美国月球轨道空间站建设启动实质研发

王琴 范全林 张晓雯 （中国科学院国家空间科学中心）

2018年9月，美国国家航空航天局（NASA）发布《国家太空探索计划报告》，其中包括了2019－2024年未来6年的深空发射任务表。报告列举的11次任务清单中，与月球有关的任务多达8次，占72.7%，清晰揭示了美国主导的月球轨道空间站（LOP-G）建设进入实质研发阶段。月球轨道空间站是任务的“重中之重”，大推力重型运载火箭太空发射系统（SLS）是实现重返月球、登陆火星梦想的重点任务之一。

NASA未来6年深空探测任务剖面图

1 国际载人深空探索选择月球轨道作“起跳板”

自阿波罗载人登月计划后，在长达近半个世纪的时间内，人类再没有走出近地轨道（LEO）。进入21世纪，NASA动议的载人深空探测任务虽然几经沉浮，但美国重返月球、登陆火星，直至未来进入太阳系深处的梦想却从未放弃。21世纪初，美国前总统小布什提出重返月球的“星座计划”，以载人登月为重点，目标最终是实现登陆火星。美国前总统奥巴马上任后虽然取消了“星座计划”，但提出了“小行星重定向任务”（ARM），意在利用航天器从小行星表面采矿并拖曳至月球轨道，供航天员登陆探测。特朗普总统上任后又取消了ARM，提出了月球轨道空间站计划（LOP-G）。

LOP-G由前些年热议的深空门户（DSG）发展而来。为了探讨“国际空间站”（ISS）时代载人航天的发展方向，也是为了探讨地球轨道以远的载人任务和长期深空探索，ISS合作机构十余年来反复酝酿和推动在地月空间建立一个可载人居住的空间站。

LOP-G由前些年热议的深空门户（DSG）发展而来。为了探讨国际空间站（ISS）载人航天的发展方向和地球轨道以远的载人任务和长期深空探索，ISS合作机构十余年来反复酝酿和推动在地月空间建立一个可载人居住的空间站。期间NASA和其他ISS成员围绕相关地月空间站建议进行了多轮博弈，最终确定了“适合包括火星在内的深空探测”，认为这个地月空间站应既满足航天员可以周期性访问、作为人类开展太阳系探测的跳板，同时兼顾远距离探测月球、并为月表科研活动提供延伸支持。

在2017年前后，地月空间站以月球轨道空间站（LOP-G）的形式从航天界进入公众视野。简言之，LOP-G是基于“国际空间站”（ISS）框架，由NASA主导，欧洲航天局（ESA）、俄罗斯航天国家集团（ROSCOSMOS）、日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）和加拿大国家航天局（CSA）等参与研发的近月空间站。NASA希望按照国际合作及商业模式建造和运行LOP-G，既可减轻美国的投资压力，又能利用欧、俄、日、加等航天强国的技术优势。LOP-G容积约125m3，规模远小于ISS。根据NASA专家披露的新信息，LOP-G将拥有50kW电力和推进系统（PPE），可对接的航天员工作舱、两个居住舱、气闸过渡舱、后勤补给舱、在轨加注和通信舱（ESPRIT）以及资源利用舱，支持航天员出舱（EVA），未来可供4名航天员持续开展工作21天。虽然LOP-G项目运营模式尚未最终确定，但基于各参与国家优势的任务分工已基本明确，相关的运输系统或着陆技术仍在讨论之中。

月球轨道空间站LOP-G建设任务分工及意向表

NASA载人深空探索发展战略示意图

不同于长期有人照料的空间实验室，LOP-G作为一个访问型空间站，它将支持航天员在月球轨道和月面上短期驻留，并且经月球中转往返火星及深空，开展科学探索，同时兼顾太空安全和商业航天等目标。这与NASA长期呼吁和谋划的载人深空探索发展战略是一致的。为了再次跨出近地轨道，NASA力争在自己主导下，通过多国若干年的协同努力，在月球附近建立灵活、可复用、可持续的空间站基础设施，为载人环火和登陆，乃至更深远的太阳系探测提供“起跳板”，是载人深空探索万里长征的第一步。

