美國載人太空探索的艱難進程

王景泉 （北京空間科技信息研究所）

奧巴馬政府中止了重返月球的載人航天計劃以後，其提出的載人登火星構想給美國載人航天出了大難題。雖然咬住了低地球軌道以遠的大方向未曾放鬆，但遙遠的火星如何去，美國經歷了關於未來載人航天的爭論和艱難抉擇。現在，以載人登火星為背景的小行星探索計劃又遇到了新問題——2016年4月提出的「太空復興」法案對該計劃提出了質疑,特朗普政府的決策仍很艱難。

1 「靈活性途徑」顯示美國低地球軌道以遠載人航天的無奈過渡

隨著「阿波羅計劃」（The Apollo Program）的結束，美國一直在構想外層空間載人探索的下一步。1984年，美國政府批准空間站作為下一步計劃。1993年，美國與俄羅斯等其他國家合作建設「國際空間站」（ISS）。但美國人總覺得這樣做偏離了未來載人太空探索的路線，決定太空梭和空間站分別於2011年和2016年退役。由於國際合作夥伴的堅持，「國際空間站」仍在持續運行。

布希政府將載人太空探索的新構想確定為重返月球的星座計劃，將「國際空間站」和太空梭的投資轉入該星座，但沒有得到國會支持。「阿波羅計劃」以及由此衍生的重返月球計劃給美國國家航空航天局（NASA）造成很大負擔，而且從經濟和技術層面來看，實施這種計劃的黃金時代已經過去。

2010年4月15日，奧巴馬總統在肯尼迪航天中心做就任總統後的第一次航天政策講演，宣布取消布希政府重返月球的星座計劃，並提出載人登火星、為「國際空間站」商業乘員運輸的發展投資、進行新型空間技術開發，以及將「國際空間站」延長至2020年。隨之而來的問題是載人登火星將如何實現？

「靈活性途徑」策略出台的背景

載人登火星遇到了技術與經費等諸多問題，為此奧巴馬政府指定奧古斯丁委員會（Augustine Commission）對載人航天進行專門研究。該委員會在「探尋與大國相稱的載人航天計劃」的報告中，提出了載人太空探索的「靈活性途徑」，即基於能力驅動的新戰略。該途徑提出以發展基礎技術為重點，通過地月空間、小行星等一系列探索的曲折方式，或選擇先到月球再到火星等線性方式，待能力具備時再選擇目標而不是過早地確定目標，更不是直接去載人登火星。

提出多目的地的過渡性迂迴策略

載人航天作為長周期的發展領域，沒有確定的未來目的地和長遠的目標終究是個大問題。2012年6月，「NASA太空技術路線圖和優先順序」報告發布，提出「重振NASA的技術優勢，為新時代的太空探索鋪平道路」的口號，明確了多目的地的載人探索戰略。今後幾十年，NASA努力將航天員送到低地球軌道以遠的多個可能的目的地，最終目的地是火星。這些可能的目的地包括地月空間、近地小行星(NEAs)、月球、火星及其衛星。

2 用技術開發和能力驅動掩蓋目的地論證的徘徊

多目的地不可能同時進發，需要深入研究待選擇目的地的先後順序和相應的開發任務。技術開發路線的確定，要建立在多目標選擇背景下，培育安全、可靠、可提供、可持續並具有靈活性的太空計劃。NASA的載人太空探索戰略，主要特點是集中於發展適應多目的地的核心能力，而不是開發只能專用的、針對具體目的地的硬體。技術和能力的根本目的是解決低地球軌道以遠乘員和物品的運輸問題，是從低地球軌道到火星探索的關鍵，意味著NASA能應對日益複雜的任務。

低地球軌道以遠乘員和貨物的運送

研製「獵戶座多用途乘員飛行器」（Orion MPCV）和演進型重型發射飛行器「航天發射系統」。「獵戶座多用途乘員飛行器」由乘員艙、服務艙和發射救生系統組成。乘員艙在發射、登陸和回收期間為航天員提供安全的居住條件，也是完成任務以後返回地球的唯一的飛行器。演進型重型發射飛行器設計為可承載上述飛行器、貨物、設備和科學實驗的發射飛行器，到達低地球軌道以遠的目的地，初期運載能力70t，升級後運載能力達130t。

