從空間驛站去火星？

□ 遲惑

從空間驛站去火星？

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SLS火箭將承擔起深空關口站建設的重任

NASA的深空關口站設想

2017年4月，在第33屆太空論壇上，美國航宇局（NASA）的一個新想法得到了包括中國在內的世界15個航天局代表的支持：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實的想法了。

不過和其他國家相比，NASA的計劃還是有所不同。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，搞一個用于任務中轉的前哨站。這種前哨站，不但能成為NASA自己載人火星計劃的跳板，也能為其他國家的載人登月活動提供一個落腳點。這個跳板被稱作“深空關口站”。

波音的深空居住艙模型內部設計

波音還提出概念，從深空關口站上直接登月

主要元素

嚴格來說，搞這樣一個深空中轉站并不是什么新的想法。拋開各種科幻小說不談，NASA近年來一直在討論某個“經過驗證的地點”部署一個前哨站，用于驗證深空探測技術。

在奧巴馬政府時期，博爾登執掌的NASA決定放棄重返月球，直接奔向小行星或者火星。這當然帶來了巨大的工程難度，于是不少人提出，應當在地月空間的第一（L1點）或第二拉格朗日點（L2點）設置補給站，為奔向深空的載人探索飛船提供高能推進劑。

在拉格朗日點設置燃料補給站，確實有著天然的好處。在宇宙低溫環境保存液氫或者液氧，比在地球的溫暖環境中容易得多。陽光直射的表面溫度或許很高，設置一面遮光罩就可以緩解問題。太陽能電池可以為制冷機提供免費的電力，保證燃料安全。人們可以先把燃料發射到近地軌道，裝進儲罐。然后用電推力器慢慢地把儲罐送到拉格朗日點，卸貨后再返回近地軌道。這樣，儲罐就可以重復使用，降低運行成本。

從L1點飛往深空，所需要的速度增量也更小。根據計算如果從L1點出發，需要每秒2600米的速度增量就能抵達月球表面。但如果從地面出發，需要達到每秒10.848千米。如果從L1點飛往火星，需要每秒2千米的速度增量，從地球出發則需要達到每秒11.2千米的第二宇宙速度。

深空關口站也可以接納國際合作對象的飛船和艙段

深空關口站和深空運輸飛船的概念

但NASA在闡述自己的深空關口站設想時，并沒有討論上述問題。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跳板，很大程度上是為了探索和完善載人深空探測的關鍵技術。這個區域已經遠離地球大氣層，屬于真正意義上的深空。但從這里返回地球的時間卻并不長，只要幾天就可以抵達，如果有什么麻煩，可以立刻返回。而從火星返回地球，就要花上好幾個月了。

按照NASA的說法，深空關口站需要解決的一項大問題，就是老生常談的空間輻射。人們在近地軌道上可以得到稀薄大氣的保護，但國際空間站還是設置了厚度相當可觀的防輻射層，否則人類的肉體是無法生存下來的。到了近月空間，大氣層再也無法提供保護，因此，國際空間站級別的輻射防護就不夠用了。如果不解決這個問題，航天員還沒抵達火星，就會身患癌癥甚至死去。

然而，按照國際空間站的技術水平來加厚防護層，可能飛船太重，現有的火箭根本推不動。那么，就要研制更輕、更高效的防護材料。NASA將之稱為“宇宙拉德輻射防護盾”（拉德是輻射劑量單位），將在獵戶座飛船的首次環月之旅上進行試驗。

部署計劃

現在我們來討論一下NASA打算怎樣建設這個稱為“深空關口站”的設施。

第一階段，是采用現有的技術來探索月球附近的環境，在這個遠離地球的地方積累操作經驗，并且能使人們認識到，自己應當發展什么樣的新技術來解決長期深空任務所可能面臨的問題，包括上文中提到的輻射防護問題。當SLS火箭和獵戶座飛船的整體安全性得到驗證后，NASA就要用它們來建設初期的深空關口站了。深空關口站初期由1個發電艙、1個小型居住艙、1個對接艙、1個氣閘艙組成，并且可以對接后勤補給艙。

探索上面級的構成

和貨運飛船一起飛向深空的獵戶座飛船

第二階段任務是設法提高能力，來實施超越月球的長期空間飛行任務。這個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輸飛船。這種飛船是可重復使用的，同時采用電推進和化學燃料推進，專門用來支持外星球登陸探測任務。這個階段的高潮將在2029年前后來臨，到時候，將安排一次為期一年的載人飛行任務，在月球附近的空間飛行，檢驗超越地月空間、飛往火星或者其他天體的技術是不是到了成熟的階段，為長期、遠距離載人任務建立信心。這種任務完全要靠任務組自己來應對各種局面，無法得到地球的幫助和支持，因此要慎之又慎。在這個階段的關口站建設中，以往用于近地軌道載人航天活動的很多技術未必能夠沿用，必須開發一些創新、前衛的解決方案。

