□ 遲惑

從空間驛站去火星？

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SLS火箭將承擔(dān)起深空關(guān)口站建設(shè)的重任

NASA的深空關(guān)口站設(shè)想

2017年4月，在第33屆太空論壇上，美國(guó)航宇局（NASA）的一個(gè)新想法得到了包括中國(guó)在內(nèi)的世界15個(gè)航天局代表的支持：為了探索火星，人類需要在月球上“練手”。這或許意味著載人火星探索開始回歸比較現(xiàn)實(shí)的想法了。

不過(guò)和其他國(guó)家相比，NASA的計(jì)劃還是有所不同。NASA并不打算再次送人登上月球，而是打算在地月空間做一番文章，搞一個(gè)用于任務(wù)中轉(zhuǎn)的前哨站。這種前哨站，不但能成為NASA自己載人火星計(jì)劃的跳板，也能為其他國(guó)家的載人登月活動(dòng)提供一個(gè)落腳點(diǎn)。這個(gè)跳板被稱作“深空關(guān)口站”。

波音的深空居住艙模型內(nèi)部設(shè)計(jì)

波音還提出概念，從深空關(guān)口站上直接登月

主要元素

嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，搞這樣一個(gè)深空中轉(zhuǎn)站并不是什么新的想法。拋開各種科幻小說(shuō)不談，NASA近年來(lái)一直在討論某個(gè)“經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的地點(diǎn)”部署一個(gè)前哨站，用于驗(yàn)證深空探測(cè)技術(shù)。

在奧巴馬政府時(shí)期，博爾登執(zhí)掌的NASA決定放棄重返月球，直接奔向小行星或者火星。這當(dāng)然帶來(lái)了巨大的工程難度，于是不少人提出，應(yīng)當(dāng)在地月空間的第一（L1點(diǎn)）或第二拉格朗日點(diǎn)（L2點(diǎn)）設(shè)置補(bǔ)給站，為奔向深空的載人探索飛船提供高能推進(jìn)劑。

在拉格朗日點(diǎn)設(shè)置燃料補(bǔ)給站，確實(shí)有著天然的好處。在宇宙低溫環(huán)境保存液氫或者液氧，比在地球的溫暖環(huán)境中容易得多。陽(yáng)光直射的表面溫度或許很高，設(shè)置一面遮光罩就可以緩解問(wèn)題。太陽(yáng)能電池可以為制冷機(jī)提供免費(fèi)的電力，保證燃料安全。人們可以先把燃料發(fā)射到近地軌道，裝進(jìn)儲(chǔ)罐。然后用電推力器慢慢地把儲(chǔ)罐送到拉格朗日點(diǎn)，卸貨后再返回近地軌道。這樣，儲(chǔ)罐就可以重復(fù)使用，降低運(yùn)行成本。

從L1點(diǎn)飛往深空，所需要的速度增量也更小。根據(jù)計(jì)算如果從L1點(diǎn)出發(fā)，需要每秒2600米的速度增量就能抵達(dá)月球表面。但如果從地面出發(fā)，需要達(dá)到每秒10.848千米。如果從L1點(diǎn)飛往火星，需要每秒2千米的速度增量，從地球出發(fā)則需要達(dá)到每秒11.2千米的第二宇宙速度。

深空關(guān)口站也可以接納國(guó)際合作對(duì)象的飛船和艙段

深空關(guān)口站和深空運(yùn)輸飛船的概念

但NASA在闡述自己的深空關(guān)口站設(shè)想時(shí)，并沒(méi)有討論上述問(wèn)題。以NASA正在研制的SLS火箭，完全有能力直接奔向火星。之所以要在月球附近搞一個(gè)跳板，很大程度上是為了探索和完善載人深空探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)。這個(gè)區(qū)域已經(jīng)遠(yuǎn)離地球大氣層，屬于真正意義上的深空。但從這里返回地球的時(shí)間卻并不長(zhǎng)，只要幾天就可以抵達(dá)，如果有什么麻煩，可以立刻返回。而從火星返回地球，就要花上好幾個(gè)月了。