太空推進

NASA目前先進的太空推進技術包括太陽能電推進(SEP)、核反應堆加熱推進劑的核熱推進(NTP)和利用核反應堆產生電能再使推進劑電離的核電推進(NEP)。太陽能電推進是到達火星和近地小行星的高效率技術，利用大面積（達670m2）的太陽電池帆板將太陽能變成電能，形成比化學推進更高效率的電推進系統。核熱推進利用液氫、水等過熱液體推進劑，一般比太陽能電推進和核電推進有較高的推力，但同樣的里程需要更多推進劑。

現在太空使用的太陽能電推進，基本在4～5kW的水平，適用于飛行器的位置保持。NASA希望新的載人飛行器達到10～15kW，為此軌道ATK公司正在研製10m直徑的圓形太陽電池陣，能產生35kW的電力，可作為今天小型電姿態控制系統和明天大型空間拖拉系統之間的過渡供電系統，首飛試驗預計在2016—2019年之間進行。

長期太空居住

未來的火星探索任務將對航天員帶來許多挑戰，包括長期的太空旅行、極端的溫度和塵埃等，為此要研製長期居住系統，必須具備許多工程、生物學、後勤以及可實施處置方案等能力，包括高可靠的環境控制和生命支持系統(ECLSS)、視頻存儲、準備和製作、輻射防護以及乘員身體和心理健康保障等方面。

移動探索艙

乘員到達目的地後，無論是在太空還是在目的地表面，他們必須安全地離開舒適的居住艙去探索和觀察目的地、處理實驗、採集樣品等。移動探索艙方案增加了可操縱漫遊的加壓駕駛室，乘員可以全面、安全和舒適地探索，一次離開主居住艙時間可達數周。

先驅機器人

NASA使用過的面向月球的月球勘察軌道器（LRO）和面向小行星的「黎明」（Dawn）先驅機器人，主要用於目的地成像和繪圖，而未來先驅機器人要有能力採集更複雜的現場數據。

乘員與機器人介面

人與機器人介面能力包括手段、程序和實現人與機器人之間無縫交互作用的技術。具體的介面有手動輸入裝置、預編程的手勢和命令、生物電子介面等。

目的地系統

能力是NASA新途徑和未來載人太空探索的基礎。面對不同目的地，NASA確定了各種能力，包括目的地運送、在太空和在目的地操作、以及居住和具體目的地系統等。其他如地面操作、太空操作、艙外活動（EVA）系統等也需要大量技術開發。

為增強能力，NASA計劃與私營公司合作進行名為「探索合作夥伴的下一代太空技術」（Next STEP）的技術開發，12項研究合同中有7項是深空居住系統或太空推進等相關分系統。深空居住系統主要研製新的模塊化居住艙，使其具備深空載人拓展能力。正在研製的「航天發射系統」-「獵戶座乘員探索飛行器」（SLS/Orion）2021年將首次載人飛行到月球軌道的重定向小行星，具備搭載4名航天員執行21天任務的能力。但環月軌道的重定向任務要求至少60天的載人飛行，未來載人登火星至少在深空要生存9個月，需要私營公司研製新型模塊化居住系統。目前NASA的太陽能電推進能力是5kW以下，但2020年小行星重定向任務的電推進需求至少為40kW，這就要求私營公司研製50～300kW的太陽能電推進系統。除專項技術外，還有載人航天的機器人飛行器融合，如在2021年飛行器飛向拖到月球軌道的小行星時，還要搭載2顆立方體衛星，以降低風險，提高效費比。重定向任務在月球附近載人攀登小行星時需要物資補給，因此，NASA在2014年初就提出了「月球貨物運輸與軟著陸」（Lunar CATALYST）計劃，在深空載人探索中引入私營企業參與。

2015年5月，NASA再次發布新的技術路線圖，主要面向調整後的14項太空關鍵技術領域，旨在推動太空探索漸進式的核心能力構建，沿著飛向月球空間和火星軌道、最後載人登陸火星的發展思路，進行長時間跨度的技術開發。

3 低地球軌道以遠載人航天戰略目標的初步選擇

確定多目的地和能力驅動戰略的靈活性過渡策略，使美國載人航天既能遵從奧巴馬總統的要求，又能為具體目標選擇留出論證時間。美國較早地確定了小行星重新定向任務作為近期目標，默認了探索小行星為跳板、火星為最終目標的戰略選擇。

近地小行星何以成為實現目標的跳板

(1)探索小行星對人類認識和保護地球的重要性

(2)較大難度的技術開發可為未來火星探索夯實基礎

美國載人探索火星的時間表浮出水面

2015年4月初，奧巴馬政府關於載人登火星的最新研究報告指出，在當前的經費支持力度下，美國有望在2030年實現載人火星任務，其中2033年實現載人的火星軌道飛行，2039年載人登火星。

