王琴 范全林 張曉雯 （中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心）

2018年9月，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）發(fā)布《國(guó)家太空探索計(jì)劃報(bào)告》，其中包括了2019－2024年未來(lái)6年的深空發(fā)射任務(wù)表。報(bào)告列舉的11次任務(wù)清單中，與月球有關(guān)的任務(wù)多達(dá)8次，占72.7%，清晰揭示了美國(guó)主導(dǎo)的月球軌道空間站（LOP-G）建設(shè)進(jìn)入實(shí)質(zhì)研發(fā)階段。月球軌道空間站是任務(wù)的“重中之重”，大推力重型運(yùn)載火箭太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）是實(shí)現(xiàn)重返月球、登陸火星夢(mèng)想的重點(diǎn)任務(wù)之一。

NASA未來(lái)6年深空探測(cè)任務(wù)剖面圖

1 國(guó)際載人深空探索選擇月球軌道作“起跳板”

自阿波羅載人登月計(jì)劃后，在長(zhǎng)達(dá)近半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間內(nèi)，人類再?zèng)]有走出近地軌道（LEO）。進(jìn)入21世紀(jì)，NASA動(dòng)議的載人深空探測(cè)任務(wù)雖然幾經(jīng)沉浮，但美國(guó)重返月球、登陸火星，直至未來(lái)進(jìn)入太陽(yáng)系深處的夢(mèng)想?yún)s從未放棄。21世紀(jì)初，美國(guó)前總統(tǒng)小布什提出重返月球的“星座計(jì)劃”，以載人登月為重點(diǎn)，目標(biāo)最終是實(shí)現(xiàn)登陸火星。美國(guó)前總統(tǒng)奧巴馬上任后雖然取消了“星座計(jì)劃”，但提出了“小行星重定向任務(wù)”（ARM），意在利用航天器從小行星表面采礦并拖曳至月球軌道，供航天員登陸探測(cè)。特朗普總統(tǒng)上任后又取消了ARM，提出了月球軌道空間站計(jì)劃（LOP-G）。

LOP-G由前些年熱議的深空門(mén)戶（DSG）發(fā)展而來(lái)。為了探討“國(guó)際空間站”（ISS）時(shí)代載人航天的發(fā)展方向，也是為了探討地球軌道以遠(yuǎn)的載人任務(wù)和長(zhǎng)期深空探索，ISS合作機(jī)構(gòu)十余年來(lái)反復(fù)醞釀和推動(dòng)在地月空間建立一個(gè)可載人居住的空間站。

LOP-G由前些年熱議的深空門(mén)戶（DSG）發(fā)展而來(lái)。為了探討國(guó)際空間站（ISS）載人航天的發(fā)展方向和地球軌道以遠(yuǎn)的載人任務(wù)和長(zhǎng)期深空探索，ISS合作機(jī)構(gòu)十余年來(lái)反復(fù)醞釀和推動(dòng)在地月空間建立一個(gè)可載人居住的空間站。期間NASA和其他ISS成員圍繞相關(guān)地月空間站建議進(jìn)行了多輪博弈，最終確定了“適合包括火星在內(nèi)的深空探測(cè)”，認(rèn)為這個(gè)地月空間站應(yīng)既滿足航天員可以周期性訪問(wèn)、作為人類開(kāi)展太陽(yáng)系探測(cè)的跳板，同時(shí)兼顧遠(yuǎn)距離探測(cè)月球、并為月表科研活動(dòng)提供延伸支持。

在2017年前后，地月空間站以月球軌道空間站（LOP-G）的形式從航天界進(jìn)入公眾視野。簡(jiǎn)言之，LOP-G是基于“國(guó)際空間站”（ISS）框架，由NASA主導(dǎo)，歐洲航天局（ESA）、俄羅斯航天國(guó)家集團(tuán)（ROSCOSMOS）、日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）和加拿大國(guó)家航天局（CSA）等參與研發(fā)的近月空間站。NASA希望按照國(guó)際合作及商業(yè)模式建造和運(yùn)行LOP-G，既可減輕美國(guó)的投資壓力，又能利用歐、俄、日、加等航天強(qiáng)國(guó)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。LOP-G容積約125m3，規(guī)模遠(yuǎn)小于ISS。根據(jù)NASA專家披露的新信息，LOP-G將擁有50kW電力和推進(jìn)系統(tǒng)（PPE），可對(duì)接的航天員工作艙、兩個(gè)居住艙、氣閘過(guò)渡艙、后勤補(bǔ)給艙、在軌加注和通信艙（ESPRIT）以及資源利用艙，支持航天員出艙（EVA），未來(lái)可供4名航天員持續(xù)開(kāi)展工作21天。雖然LOP-G項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)模式尚未最終確定，但基于各參與國(guó)家優(yōu)勢(shì)的任務(wù)分工已基本明確，相關(guān)的運(yùn)輸系統(tǒng)或著陸技術(shù)仍在討論之中。