按照NASA的說(shuō)法，深空關(guān)口站需要解決的一項(xiàng)大問(wèn)題，就是老生常談的空間輻射。人們?cè)诮剀壍郎峡梢缘玫较”〈髿獾谋Ｗo(hù)，但國(guó)際空間站還是設(shè)置了厚度相當(dāng)可觀的防輻射層，否則人類的肉體是無(wú)法生存下來(lái)的。到了近月空間，大氣層再也無(wú)法提供保護(hù)，因此，國(guó)際空間站級(jí)別的輻射防護(hù)就不夠用了。如果不解決這個(gè)問(wèn)題，航天員還沒(méi)抵達(dá)火星，就會(huì)身患癌癥甚至死去。

然而，按照國(guó)際空間站的技術(shù)水平來(lái)加厚防護(hù)層，可能飛船太重，現(xiàn)有的火箭根本推不動(dòng)。那么，就要研制更輕、更高效的防護(hù)材料。NASA將之稱為“宇宙拉德輻射防護(hù)盾”（拉德是輻射劑量單位），將在獵戶座飛船的首次環(huán)月之旅上進(jìn)行試驗(yàn)。

部署計(jì)劃

現(xiàn)在我們來(lái)討論一下NASA打算怎樣建設(shè)這個(gè)稱為“深空關(guān)口站”的設(shè)施。

第一階段，是采用現(xiàn)有的技術(shù)來(lái)探索月球附近的環(huán)境，在這個(gè)遠(yuǎn)離地球的地方積累操作經(jīng)驗(yàn)，并且能使人們認(rèn)識(shí)到，自己應(yīng)當(dāng)發(fā)展什么樣的新技術(shù)來(lái)解決長(zhǎng)期深空任務(wù)所可能面臨的問(wèn)題，包括上文中提到的輻射防護(hù)問(wèn)題。當(dāng)SLS火箭和獵戶座飛船的整體安全性得到驗(yàn)證后，NASA就要用它們來(lái)建設(shè)初期的深空關(guān)口站了。深空關(guān)口站初期由1個(gè)發(fā)電艙、1個(gè)小型居住艙、1個(gè)對(duì)接艙、1個(gè)氣閘艙組成，并且可以對(duì)接后勤補(bǔ)給艙。

探索上面級(jí)的構(gòu)成

和貨運(yùn)飛船一起飛向深空的獵戶座飛船

第二階段任務(wù)是設(shè)法提高能力，來(lái)實(shí)施超越月球的長(zhǎng)期空間飛行任務(wù)。這個(gè)階段的目的地就不僅僅是火星了，也包括月球本身乃至小行星。為了支持這樣的能力，NASA考慮研制一種深空運(yùn)輸飛船。這種飛船是可重復(fù)使用的，同時(shí)采用電推進(jìn)和化學(xué)燃料推進(jìn)，專門用來(lái)支持外星球登陸探測(cè)任務(wù)。這個(gè)階段的高潮將在2029年前后來(lái)臨，到時(shí)候，將安排一次為期一年的載人飛行任務(wù)，在月球附近的空間飛行，檢驗(yàn)超越地月空間、飛往火星或者其他天體的技術(shù)是不是到了成熟的階段，為長(zhǎng)期、遠(yuǎn)距離載人任務(wù)建立信心。這種任務(wù)完全要靠任務(wù)組自己來(lái)應(yīng)對(duì)各種局面，無(wú)法得到地球的幫助和支持，因此要慎之又慎。在這個(gè)階段的關(guān)口站建設(shè)中，以往用于近地軌道載人航天活動(dòng)的很多技術(shù)未必能夠沿用，必須開發(fā)一些創(chuàng)新、前衛(wèi)的解決方案。

當(dāng)火星任務(wù)完成之后，關(guān)口站和深空運(yùn)輸系統(tǒng)還可以持續(xù)運(yùn)行下去，成為人類在太陽(yáng)系中長(zhǎng)期存在的一個(gè)新?lián)c(diǎn)。

深空關(guān)口站主要采用大功率電推進(jìn)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)位置保持和軌道機(jī)動(dòng)。上述幾個(gè)艙段的技術(shù)將得益于SLS和獵戶座飛船的技術(shù)，以及在國(guó)際空間站建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中獲得的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。氣閘艙不但可以為關(guān)口站本身的建設(shè)與維修服務(wù)，還可以用于其他探索任務(wù)。