LOP-G将在环绕地月连线L2点的近直线晕轨道上运行

2 LOP-G牵引月球探测助力未来深空任务

与我国嫦娥四号中继星“鹊桥”的Halo使命轨道（或称“晕轨道”，“晕”字借自日晕、月晕）类似，LOP-G亦将运行在地月连线延长线的L2点，但采用近直线晕轨道（NRHO）。NRHO轨道属于Halo轨道族，其轨道形状不同于环地或环月卫星的椭圆轨道，轨道面是围绕L2点的三维非规则曲线，几乎垂直于地月系平面，轨道周期6～8天，近月点距离约2000km，远月点距离约75000km，L1和L2分别代表NRHO轨道的可通过定期轨控保持轨道的稳定性。

NASA载人深空探测规划中并无明确的月球基地建设任务，而ESA又在呼吁多国参加其开发月球资源的“月球村”计划，俄罗斯、日本等亦对月表科研活动兴趣浓厚，此时LOP-G任务提出并实施兼顾了各方航天发展的六大主要诉求。

一是“中继站”。和“鹊桥”类似，LOP-G直视月球背面，其通信舱可实现与月面工作的各类着陆器和巡视器的中继通信覆盖。

二是“门户站”。LOP-G注定是人类往返火星探测的前哨，启程前对火星飞船在轨组装和测试。另一方面，在LOP-G上可在轨组装、测试小卫星/立方星群及小行星探测器，开展地月空间科学探测、近地小行星探测等，而后者也承载了人类太空资源开发和利用、预防和规避近地小天体与地球相撞的重要使命。

三是“枢纽站”。LOP-G所在的NRHO轨道维持容易，同时它又能升降轨道以完成不同性质的任务，既可以作为地月转移的过渡轨道，仅需约730m/s的速度增量即可进入环月极地轨道，也能进入月球的高轨道进而支持探测器前往太阳系其他目标天体，大幅降低深空探测任务的推进剂需求。

四是“中转站”。将LOP-G作为月表探测任务的中转站，支持航天员和遥操作机器人的月面着陆、巡视和返回等作业，使进入月球或随时往返的任务更加灵活，助力各类月表科学探测活动的开展。

航天员在LOP-G生活舱模拟舱中进行实验

五是“接力站”。无论是航天员重返月球或是奔向火星或更远深空，LOP-G是人类离开近地轨道后的接力站，既可为航天员提供太空生存所需，亦可为各类深空探测器加注燃料，提供能源，使得月球着陆器的重复使用成为可能。

六是“试验站”。LOP-G可以测试和研发未来深空探测新技术，并兼顾商业航天的优势资源发展所需装备。

3 NASA预算获批确保LOP-G任务落实

LOP-G任务实施具体化，LOP-G建设可操作性强。为了尽快建设LOP-G，NASA在未来6年时间内连续实施8次发射任务，分别是：2019年通过商业航天发射小型月球着陆舱； 2020年实现太空发射系统与猎户座飞船的首飞（EM-1）； 2022年载人绕月探测（EM-2）； 2022年还包括2次任务—发射LOP-G的首个能源和推进（通信）组件（PPE），发射中型月球着陆舱；2024年后至少安排3次任务—载人绕月发射在轨加注和通信舱（ESPRIT）以及资源利用舱（EM-3），发射LOP-G补给和机械臂，发射大型载人月球着陆舱。

NASA近两年的预算表明，美国已大幅提高与月球及深空探测相关的经费投入，夯实了建设LOP-G及相关运载及地面支撑系统的经费保障。2019财年NASA总财政预算为198.922亿美元，为近年最高。NASA研制和发射LOP-G所需相关经费2019财年已达45.085亿美元，包括深空探测计划中研制和发射LOP-G经费42.905亿美元（其中探测系统36.698亿美元，月球轨道空间站5.042亿美元，先进地月和月表探测能力1.165亿美元）和科学计划中月球探测预算2.18亿美元。

