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(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，美國航宇局（NASA）的一個新想法得到了包括中國在內(nèi)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(xiàn)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(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(guān)口站”。

波音的深空居住艙模型內(nèi)部設(shè)計

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)格來說，搞這樣一個深空中轉(zhuǎn)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(jīng)過驗證的地點”部署一個前哨站，用于驗證深空探測技術(shù)。

在奧巴馬政府時期，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）或第二拉格朗日點（L2點）設(shè)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(shè)置燃料補給站，確實有著天然的好處。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(fā)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(fù)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(jù)計算如果從L1點出發(fā)，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(fā)，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(fā)則需要達到每秒11.2千米的第二宇宙速度。

深空關(guān)口站也可以接納國際合作對象的飛船和艙段

深空關(guān)口站和深空運輸飛船的概念

但NASA在闡述自己的深空關(guān)口站設(shè)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(guān)鍵技術(shù)。這個區(qū)域已經(jīng)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(guān)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(shè)置了厚度相當(dāng)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(shù)水平來加厚防護層，可能飛船太重，現(xiàn)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(huán)月之旅上進行試驗。

部署計劃

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

第一階段，是采用現(xiàn)有的技術(shù)來探索月球附近的環(huán)境，在這個遠離地球的地方積累操作經(jīng)驗，并且能使人們認(rèn)識到，自己應(yīng)當(dāng)發(fā)展什么樣的新技術(shù)來解決長期深空任務(wù)所可能面臨的問題，包括上文中提到的輻射防護問題。當(dāng)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(shè)初期的深空關(guān)口站了。深空關(guān)口站初期由1個發(fā)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(gòu)成

和貨運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，來實施超越月球的長期空間飛行任務(wù)。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(fù)使用的，同時采用電推進和化學(xué)燃料推進，專門用來支持外星球登陸探測任務(wù)。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(wù)，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(shù)是不是到了成熟的階段，為長期、遠距離載人任務(wù)建立信心。這種任務(wù)完全要靠任務(wù)組自己來應(yīng)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(guān)口站建設(shè)中，以往用于近地軌道載人航天活動的很多技術(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)口站和深空運輸系統(tǒng)還可以持續(xù)運行下去，成為人類在太陽系中長期存在的一個新?lián)c。

深空關(guān)口站主要采用大功率電推進系統(tǒng)來實現(xiàn)位置保持和軌道機動。上述幾個艙段的技術(shù)將得益于SLS和獵戶座飛船的技術(shù)，以及在國際空間站建設(shè)和運營中獲得的技術(shù)和經(jīng)驗。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上的說法，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將使用一種能力強大的“探索上面級”（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將搭載后勤補給艙和加拿大制造的機械臂。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服務(wù)了。當(dāng)年要發(fā)射重達41噸的深空運輸飛船，它內(nèi)含居住和運輸系統(tǒng)，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(shù)來支持NASA的探索計劃。

到2029年，SLS將發(fā)射深空貨運飛船為深空關(guān)口站送去更多燃料和補給品，據(jù)說數(shù)量可以供4個人使用1000天。運輸任務(wù)完成后，這艘飛船將臨時脫離關(guān)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(fā)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(guān)口站的建設(shè)計劃也可能存在一些變數(shù)。按照計劃，EM-1任務(wù)是不載人的。不過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年才能實施，也會導(dǎo)致EM-2等任務(wù)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(guān)口站時，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)過論證發(fā)現(xiàn)，自己需要相當(dāng)長的時間來研究解決一些關(guān)鍵技術(shù)，包括長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)口站組裝完成的時間節(jié)點。

波音在競標(biāo)中領(lǐng)先了嗎？

目前，美國兩個最大的宇航企業(yè)波音和洛馬都在積極競爭深空關(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。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發(fā)布會，拿出了一個最新的近月設(shè)施概念圖。人們發(fā)現(xiàn)，這個概念圖和NASA展示的非常相似。波音的深空關(guān)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(wù)艙的。

這是不是意味著波音中標(biāo)的希望最大呢？不過波音自己并不承認(rèn)與NASA有什么事先溝通，這家企業(yè)的宇航探索部門負責(zé)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(fù)探討了有關(guān)體系架構(gòu)。”自己這個方案的目標(biāo)，是在月球附近部署足夠的設(shè)施，來服務(wù)于NASA提出的兩個目標(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。不過波音表示，自己的方案不會超出預(yù)算，而且更加現(xiàn)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(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計劃的一些技術(shù)，尤其是供電能力、推進能力和相關(guān)的平臺設(shè)計。

國際合作與商業(yè)合作

和國際空間站一樣，深空關(guān)口站也歡迎商業(yè)企業(yè)來提供貨運服務(wù)。如果此事成真，肯定會在美國商業(yè)航天界中帶來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合作者提供支持。采用電推進技術(shù)后，深空關(guān)口站可以在環(huán)繞月球的軌道上自由機動。因為月球沒有大氣層，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，也不打算獨吞，會根據(jù)不同分系統(tǒng)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(zé)。格斯特梅爾表示，已經(jīng)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(dāng)前的深空關(guān)口站設(shè)計規(guī)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(guān)口站來實施登月計劃呢？波音的設(shè)計方案當(dāng)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(guān)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(jīng)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(guān)口站算不算美國式的獻禮工程呢？★