月球軌道空間站LOP-G建設(shè)任務(wù)分工及意向表

NASA載人深空探索發(fā)展戰(zhàn)略示意圖

不同于長(zhǎng)期有人照料的空間實(shí)驗(yàn)室，LOP-G作為一個(gè)訪問(wèn)型空間站，它將支持航天員在月球軌道和月面上短期駐留，并且經(jīng)月球中轉(zhuǎn)往返火星及深空，開(kāi)展科學(xué)探索，同時(shí)兼顧太空安全和商業(yè)航天等目標(biāo)。這與NASA長(zhǎng)期呼吁和謀劃的載人深空探索發(fā)展戰(zhàn)略是一致的。為了再次跨出近地軌道，NASA力爭(zhēng)在自己主導(dǎo)下，通過(guò)多國(guó)若干年的協(xié)同努力，在月球附近建立靈活、可復(fù)用、可持續(xù)的空間站基礎(chǔ)設(shè)施，為載人環(huán)火和登陸，乃至更深遠(yuǎn)的太陽(yáng)系探測(cè)提供“起跳板”，是載人深空探索萬(wàn)里長(zhǎng)征的第一步。

LOP-G將在環(huán)繞地月連線L2點(diǎn)的近直線暈軌道上運(yùn)行

2 LOP-G牽引月球探測(cè)助力未來(lái)深空任務(wù)

與我國(guó)嫦娥四號(hào)中繼星“鵲橋”的Halo使命軌道（或稱“暈軌道”，“暈”字借自日暈、月暈）類似，LOP-G亦將運(yùn)行在地月連線延長(zhǎng)線的L2點(diǎn)，但采用近直線暈軌道（NRHO）。NRHO軌道屬于Halo軌道族，其軌道形狀不同于環(huán)地或環(huán)月衛(wèi)星的橢圓軌道，軌道面是圍繞L2點(diǎn)的三維非規(guī)則曲線，幾乎垂直于地月系平面，軌道周期6～8天，近月點(diǎn)距離約2000km，遠(yuǎn)月點(diǎn)距離約75000km，L1和L2分別代表NRHO軌道的可通過(guò)定期軌控保持軌道的穩(wěn)定性。

NASA載人深空探測(cè)規(guī)劃中并無(wú)明確的月球基地建設(shè)任務(wù)，而ESA又在呼吁多國(guó)參加其開(kāi)發(fā)月球資源的“月球村”計(jì)劃，俄羅斯、日本等亦對(duì)月表科研活動(dòng)興趣濃厚，此時(shí)LOP-G任務(wù)提出并實(shí)施兼顧了各方航天發(fā)展的六大主要訴求。

一是“中繼站”。和“鵲橋”類似，LOP-G直視月球背面，其通信艙可實(shí)現(xiàn)與月面工作的各類著陸器和巡視器的中繼通信覆蓋。

二是“門(mén)戶站”。LOP-G注定是人類往返火星探測(cè)的前哨，啟程前對(duì)火星飛船在軌組裝和測(cè)試。另一方面，在LOP-G上可在軌組裝、測(cè)試小衛(wèi)星/立方星群及小行星探測(cè)器，開(kāi)展地月空間科學(xué)探測(cè)、近地小行星探測(cè)等，而后者也承載了人類太空資源開(kāi)發(fā)和利用、預(yù)防和規(guī)避近地小天體與地球相撞的重要使命。

三是“樞紐站”。LOP-G所在的NRHO軌道維持容易，同時(shí)它又能升降軌道以完成不同性質(zhì)的任務(wù)，既可以作為地月轉(zhuǎn)移的過(guò)渡軌道，僅需約730m/s的速度增量即可進(jìn)入環(huán)月極地軌道，也能進(jìn)入月球的高軌道進(jìn)而支持探測(cè)器前往太陽(yáng)系其他目標(biāo)天體，大幅降低深空探測(cè)任務(wù)的推進(jìn)劑需求。

