日本如何參與美重返月球計劃

文/ 李晨風

2020年7月9日，美國宇航局與日本政府簽署了一項協議，日本正式加入了美國重返月球的“阿爾忒彌斯”計劃。

這份名為《聯合勘探意向聲明》的協議是由美國宇航局局長吉姆·布里登斯汀和日本政府教育、文化、體育、科學技術大臣黑田光一在一次虛擬會議上簽署的。

布里登斯汀在一份簡短的聲明中說：“今天簽署這項意向聲明是建立在美日兩國在太空領域長期成功合作的基礎上的……我們感謝日本對阿爾忒彌斯計劃的大力支持，并期待著將我們在國際空間站上所享有的強有力的伙伴關系擴展到地月空間、月球表面等領域。”

兩國政府都沒有公布宣言的文本，但他們形容這份文件概述了日本在人類和機器人探索方面的作用。這將包括對月球門戶和月球表面探測的貢獻。

美國和日本是長期的航天合作伙伴。自從特朗普政府提出2024年載人重返月球的阿爾忒彌斯計劃，日本政府就一直非常積極，反復表態打算參與其中。

▲ 2020年7月9日，美日雙方舉行遠程簽字儀式

日本感興趣的四大領域

2019年10月，第70屆國際宇航大會在美國舉行。其間，布里登斯汀在六大航天局局長（中國國家航天局代表團因赴美簽證問題，未能到會）會議上發表講話稱：“我們需要國際伙伴。當我們共同努力時，我們都能做得更多。”

布里登斯汀在記者招待會上說，美國宇航局希望國際空間站目前的所有合作伙伴都參與到地月軌道空間站和阿爾忒彌斯計劃中。日本實際上是第二個宣布有意加入阿爾忒彌斯計劃的航天大國。2019年2月，加拿大宣布將為該計劃的地月軌道空間站開發一種機械臂“加拿大臂3號”，并且在未來24年內將為這個計劃投入約15億美元。

當時，歐空局和俄羅斯航天局都在考慮各自能提供些什么，例如艙段和氣閘室。布里登斯汀甚至表示，澳大利亞航天局簽署了一份文件，旨在研究澳大利亞對阿爾忒彌斯計劃的潛在貢獻，印度和阿拉伯聯合酋長國也有加入阿爾忒彌斯計劃的機會。

▲ 地月軌道空間站曾經的國際分工

那么，日本政府到底提議了些什么呢？就在國際宇航聯大會舉行前不久，日本首相安倍晉三發表聲明，宣布有意加入阿爾忒彌斯計劃。當時，安倍并沒有明確指出，日本具體將如何參與這個計劃。不過，這應該認為是一次比較及時的政治表態。在安倍發表聲明前一個月，布里登斯汀就訪問了日本，與日本宇宙航空研究開發機構簽署了一份關于月球探測潛在合作的聯合聲明。

▲ 豐田公司載人月球車的設想圖

披露具體合作內容的是日本宇宙航空研究開發機構負責人奧村直樹。他說，日本對四個具體領域感興趣。首先一個是為地月軌道空間站的“居住和后勤前哨站”（HALO）艙段提供組件，這將是地月軌道空間站的首批組件之一。前哨站的總承包商是美國諾斯羅普·格魯曼公司。奧村直樹說，日本可以為之提供電池和儲罐等部件。

▲ 豐田公司月球車與人體的對比

第二個領域是提供月球表面的數據。日本宇宙航空研究開發機構正在開發一個名為“智能著陸器”的任務，簡稱SLIM。這項目的主要目的，其實是突破在月球表面精確軟著陸的能力，也就是類似于“嫦娥三號”和“四號”的那種能力。這個著陸器計劃在2021年年底或2022年年初發射。

第三個領域是為地月軌道空間站提供后勤支持。為此，日本提出了HTV-X飛船，它是用于國際空間站的HTV貨運飛船的改進型號版本。HTV-X將用H3火箭發射。這種火箭的首飛定于2020年年底實施。

▲ 豐田公司月球車帶有一面太陽電池

日本宇宙航空研究開發機構感興趣的最后一個、也是最雄心勃勃的領域，是地月軌道空間站居住艙和載人月球車。其中后者不再是阿波羅計劃中的那種敞篷車，而是有密封車艙的加壓車。航天員在車內可以不穿艙外航天服。這個項目的企業合作對象，正是著名的豐田汽車公司。據稱，這是日本宇宙航空研究開發機構正在尋求的幾個行業合作中“最大、最具象征意義”的一項協議。

▲ 豐田公司月球車的燃料電池裝在尾部

被接納的歐洲和被拒絕的俄羅斯

看到日本如此積極主動，歐空局在第二個月舉行的部長級會議上決定加入阿爾忒彌斯計劃。歐空局在國際空間站合作中獲得了巨大的科學收益，因此對阿爾忒彌斯計劃也有很大興趣。局長沃爾納認為應當充分利用國際空間站的成功機制。他說，為空間站談判最初的政府間協議花了8年時間?！拔铱刹幌氲?年?！?/p>

