美國近月空間站建設計劃初探

王永生 賀利（中國航天員科研訓練中心）

2024年“國際空間站”（ISS）即將結束運行，盡管美俄兩國都有延長其壽命的意愿，但專家們已經開始思考后“國際空間站”（ISS）時代載人航天的發展方向。2017年，美國國家航空航天局（NASA）提出建設現代化美國近月空間站的想法，希望以此來取代“國際空間站”，成為下一個載人航天發展平臺。

自2017年以來，NASA一直在研究月球軌道站的概念，起初近月空間站名為“深空之門”（DSG），NASA推遲火星飛行計劃并宣布在21世紀20年代末登陸月球。為彰顯其月球計劃，將月球軌道站更名為“月球軌道平臺”（LOP-G）。

1 NASA的月球計劃與近月空間站項目

2017年，NASA正式宣布重新調整深空探測戰略，將工作重心由火星計劃轉到月球任務，火星仍然是NASA的計劃，但只是作為一個遠景規劃。2月20日，NASA按照白宮的意見，連同2019財年預算提案呈交了未來10年美國航天發展設想，這標志著美國航天計劃將發生變化。從2017年開始，NASA調整了月球計劃，制定了短期的探月目標。

1）21世紀20年代末，美國航天員登陸月球表面。為完成既定的探月計劃，定期進行月球飛行。在登陸月球之前，人們將訪問近月空間并在近月空間站生活。在NASA計劃中沒有月球基地的建設。

2）2022年啟動近月空間站建設。近月空間站規模較小，由4個模塊組成：能源動力艙、生活艙、氣閘艙和工作艙，總質量為7t左右。其首個能源動力艙將于2022年用商業運載火箭發射。早前預計，能源動力艙于2023年用重型運載火箭“航天發射系統”（SLS）與“獵戶座”（Orion）飛船一同發射。NASA有可能計劃隨第一艘“獵戶座”飛船發射生活艙，以便航天員在更加舒適的環境下工作。

3）在“新一代深空探測合作技術”（NextSTEP）計劃的框架下，也就是在商業模式下繼續研制生活艙。該計劃目前處于第二階段，承包商是畢格羅航天公司（Bigelow Aerospace）、波音公司（Boeing）、洛馬公司（LM）、內華達山脈公司（SNC）和軌道-ATK公司（Orbital-ATK）。

4）為向月球運送貨物并在后續運送人員，NASA計劃開發著陸器，并用商業路線完成該計劃，同時不拒絕國際伙伴的幫助。在第一階段將開展小型著陸器研制招標，在21世紀20年代初開始研制重型平臺，在20年代末轉為載人升降著陸艙的研制。

盡管到目前為止，這一戰略對許多問題并沒有給出答案，包括資金問題，但許多專家認為，近月空間站建設必定是美國下一載人航天發展的目標，也是月球計劃的開端。盡管一些力量強烈要求保留“國際空間站”，但每個人都明白，在接下來的10年中，航天員必將離開低地球軌道（LEO），到地外尋找生存目標。最小的目標是建立近月空間站，最大的目標是登陸月球或在月球建立基地。

專家們認為，拒絕這些雄心勃勃的目標，意味著要在“國際空間站”或其替代品上坐等到2030年，“航天運輸系統”和“獵戶座”飛船也將面臨廢棄，這些都是波音公司和洛馬公司多年耗巨資開發的產品。從火星計劃重返月球計劃，并非僅是特朗普的心血來潮，這是由于有限的財力和技術能力，以及最大承包商實際利益所致。所以，計劃的細節會發生變化，可能會拒絕登陸月球，“月球軌道平臺”也可能更名為“火星之門”，但拒絕近月空間站的計劃可能性極小。

2 組建近月空間站的必要性

2017年11月1日，美國NASA宣布選擇5家公司研究和提供太空能源動力艙可能的概念，實際上，這是建造近月訪問空間站的第一步。NASA多次強調指出近月空間站項目還未得到美國政府的批準，但是日本航天機構、歐洲航天局（ESA）和俄羅斯航天國家集團（Roskosmos）已著手研究相關的概念。近月空間站極有可能成為“國際空間站”之后下一個大型的空間項目。