(1)獲得火星和地球最新科學知識

(2)支持人類技術和經濟增長

(3)激發全球的火星開發熱情

(4)探索火星需要克服的挑戰相當複雜

(5)機器人火星探測已有的基礎

(6)支持火星任務需要多種開發活動

4 5年艱難論證的初步選擇結果

奧巴馬政府提出的載人登陸火星計劃已跨過艱難的多目標階段，確定地球軌道以遠的小行星重新定向作為最後登陸火星關鍵一步，也越過技術驅動的艱難階段，進入到有目標的太陽能電推進和長期生命支持系統等有目的地的技術開發日程。奧巴馬宣布計劃5年以後，雖然還沒有詳細計劃，但時間表已有輪廓。

5 載人登火星的可能途徑仍需長期反覆論證

據美國媒體報道，NASA正在「悄悄」重新評估在執行火星任務前「重返月球」的可行性。但NASA官員對此予以否認，表示只是考慮利用月球附近的太空作為探索火星的支撐，包括如何在月地空間中生活、工作和學習，但載人登陸月球不是美國火星計劃的一部分。

將長期載人的太空飛行目標定為登陸火星，支持的聲音日漸增強，但NASA就如何實現這一目標的具體途徑尚未達成一致。對於2020年中期小行星重新定向月球軌道任務極其具體發展，NASA尚未制定明確計劃。國會對NASA這種缺乏具體計劃的做法提出異議，眾議院科學委員會要求NASA提出和正式修訂載人登火星的路線圖。

NASA噴氣推進實驗室的太陽系探索部門負責人闡述了初步的工程設想，在2033年載人飛行到達火星的衛星「福布斯」（Forbes），2039年載人登陸火星。這一方案需利用「航天發射系統」至少進行4次發射，而且需要跨越幾年的時間。

第一次「航天發射系統」將發射一艘拖船，使用太陽能電推進系統推進，運送轉移級飛行器並在火星軌道飛行多年；第二次發射系統將攜帶太陽能電推進系統拖船，運送將在「福布斯」表面登陸的居住艙；第三次將向地球軌道發射一個居住艙和火星軌道插入級飛行器；第四次在地球軌道居住艙發射不久後，由發射系統發射攜帶載有4名乘員和上面級的「獵戶座」飛行器。此後「獵戶座」和地球軌道的居住艙對接，上面級攜帶該飛行器組合（含火星軌道插入級）飛向火星。一旦進入火星軌道，「獵戶座」便與地球軌道居住艙分離，並與轉移級飛行器對接後飛往「福布斯」，到達後與「福布斯」居住艙對接。乘員在「福布斯」逗留300天後，「獵戶座」與火星軌道的轉移級飛行器對接，返回地球。

短期逗留的火星登陸任務也採用相似的途徑，初步設想是2名乘員在火星表面逗留3周。該方案需要「航天發射系統」至少進行6次發射，以運送登陸器和轉移級飛行器。

載人登火星終究是太複雜的問題。有專家指出，每一個火星任務都涉及到全面開發和幾十年的製造過程，在2035年實施第一次載人火星任務總成本不會低於2300億美元。如果將9個人發射到火星，大概需要15000億美元。近年來NASA每年的預算在180億美元浮動，包括40億美元的載人航天預算，如果按這樣投資規模，運送9個人上火星，使用NASA全部預算需要80年，若利用全部載人航天預算，則需要375年。另外，即使載人登火星不涉及建造巨大的行星際飛船，也需要3個基本部分，包括地球返回飛行器(ERV)、火星上升飛行器(MAV)和有居住能力的飛行器，這至少需要100t，包括30t有效載荷，70t跨火星推進系統，其中每一部分運送到軌道需要2次「獵鷹重型」（Falcon Heavy）火箭和一次「航天發射系統」發射。

美國太空復興法案提出了NASA優先順序的基本政策轉移，認為載人登火星任務已成為需要專門解決的複雜問題，過去10年這一領域的發展不盡如人意，包括載人登小行星等任務出現了更大的不確定性。

特朗普政府仍然對載人航天基礎項目予以保護。2018年NASA航天預算提出「小行星開發」計劃並撥款37億美元，保持了原有的發展支持力度。雖然中止了原來的「小行星重定向任務」，但21世紀30年代載人抵達火星表面或附近的時間和整體構思尚在研究中。

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