载人航天国际合作新目标：地月轨道空间站

□ 张雪松

载人航天国际合作新目标：地月轨道空间站

□ 张雪松

国际空间站又获得了4年延寿，但2024年后也将退役，美国的载人航天任务将转向深空。深空载人航天耗资极为巨大，更依赖国际合作，正因为如此，美国牵头欧俄日正在深化地月轨道（Cislunar）空间站的方案，这将是未来最有希望的国际合作载人航天项目，它堪称地月空间上的小“国际空间站”。

▲ 21世纪初美国宇航局提出的L1轨道的空间站设想

自2004年美国总统小布什提出重返月球的“星座计划”以来，美国的载人航天重心就开始转向深空。“星座计划”耗费几十亿美元后只发射了Ares-IX进行亚轨道测试，2009年新上任的奥巴马总统取消了这个计划，提出21世纪20年代中期载人登陆小行星，21世纪30年代中期飞向火星的远景蓝图，但没有提出详细的路线图和时间表。载人登陆火星虽是人类的终极目标，但奥巴马任内并没有多大进展，只讨论出一堆纸面方案，当然这些方案并不是毫无价值，一个兼顾载人登月、登陆小行星和登陆火星的地月空间站方案就在这段时间里逐渐完善，并得到越来越多的认同。2016年竞选获胜的美国新总统特朗普以及6月份刚成立的美国国家航天委员会都有很强的重返月球的愿望，更是增加了地月空间站的份量。

拉夫特瑞的探索门户平台

月球附近的中转站/前哨站并不是一个新创意，十几年前美国宇航局就有在地月L1轨道部署一个中转站，服务于载人登月的想法，但地月空间站并非当年设想的重复。现在的地月空间站，源自2011年11月波音公司国际空间站项目经理拉夫特瑞提出的方案，拉夫特瑞将其称之为探索门户平台，它使用国际空间站上已经检验的技术和舱段，在地月空间L1或L2点部署一个中转站，作为从现在近地轨道到未来载人登月、登陆近地小行星和火星任务的过渡，并降低未来深空载人探索任务的成本。最初的方案中包括使用航天飞机轨道机动系统和气闸舱的功能舱，缩水版的加拿大机械臂，多用途后勤舱（MPLM），节点舱以及星辰2服务舱等部分，还可能增加比格罗公司的充气膨胀式舱段，它们将使用SLS火箭发射抵达地月系拉格朗日点轨道。从近地轨道到L2轨道的速度增量比直接奔向火星低近1千米/秒，而L2轨道上的中转站出发，只需要很小的速度增量就能在月球表面任何位置着陆，去往近地小行星和火星轨道的速度增量也不大，是一个十分合适的载人深空任务出发地，简而言之，L2轨道空间站的过渡方案要比孤注一掷直接载人登火更为合理。

拉夫特瑞的方案为举棋不定的美国宇航局提供了新的选择，波音也在争取合作与盟友。2012年10月的国际宇航大会上，美国波音公司和俄罗斯能源集团联合提出了基于国际空间站的L2平动点探索平台的方案。新平台由美国的功能舱、节点舱和俄国的科学能源舱组成，载人飞船可以使用猎户座或是俄国的“联邦号”飞船，货运甚至可以使用天鹅座飞船，同时文中还提到了研制可重复使用载人登月舱，以及基于欧空局ATV飞船的可重复使用的月球转移飞行器（LTV）。虽然文中偏重于介绍使用可重复使用的登月舱来实现载人登月，但同样指出无论是前往维护日地L2轨道的大型空间望远镜，还是作为组装火星飞船的集结地，L2探索平台都是非常理想的。

▲ 2017年3月28日最新公布的计划，第一阶段地月空间站，包括一个电推模块，一个居住舱，一个气闸舱，还有一个机械臂，另外还有一个后勤舱图上被挡住了，右方是靠近中的猎户座飞船

▲ 第二阶段的地月空间站，增加了深空运输模块（DST）

▲ SLS火箭发射猎户座飞船和探索增强模块

"百花齐放"的系列探索平台方案

2013年美国的月球探索分析小组会议上，来自波音公司的克劳斯结合小行星重定向（ARM）项目提出了一系列的探索平台方案，由俄国的科学能源模块，美国的航天飞机气闸舱以及国际空间站节点舱等模块组成，节点舱还可选用俄国的球形模块。探索平台中最为简单的构型只有一个ARM平台加一个节点舱/气闸舱，复杂的包括ARM平台，美/俄节点舱、俄国科学能源模块。克劳斯方案和拉夫特瑞方案大同小异，可以看作把原来专门设计的功能舱替换为ARM平台，此外克劳斯在后续修订中还增加了使用比格罗公司BA330充气太空舱的想法。洛·马公司不甘示弱，同样提出了L2轨道的探索平台方案，在美国宇航局的资助下，轨道科学等公司也参与了竞争，竞相提出深空居住舱方案和以此为基础的L2轨道空间站。克劳斯2014年的建议方案中，就提到了以天鹅座飞船为基础研制的探索增强模块（EAM），作为L2轨道空间站的居住舱。