1）近月空間站無疑是載人航天一個新的發展階段。如果按照成本增長和技術復雜度來排列載人航天項目，得到的順序是：在近月空間飛行－在月球表面建立基地－飛向火星和金星不著陸－登陸火衛一和火衛二－登陸火星。近月空間站建設可能是“國際空間站”之后向前邁進的最小一步，在某種程度上，這是件好事，與其選擇一個不切實際的目標并多次推遲執行，還不如選擇務實的小目標。

2）在近月空間站上可以繼續空間應用研究。這是自20世紀90年代以來人們一直在做的一項重要的工作，通過人體實驗來補充和證實自己的研究。有一種見解，近地軌道空間站的應用潛力幾乎已用盡，與自動探測器相比，“國際空間站”經常因科研成果差而受到批評，幾乎所有對太陽系的了解，均不是通過載人飛行獲取的。近月空間站有可能會彌補“國際空間站”的不足，發揮人的作用，在空間應用領域有新的突破。

3）近月空間站有利于其他行星的飛行訓練。科學家們對地球磁場以外的輻射環境缺乏直接和長期的測量，空間輻射環境到底會對人體產生什么樣的副作用暫時還不是很清楚。近月空間站能夠回答這方面的諸多問題，實際上，人在近月空間站上自主駐留1年完全可以作為火星飛行的模擬。

4）近月空間站有利于加強空間輻射的防護和失重對抗研究。在太空飛行中，輻射常常被認為是主要的問題，此外還有失重，航天員在“國際空間站”駐留以及返回地面后，首先是飽受失重之苦。沒有重力不僅會帶來一系列生理問題，而且還會影響太空中正常的生活。近月空間站這方面的狀況并不比低地球軌道好，甚至更差，因為近月空間站完全沒有了殘余的地球大氣層、地球陰影及其磁場對輻射的防護。但從另一方面講，專家們會加大對輻射防護、失重對抗及生物醫學方面的研究，在這方面也會有新的突破。同時，由于輻射威脅加大，考察時間將會縮短至1～2個月，相應的失重作用也會減小。

5）近月空間站是月球基地建設的中轉站。飛往月球也許會激起人們對載人航天的極大熱情，在月球基地上生活猶如太空奇幻，令許多人趨之若鶩。但近月空間站受關注度不如其他項目，僅就一次單純對其他行星的繞飛也會吸引人們的注意力，因為它有其獨特性，更不要說在行星上建立基地。但是，建立近月空間站就是為了月表基礎設施建設和航天員在月表活動，可以說建設近月空間站是月球計劃的第一步。

6）近月空間站的運營成本會更低。向“國際空間站”發送貨運和載人飛船，使用運載能力7t的“聯盟”（Soyuz）運載火箭就足矣，而向月球發送貨物則需要重型火箭，發射載人飛船需用載重量更大的火箭。例如，美國太空探索技術公司（SpaceX）能夠用與“國際空間站”飛行相當的耗資來組建近月空間站，主要費用用于升級“龍”（Dragon）飛船，代替“獵鷹”（Falcon）火箭使用“獵鷹重型”（Falcon Heavy）運載火箭。據該公司官方網站統計，這樣會使費用增加30%。如果“龍”飛船飛往“國際空間站”需要NASA付出1.2億美元，而相同的任務飛往月球軌道可能需要2億美元左右的費用。如果使用“航天發射系統”和“獵戶座”飛船，近月空間站1次考察的成本很可能達到10億美元。

但需要指出的是，近月空間站是訪問型空間站，站內并不需要長期駐人，且每年考察飛行次數較少，加之“國際空間站”計劃也并非高效，其運營和維護成本居高不下，所以只要采取科學的方法對待資源消耗，無論是近月空間站還是月表基地，運營成本會比“國際空間站”低。

3 NASA建議2022年啟動近月空間站建設

2018年2月，美國總統辦公室就NASA 2019財年預算問題進行了質詢。NASA建議2019年開始研制近月空間站能源動力艙，這是未來近月空間站第一個單元，計劃在2022年完成研制和發射。能源動力艙的發射標志著近月空間站建設正式啟動。