四是“中轉(zhuǎn)站”。將LOP-G作為月表探測(cè)任務(wù)的中轉(zhuǎn)站，支持航天員和遙操作機(jī)器人的月面著陸、巡視和返回等作業(yè)，使進(jìn)入月球或隨時(shí)往返的任務(wù)更加靈活，助力各類月表科學(xué)探測(cè)活動(dòng)的開(kāi)展。

航天員在LOP-G生活艙模擬艙中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

五是“接力站”。無(wú)論是航天員重返月球或是奔向火星或更遠(yuǎn)深空，LOP-G是人類離開(kāi)近地軌道后的接力站，既可為航天員提供太空生存所需，亦可為各類深空探測(cè)器加注燃料，提供能源，使得月球著陸器的重復(fù)使用成為可能。

六是“試驗(yàn)站”。LOP-G可以測(cè)試和研發(fā)未來(lái)深空探測(cè)新技術(shù)，并兼顧商業(yè)航天的優(yōu)勢(shì)資源發(fā)展所需裝備。

3 NASA預(yù)算獲批確保LOP-G任務(wù)落實(shí)

LOP-G任務(wù)實(shí)施具體化，LOP-G建設(shè)可操作性強(qiáng)。為了盡快建設(shè)LOP-G，NASA在未來(lái)6年時(shí)間內(nèi)連續(xù)實(shí)施8次發(fā)射任務(wù)，分別是：2019年通過(guò)商業(yè)航天發(fā)射小型月球著陸艙； 2020年實(shí)現(xiàn)太空發(fā)射系統(tǒng)與獵戶座飛船的首飛（EM-1）； 2022年載人繞月探測(cè)（EM-2）； 2022年還包括2次任務(wù)—發(fā)射LOP-G的首個(gè)能源和推進(jìn)（通信）組件（PPE），發(fā)射中型月球著陸艙；2024年后至少安排3次任務(wù)—載人繞月發(fā)射在軌加注和通信艙（ESPRIT）以及資源利用艙（EM-3），發(fā)射LOP-G補(bǔ)給和機(jī)械臂，發(fā)射大型載人月球著陸艙。

NASA近兩年的預(yù)算表明，美國(guó)已大幅提高與月球及深空探測(cè)相關(guān)的經(jīng)費(fèi)投入，夯實(shí)了建設(shè)LOP-G及相關(guān)運(yùn)載及地面支撐系統(tǒng)的經(jīng)費(fèi)保障。2019財(cái)年NASA總財(cái)政預(yù)算為198.922億美元，為近年最高。NASA研制和發(fā)射LOP-G所需相關(guān)經(jīng)費(fèi)2019財(cái)年已達(dá)45.085億美元，包括深空探測(cè)計(jì)劃中研制和發(fā)射LOP-G經(jīng)費(fèi)42.905億美元（其中探測(cè)系統(tǒng)36.698億美元，月球軌道空間站5.042億美元，先進(jìn)地月和月表探測(cè)能力1.165億美元）和科學(xué)計(jì)劃中月球探測(cè)預(yù)算2.18億美元。

雖然深空探測(cè)的運(yùn)載和地面支撐系統(tǒng)，包括“獵戶座”（Orion）飛船、太空發(fā)射系統(tǒng)SLS和地面系統(tǒng)，預(yù)算比2017年降低了2.592億美元；但先進(jìn)探測(cè)系統(tǒng)卻比2017年增加了7.912億美元，體現(xiàn)在新增LOP-G 5.042億美元，新增先進(jìn)地月和月表探測(cè)能力（ACSC）1.165億美元等方面?？茖W(xué)計(jì)劃中深空探測(cè)/行星科學(xué)財(cái)政預(yù)算從2017年18.275億美元上升到22.347億美元，用于支持重返月球、探測(cè)火星和木衛(wèi)二等，其中月球探測(cè)預(yù)算從0.19億美元大幅增長(zhǎng)到2.18億美元，高達(dá)11倍之多。

