载人去火星先控小行星

刘声远

美国宇航局正致力于研发辨识、捕捉和转移小行星到月球附近一个稳定轨道，并且派遣宇航员把小行星样本送回地球任务。通过这一被称为“小行星转移”的任务、通过测试未来载人火星任务所需的技术，将大大推进该局载人前往火星的计划。

40年来，宇航员在太空中一直需要依赖地球来获取物资和机动支持。而利用美国“阿波罗号”登月舱和航天飞机等飞行器完成的许多任务持续的时间都很短，只能持续数天或数星期。在处于低地球轨道的国际空间站上，宇航员一般能待6个月。如果出现紧急情况，空间站上的宇航员几小时内就能返回地球。因此，这些任务被称为地球依赖任务。

奠基载人火星之旅

在空间站上进行的测试，正在帮助我们寻找摆脱地球依赖的途径，这样一来，宇航员在太阳系中更远的地方进行探索时就能更加自主。美国宇航局的小行星转移任务和载人探索小行星任务将进一步提升宇航员在深空（尤其是在地球与火星之间）的自主能力，或者，至少能提升宇航员在月球附近从事探索的自主能力。

月球附近的深空环境不同于低地球轨道上的环境，而是非常类似于美国宇航局“猎户座号”飞船将会在往返地球与火星之旅中经历的环境。例如，宇宙辐射会更强烈。另外，地球与月球之间的往返时间也比较长：就现有技术而言，载人机组需要11天，货运飞船需要10～100天。载人火星之旅或载人火卫（火星卫星）之旅的任务期更长，在此过程中宇航员能依赖地球物资供给的可能性更低。对于测试这样的任务来说，月球附近空间很合适。

载人往返火星系统（火星及火卫）一次，可能需要500天或更长时间，其中包括6～9个月的飞行时间，因此载人火星任务不能依赖地球。为解决这一问题，美国宇航局将通过小行星转移任务，研发一系列新技术和新设备，把载人火星之旅从设想变为现实。

太阳能电力推进

采用先进的太阳能电力推进技术，是未来把更大的负载送往深空和送到火星系统的一种重要手段。与燃烧化学推进剂产生推力的化学推进不同，太阳能电力推进是利用太阳能电池板的电力将氙气等惰性气体分子离子化，然后通过电场将其加速后喷出，进而产生推力。由于太阳能电力推进方式对推进剂的利用非常高效，因而其所需的推进剂仅为常规化学推进方式的1/10～1/5。化学推进能产生很大的推力，但是要消耗大量的推进剂，所以只适合于将航天器从地球送上太空等需要提供短期动力的任务。太阳能电力推进产生的推力并不大，仅仅与顶起一张A4纸的力道差不多，但是这个推力可以长时间地持续产生，也就可以持续不断地给航天器加速。由于太空中的阻力可以忽略不计，经过持续加速的航天器最终可以达到惊人的速度，所以太阳能电力推进技术非常适合于深空探测任务。

捕捉小行星并让它转向的机器人任务，将测试迄今为止用于太空任务的最大和最先进的太阳能电力推进系统，也将测试由美国宇航局“太空发射系统”火箭发射的“猎户座号”飞船怎样与太阳能电力推进的飞船对接和运作。在载人火星任务实施之前，这一新技术将有助于把居住舱、推进剂和大量货物发送至火星系统。

轨迹和导航

载人火星之旅需要解决与地球距离很远以及运输货物很多的问题。这一货物量比目前送往空间站的货物量大得多。而将较大质量的货物发送到火星的技术将在一定程度上得益于小行星转移任务。这是一种通过一系列精准机动，以一定的距离和大量延时来拦截小行星的技术。此外，到达月球轨道所需的精准度与到达火星轨道所需的精准度类似；执行月球附近的小行星转移任务需要非常精准的能量平衡和高度控制，这与往火星运送货物所需的工作精准度有很高的可比性。

用“猎户座号”飞船载人前往月球附近的小行星，要求一系列复杂机动来与机器人飞船会合和对接。这项旅程的出发段和返回段，各需要一次重要的月球引力助力点火，它们将在月面上方大约100千米处进行。插入和离开遥远的返回式轨道，也需要非常精准的机动，这与插入或离开火星、火卫轨道时的点火有相当可比性。

宇航服革新

美国宇航局今天用于国际空间站上的一些宇航服系统还是40年前设计的。这些宇航服统称“舱外活动单元”，它们是真正的工程学杰作，但要让宇航员在太空中维护它们并不容易，因此它们一般都会被送回地球维护。鉴于深空探测和登陆火星、火卫表面等任务的复杂性，原有的宇航服需要在主要的生命保障系统等方面进行升级。例如，面对火星表面的二氧化碳大气层，现有宇航服主要生命保障系统的降温技术就显得过时了。

美国宇航局正在研发一种先进的主要生命保障系统，它将通过改进二氧化碳去除、湿度控制和氧调节技术，来保护火星宇航员。宇航服的降温系统也正在重新设计，目的是让液体在稍高的大气压（类似于火星表面环境）下在太空的储存时间更长。宇航局科学家也在对宇航服的手套进行升级，提高热容量和灵活性。重新设计主要生命保障系统是为了让该系统持续更长时间，让机组成员能在太空环境自行修复宇航服。在小行星转移任务的机组阶段，在宇航员尝试太空行走以采集小行星样本期间，先进的主要生命保障系统将得到测试。