在幾年內完成能源動力艙的任務看似雄心勃勃，難以想象，但實際上其元器件的研制工作已開展了很長時間。近年來，NASA根據“未來載人系統”項目對能源動力艙的研制給予了撥款。“小行星重定向任務”（ARM）廢止后，能源動力艙繼承了該計劃中的大功率離子發動機和太陽能電池的結構。

根據NASA 2019財年預算草案，將向能源動力艙項目撥款5億～6億美元，一直延續至2022年發射，并且在2023年飛行試驗期間還將撥款4.591億美元，項目的總計撥款為24億美元。預計美國議會在討論時這個數字還會有變化。令人擔憂的是，近年來，美國出現對預算批準嚴重拖延的現象，NASA 2018財年預算在6個月前已經開始了，但至今還沒批復，NASA只能對以前批準的項目給予撥款。專家認為，如果情況不發生改變，整個能源動力艙項目的啟動時間也將會推遲。

近月空間站概念圖

能源動力艙是近月空間站的關鍵部分，它不僅負責為近月空間站提供能源，而且還負責軌道機動（變軌），以及負責與地面、與航天飛船的通信和導航。在航天員出艙期間，能源動力艙為其提供支持。能源動力艙還將配有對接系統和加注系統，以補充燃料儲備。

目前有5家公司在為NASA構思能源動力艙的概念，分別是：波音公司、洛馬公司、軌道-ATK公司、內華達山脈公司和勞拉空間系統公司（SS/L）。能源動力艙預計 于2022年8月發射。

NASA將采用新的模式進行能源動力艙的研制，在研發期間，能源動力艙并非歸NASA所有，而屬于承包公司。承包公司將獨自負責能源動力艙的飛行試驗，試驗期限為1年。此后，如果試驗滿足技術任務的要求，能源動力艙將交付NASA評審。

如果NASA的建議得到批準，將不會使用“航天發射系統”發射能源動力艙，因為在2022年“航天發射系統”尚未完成研制，將使用商業運載火箭進行發射。暫時還不知道哪家公司會在競爭中勝出獲得發射權。有可能會提出申請的公司有SpaceX公司（有“獵鷹重型”火箭），以及美國聯合發射聯盟公司[ULA，有“火神”（Vulcan）火箭]和藍色起源公司[Blue Origin，有“新格倫”（New Glenn）火箭]，前提是后兩家公司必須通過NASA的認證。

因為可能從探索任務－2（EM－2）開始，能源動力艙將改為商業火箭發射，NASA建議在2023年EM－2任務期間，用“航天發射系統”向月球軌道發射生活艙。與能源動力艙的情況一樣，生活艙的研制在2019年也不會從零開始。從2016年起，NASA在NextSTEP計劃的框架內對用于深空探測的生活艙項目給予撥款，波音公司、洛馬公司和畢格羅航天公司等得到了資助。

NASA在2022年和2023年向近月空間站發射2個新模塊的目標可以被認為是相當樂觀的。在2017年的計劃中，預計于2024年在EM－3任務中發射生活艙。但是，有關EM－2任務的安全問題不容忽視，該任務中將首次進行“獵戶座”飛船載人飛行，同時還將保障生活艙與能源動力艙對接。生活艙與以后發射的所有模塊一樣，自身沒有導航和動力裝置，因此向近月空間站運送生活艙的任務將完全依靠“航天發射系統”的上面級和“獵戶座”飛船。這也是工程師們需要關注的問題。

4 近月空間站項目國際合作前景

合作是未來載人航天特別是深空探測發展的必由之路，只有強強聯合，以及資金和技術的完美結合，人類才能在空間探索的道路上走的更遠。這一點早已成為航天領域的普遍共識，“國際空間站”已成為了國際合作的典范。

近月空間站的設想提出后，許多國家的航天機構對該項目合作產生興趣，不僅僅是“國際空間站”的合作伙伴國，其他國家也表現出了合作意向。大多數國家的航天機構希望，近月空間站運營模式能如“國際空間站”一樣，使各伙伴國在平等互利的基礎上展開合作。