SLS的移動(dòng)發(fā)射塔運(yùn)抵肯尼迪航天中心39B發(fā)射場(chǎng)組裝大樓

4 LOP-G工程研制取得重要進(jìn)展

雖然LOP-G是最近兩年才日益引起關(guān)注，但其所需的各類技術(shù)卻不是從一張白紙起步的。近5年以來(lái)，得益于兩輪“空間探索伙伴關(guān)系的下一代空間技術(shù)”（NextSTEP）計(jì)劃的支持，阿斯特拉火箭公司、波音公司、洛馬公司等商業(yè)航天公司圍繞先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)、深空居住艙等的原型預(yù)研已取得重要進(jìn)展，NASA正穩(wěn)步推進(jìn)大推力重型運(yùn)載火箭SLS和獵戶座飛船研制。SLS首飛火箭正在加緊生產(chǎn)，獵戶座飛船研制接近尾聲。2018年8月SLS的移動(dòng)發(fā)射塔（ML）已運(yùn)抵肯尼迪航天中心39B發(fā)射場(chǎng)組裝大樓。9月，獵戶座降落傘系統(tǒng)完成最終考核，這是將人類送往月球及更遠(yuǎn)深空的重要里程碑事件。10月，獵戶座隔熱罩和通信模塊分別在肯尼迪航天中心完成安裝和測(cè)試。SLS核心階段的五個(gè)主要結(jié)構(gòu)部件已完成總裝。2018年年底，SLS的10個(gè)運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)固體助推器已全部就位。

當(dāng)然，LOP-G的工程研制仍存在很多挑戰(zhàn)。NASA計(jì)劃2019年在斯坦尼斯航天中心測(cè)試SLS火箭的芯級(jí)，測(cè)試將包括安裝飛行芯級(jí)，并使4個(gè)RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)點(diǎn)火。同年也將對(duì)歐洲研發(fā)的服務(wù)艙及移動(dòng)發(fā)射塔進(jìn)行測(cè)試。工程師們必須確保SLS、獵戶座和地面系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，未來(lái)可以支持人類向月球和更遠(yuǎn)的地方探索。新一代RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)將在利用3D打印和智能制造技術(shù)降低成本的同時(shí)，繼續(xù)保持其可靠性。計(jì)劃于2020年實(shí)施的EM-1任務(wù)在肯尼迪航天中心發(fā)射，將實(shí)現(xiàn)SLS與獵戶座飛船的首飛，同時(shí)這也是與地面發(fā)射系統(tǒng)的第一次綜合試驗(yàn)，為未來(lái)的載人深空探測(cè)鋪平道路，引領(lǐng)人類探索月球及更遠(yuǎn)地方。后續(xù)還將對(duì)EM-2任務(wù)載人飛行的乘員艙、發(fā)射中止系統(tǒng)（LAS）進(jìn)行一系列的測(cè)試，而LOP-G的“真正”組裝也將自EM-2開(kāi)始。

月球軌道空間站LOP-G建設(shè)任務(wù)簡(jiǎn)表

5 結(jié)語(yǔ)

雖然存在很多不確定性，NASA還是規(guī)劃了2024－2026年執(zhí)行載人的EM-4到EM-7任務(wù)：完成國(guó)際生活艙（EM-4）、美國(guó)生活艙（EM-5）、后勤補(bǔ)給艙（EM-6）、過(guò)渡艙（EM-7）。2027－2033年實(shí)現(xiàn)LOP-G的深空運(yùn)輸中轉(zhuǎn)（DST）功能，將全面建成LOP-G：2027年驗(yàn)證LOP-G的DST功能（EM-8）和載人DST功能（EM-9）；2028年驗(yàn)證LOP-G的后勤補(bǔ)給和燃料加注等貨運(yùn)DST功能（EM-10）；2029年開(kāi)展地月空間為期一年的載人DST驗(yàn)證（EM-11）；2030年LOP-G開(kāi)展后勤補(bǔ)給和燃料加注等的DST（EM-12）；2033年利用DST實(shí)現(xiàn)載人環(huán)火星探測(cè)（EM-13）。

美國(guó)是世界頭號(hào)航天強(qiáng)國(guó)，由NASA主導(dǎo)的LOP-G有望成為人類重返月球和走向深空的重要跳板。但鑒于美國(guó)對(duì)華航天政策的限制，我國(guó)參與LOP-G的可能性很低。2019年，我國(guó)將實(shí)施嫦娥五號(hào)任務(wù)，火星探測(cè)任務(wù)已立項(xiàng)實(shí)施。地月空間探索和走向深空是航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)的重要標(biāo)志之一，在我們論證探月四期和深空探測(cè)規(guī)劃時(shí)，美國(guó)加快LOP-G 建設(shè)的動(dòng)向值得重視。