“月球門戶”居住艙：神奇軌道上的月宮核心

文/ 田豐

2021年7月9日，美國宇航局正式將9.35億美元采購合同授予諾格創新公司，由其設計、制造和總裝由美國牽頭的環月空間站“月球門戶”（Lunar Gateway）的“居住與后勤前哨站”（Habitation and Logistics Outpost，以下簡稱HALO）艙段。作為“月球門戶”核心艙段之一，該艙段將充當航天員的起居室和指揮中心。它將設有供獵戶座載人飛船、太空探索技術公司龍-XL貨運飛船和“星艦”登月艙以及其他參與國加裝的后續艙段使用的通用對接口。

該艙段預計于2024年和另一核心艙段一并由重型獵鷹火箭發射升空。至此，美國阿爾忒彌斯計劃中的“月球門戶”空間站的兩大核心艙段及其發射合同均已正式簽訂，競標過程塵埃落定，正式轉入全面研發制造階段。

構想中的第二階段“月球門戶”，增加了國際居住艙和氣閘艙等，還可對接獵戶座飛船、登月艙、貨運飛船

登月跳板——“月球門戶”

2017年，時任美國總統特朗普宣布美國將載人重返月球，于是推出了代號“月球門戶”的環月軌道空間站計劃，主要作用是為未來各成員國載人深空任務提供中轉服務。“月球門戶”建成后不僅可以作為載人月球觀測站，同時也是多國載人登月任務中往返于地球和月球表面的中轉站，更是未來載人登陸火星任務的重要組成部分，是未來美國載人深空探索的核心組成部分。

“月球門戶”設計運行在特殊的月球近直線暈軌道（NRHO），設計壽命15年。目前已確定的主要艙段如下：首先是由美國負責牽頭研制的電源和推進艙（PPE）；同期發射的還有美制居住艙，即HALO；隨后還有歐洲和日本聯合的國際居住艙。加拿大則利用國際空間站的經驗，繼續負責機械臂。原定提供氣閘艙的俄羅斯目前仍未最終敲定是否繼續參與項目，美方將自行準備一個氣閘艙供航天員開展EVA活動。

相對于近地軌道的國際空間站，“月球門戶”并非換條軌道的簡單復制，而是做了很多改進。首先是受限于軌道和任務規模，任務規模適當縮小，艙段數量和可居留空間明顯減少。其次是采用特殊的繞月軌道，美國宇航局選定NRHO作為“月球門戶”的工作軌道，該軌道具備自由進出所需△V小、穩定性好、通信和光照條件好等特點，優于傳統的拉格朗日點和環月軌道。還有，“月球門戶”采用大功率電推進組合，軌道維持開銷大幅降低，更關鍵的是可大范圍自行變軌和在軌加注，從而支持有人及無人登月任務。第三是為降低補給壓力，將采用一系列高循環率的可再生生保系統，并提供潛在可擴展性。

目前計劃是在2024年中期采用重型獵鷹火箭一次性將月球門戶的兩個核心艙段（HALO和PPE）一并發射升空。一旦“月球門戶”如期發射，就將基本具備載人登月的中轉能力，在此基礎上，參與成員國僅需要單獨研發登月艙，并將其發射至NRHO軌道，即可完成載人登月的所有準備工作。航天員以“月球門戶”空間站為起點，可以到達月面各個地點實施探索，包括月球極區，甚至可以支持月面短期或半永久科研站的運轉。

歐空局公布的月球門戶二期渲染圖

增強型天鵝座飛船實物

居住艙設計的變更

“月球門戶”在2016年曝光時原設計有兩個居住艙。兩個居住艙分別由日本宇宙航空研究開發機構和歐空局設計和制造，功能上交叉互補，結構上串聯布置。不過，它們都將配備完整的環控生保系統，還有熱控、通信、導航、供電和消防安全系統，并規劃有私人密閉空間，擬在內部隔間引入充氣式設計以節省空間。而日本宇宙航空研究開發機構原計劃引入一套高循環率的封閉式生保環控系統，該系統可在超過35天的載人深空任務中大幅減小貨物補給需求，但該系統尚未在國際空間站上得到充分測試和驗證，目前已改為證明其可靠性后擇機引入。

為節省空間，居住艙的廚房區域當時設計有可展開餐桌及加熱設備，配備一臺冰箱，用于貯存食物和樣品。居住艙設置包含回收設備的廁所。一號居住艙還設計有可折疊的健身器材，以支持必要的生理實驗和體育鍛煉，此外還在規劃有3D打印機的工作區域。專門設置有貯存區，用于貯存食物、淡水、服裝和其它補給品。且準備在居住艙周圍設置柔性儲水層，并引入一些額外的內部輻射屏蔽設備。在艙內設備上，因為“月球門戶”艙段之間的對接口尺寸限制，目前在國際空間站上使用的標準機柜架不適用于“月球門戶”，因此各項目方已經計劃重新開發一套輕量化的通用機柜系統。

