將保證任務發(fā)射，在有限的發(fā)射窗口內，要求發(fā)射的飛行器能到達通過的近地小行星。高效率的太空推進系統(tǒng)將用于深空運輸。由長期居住能力所支持的太空居住系統(tǒng)將保護乘員免受苛刻太空環(huán)境的傷害，并提供必需的生命支持。到達小行星時，乘員將依靠移動探索艙進行高效、安全探索采樣。艙外活動系統(tǒng)包括航天服、錨定工具及技術，將支持乘員親身探索小行星。利用人機接口能力，乘員借助機器人系統(tǒng)完成一系列的研究、作業(yè)和試驗，在艙外活動系統(tǒng)旁邊直接工作或由移動探索艙內的乘員控制。

美國載人探索火星的時間表浮出水面

2015年4月初，關于載人登火星的最新研究報告指出，在當前的經費支持力度下，美國有望在2030年實現載人火星任務，其中2033年實現載人的火星軌道飛行，2039年載人登火星。

（1）獲得火星和地球最新科學知識

美國將火星作為深空載人航天的最終目的地，首先是需要獲得火星和地球最新的科學知識?；鹦窃谠S多方面與地球相似，火星也有大氣圈、水圈、低溫層和巖石圈，它們的相互作用產生了火星環(huán)境。但至今人類還不知道火星是否曾經有過或仍保持著生物圈，是否存在支持生命存活的環(huán)境。航天員登火星將搜索和測量地下和地表水、了解全火星的地質構造以及大氣演化，科學家比較火星演化和地球的演化，確認火星是否適合人類生存。

（2）支持人類技術和經濟增長

為登火星開發(fā)的新技術，將支持地球上技術和經濟的增長。在極端環(huán)境下管理農業(yè)和包括改進太陽電池產生電力的方法，對人類行星有極大利益。在火星表面支持人類生存的生保系統(tǒng)和輻射防護技術，對幫助人類更長壽命和更高生活質量的生活也將有重要的推動作用。

（3）激發(fā)全球的火星開發(fā)熱情

太空探索是國際性或者說全人類的開發(fā)目標。20世紀60年代，登月曾形成過冷戰(zhàn)時期的國際競爭，自那時以后，國際合作計劃采取合作伙伴方式并已經達成共識，這一趨勢在“國際空間站”構建中已經體現出來，在全球探索路線圖中也勾畫出了多邊合作的探索計劃。半個多世紀以來，僅美國和歐洲就向火星發(fā)射了16次以上的探測任務，而且新的任務正在積極開發(fā)中。至今火星任務仍作為人類太空探索的最后目標。

（4）探索火星需要克服的挑戰(zhàn)相當復雜

探索火星是內行星以遠太空人類長期探索的第一步，可以推動人類進入恒星系。根據目前的推進技術，利用目前的推進技術，人類到達火星至少需要6個月。由于可用的飛行軌道和窗口原因，航天員要么30天內必須離開火星，要么必須在火星表面至少逗留500天。這種任務周期，明顯超出了人類已驗證的沒有來自地球的直接支持而維持在太空生存的能力?；鹦侨蝿者€需要解決航天員健康問題的挑戰(zhàn)，如輻射和火星塵?？赡茉斐傻慕】祩?。一旦開始了人類歷史上最長時間、最遠距離和最具風險的太空探索任務，乘員必須能做到自給自足和具有充分靈活性，以足夠適應不斷變化的和不能預測的環(huán)境。

（5）機器人火星探測已有的基礎

美國對火星探測已有了2個階段的基礎。第一階段（1960-1971年）為飛越階段，進行遠距離概貌觀測；第二階段（1971年至今），通過軌道器環(huán)繞探測、著陸和表面巡視探測等方式，對火星表面地貌、大氣、磁場、地質、地下結構等進行詳細探測。下一個階段將進行機器人飛行器采樣返回等新的探測，并逐步與載人登火星活動相結合。

（6）支持火星任務需要多種開發(fā)活動

首先，必須具有先進的太空推進技術，以便可將人員和物品安全有效的從地球運往火星，運回地球。不但要更快地使乘員到達目的地，而且長期太空飛行的諸多風險必須降至最低。

其次，需要合適的長期居住條件，以保證乘員任務期間的安全和健康。生活環(huán)境將防護乘員不會暴露在銀河宇宙線、太陽粒子事件和微重力環(huán)境中。這種能力也將支持長期飛行中乘員神智和情緒的穩(wěn)定，乘員必須克服在高風險、狹窄環(huán)境和與地球只有有限通信等環(huán)境長時間生存的諸多限制。長期的生活環(huán)境需要太空操作的自主化，這樣可以幫助緩解與地球的20分鐘的單路通信延遲。

再次，需要開發(fā)目的地系統(tǒng)的能力，其中很重要的是著陸器，使乘員訪問火星表面和資源的現場利用系統(tǒng)（ISRU）。該系統(tǒng)將提取和處理火星資源，以產生航天員呼吸需要的空氣和火星表面移動器、太空飛行器需要的燃料，乘員可在移動探索艙中探索火星表面，每次數周不用回到主居住艙。乘員還需要艙外活動系統(tǒng)和人機接口，使其有效并安全地在火星表面探索和工作。

美國正在規(guī)劃配置有通信軌道器的火星2020采樣漫游車計劃，2022年發(fā)射，作為未來火星采樣返回以致載人火星任務的技術應用試驗床。NASA的機器人火星探索和載人火星任務計劃正從模糊逐漸走向明朗。