當火星任務完成之后，關口站和深空運輸系統還可以持續運行下去，成為人類在太陽系中長期存在的一個新據點。

深空關口站主要采用大功率電推進系統來實現位置保持和軌道機動。上述幾個艙段的技術將得益于SLS和獵戶座飛船的技術，以及在國際空間站建設和運營中獲得的技術和經驗。氣閘艙不但可以為關口站本身的建設與維修服務，還可以用于其他探索任務。

按照格斯特梅爾在一次討論會上的說法，深空關口站的建設將從EM-2和EM-3任務開始，EM的含義是“探索任務”，指用SLS火箭發射獵戶座飛船。EM-1任務打算在2018年發射，此時的SLS火箭還是基本構型。

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

EM-5任務將送去氣閘艙和其他設施，為航天員入駐提供條件。從2027年的EM-6任務開始，深空關口站就要正式為火星探測服務了。當年要發射重達41噸的深空運輸飛船，它內含居住和運輸系統，是長周期載人深空探測的必備條件。按照格斯特梅爾的說法，將有4名航天員在里面度過42天的時間。如果能夠滿足這樣的生命支持要求，下一步才會討論，要在這里研究和驗證什么技術來支持NASA的探索計劃。

到2029年，SLS將發射深空貨運飛船為深空關口站送去更多燃料和補給品，據說數量可以供4個人使用1000天。運輸任務完成后，這艘飛船將臨時脫離關口站，進行為期一年的近月空間巡航。

如果上述工作順利，在2033年將再次實施兩次SLS發射，與這艘深空貨運飛船對接，為之補充燃料。然后實施前往火星臨近空間的飛行，并返回地月空間。

深空關口站的建設計劃也可能存在一些變數。按照計劃，EM-1任務是不載人的。不過NASA現在有一些人士提出，可以把EM-1改成載人任務，這就會提高任務的復雜程度，從而導致它推遲到2019年才能實施，也會導致EM-2等任務順延。NASA目前還沒有公開說明，是不是要做出這樣的改動。

在早期論證深空關口站時，曾經有人提出，索性把關口站本身改造成火星飛船算了。但NASA經過論證發現，自己需要相當長的時間來研究解決一些關鍵技術，包括長周期空間飛行的生命支持系統。這些技術不可能在2020年代前半期就搞定，趕不上深空關口站組裝完成的時間節點。

波音在競標中領先了嗎？

目前，美國兩個最大的宇航企業波音和洛馬都在積極競爭深空關口站的合同。早在2016年，NASA就在“下一步空間探索技術伙伴關系”（NextSTEP）計劃下，向6家企業授予合同，研究可能用于地月空間的居住艙設計。這六家企業中也包括波音公司。

但有意思的是，波音也在第33屆航天論壇上舉行了一個發布會，拿出了一個最新的近月設施概念圖。人們發現，這個概念圖和NASA展示的非常相似。波音的深空關口站部署過程也和NASA的一樣，先部署動力和推進平臺，然后是居住艙和氣閘艙。不過波音方案中有一個對接艙，NASA計劃中，這個位置是留給后勤服務艙的。

這是不是意味著波音中標的希望最大呢？不過波音自己并不承認與NASA有什么事先溝通，這家企業的宇航探索部門負責人說，兩個概念之所以看起來很像，是因為在NextSTEP計劃中受到了NASA理念的影響，“我們和NASA反復探討了有關體系架構。”自己這個方案的目標，是在月球附近部署足夠的設施，來服務于NASA提出的兩個目標：登陸月球和前往火星。波音的深空關口站方案需要發射更多SLS火箭。不過波音表示，自己的方案不會超出預算，而且更加現實、更加簡單，2024年就可以部署。

ULA展示探索上面級樣機

探索上面級的不同配置

在剛剛被取消的小行星重新定向計劃（ARM）中，波音也是4家競標商之一。而這家公司提出的深空關口站在很大程度上繼承了ARM計劃的一些技術，尤其是供電能力、推進能力和相關的平臺設計。

國際合作與商業合作

和國際空間站一樣，深空關口站也歡迎商業企業來提供貨運服務。如果此事成真，肯定會在美國商業航天界中帶來新一輪火箭研制熱潮。

NASA目前的預算當中，并不包括月球著陸器，但也可以考慮為外國合作者提供支持。采用電推進技術后，深空關口站可以在環繞月球的軌道上自由機動。因為月球沒有大氣層，深空關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想。但他更關注能“大幅度改變”載人探索計劃的設想，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口站的合同，也不打算獨吞，會根據不同分系統的具體情況來分包給其他公司。例如氣閘艙就可以交給其他國家的航天局來負責。格斯特梅爾表示，已經有幾個航天局和NASA討論了研制氣閘艙的問題。這些航天局也許會提供更多的艙段。但是考慮到當前的深空關口站設計規模，或許無法容納太多、太大的額外艙段。那么，外國合作部門怎樣才能利用深空關口站來實施登月計劃呢？波音的設計方案當中，確實包括一個登月飛船，不過并未公布由誰來建造或者出資。

到2026年前后，深空關口站將全面投入使用。此時正值美國建國250周年，特朗普已經明確表示，希望看到“美國在遙遠的世界留下足跡”。所以，深空關口站算不算美國式的獻禮工程呢？★