2017年3月，居住艙設計發生重大變更。在“月球門戶”的多邊協調委員會會議上，居住艙從原定由日本宇宙航空研究開發機構、歐空局分別負責的2個被縮減為共同負責的1個，并命名為“國際居住艙”。還有仿照國際空間站航天員通過圓頂艙段的全景窗戶觀察地球，“月球門戶”擬增設360°球面觀察窗，使航天員可以享受月球景觀。2019年8月，受特朗普2024重返月球目標的壓力，美國重新規劃了居住艙的發射規劃，將日歐合作的國際居住艙后移至2026年的“阿爾忒彌斯-3”任務發射。另外由美方獨立牽頭研制一個核心居住艙，也就是現在的HALO，并盡快與PPE組成登月所需的“最小系統”，以滿足2024登月的政治任務。目前雖然2024登月的時間點已不再現實，但現有的PPE和HALO兩大核心艙段的大局已定，基本由美國一力承擔。

從貨運飛船到深空家園

事實上，現有的HALO方案并非從頭打造，本質上是國際空間站貨運飛船的“深空大改”。

故事要從軌道科學公司說起。該公司在2008年末正式獲得了美國宇航局的國際空間站商業補給服務合同，并于2013年首次成功利用天鵝座貨運飛船向國際空間站輸送貨物。截至2021年8月，“天鵝座”累計成功執行了15次貨運任務，經驗可謂豐富。但飛船的成功并沒有拯救這家公司，軌道科學公司后被軌道·ATK公司收購，而軌道·ATK公司又于2018年被“諾·格”收購。

“軌道· ATK”早在被“諾·格”收購前的2016年就參與了HALO艙段的前身項目——美國宇航局“下一步探測空間技術伙伴關系”（NextSTEP）合同，成為當時拿到NextSTEP項目下居住艙論證合同的6家公司之一。最終美國宇航局經兩輪評估后認為僅“諾·格”一家能按時交工，而“諾·格”在NextSTEP階段中逐步優化定型，增大艙內空間，追加對接口以充當核心艙段。還通過模塊化思路單獨配備了電力、環控、導航系統，以此作為PPE相應系統的備份，最終形成HALO的基本形態，即以“天鵝座”飛船的增強型為基礎，通過大面積改造成為可獨立升空并變軌的無人深空艙段，初步設計有兩個徑向和兩個軸向對接口。

而在美國宇航局決定合并發射后，HALO與PPE重疊的導航、通訊、推進分系統均被刪除，HALO和PPE間的對接機構簡化為固定式過渡段，且所有對接口均改為被動端。此外還免去了月球軌道對接的高風險操作，同時HALO的居留空間進一步擴大。在測控方面，合并后“諾·格”將不再進行飛船通訊和控制，一并交由PPE艙段負責。截至目前，HALO將為站上航天員提供初期的生活和指揮空間，并設置有供擴展艙段及到訪的貨運和載人飛船使用的對接口，可支持4名航天員居留30天以上。

HALO內部剖面圖

整合發射的決定

在2017年最初的任務規劃中，PPE和HALO應由兩次SLS火箭分別發射升空，并由獵戶座飛船帶至NRHO軌道并對接，然而SLS火箭的進度一推再推，單發成本逼近20億美元。加之時任總統特朗普對2024登月的要求急迫，2019年美國宇航局轉而考慮成熟、靈活且低價的商業火箭，當時已順利完成首飛的重型獵鷹火箭進入備選清單。于是，該局將計劃修改為兩個艙段由“重型獵鷹”單獨發射，不再由“獵戶座”帶飛。因為PPE自帶動力，可自行變軌進入NRHO軌道，但HALO卻需要額外配置推進艙。

2020年5月，美國宇航局經評估后再次變卦，考慮將PPE和HALO進行合并發射，地面對接后由“重型獵鷹”一次性發射升空。此舉有望節省大量時間和費用，并降低任務風險和復雜度。新方案不僅節省了一次發射費用，原有兩艙需重復配備的多個分系統均可簡化，“諾·格”的工作量大幅減少，最關鍵是進度亦可順勢提前，減費增速效果明顯。

“重型獵鷹”脫穎而出

合并發射后的PPE和HALO被整體包絡在加長整流罩內

新方案并非完美無缺。兩艙合并需配備超長整流罩，而“重型獵鷹”現有整流罩內高僅11米，全直徑內高僅6.7米，顯然不夠。巧合的是當時“重型獵鷹”正打算推出加長整流罩，合并發射的提案兩家一拍即合。但實際上太空探索技術公司此舉并非為迎合美國宇航局，而是美國軍方的要求，因為當時太空探索技術公司正與其他3家公司競逐“國家安全發射”項目，作為未來10年美國軍用航天發射的“劃地之戰”。中標之后，“重型獵鷹”將接過重型“德爾它4”的部分天價機密載荷發射任務，勢必需要額外研發類似后者的全長15米，全直徑內長11米的長整流罩，同時還要在LC-39A發射臺興建垂直總裝廠房，以便進行載荷的垂直整合。美國宇航局修改方案進行合并發射，其實是借了軍方的“東風”。

