世界航天新科技
——月球空間站

+劉進軍

神奇的空間站

世界航天突飛猛進，日新月異。

世界航天未來方向：重返月球、建設月球空間站、建設月球基地、登陸火星、建設火星空間站、建設火星基地、捕捉小行星、反擊小行星、深空探測、飛出太陽系、太空電站、太空電梯、太空采礦等。

蘇聯火箭理論家、航天理論奠基者——齊奧爾科夫斯基，于1903年首次提出了建立空間站、制造人工重力的卓越設想。在人類最簡單的飛機還沒有上天之時，齊奧爾科夫斯基就充滿激情地預言：“地球是人類的搖籃，但人類不能永遠生活在搖籃里。”

齊奧爾科夫斯基高瞻遠矚，為人類未來的空間站指明了方向。齊奧爾科夫斯基提出了人類長期居住太空、建設空間站的重大課題，為人類航天的可能性提供了理論依據。時至今日，他的偉大設想已經改變了世界，改變了人類文明、歷史和發展進程。

為了實現人類的夢想，為了驗證空間站的可能性和科學性，科學家提出各種空間站的設想和藍圖。許多空間站已經飛上太空，閃耀著人類科技、智慧、夢想和理想的光芒。

空間站，又稱為太空站。它是一種巨大的人造衛星，運行在地球上空的太空中。在那里，幾乎沒有空氣阻力，地球引力也極小。在微重力、零重力的太空環境中，空間站可以長期運行。

世界上最龐大、最復雜、最聰明和最高科技的機器是什么？毫無疑問，它就是人類科技、智慧、勇氣和膽略的象征和結晶——空間站！空間站的科學功能和目標是：地球觀測、太空探測，進行各種科學實驗。

根據美國宇航專家馮·布勞恩1946年設計的空間站理念制作的效果圖。

表1 空間站的分類

空間站特點是：體積較大、結構復雜、飛行時間較長、功能強大。它擁有極為龐大、復雜的分系統，包括：結構、電力、熱控、姿態測量與控制、導航與推進、自動化與機器人技術、計算與通信、環境與生命支持、宇航員設施、宇航員與貨物運輸等系統。

空間站是人類挺進宇宙的跳板。運行中的空間站具有相當大的移動速度，因此宇宙飛船從空間站起飛只需消耗很少的燃料；同時，空間站也可以儲備大量宇航物資。它可以成為未來宇宙飛船的“啟航站”與“中轉站”。宇宙飛船不必再回到地面，就可以得到充足的物資補給，飛向更遠的星空。

空間站，是一朵綻放在太空的美麗花朵！蘇聯的“禮炮”號、“和平”號空間站、美國的“天空實驗室”空間站、歐美和俄羅斯等國的國際空間站環繞在地球上空多年，中國“天宮-1”、“天宮-2”號太空實驗室已完成任務。2021年，中國的“天宮”號空間站核心艙即將升空。

世界上最著名的空間站是號稱人類科技坐標的國際空間站。其設想是美國總統里根于1983年提出的。由美國、俄羅斯、11個歐空局成員國及日本、加拿大、巴西共16 國聯合建造。

國際空間站非常龐大復雜，但安裝原理很簡單。科學家像小朋友搭積木一樣，在太空中建設國際空間站。

國際空間站結構很復雜，像一個迷宮。它主要由多個艙段和一個桁架結構組成，其中6個科學實驗的研究艙，3個宇航員居住的生活艙，1個為空間站提供推進、姿控、通信和儲存功能的多功能服務艙，3個對接用的節點艙。

國際空間站多重多大呢？ 它總重420～450噸；長度72.8米，寬度108.5米，高度20米，長寬面積相當于一個足球場；內部容積916立方米，相當于2架“波音-747”飛機的空間。它的大氣壓力為1個大氣壓；燃料重量約4噸；太陽能電力功率84～120千瓦。

國際空間站，呼號為：阿爾法。它是世界航天領域最大規模的國際科技合作項目，也是世界航天史上第一座由多國聯合建設的載人空間站。國際空間站進行了幾萬項重大科學實驗，促進了人類文明和歷史進程。