樣本采集和保存技术

小行星是太阳系形成时期留存至今的“建筑材料”，它们与太阳系行星和卫星的“组成材料”是一样的。“猎户座号”飞船上的宇航员将采集被转移的小行星样本，把它们送回地球接受科学分析。此外，宇航员对小行星的探测将可能提供小行星内部的结构信息，有助于解决长久以来有关小行星的许多争论。未来的宇航员可能会利用一些小行星资源提取水和可呼吸的空气，制造火箭燃料，甚至进行3D打印。endprint

通过研发样本安全采集和保存的新技术，美国宇航局也将为带火星样本返回地球做准备。这些技术将确保地球微生物不会污染火星样本，同时也保护地球不受带回地球的火星样本中可能包含的火星微生物侵害。另外，避免尘埃进入宇航服、主要生命保障系统和“猎户座号”飞船内的技术也很重要。

会合及对接技术

未来载人火星任务需要在深空与飞船会合、对接的新技术，它们将超越目前在国际空间站上采用的“国际对接系统”。载人火星任务可能需要首先发射多艘飞船到月球附近，其中包括居住舱和货舱。宇航员可能需要与这些舱对接，之后才能开始前往火星的旅程。登陆火星的宇航员也需要与他们乘坐的“猎户座”飞船重新对接，才能踏上返回地球的旅程。

通过小行星转移任务，美国宇航局将研发新的传感器系统，以执行这类新的对接和近距离靠近任务，同时还将研发机械和电子系统来连接两艘飞船。这些新技术、新设备将是未来火星系统载人任务所必不可少的。

研发探索构建单元

总的来说，小行星转移任务合并了美国宇航局现有技术、技术潜能及载人太空探索成就。该任务是对“猎户座号”飞船和“太空发射系统”的早期全面检测，也将为未来载人火星任务奠定更好的基础。通过构建能重复使用和升级的系统，小行星转移任务也将降低探索成本。最终，该任务将促使美国宇航局在载人火星之旅的道路上更快推进，同时将所需的新研发、在空间站的经历积累、在月球附近进行新系统测试的成本、次数降至最低。总而言之，通过小行星转移任务的开展，更快、更好、更节省成本地为未来载人火星之旅奠定基础。

阿波罗计划

阿波罗计划是由美国宇航局执行的美国第三个载人航天飞行计划。1969年，阿波罗计划让人类首次登陆月球。在6次阿波罗太空飞行中，共有12人登陆月球。阿波罗计划建立了载人航天飞行的多座里程碑。在载人前往低地球轨道方面，阿波罗计划至今仍然独树一帜。在阿波罗8号任务中，载人飞船首次环绕另一颗天体。阿波罗计划一共将382千克月球岩石和土壤送回地球，大大促进了科学家对月球组成及地质历史的了解。

低地球轨道

低地球轨道是指环绕地球、高度在2000千米以内的轨道，其轨道周期为84～127分钟。除了阿波罗计划外，所有载人航天项目都是在低地球轨道中或下面进行的。迄今为止所有载人空间站和绝大多数人造卫星，也都在低地球轨道中运行。低地球轨道载人航天高度保持者是美国宇航局“双子座11号”空间站，其离地最高高度为1374千米。

小行星转移任务

小行星转移任务也称小行星抓取和利用任务，是由美国宇航局在2013年建议的一次太空任务。按照该任务架构，“小行星抓取机器人任务”飞船将与一颗大型近地小行星会合，使用有抓手的机械臂从这颗小行星表面抓取一块直径4米的大圆石。飞船将记录该小行星的特征，证明至少一种行星防御小行星撞击的策略，然后把这块大圆石送入一条稳定的月球轨道，在那里由机器人探测器以及未来的载人飞船（小行星转移载人任务）做进一步检测。如果投资获准，该任务预计在2021年12月实施发射。它的其他目标包括测试未来人类深空探测所需的一系列新能力，包括先进的离子推进器。美国宇航局2018年预算计划草案提出取消该任务。2017年6月，该任务的通知中说该任务“中止”。然而，科学家仍在为挽救该任务而努力。不过，就算该任务最终取消，也会有替代任务为深空探测（包括载人火星任务）铺路。

太空发射系统

太空发射系统是由美国航天飞机衍生而来的重型、不可重复使用运载火箭，将应用于美国未来的载人火星之旅。作为航天飞机替代物，太空发射系统将成为最强大的火箭。该系统将不断升级，其首期版本能運载70吨负载到低地球轨道，二期版本的运载能力将升至130吨以上。

月地距离

指地球中心与月球中心之间的平均距离，为38.4万千米。因受月球轨道影响，月球与地球之间最大距离是40.55万千米，最小距离是36.34万千米。

“猎户座号”飞船

“猎户座号”多功能载人飞船是一种旨在把一个4人机组送到低地球轨道或之外的宇宙飞船。美国宇航局计划采用该局的太空发射系统来发射猎户座飞船，并计划用猎户座飞船把宇航员送往小行星或火星系统，必要时用“猎户座号”飞船从国际空间站把宇航员或供给物资接回地球。

“猎户座号”飞船的研发最初是由美国宇航局在2011年5月24日宣布的，该项目研发目前仍在进行中。“猎户座号”飞船的设计是基于美国宇航局已取消的“星座”计划中的“猎户座载人探索飞船”。“猎户座号”飞船有两个主舱，其中指令舱由美国洛克希德·马丁公司建造，服务舱由欧洲空中客车公司建造。“猎户座号”飞船首次测试飞行于2014年12月5日成功进行。它的首次载人飞行预计最早会在2023年进行。endprint