▲ 克劳斯探索平台文件中的载人登月

▲ 探索平台（使用俄国舱段和节点舱）对接猎户座飞船和小行星重定向（ARM）模块

▲ 探索平台（使用航天飞机气闸舱）对接猎户座飞船和小行星重定向（ARM）模块

▲ 探索平台地月空间站全图，包括猎户座飞船，ARM模块，节点舱，科学-能源模块（SPM）

地月空间站雏型

美俄合作是国际空间站的基石，L2轨道空间站构想之初，美俄合作倍受重视，但2014年乌克兰危机让两国关系急转直下，同时作为美国传统盟友，欧洲和日本也开始参与进来，这个位于地月空间的空间站发生了很大的变化。根据俄国航天科普作家阿纳托利·扎克在美国行星学会网站博客发表的文章，最新的地月空间站方案中美国提供节点舱和服务舱，俄罗斯提供气闸舱，加拿大提供机械臂，欧洲和日本各提供一个居住舱。简而言之俄罗斯的份额大幅度减少，至于美国更是因为拥有SLS火箭和猎户座飞船成为这个深空轨道上的小“国际空间站”的顶梁柱。这个地月空间的小型“国际空间站”将部署在大幅值逆行轨道（DRO），它进入和脱离的速度增量比L2轨道略低，但俄罗斯塔斯社消息则表示空间站将位于近直线轨道（NRO）上，NRO轨道更有利于载人登月尤其是极区着陆探测任务，这应该与现在美国、俄罗斯和欧洲都热衷载人登月任务有关。

2017年3月扎克最新发表的文章称，美国宇航局与其他国际空间站合作伙伴正在幕后悄悄完成地月空间的空间站设计。2017年2月各个航天局在日本筑波开会，深化论证月球轨道空间站的具体设计，接下来的几个月中继续完善，筑波会议上这个小“国际空间站”参与国们作出了一项重要决定，让空间站运行在近直线晕轨道（NRHO）上，这个绕着月球的大椭圆环轨道近月点约1500千米，远月点高达约70000千米，这样的轨道上空间站总是位于地面控制站的观测范围内，同时也避免了月球遮挡阳光，还节省了用于轨道维持的推进剂。“空间站”运行在NRHO轨道上最大的好处是易于进入和脱离，猎户座飞船从奔月轨道变轨对接“空间站”消耗的推进剂更少，紧急或是日常脱离返回地球时同样更为容易，从这个“空间站”前往小行星或是火星也远低于环月轨道，不过天下没有免费的午餐，从NRHO轨道下降到月球表面，需要消耗更多的推进剂，这对登月舱的设计指标提出了更高的要求。月球空间站另一个看点是真正的闭环环控技术，它将做到比国际空间站更高水平的水和氧气的回收，这也是深空载人航天需要更大速度增量带来的必然需求。根据目前的设想，这个地月空间站的主要舱段将使用美国的SLS重型火箭发射，至于载人飞船自然首选美国的猎户座飞船，不过PPB服务舱后来分为美国负责的推进模块PPE和欧洲负责的加油通信模块ESPRIT两部分，后者打算使用阿里安6火箭发射，俄国也在评估使用本国的安加拉-5大型火箭发射气闸舱甚至“联邦号”飞船的可能性。随着重型“猎鹰”以及载人“龙”飞船的逐渐成熟，太空探索技术公司也可能在乘员往返环节上分一杯羹。空间站货运方面，各国航天机构都想将其交给自己的承包商，无论是美国联合发射联盟的重型火神火箭，还是太空探索技术公司的重型猎鹰火箭都有机会，太空探索技术公司和轨道·ATK公司更因为现有的国际空间站货运经验而占据优势，俄罗斯也可能使用安加拉-5火箭发射下一代“进步号”飞船，为这个深空载人空间站提供货物服务。

▲ 2017年新提出的NRHO轨道示意图

▲ L2轨道上的探索平台可以机动到近月轨道，支持载人登月

▲ 国际空间站和地月空间站位置示意图

俄罗斯执着于未来进行载人登月，已经提议讨论为这个月球空间站预留转移到月球低轨道的能力。欧空局局长更是野心勃勃要在月球极地建立月球村，美国新总统也对立竿见影的载人登月任务更感兴趣。更重要的是，各国的载人航天需要保持延续性，2024年国际空间站即将坠落，而载人火星任务难度太大遥遥无期，在预算有限的未来，对美俄欧日来说，通过国际合作在月球轨道上建立一个小型“国际空间站”不失为一个理想的选择。

责任编辑：陈彩连