李會超

新聞背景

據(jù)英國《自然》雜志網(wǎng)站消息稱，美國國家航天局和歐洲空間局日前召開會議，研討在月球軌道上建造一個(gè)“前哨基地”，從而為未來的載人深空飛行任務(wù)提供幫助。事實(shí)上，美國航天局的“深空門戶”空間站計(jì)劃，就是這個(gè)設(shè)想的基礎(chǔ)。

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國際空間站等待“接班人”

自1998年第一個(gè)艙段被發(fā)射到太空中起，國際空間站已經(jīng)在軌道上運(yùn)行了19年。作為迄今為止人類制造的最大航天器，國際空間站為宇航員提供了長期在太空中駐留的機(jī)會。19年間，美國的航天飛機(jī)和俄羅斯的聯(lián)盟號飛船載著來自17國的宇航員，穿梭于地球和國際空間站之間。國際空間站的貨運(yùn)補(bǔ)給任務(wù)，給了龍飛船、天鵝座飛船等商業(yè)航天公司開發(fā)的航天器嶄露頭角的機(jī)會。此外，國際空間站還是科學(xué)家們開展空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)、測試新航天技術(shù)的絕佳的太空實(shí)驗(yàn)室，為人類的太空探索事業(yè)起到了不可替代的作用。

然而，國際空間站所在的軌道高度僅有約400公里。相比于地球和月球間38.4萬公里和地球到火星間五千多萬至數(shù)億公里的距離，這樣的軌道高度顯得微不足道。從地球向近地軌道發(fā)射飛行器，是航天飛行里最簡單的課題。飛行器通過火箭本身的推力就基本能夠進(jìn)入軌道，無需進(jìn)行復(fù)雜的多次點(diǎn)火、抬升軌道。從地面到國際空間站的飛行，最快僅需要6小時(shí)即可到達(dá)，飛船本身無需為支持宇航員長期生活而特別設(shè)計(jì)。此外，在近地軌道運(yùn)行的空間站，雖然也受到太陽風(fēng)暴帶來的高能粒子影響，但由于處于地球磁場的保護(hù)之下，其所處的環(huán)境比地球磁層之外的深空要好很多。

在2016年年末，歐空局各成員國投票決定繼續(xù)參與國際空間站項(xiàng)目直至2024年。此前，美、日、俄三國也同意國際空間站服役至2024年。這意味著到本世紀(jì)20年代，國際空間站將退役，其“接班人”在此之前必須籌備起來。

將成為探月“前哨基地”

對于深空太空飛行來說，月球恰好是一個(gè)不近不遠(yuǎn)的“中間站”。以阿波羅登月計(jì)劃為例，登月飛船從地球到月球的飛行一般要經(jīng)歷三天左右的時(shí)間，其間飛船要在地球附近依靠火箭上面級的推力變軌，進(jìn)入奔月軌道。在月球附近則要依靠自身的推力減速，以被月球引力捕獲。去往月球的飛行，復(fù)雜程度相對近地軌道飛行已經(jīng)有質(zhì)的不同，但相對于去往火星的漫漫征途來說，仍然是一件相對容易的事情。通過前往月球的飛行，可以在技術(shù)跨度不大的情況下逐步驗(yàn)證深空飛行的新技術(shù)，為有朝一日人類真正登陸火星提供必要的經(jīng)驗(yàn)積累。因此，在下一代空間站的設(shè)計(jì)中，人們將目光投向了繞月軌道。目前，美國航天局已經(jīng)提出了“深空門戶”空間站計(jì)劃。這個(gè)計(jì)劃和“太空發(fā)射系統(tǒng)”火箭、“獵戶座”飛船一道，構(gòu)成了美國的下一代載人航天計(jì)劃。

“深空門戶”建成后，將成為人類探索月球的“前哨基地”。以往，在月球表面著陸的無人探測器和載人飛船，都需要考慮如何與地球通信的問題。當(dāng)“深空門戶”建成后，可以為月球表面部署的所有探測器充當(dāng)通信中繼，探測器只需安裝功率不大的天線，就能在“深空門戶”的中繼下與地球保持穩(wěn)定的通信。激光通信等新技術(shù)的采用，還有望大大提高通信速度。在月球上采集巖石、土壤樣本的探測器，也無需設(shè)計(jì)再入地球大氣層的返回裝置。他們在月球表面采樣完成后，只需將樣品送到“深空門戶”空間站上，就算完成了任務(wù)。而將樣本帶回地球的工作，可以由定期造訪那里的載人飛船或貨運(yùn)飛船完成。這樣，探測器還可以在月球和“深空門戶”間多次往返采樣，降低了探測器的使用成本?！吧羁臻T戶”還有望成為“月球GPS”的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)，為今后在月球表面進(jìn)行大規(guī)模探索活動提供導(dǎo)航保障。

去往火星的“中途站”