虽然深空探测的运载和地面支撑系统，包括“猎户座”（Orion）飞船、太空发射系统SLS和地面系统，预算比2017年降低了2.592亿美元；但先进探测系统却比2017年增加了7.912亿美元，体现在新增LOP-G 5.042亿美元，新增先进地月和月表探测能力（ACSC）1.165亿美元等方面。科学计划中深空探测/行星科学财政预算从2017年18.275亿美元上升到22.347亿美元，用于支持重返月球、探测火星和木卫二等，其中月球探测预算从0.19亿美元大幅增长到2.18亿美元，高达11倍之多。

SLS的移动发射塔运抵肯尼迪航天中心39B发射场组装大楼

4 LOP-G工程研制取得重要进展

虽然LOP-G是最近两年才日益引起关注，但其所需的各类技术却不是从一张白纸起步的。近5年以来，得益于两轮“空间探索伙伴关系的下一代空间技术”（NextSTEP）计划的支持，阿斯特拉火箭公司、波音公司、洛马公司等商业航天公司围绕先进推进系统、深空居住舱等的原型预研已取得重要进展，NASA正稳步推进大推力重型运载火箭SLS和猎户座飞船研制。SLS首飞火箭正在加紧生产，猎户座飞船研制接近尾声。2018年8月SLS的移动发射塔（ML）已运抵肯尼迪航天中心39B发射场组装大楼。9月，猎户座降落伞系统完成最终考核，这是将人类送往月球及更远深空的重要里程碑事件。10月，猎户座隔热罩和通信模块分别在肯尼迪航天中心完成安装和测试。SLS核心阶段的五个主要结构部件已完成总装。2018年年底，SLS的10个运载火箭发动机固体助推器已全部就位。

当然，LOP-G的工程研制仍存在很多挑战。NASA计划2019年在斯坦尼斯航天中心测试SLS火箭的芯级，测试将包括安装飞行芯级，并使4个RS-25发动机同时点火。同年也将对欧洲研发的服务舱及移动发射塔进行测试。工程师们必须确保SLS、猎户座和地面系统的安全可靠运行，未来可以支持人类向月球和更远的地方探索。新一代RS-25发动机将在利用3D打印和智能制造技术降低成本的同时，继续保持其可靠性。计划于2020年实施的EM-1任务在肯尼迪航天中心发射，将实现SLS与猎户座飞船的首飞，同时这也是与地面发射系统的第一次综合试验，为未来的载人深空探测铺平道路，引领人类探索月球及更远地方。后续还将对EM-2任务载人飞行的乘员舱、发射中止系统（LAS）进行一系列的测试，而LOP-G的“真正”组装也将自EM-2开始。

月球轨道空间站LOP-G建设任务简表

5 结语

虽然存在很多不确定性，NASA还是规划了2024－2026年执行载人的EM-4到EM-7任务：完成国际生活舱（EM-4）、美国生活舱（EM-5）、后勤补给舱（EM-6）、过渡舱（EM-7）。2027－2033年实现LOP-G的深空运输中转（DST）功能，将全面建成LOP-G：2027年验证LOP-G的DST功能（EM-8）和载人DST功能（EM-9）；2028年验证LOP-G的后勤补给和燃料加注等货运DST功能（EM-10）；2029年开展地月空间为期一年的载人DST验证（EM-11）；2030年LOP-G开展后勤补给和燃料加注等的DST（EM-12）；2033年利用DST实现载人环火星探测（EM-13）。

美国是世界头号航天强国，由NASA主导的LOP-G有望成为人类重返月球和走向深空的重要跳板。但鉴于美国对华航天政策的限制，我国参与LOP-G的可能性很低。2019年，我国将实施嫦娥五号任务，火星探测任务已立项实施。地月空间探索和走向深空是航天强国建设的重要标志之一，在我们论证探月四期和深空探测规划时，美国加快LOP-G 建设的动向值得重视。