俄羅斯當時也傾向于加入美國的載人登月計劃，包括加入地月軌道空間站建設。俄羅斯宇航局載人航天執行主任謝爾蓋·克里卡列夫說：“我們正計劃參與這個空間站?！?/p>

克里卡列夫在隨后的記者招待會上說，俄羅斯所能做出的貢獻可能涉及某些運輸系統，比如俄羅斯宇航局幾年來一直在研發的載人航天器，它可以為美國宇航局的獵戶座飛船提供一種備份方案。他說：“我們認為備用運輸系統和空間站艙段將是俄羅斯可以參與的內容?！?/p>

▲ 豐田公司月球車將具有很好的越野能力

▲ 地月軌道空間站是日本的參與目標之一

但是很顯然，美國此后的政治氣氛已經無法讓俄羅斯繼續參與這項國際合作了。2020年7月中旬，俄羅斯航天局局長、俄羅斯副總理羅戈津宣布，打算和中國共同建設月球基地。

那么，布里登斯汀考慮中國了嗎?當時就有記者提出了這個敏感的問題，不過這位局長避而不談，他指出，現行法律禁止美國宇航局和中國在未經國會批準的情況下進行雙邊合作。他甚至說：“要改變這種情況的話，我可沒掙那份工資?！?/p>

日本航天員何時能登月

不過地月軌道居住艙和加壓月球車都不是很快就能研制出來的。根據日方的說法，它們很可能要到2025年后才能研制出來，對接到地月軌道空間站上。而月球車要到2029年或2030年才能研制出來。

▲ 美日航天局長和豐田公司負責人展示月球車

▲ H3的固體助推器運往試驗場

作為對阿爾忒彌斯計劃這些貢獻的交換，日方有可能得到機會，讓日本航天員參與以后的飛行任務，包括登月。奧村直樹說：“我們希望派遣一些日本航天員到月球表面，這將由兩國政府協商。”

無論最終協議的條款是什么，日本宇宙航空研究開發機構又能夠從自己的政府那里獲得什么樣的財政資源，他們都很看重這次合作機會。奧村直樹強調說：“日本有很強的動力，利用我們的核心競爭力去開拓新的領域，并加強美日之間的合作?！?/p>

豐田公司的月球車

那么，日本將為美國的月球探索計劃提供的加壓月球車到底長什么樣呢?

在美國宇航局探索科學論壇的一次會議上，美國宇航局高級探測系統部代理主任、前美國宇航局獵戶座項目經理馬克·基拉西奇說：“它和空間站的居住艙差不多，可以支持兩個人生活14天，只不過它是帶輪子的。我們可以把它理解為一種月球上的房車?！?/p>

▲ H2與H3火箭的對比

▲ H3火箭的基本結構

他說，美國宇航局認為讓日本宇宙航空研究開發機構參與一個“主要的月球表面元素”工作是很重要的，因此日方將主導這種月球房車的開發。美國宇航局之所以認為日方的參與“很重要”，是因為日本在這方面已經有了很好的技術基礎。

2019年7月16日， 日本宇宙航空研究開發機構和豐田汽車公司宣布，簽署了一項為期3年的聯合研究協議，從2019財年到2021財年研究使用燃料電池電動汽車技術的載人加壓月球車，制造、測試和評估原型車，以此作為參與美國載人探月活動的一部分工作。

豐田是世界上最大的地面車輛制造商之一，豐田汽車在人們生活中很常見?！坝新繁赜胸S田車”也是人們熟悉的廣告詞，但月球上沒有路，還會有豐田車嗎？

考慮到美國本次重返月球并不是“阿波羅”計劃那種待一會兒就走的任務，而是多天考察、為后續月球基地奠定基礎，所以月球車的研制面臨著許多挑戰。月球重力是地球重力的六分之一，月球地形復雜，有火山口、懸崖和山丘，而且月球車暴露在比地球更嚴酷的輻射、溫度條件以及超高真空環境中，所以豐田提出了“太空機動車”的概念，來設法適應上述環境條件。

目前豐田公司還沒有公布設計細節。但是根據已經透露出來的一些信息，豐田設計的火星車長約6米、寬5.1米、高3.6米，是一種非?！胺健钡能囕v。它的內部容積達到近13立方米，可以為兩名乘員提供足夠的生活和居住空間。豐田公司還表示，“在緊急情況下可以乘坐4個人”。

▲ H3火箭的固體助推器在點火試驗中

▲ H3火箭的構想

豐田月球車最大的特點，是使用燃料電池系統。日本企業在民用車輛燃料電池技術上居于世界領先地位，豐田Mirai等型號上已經開始采用這種技術。長期以來，豐田一直試圖開發混動汽車和燃料電池汽車，來改變世界汽車產業格局。對日本宇宙航空研究開發機構來說，燃料電池技術的 “負排放”也符合太空探索的需求。