俄羅斯贊成在深空探測方面加強合作

2017年9月27日，在澳大利亞阿德萊德召開的第68屆國際宇航聯大會上，俄羅斯航天國家集團和NASA簽署聯合聲明，雙方一致認為，應當聯合各國航天機構的力量和世界各地的私人公司，共同致力于載人深空探索任務。

俄羅斯航天國家集團在聲明中指出，各航天機構有意向統一正在開發的空間技術的標準和接口，首先應當統一新型載人飛船和空間站艙室的對接機構。各國航天機構也早有此意向，2010年參加“國際空間站”建設的各國航天機構就制定了對接系統的國家標準（IDSS），按此標準開發的相關部件將在所有美國新型飛船、“國際空間站”對接端口（IDA）和俄羅斯聯邦號（Federation）載人飛船上使用。IDSS機構標準是雌雄一體化的，也就是無論是主動對接器還是被動對接器，彼此之間是沒有區別的。

俄羅斯航天國家集團也有意向與NASA在月球軌道上開展合作，其觀點是，未來近月空間站應當是“國際空間站”的直接延續，各參與方應是完全平等的伙伴關系。

在第68屆國際宇航聯大會上，俄羅斯航天國家集團也就月球軌道載人平臺的建設問題向NASA提交了建議。這些建議是基于俄羅斯能源火箭航天集團（RKK Engergia）和美國波音公司早些時候進行的關于近月空間站概念的論證。俄羅斯能源火箭航天集團準備研制氣閘艙，必要時再增加一個生活艙，而且從理論上講，俄羅斯還有能力基于超重火箭和聯邦號飛船向月球軌道提供貨物和人員運輸服務。

月球基地概念圖

日本和歐洲表現出強烈的合作意向

2017年春季，NASA提出了月球軌道載人平臺概念，并號召國外航天機構和私人公司參與這方面的合作。對此，日本航天機構表現出了興趣，日方表示，希望像“國際空間站”合作方式一樣組建近月空間站，“國際空間站”上日本“希望”（Kibo）氣閘艙是美國艙段的組成部分，希望日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）的科學試驗艙也能出現在近月空間站上。

歐洲有機會向近月空間站發射自己的艙室模塊，交換條件是生產“獵戶座”飛船的服務艙。ESA和JAXA有意愿研制未來空間站的生命保障系統，但NASA打算獨自開發該系統。

歐洲感興趣的第二個方向是運送物資到月球表面。NASA計劃近期向合作伙伴和私營公司招標研制小型著陸平臺，以后還將開發重型著陸平臺，其中包括能夠將航天員送到月球并能返回軌道的著陸器，暫時還未對載人著陸器提出要求。NASA指出，“阿波羅”（Apollo）計劃中的著陸器不符合NASA現代安全要求，因此使用第一階段小型著陸平臺還有一個目的是，進一步明確開發載人平臺的要求。

日本也對這方面的合作表現出興趣，有意研制載人著陸器。如果獲得批準，日本航天員將乘“獵戶座”飛船抵達美國近月空間站，此后將轉入自己的起降式著陸艙并完成月表著陸。

近月空間站項目運營模式尚未確定

NASA同樣認識到了近月空間站項目國際合作的重要性。但是美國不想再走受制于人的老路，雖然“國際空間站”項目非常成功，但“國際空間站”首先是一個具有政治色彩的空間項目。“國際空間站”分為兩個艙段，在技術上彼此相互依賴，但分別由休斯頓飛控中心和莫斯科飛控中心獨立控制。除俄羅斯以外，所有其他參與國的艙室均是美國艙段的一部分。俄美兩國在“國際空間站”項目框架內相互協作，雖然比較順利，但也存在分歧。

NASA認為沒有任何理由將類似的工作模式及其固有的復雜性轉移到月球的軌道上。近月空間站與現行的“國際空間站”不同，它是小型空間站，美國計劃在該項目上發揮本國（包括私營公司）的技術能力。