1951年，馮·布勞恩設想的能制造人造重力的輪式空間站（概念圖）。

1950年代，蘇聯科學家弗拉基米爾·切洛梅設計的空間站（概念圖）。

蘇俄“和平”號空間站與美國航天飛機聯合飛行。

太空科技的發展，完全驗證了齊奧爾科夫斯基的偉大設想。今天，空間站依然在太空中環繞地球運轉，成為人類科學實驗，觀測地球、研究宇宙的基地。

人類即將重返月球、登陸火星、捕獲小行星、小行星采礦。隨著太空科學的進展，空間站已經從地球飛向更深遠的太空。科學家們已經設計了月球空間站、火星空間站、小行星空間站等。

偉大的設想

1969年7月16日早晨，美國馬里蘭州的一個小男孩吉米來到肯尼迪航天中心，觀看“阿波羅-11”號飛船的發射。不久，吉米給美國宇航局寫信：咱們應該在月球上空建設一座空間站，作為登月的停靠站。這樣，人類可以隨時登陸月球。

科學家們贊嘆道：想象力比知識更重要！一個孩子比我們想象得更遠。吉米的建議啟發了美國宇航局的想象，在科學家的心里種下了未來和希望。多年來，美國宇航局不斷接到孩子們關于建設月球空間站、火星空間站的建議。月球空間站計劃已經醞釀了多年，幾經變化和進化。

2028年，國際空間站面臨退役。世界航天的太空探測方向也轉移到月球、火星、小行星和更遠的深空。

2017年9月27日，在第68屆國際宇航大會上，美國宇航局與俄羅斯宇航局簽署了關于研究和探索深空的聯合聲明。 美國與俄羅斯等聯合建造 “深空之門”月球空間站 （Deep Space Gateway），又稱為“太空港”空間站。2019年11月17日，美國宇航局將“深空之門”空間站改名“月球之門”空間站 （Lunar Orbital Platform-Gateway） 。

“阿波羅”登月計劃的12名宇航員在總共16天的時間里，只在月球的6個地點留下了腳印，在月球考察的時間稍縱即逝。現在，“月球之門”空間站將要長期環繞月球的南北極方向運行，為人類持續觀測、登陸月球、建設月球基地提供重要支持。“月球之門”空間站的功能強大。

國際空間站

國際空間站的艙段

中國“天宮”號空間站

1.前哨站

月球的重力只有地球重力的六分之一。“月球之門”空間站距離月球7萬千米，重力幾乎為零。在微重力和零重力的環境下，航天器起飛、降落都十分省力、輕松和安全。人類可以將“月球之門”空間站作為跳板、前哨站，隨時和方便進入月球，甚至飛往火星。

2.天文臺

“月球之門”空間站遠離地球和月球，運行在深空之中。在這里進行深空探測，可以獲得天文觀測、采集行星際物質、太陽物理學、地球大氣、基礎物理等更詳盡的探測和科學成果。“月球之門”空間站作為一個科學平臺能回望地球，觀測太陽、月球、火星、太陽系、銀河系，可獲得更廣闊的視野，了解行星和行星系統是如何形成的。

“月球之門”空間站運行在獨特軌道上。歐洲太空局的輻射儀器監測“月球之門”空間站的輻射照射，保證宇航員的安全。美國宇航局的太空氣象儀器觀測太陽粒子和太陽風。隨著向太空深處移動，人類和機器人探險者面臨著更大的挑戰。有時，太空面臨劇烈而不可預測的太陽爆發。太空氣象儀器將收集數據，并增強預測來自太陽事件的能力。這些事件可能會影響在月球上和月球周圍的宇航員，以及未來前往火星的任務。

太陽和周圍環境變化莫測。科學家利用月球軌道上獨特環境和科學儀器，觀測太空天氣，監測太陽輻射環境，質子、電子、重離子和中子撞擊的強度和濃度變化，測量恒星釋放的粒子和能量。太空天氣預報將減輕宇航員在月球和火星上的風險。這是地球或國際空間站無法復制的環境。

3.實驗室

在地球上空400多千米的國際空間站，距離地球不遠，處于微重力環境下。“月球之門”空間站運行在深空，距離地球和月球都很遠，處于零重力的環境下。在“月球之門”空間站上，科學家可進行生命、材料、化學、物理等深空科學實驗，做地球、國際空間站上不能做到的事情。