此外，“深空門戶”還可以看作月球附近的一個(gè)“太空碼頭”。按照目前的設(shè)想，去往火星或更遠(yuǎn)行星的載人飛船，一般需要由多個(gè)功能各異的艙段組成。這些艙段在宇航員出發(fā)之前，會先期被發(fā)射到月球附近，與“深空門戶”對接。宇航員們到達(dá)“深空門戶”后，將在這里做準(zhǔn)備工作，完成深空飛船的組裝，再換乘深空飛船飛往火星。從火星返回“深空門戶”后，深空飛船的各個(gè)艙段可以停泊在“深空門戶”空間站上等待下次飛行，從而實(shí)現(xiàn)了重復(fù)利用，也節(jié)省了下一次發(fā)射時(shí)所需要的燃料。月球附近的空間輻射環(huán)境已經(jīng)與深空飛行相差不大，通過“深空門戶”的長期運(yùn)行，可以驗(yàn)證輻射防護(hù)技術(shù)，保證宇航員的安全和健康。在月球表面，也可以對火星上需要進(jìn)行的著陸場準(zhǔn)備、基地建設(shè)等工作進(jìn)行測試，積累經(jīng)驗(yàn)。

比起由三十多個(gè)艙段組成的國際空間站，“深空門戶”空間站的個(gè)頭要小不少，僅由四個(gè)艙段構(gòu)成。在這四個(gè)艙段中，深空居住艙是空間站的核心部分，用來支持宇航員長期在繞月軌道上工作生活。貨運(yùn)艙用來進(jìn)行空間站的貨運(yùn)補(bǔ)給工作，同時(shí)也進(jìn)行一些空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)。氣密艙給宇航員出艙活動提供了支撐條件，同時(shí)也是“太空碼頭”的“泊位”，各類深空航天器在啟程之前將與空間站對接于此。此外，供電和推進(jìn)艙，將為整個(gè)空間站的正常工作提供電力和推力保障。

延伸閱讀“深空門戶”

的火箭與飛船

火箭——“太空發(fā)射系統(tǒng)”

建設(shè)“深空門戶”的發(fā)射任務(wù)將由NASA的新一代火箭“太空發(fā)射系統(tǒng)”承擔(dān)。這種火箭的推進(jìn)技術(shù)繼承于航天飛機(jī)。航天飛機(jī)橙色燃料箱兩側(cè)捆綁的那種固體火箭助推器，在經(jīng)過程度不大的改造后將被用于太空發(fā)射系統(tǒng)最初使用的Block1和Block1B兩種構(gòu)型。而后期的Block2構(gòu)型，則會使用全新的助推器。在這幾種構(gòu)型中，火箭的芯一級均采用4臺RS-25液氫-液氧發(fā)動機(jī)，這種發(fā)動機(jī)同樣來源于航天飛機(jī)。目前發(fā)展迅猛的商業(yè)航天公司SpaceX，采用了并聯(lián)數(shù)十臺小推力發(fā)動機(jī)的方法來獲得較大的總推力。與之相比，太空發(fā)射系統(tǒng)采用了另一條技術(shù)路線，即用數(shù)量不多的大推力RS-25發(fā)動機(jī)來獲得較大總推力。這種方案的動力系統(tǒng)相對簡單，因此風(fēng)險(xiǎn)也相對較小。按照NASA目前的計(jì)劃，太空發(fā)射系統(tǒng)在2022年的第一次載人發(fā)射就將進(jìn)行“深空門戶”的建設(shè)。在那次發(fā)射中，火箭將會把載有四名航天員的“獵戶座”飛船和“深空門戶”空間站的供電和推進(jìn)艙發(fā)射到太空中去。在太空發(fā)射系統(tǒng)隨后的三次載人發(fā)射中，其他三個(gè)艙段也會分別被發(fā)射升空，最終在2025年完成“深空門戶”的建設(shè)。

飛船——“獵戶座”載人飛船

承載宇航員在地球與“深空門戶”間往返的，是NASA的“獵戶座”載人飛船。獵戶座飛船是一種兩艙構(gòu)型的載人飛船。服務(wù)艙用來為飛船飛行提供電能、氧氣等必要供應(yīng)，乘員艙用來搭載最多4名航天員。作為新一代載人飛船，獵戶座不但采用了更先進(jìn)的控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和廢物處理系統(tǒng)，乘員艙還具備了回收重用的能力。使用獵戶座飛船，NASA可以執(zhí)行飛往近地軌道、月球軌道甚至火星的飛行。在飛往火星時(shí)，獵戶座飛船人均僅2.25立方米的活動空間會使宇航員在長時(shí)間飛行過程中產(chǎn)生難以忍受的“憋屈”。因此，獵戶座飛船先要到達(dá)“深空門戶”空間站，與已經(jīng)在那里等候它的“深空居住艙”對接，共同完成火星之旅。深空居住艙能夠?yàn)槊课挥詈絾T提供的活動空間可達(dá)70立方米。目前，獵戶座飛船正在測試過程中，而深空居住艙的選型設(shè)計(jì)工作也已經(jīng)展開，已經(jīng)有六個(gè)承包商向NASA拿出了自己的方案。其中，洛克希德·馬丁公司計(jì)劃將為國際空間站提供貨運(yùn)補(bǔ)給服務(wù)的“天鵝座”貨運(yùn)飛船改裝成深空居住艙，而波音公司的計(jì)劃則是利用國際空間站相關(guān)艙段的成熟技術(shù)，來設(shè)計(jì)新的深空居住艙。