按照格斯特梅爾在一次討論會(huì)上的說(shuō)法，深空關(guān)口站的建設(shè)將從EM-2和EM-3任務(wù)開始，EM的含義是“探索任務(wù)”，指用SLS火箭發(fā)射獵戶座飛船。EM-1任務(wù)打算在2018年發(fā)射，此時(shí)的SLS火箭還是基本構(gòu)型。

從2021年8月的EM-2開始，SLS將使用一種能力強(qiáng)大的“探索上面級(jí)”（EUS）。EUS不但能把獵戶座飛船送入預(yù)定軌道，還能另外搭載重達(dá)數(shù)噸的載荷，具體位置在EUS和獵戶座飛船之間。這就為建設(shè)深空關(guān)口站提供了關(guān)鍵性的技術(shù)條件。因此EM-2任務(wù)除了飛船之外，還將攜帶大約10噸重的有效載荷。EM-3任務(wù)將搭載居住艙，而EM-4將搭載后勤補(bǔ)給艙和加拿大制造的機(jī)械臂。這3次飛行將初步構(gòu)建起深空關(guān)口站的主體。

EM-5任務(wù)將送去氣閘艙和其他設(shè)施，為航天員入駐提供條件。從2027年的EM-6任務(wù)開始，深空關(guān)口站就要正式為火星探測(cè)服務(wù)了。當(dāng)年要發(fā)射重達(dá)41噸的深空運(yùn)輸飛船，它內(nèi)含居住和運(yùn)輸系統(tǒng)，是長(zhǎng)周期載人深空探測(cè)的必備條件。按照格斯特梅爾的說(shuō)法，將有4名航天員在里面度過(guò)42天的時(shí)間。如果能夠滿足這樣的生命支持要求，下一步才會(huì)討論，要在這里研究和驗(yàn)證什么技術(shù)來(lái)支持NASA的探索計(jì)劃。

到2029年，SLS將發(fā)射深空貨運(yùn)飛船為深空關(guān)口站送去更多燃料和補(bǔ)給品，據(jù)說(shuō)數(shù)量可以供4個(gè)人使用1000天。運(yùn)輸任務(wù)完成后，這艘飛船將臨時(shí)脫離關(guān)口站，進(jìn)行為期一年的近月空間巡航。

如果上述工作順利，在2033年將再次實(shí)施兩次SLS發(fā)射，與這艘深空貨運(yùn)飛船對(duì)接，為之補(bǔ)充燃料。然后實(shí)施前往火星臨近空間的飛行，并返回地月空間。

深空關(guān)口站的建設(shè)計(jì)劃也可能存在一些變數(shù)。按照計(jì)劃，EM-1任務(wù)是不載人的。不過(guò)NASA現(xiàn)在有一些人士提出，可以把EM-1改成載人任務(wù)，這就會(huì)提高任務(wù)的復(fù)雜程度，從而導(dǎo)致它推遲到2019年才能實(shí)施，也會(huì)導(dǎo)致EM-2等任務(wù)順延。NASA目前還沒(méi)有公開說(shuō)明，是不是要做出這樣的改動(dòng)。

在早期論證深空關(guān)口站時(shí)，曾經(jīng)有人提出，索性把關(guān)口站本身改造成火星飛船算了。但NASA經(jīng)過(guò)論證發(fā)現(xiàn)，自己需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)研究解決一些關(guān)鍵技術(shù)，包括長(zhǎng)周期空間飛行的生命支持系統(tǒng)。這些技術(shù)不可能在2020年代前半期就搞定，趕不上深空關(guān)口站組裝完成的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

波音在競(jìng)標(biāo)中領(lǐng)先了嗎？

目前，美國(guó)兩個(gè)最大的宇航企業(yè)波音和洛馬都在積極競(jìng)爭(zhēng)深空關(guān)口站的合同。早在2016年，NASA就在“下一步空間探索技術(shù)伙伴關(guān)系”（NextSTEP）計(jì)劃下，向6家企業(yè)授予合同，研究可能用于地月空間的居住艙設(shè)計(jì)。這六家企業(yè)中也包括波音公司。