4 5年艱難論證的初步選擇結果

奧巴馬政府提出的載人登陸火星計劃已跨過艱難的多目標階段，確定地球軌道以遠的小行星重新定向作為最后登陸火星關鍵一步，也越過技術驅動的艱難階段，進入到有目標的太陽能電推進和長期生命支持系統(tǒng)等有目的地的技術開發(fā)日程。奧巴馬宣布計劃5年以后，雖然還沒有詳細計劃，但時間表已有輪廓。

2015年5月初，美國行星學會召開了一次名為“火星軌道載人飛行”的閉門研討會，來自NASA、航天工業(yè)界及科學界的70名代表就登陸火星的可行性和成本進行了分析，并就人類登陸火星前必須首先完成軌道飛行等問題達成共識。據美國行星學會發(fā)表的一份聲明，一項獨立的成本估算顯示，如果“國際空間站”按計劃在2024年退役，那么NASA目前的預算水平能負擔上述火星探索計劃。曾擔任美國火星計劃主管的斯坦福大學教授斯科特 哈伯德在聲明中說：“我們相信，我們現在有了一個長遠、成本可控、可行的人類探索火星計劃的構想?！边@一時間表并非參與研討會的專家制訂，而是由NASA噴氣推進實驗室（JPL）的一份內部報告首先提出。據美國媒體報道，繞火星軌道飛行任務可能持續(xù)30個月，包括9個月去火星、一年在軌及9個月的返回時間。

5 載人登火星的可能途徑仍需長期反復論證

據美國媒體報道，NASA正在“悄悄”重新評估在執(zhí)行火星任務前“重返月球”的可行性。但NASA官員對此予以否認，表示只是考慮利用月球附近的太空作為探索火星的支撐，包括如何在月地空間中生活、工作和學習，但載人登陸月球不是美國火星計劃的一部分。

將長期載人的太空飛行目標定為登陸火星，支持的聲音日漸增強，但NASA就如何實現這一目標的具體途徑尚未達成一致。對于2020年中期小行星重新定向月球軌道任務極其具體發(fā)展，NASA尚未制定明確計劃。國會對NASA這種缺乏具體計劃的做法提出異議，眾議院科學委員會要求NASA提出和正式修訂載人登火星的路線圖。

NASA噴氣推進實驗室的太陽系探索部門負責人闡述了初步的工程設想，在2033年載人飛行到達火星的衛(wèi)星“福布斯”（Forbes），2039年載人登陸火星。這一方案需利用“航天發(fā)射系統(tǒng)”至少進行4次發(fā)射，而且需要跨越幾年的時間。

第一次“航天發(fā)射系統(tǒng)”將發(fā)射一艘拖船，使用太陽能電推進系統(tǒng)推進，運送轉移級飛行器并在火星軌道飛行多年；第二次發(fā)射系統(tǒng)將攜帶太陽能電推進系統(tǒng)拖船，運送將在“福布斯”表面登陸的居住艙；第三次將向地球軌道發(fā)射一個居住艙和火星軌道插入級飛行器；第四次在地球軌道居住艙發(fā)射不久后，由發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射攜帶載有4名乘員和上面級的“獵戶座”飛行器。此后“獵戶座”和地球軌道的居住艙對接，上面級攜帶該飛行器組合（含火星軌道插入級）飛向火星。一旦進入火星軌道，“獵戶座”便與地球軌道居住艙分離，并與轉移級飛行器對接后飛往“福布斯”，到達后與“福布斯”居住艙對接。乘員在“福布斯”逗留300天后，“獵戶座”與火星軌道的轉移級飛行器對接，返回地球。

短期逗留的火星登陸任務也采用相似的途徑，初步設想是2名乘員在火星表面逗留3周。該方案需要“航天發(fā)射系統(tǒng)”至少進行6次發(fā)射，以運送登陸器和轉移級飛行器。

載人登火星終究是太復雜的問題。有專家指出，每一個火星任務都涉及到全面開發(fā)和幾十年的制造過程，在2035年實施第一次載人火星任務總成本不會低于2300億美元。如果將9個人發(fā)射到火星，大概需要15000億美元。近年來NASA每年的預算在180億美元浮動，包括40億美元的載人航天預算，如果按這樣投資規(guī)模，運送9個人上火星，使用NASA全部預算需要80年，若利用全部載人航天預算，則需要375年。另外，即使載人登火星不涉及建造巨大的行星際飛船，也需要3個基本部分，包括地球返回飛行器(ERV)、火星上升飛行器(MAV)和有居住能力的飛行器，這至少需要100t，包括30t有效載荷，70t跨火星推進系統(tǒng)，其中每一部分運送到軌道需要2次“獵鷹重型”（Falcon Heavy）火箭和一次“航天發(fā)射系統(tǒng)”發(fā)射。

美國太空復興法案提出了NASA優(yōu)先級的基本政策轉移，認為載人登火星任務已成為需要專門解決的復雜問題，過去10年這一領域的發(fā)展不盡如人意，包括載人登小行星等任務出現了更大的不確定性。

特朗普政府仍然對載人航天基礎項目予以保護。2018年NASA航天預算提出“小行星開發(fā)”計劃并撥款37億美元，保持了原有的發(fā)展支持力度。雖然中止了原來的“小行星重定向任務”，但21世紀30年代載人抵達火星表面或附近的時間和整體構思尚在研究中。

毛凌野/本文編輯