最終，美國宇航局于2021年2月正式選定“重型獵鷹”合并發射月球門戶的兩核心艙段，價值3.318億美元。雖然相較“重型獵鷹”商業發射報價可謂昂貴，但我們要知道，美國宇航局最初發射兩艙段所擬用的兩發SLS耗資可是高達30多億美元。同時“重型獵鷹”首飛至今3次發射全勝，2024年艙段發射前還有5~7張訂單可供積累可靠性，而SLS火箭至今仍未首飛。

優中選優的特殊軌道

在最終發射過程中，“重型獵鷹”將把PPE和HALO送入高地球軌道。分離后PPE上的大功率電推進器將開始工作，經過約270天的時間和多次變軌逐步將兩艙組合體送往環月軌道，直至進入預定的NRHO工作軌道。除接待“獵戶座”載人飛船外，美國宇航局還打算讓按載人配置的登月著陸器在繞月軌道上同“月球門戶”對接。這些著陸器可在“月球門戶”上補加推進劑，以便多次往返于月面。

NRHO作為環月軌道中的新面孔，在人類以往的航天任務中鮮有采用，但經美國宇航局評估卻是一條常駐月球的理想軌道，是從眾多軌道方案中優選而來。首先，在地月轉移可達性方面，常用的低月球軌道（LLO）因能量較低，不能滿足“獵戶座”速度增量小于1250米/秒的約束條件。常見的順行環月軌道（PCO）、月球凍結軌道（FLO）、月球大橢圓軌道（ELO）的速度增量隨發射窗口變化而不穩定。而近直線軌道（NRHO）、L2點的暈（HALO）軌道、大幅值逆行軌道（DRO）速度增量在800~900米/秒之間，且比較穩定。在登月可達性方面，因載人任務需要出發后盡快到達月面，而對于L2點和DRO軌道，進入LLO的時間卻長達3~4天，所以NRHO軌道在本輪勝出。

除此之外，NRHO軌道每年僅需約10米/秒的ΔV即可滿足軌道維持需求，推進劑開銷幾乎可忽略不計。而對地通信方面，L2點和NRHO都完全無遮擋，可保持對地通信隨時暢通。與月面的通信方面，L2點和NRHO則具有最佳的通信覆蓋率，兩者可謂勢均力敵。不過NRHO對月球兩極區域非常友好，有86%的時間都可以實施無中繼直接通信，恰好契合了近年興起的月球兩極探索熱。最后在熱控方面，NRHO軌道熱環境也相對友好，減小了艙段的熱控壓力。

項目的意義

合并發射狀態下的PPE和HALO艙

軌道、艙段、火箭無不是精心謀劃和巨資投入的“月球門戶”，是阿爾忒彌斯計劃的核心之一，也是未來近20年載人深空探索的重要樞紐和中轉設施，這一項目的成形和最終實施對參與的各成員國乃至航天產業都將產生深遠的影響。

對于項目的核心發起方美國而言，“月球門戶”首先在政治上正好暗合維持美國在航天領域絕對領先地位的思想。此外，作為繼國際空間站之后的另一個國際性合作項目，可以成為新的政治紐帶，將國際空間站成員國繼續組織起來，拖延乃至阻止成員國與其他國家接觸合作的可能。而多國合作模式還可以分攤設計和研制成本，契合最終目的為載人火星登陸的長期目標。

除此之外，在近10年商業貨運補給項目和商業載人航天項目的牽引下，以太空探索技術公司為首的一大批新興航天企業茁壯成長，同時倒逼傳統航天企業對已有火箭及航天器進行降價換代。這些公司已不再滿足于近地軌道業務，正以積極的態度參與到以“月球門戶”為牽引的載人深空探索之中。

對載人登月本身而言，“月球門戶”實質是包辦了航天員的地月轉移過程，各成員國僅需要研發登月艙即可實現載人登月，從而規避了各成員國需具備獨立載人航天能力的硬性要求，無論在經濟性還是政治性上均有利于各成員國。隨著分工和任務逐步明晰，載人登月在政治上起到了肉眼可見的宣傳效應，而在經費支出和技術跨度上都已經被降低到可接受的程度。

美國宇航局備選的軌道示意圖（NRO即NRHO軌道）

太空探索技校公司獨家中標“月球門戶”的貨運飛船項目

但我們也要看到，“月球門戶”本身在高循環率環控生保、深空輻射防護、大規模電推進器、氙推進劑在軌加注、長期無人自動運行、空間碎片防護等方面仍面臨諸多技術挑戰。因此，“月球門戶”的最終成型還需假以時日，過程也不會一帆風順。就項目本身而言，重返月球計劃的提出不過是已有技術儲備順水推舟的成果，其核心還是為了維持美國在載人航天領域的領導地位，本質上還是換湯不換藥的。