NASA專家多次強調，近月空間站絕不是“國際空間站”的新版本。第一，盡管是國際參與的項目，但近月空間站將屬于美國，而“國際空間站”是由俄羅斯和美國管理；第二，近月空間站規模要小的多，基本上是由4個模塊組成，總質量為7t左右，而“國際空間站”一些大的模塊質量就達15～20t；第三，近月空間站將是訪問型空間站，不需要像“國際空間站”一樣保持常駐人員，其運營成本較低。

NASA希望將近月空間站發展成為一個專屬于自己的項目，國際合作伙伴甚至私營公司可以在同等條件下加入。即使各國的提議被接受，也不會像在低地球軌道一樣與NASA是平等合作伙伴。NASA強調，國際合作伙伴對“月球軌道平臺”的興趣超出了可能的范圍。因此，NASA將組織開展討論，確定合作伙伴是否愿意為運輸系統或著陸技術做貢獻。

與此同時，NASA官員也多次表示，近月空間站僅是NASA正在研究的概念，還沒有得到現政府和國會的批準，現在談論國際參與的具體架構和形式還為時尚早。

對美國航天政策擔憂

建設“深空之門”/“月球軌道平臺”想法的提出是近10年載人航天轉入新發展階段的首次嘗試，各國的航天機構也希望搭乘這趟快車來促進本國載人航天的發展，也有一些問題困擾著NASA的合作伙伴。

首先是對美國航天政策穩定性的擔憂。自2000年以來，NASA經常改變長期計劃，令人印象深刻。2011年，停止了耗費7年的重返月球和創建月球基地的“星座”（Constellation）計劃。當年，NASA拒絕替換“靈活路徑”（Flexible Path）方案。在奧巴馬政府的計劃框架內，預計在2025年將小行星送入月球軌道，并于2026年飛向小行星，在2030年中期進行火星考察。

近10年，NASA的工作方向不止一次的在發生變化，其他國家的航天機構擔心這種情況是否會再度發生。有人認為，NASA的計劃暫時還很不成熟，近月空間站與“國際空間站”相比并不具有任何絕對的優勢。NASA的計劃沒有一個明確的長期目標，所有的努力也都缺少一個方向。

盡管如此，專家們再次強調，近月空間站的想法應該不會再發生變化。第一，這是最有可能取代“國際空間站”的下一個項目，對于NASA而言，既具備技術實力，也具備資金；第二，為實施這個計劃，火箭和飛船幾乎已準備完畢，“獵戶座”飛船只能飛往近月空間，除此以外別無它用；第三，盡管很長一段時間飛往火星仍是NASA的主要目標，但目前在這個方向上沒有任何作為。

其次，對近月空間站的合作前景擔憂。美國希望利用建設近月空間站的機會來發展自己的計劃，其中之一就是建設月球基地，并在此框架下開發生命保障和輻射防護技術。俄羅斯專家認為，在近月空間站建設項目上國際合作的潛力不大，要進一步加強合作，各航天機構的力量應當聚力在月球基地艙室、電站及防護服等的開發和訓練上。

各國的航天專家認為，近月空間站項目表明航天活動正在變得更加復雜和多元，任何國家和航天機構不可能獨自掌控航天發展的所有方向。如果說在20世紀國家孤立隔絕并非是災難，那么在21世紀任何一個國家的經濟都不是自給自足的。同樣，一個獨立的行業也是如此，隨著航天任務的擴展及其復雜化，無論我們的愿望如何，各國之間將出現分工協作的局面。盡管有的國家不愿意看到這種局面，喜歡單打獨斗，但這會需要和消耗更多的資源，其結果只能是不可避免地延期發展。

5 結論

后“國際空間站”時代載人航天如何發展，一直是各國航天機構專家們思考的問題。盡管各航天大國都有載人探月的計劃，但探月的時機、方式和途徑卻不盡相同。載人探月是下一個展示各國實力和航天技術的舞臺，各航天機構將趨之若鶩，競相發揮自己的潛力。這其中，美國依靠雄厚的財力和技術實力，必將異軍突起，引領世界載人航天的發展趨勢。雖然近月空間站還只是概念論證階段，但其雄心勃勃的計劃彰顯了美國發展載人航天和深空探測的決心。