但有意思的是，波音也在第33屆航天論壇上舉行了一個(gè)發(fā)布會(huì)，拿出了一個(gè)最新的近月設(shè)施概念圖。人們發(fā)現(xiàn)，這個(gè)概念圖和NASA展示的非常相似。波音的深空關(guān)口站部署過(guò)程也和NASA的一樣，先部署動(dòng)力和推進(jìn)平臺(tái)，然后是居住艙和氣閘艙。不過(guò)波音方案中有一個(gè)對(duì)接艙，NASA計(jì)劃中，這個(gè)位置是留給后勤服務(wù)艙的。

這是不是意味著波音中標(biāo)的希望最大呢？不過(guò)波音自己并不承認(rèn)與NASA有什么事先溝通，這家企業(yè)的宇航探索部門負(fù)責(zé)人說(shuō)，兩個(gè)概念之所以看起來(lái)很像，是因?yàn)樵贜extSTEP計(jì)劃中受到了NASA理念的影響，“我們和NASA反復(fù)探討了有關(guān)體系架構(gòu)?！弊约哼@個(gè)方案的目標(biāo)，是在月球附近部署足夠的設(shè)施，來(lái)服務(wù)于NASA提出的兩個(gè)目標(biāo)：登陸月球和前往火星。波音的深空關(guān)口站方案需要發(fā)射更多SLS火箭。不過(guò)波音表示，自己的方案不會(huì)超出預(yù)算，而且更加現(xiàn)實(shí)、更加簡(jiǎn)單，2024年就可以部署。

ULA展示探索上面級(jí)樣機(jī)

探索上面級(jí)的不同配置

在剛剛被取消的小行星重新定向計(jì)劃（ARM）中，波音也是4家競(jìng)標(biāo)商之一。而這家公司提出的深空關(guān)口站在很大程度上繼承了ARM計(jì)劃的一些技術(shù)，尤其是供電能力、推進(jìn)能力和相關(guān)的平臺(tái)設(shè)計(jì)。

國(guó)際合作與商業(yè)合作

和國(guó)際空間站一樣，深空關(guān)口站也歡迎商業(yè)企業(yè)來(lái)提供貨運(yùn)服務(wù)。如果此事成真，肯定會(huì)在美國(guó)商業(yè)航天界中帶來(lái)新一輪火箭研制熱潮。

NASA目前的預(yù)算當(dāng)中，并不包括月球著陸器，但也可以考慮為外國(guó)合作者提供支持。采用電推進(jìn)技術(shù)后，深空關(guān)口站可以在環(huán)繞月球的軌道上自由機(jī)動(dòng)。因?yàn)樵虑驔](méi)有大氣層，深空關(guān)口站可以接近到月球表面很近的地方，為著陸提供良好的條件。

格斯特梅爾表示，歡迎合作伙伴提出著陸器的設(shè)想。但他更關(guān)注能“大幅度改變”載人探索計(jì)劃的設(shè)想，例如如何利用月球上的資源，尤其是水冰的利用。

波音也表示，自己即使拿到了深空關(guān)口站的合同，也不打算獨(dú)吞，會(huì)根據(jù)不同分系統(tǒng)的具體情況來(lái)分包給其他公司。例如氣閘艙就可以交給其他國(guó)家的航天局來(lái)負(fù)責(zé)。格斯特梅爾表示，已經(jīng)有幾個(gè)航天局和NASA討論了研制氣閘艙的問(wèn)題。這些航天局也許會(huì)提供更多的艙段。但是考慮到當(dāng)前的深空關(guān)口站設(shè)計(jì)規(guī)模，或許無(wú)法容納太多、太大的額外艙段。那么，外國(guó)合作部門怎樣才能利用深空關(guān)口站來(lái)實(shí)施登月計(jì)劃呢？波音的設(shè)計(jì)方案當(dāng)中，確實(shí)包括一個(gè)登月飛船，不過(guò)并未公布由誰(shuí)來(lái)建造或者出資。

到2026年前后，深空關(guān)口站將全面投入使用。此時(shí)正值美國(guó)建國(guó)250周年，特朗普已經(jīng)明確表示，希望看到“美國(guó)在遙遠(yuǎn)的世界留下足跡”。所以，深空關(guān)口站算不算美國(guó)式的獻(xiàn)禮工程呢？★