“月球之門”空間站

“月球之門”空間站環繞月球南北極飛行。

“月球之門”空間站與“獵戶座”飛船

“月球之門”空間站：為遠征火星開辟光輝的道路

4.通信中繼站

人類來往月球、登陸月球、建設月球基地，都需要與地球通信。“月球之門”空間站運行在近直線暈軌道上，近月點2000千米，遠月點7萬千米。在這里，它非常穩定，極少漂移。“月球之門”提供一系列通信能力，包括太空與地球、太空與月球、太空中的航天器與航天器之間的通信中繼，并能夠與太空行走的宇航員交談。它隨時接收和轉發來自地球、月球、飛船的信號，與地球的通信延遲是1.2秒。

5.中轉站

“月球之門”空間站距離地球只有大約5天、40萬千米的路程，起降、對接和來往十分方便。如果飛船前往火星、小行星，可以將“月球之門”空間站作為中轉站和起飛基地。從這里的零重力環境下起飛，幾乎不費吹灰之力，節省絕大部分燃料。

6.太空基地

兵馬未動、糧草先行。“月球之門”空間站設計了加油、維修、倉庫和訓練設備。當各種航天器消耗完燃料、出現故障后，不必返回地球維修或原地報廢，可以到“月球之門”空間站加油、維修、更換零件。如果飛船從地球出發，前往火星、小行星，可在此加油、補充食物和氧氣等物品，演習火星任務所需的技術，直飛火星和小行星。

“月球之門”空間站曾是美國宇航局“月神”計劃的重要組成部分。科學目標：重返月球、月球長期科考。最終目標：以月球空間站為基地，人類登陸火星。美國宇航局雖然于2020年宣布“月神”計劃取消“月球之門”這一重要路徑，但表示仍致力于發展“月球之門”，希望它成為太空探索的新基地，成為世界上最好的科技典范。

“月球之門”空間站將人類的視野擴展到太陽系更深處，包括月球和火星，具有非常重要的科學意義。

目前設計的“月球之門”空間站

“月球之門”空間站功能結構圖

“月球之門”空間站剖面圖

“月球之門”空間站是一個國際合作的項目。美國、歐空局、俄羅斯、日本、印度、法國、英國、德國、意大利、澳大利亞、韓國、烏克蘭等爭先恐后參與研制月球空間站。企業方面，俄羅斯的安吉亞太空公司，歐洲的宇航防務集團阿斯特里姆公司、泰雷茲阿萊尼亞宇航公司、加拿大衛星通信信息公司，日本三菱重工公司積極參加，奉獻智慧和科技。美國洛克希德·馬丁公司、太空探索技術公司、波音公司、藍色起源公司、諾斯羅普·格魯曼公司、德雷珀公司、比格羅航空航天公司、軌道科學公司、內華達山脈公司、納米機架公司等私營公司皆自告奮勇，支持人類偉大的工程。

目前，“月球之門”空間站的設計目標：氣壓為1個大氣壓，加壓容積：≥125立方米，乘員：4人，任務時間30～90天；重約40噸，只有國際空間站的十分之一。它主要由這些艙段組成：動力與推進艙、居住與生活艙、加注與通信艙、供應與服務艙、氣閘艙等。

動力與推進艙：

這是一個大功率的電力推進艙。它有一對太陽能帆板，能產生60千瓦的電力。動力與推進艙的主要推力來自電力推進和液體推進劑發動機。它為“月球之門”空間站提供電力、通信、姿態控制、軌道轉移的能力。2019年5月，美國宇航局選擇科羅拉多州威斯敏斯特市的馬克薩技術公司開發、建造和太空演示動力與推進艙，位于俄亥俄州的美國宇航局格倫研究中心管理。

生活與工作艙：

這是宇航員生活和工作的加壓艙段。質量7390千克；外部直徑4.5米，內部直徑4.2米；長度5.96米；對接口4個。這個艙段很小，可居住容積大約55立方米，最多可容納4名宇航員，環月飛行1～3個月。國際空間站的可居住容積為388立方米，最多可容納6名宇航員。

生活與工作艙為宇航員提供生命支持保障，并為登陸月球表面做準備。它裝載了通信、導航、飛行控制、數據處理、電力供應、生命支持、環境控制、溫度控制、安全防火、對接口等系統。生活與工作艙由諾斯羅普·格魯曼公司開發，位于休斯頓的美國宇航局約翰遜航天中心管理。

“月球之門”空間站與對接口

“月球之門”空間站（上）與國際空間站比較

美國洛克希德·馬丁太空公司的月球空間站與月球著陸器

加注與通信艙:

這個艙段質量大約4噸，攜帶氙和肼儲存箱，直接連接到動力與推進艙的推進系統。它可以為各種航天器太空加油。加注與通信艙安裝了與地球之間通信設備和天線，作為地球與月球之間的中繼站。

供應與服務艙：

它設有對接艙口，接收和存儲貨運飛船運送的加壓貨物、非加壓貨物、科學儀器、生活物資、樣品收集材料和其他物品。當宇航員準備前往月球表面執行任務、或乘火星飛船飛向火星時，供應與服務艙提供各種物資、加油、維修和技術支持。美國太空探索技術公司的“龍”號、日本的“東方白鶴”號、歐洲太空局的“阿麗亞娜”號貨運飛船為“月球之門”空間站運送貨物。位于佛羅里達州的肯尼迪航天中心負責管理。

加拿大太空局曾為美國航天飛機、國際空間站安裝了先進的太空機械臂。“月球之門”空間站也采用太空起重機——太空機器人大臂，命名為“加拿大大臂-3”。這架太空起重機將吊裝太空艙段，幫助飛船對接和起降，為建造空間站作出重大貢獻。

“月球之門”空間站還在極速進化、變化和長大。它會變得越來越強大，越來越完美。美國一些宇航公司設計的月球空間站也別具一格，擁有豐富的想象力和創新力。

最佳航線

“月球之門”空間站如何環繞月球運行呢？

“月球之門”空間站環月運行的軌道是該計劃的關鍵。它將影響到任務的所有重要方面，包括航天器如何與空間站會合和著陸等。

2019年，美國航天局宣布“月球之門”空間站將運行在“近直線暈軌道（NRHO）”上。近直暈軌道圍繞拉格朗日L2點運行，隨著月球的旋轉，近直線暈軌道也會發生角度變化。因此，從地球上看，它會有點像是月暈，所以稱為近直線暈軌道。

這些引力平衡點在太空中的穩定性是理想的，但并不完美。因為隨著時間的推移，“月球之門”空間站會漂移，變得不穩定，但糾正它不需要太多的精力和力量。

近直線暈軌道：直接與地球、月球和航天器通信

近直線暈軌道：“月球之門”空間站飛掠近月點

近直線暈軌道：直接與宇航員、月球登陸器通信

近直線暈軌道的優點：月球空間站在近直線軌道運行，節省軌道修正的推進劑，避免月球阻擋陽光，陽光可照射到空間站的太陽能帆板上，同時月球空間站始終保持在地球上地面控制中心的視線范圍內。

“月球之門”將環繞拉格朗日L2點做大橢圓運動，沿著環繞月球的偏心軌道運行，近月點2000千米，遠月點7萬千米。近月點可近距離觀測月球、登陸月球。遠月點可遙測月球，加速返回地球和飛向火星。

“月球之門”的運行周期為7天。每隔7天，它將最接近月球。這意味著每隔7天都有一個從空間站發射到月球表面的窗口，也有一個返回空間站的窗口。月球登陸器將幫助宇航員每7天往返月球一次。它從“月球之門”空間站起飛。月球沒有大氣層，月球登陸器可以輕松飛回“月球之門”空間站。

月球登陸器可重復使用。登陸器將用來運送各種設備，建設月球基地。機器人將更多地到月球，開展探測和建設任務。

未來，火星空間站也將采用近直線暈軌道的運行方案。

宏偉藍圖

如何在月球上空建造“月球之門”空間站呢？

“月球之門”空間站建設計劃主要分3個階段：第1階段，2026年前建成“月球之門”空間站；第2階段，2030年前建設深空運輸系統；第3階段，2030年代中期實施載人火星探測任務。

曾經，國際空間站共計30多個艙段，發射了34次。“月球之門”空間站只有幾個艙段。2026年前，美國宇航局計劃發射5～6枚火箭，建成“月球之門”空間站。運載火箭為美國的“太空發射系統”火箭，俄羅斯的“質子-M”火箭、“安加拉”火箭等。

美國宇航局已經定制了12艘“獵戶座”飛船和12艘貨運飛船。“獵戶座”飛船每次在“月球之門”空間站停靠30～60天。貨運飛船每次在“月球之門”空間站停靠6～12個月。人類將像小朋友搭積木一樣在太空組裝艙段和空間站。

美國軌道科學公司的“天鵝座”貨運飛船為月球空間站運送貨物。

當“月球之門”空間站飛掠近月點，宇航員和登月器可以就近登陸月球。

“月球之門”空間站建設計劃