豐田執行副總裁長谷伸一曾經這樣表示：“使用清潔發電方法的燃料電池只排放水，而且可以提供大量的能源?！?/p>

豐田表示，該車的“月球表面續航能力”將近1萬公里。月球車還要裝備一個折疊式的太陽能電池板來提供電力。

按照計劃，2019財年內，要確定在月球表面駕駛所需開發的技術要素；起草月球車原型的規格；2020財年內，要為每個技術元素制造測試零件，并制造一輛月球車原型；2021財年，要測試和評估制造的零部件和月球車原型，然后將原型車改裝為正式的量產型。

為此，在2019年7月1日，豐田公司成立了一個專門的月球探測車輛工廠，計劃在2020年年底前將該部門的員工人數擴大到大約30人。

日本宇宙航空研究開發機構打算通過這個月球車項目，獲取與月面駕駛技術相關的數據。而且這種月球車的主要用途，是前往探測月球極地地區，調查使用月球資源（如水冰）的可能性，并為今后的大型天體表面探測技術打下基礎。

上述3年期研制工作完成后，日本宇宙航空研究開發機構和豐田將從2022年開始啟動1:1比例原型月球車的制造和評估，開展月球極地探測所需驅動系統數據的獲取和驗證測試；從2024年開始實施月球車工程模型的設計、制造和評估，以及飛行樣機的設計；從2027年開始實施飛行樣機的制造、性能和質量測試，到2029年發射。

▲ 在實驗中的H3火箭固體助推器

用來登月的H3火箭

在日本參與美國登月的活動中，豐田公司其實還要排在后面，排在第一位的，是負責研制火箭的三菱重工。安倍在2019年10月表態之后，三菱重工很快發表聲明，稱2021年要對H3火箭做進一步升級，確保它在2025年能向月球運送貨物。

H3火箭的開發目標之一，是降低日本火箭的成本，以便在全球商業衛星發射市場上占據更大的份額，同時也滿足日本的軍事和民用發射需求。

H3是一種兩級火箭。第一級使用液氧和液氫推進劑，有不攜帶固體助推器、攜帶兩個或四個固體助推器這三種配置，固體燃料為聚丁二烯。第一級采用兩臺或三臺LE-9發動機提供動力，它與H2火箭的LE-5B發動機有所類似。一級火箭攜帶225噸燃料。二級采用改進型LE-5B發動機，攜帶23噸推進劑。

H3火箭的變型比較多，因此需要在名稱上加以區分。它采用“H3”+兩位數+字母的命名方式。兩位數中的第一個數字表示芯級的LE-9發動機數量，可以是“2”或“3”。第二位數字表示固體火箭助推器數量，可以是“0”“2”或“4”。固體助推器的所有布局都是對稱的。末尾的英文字母表示有效載荷整流罩的長度，短罩為“S”，長罩為“L”。例如，H3-24L表示有兩臺LE-9發動機，四個固體火箭助推器，采用長整流罩，而H3-30S表示3臺LE-9發動機，沒有固體火箭助推器、采用短整流罩。

▲ H3火箭主發動機

▲H3火箭主發動機點火測試

截至2018年11月，日本宇宙航空研究開發機構提出了3種具體配置：H3-30、H3-22和H3-24。顯然，都沒有給出整流罩規格。

此前日本宇宙航空研究開發機構曾經提出H3-32，但在2018年年底被取消，改為H3-22。H3-32的性能顯然更好，但日本宇宙航空研究開發機構從獵鷹9號火箭的經驗認識到，衛星運營商往往傾向于利用衛星本身的遠地點發動機來進入靜止軌道，過于強大的火箭是沒有必要的，H3-22火箭足夠滿足需求了。

但是載人登月需要的火箭運力越大越好。2019年10月，三菱重工負責人在第70屆國際宇航大會上發表演講時說，為了支持美國宇航局未來的月球飛行，三菱重工正在考慮H3的兩種變型，分別是基本型和重型。

▲ 在測試中的H3火箭燃料罐

H3基本型可以將7.9噸的載荷運送到地球同步轉移軌道上。如果對第二級進行改進，就可以把3.4噸多的加壓貨物和1噸多的非加壓貨物運送到地月軌道空間站上。他說，將一艘HTV-X貨船發射到地月軌道空間站需要兩次H3基本型發射。第一次發射將把HTV-X送入環繞地球的軌道。第二次發射將發射一個帶有附加燃料箱的上面級，與HTV-X對接，一起飛向地月軌道空間站。三菱重工可能在2025年或2026年執行這樣的任務。很顯然，這個時間晚于美國宇航局首次載人重返月球的時間表。

三菱重工打算把H3火箭改造出一種重型版，就是把三個第一級捆綁在一起，構型和美國聯合發射聯盟公司的德爾塔 4火箭重型版或太空探索技術公司的重型獵鷹火箭類似。它可以把載荷送入地月轉移軌道或者直接飛到環月軌道。

日本共同社說，H3重型版可以把11.9噸載荷送入奔月軌道，地球同步轉移軌道運載能力達到14.8噸，近地軌道運載能力達到28.3噸。按照有關報道，H3重型版適合于把加壓月球車、月球居住艙和大量建筑材料直接送到月球表面。按照三菱重工的計劃，重型版H3要到2030年才能投入使用。★