「深空門戶」計劃打造太空碼頭

原標題：「深空門戶」計劃打造太空碼頭

　　李會超

新聞背景

據英國《自然》雜誌網站消息稱，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「前哨基地」，從而為未來的載人深空飛行任務提供幫助。事實上，美國航天局的「深空門戶」空間站計劃，就是這個設想的基礎。

國際空間站等待「接班人」

自1998年第一個艙段被發射到太空中起，國際空間站已經在軌道上運行了19年。作為迄今為止人類製造的最大航天器，國際空間站為宇航員提供了長期在太空中駐留的機會。19年間，美國的太空梭和俄羅斯的聯盟號飛船載著來自17國的宇航員，穿梭於地球和國際空間站之間。國際空間站的貨運補給任務，給了龍飛船、天鵝座飛船等商業航天公司開發的航天器嶄露頭角的機會。此外，國際空間站還是科學家們開展空間科學實驗、測試新航天技術的絕佳的太空實驗室，為人類的太空探索事業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。相比於地球和月球間38.4萬公里和地球到火星間五千多萬至數億公里的距離，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入軌道，無需進行複雜的多次點火、抬升軌道。從地面到國際空間站的飛行，最快僅需要6小時即可到達，飛船本身無需為支持宇航員長期生活而特別設計。此外，在近地軌道運行的空間站，雖然也受到太陽風暴帶來的高能粒子影響，但由於處於地球磁場的保護之下，其所處的環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參與國際空間站項目直至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」

對於深空太空飛行來說，月球恰好是一個不近不遠的「中間站」。以阿波羅登月計劃為例，登月飛船從地球到月球的飛行一般要經歷三天左右的時間，其間飛船要在地球附近依靠火箭上面級的推力變軌，進入奔月軌道。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，複雜程度相對近地軌道飛行已經有質的不同，但相對於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，可以在技術跨度不大的情況下逐步驗證深空飛行的新技術，為有朝一日人類真正登陸火星提供必要的經驗積累。因此，在下一代空間站的設計中，人們將目光投向了繞月軌道。目前，美國航天局已經提出了「深空門戶」空間站計劃。這個計劃和「太空發射系統」火箭、「獵戶座」飛船一道，構成了美國的下一代載人航天計劃。

「深空門戶」建成後，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「深空門戶」建成後，可以為月球表面部署的所有探測器充當通信中繼，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定的通信。激光通信等新技術的採用，還有望大大提高通信速度。在月球上採集岩石、土壤樣本的探測器，也無需設計再入地球大氣層的返回裝置。他們在月球表面採樣完成後，只需將樣品送到「深空門戶」空間站上，就算完成了任務。而將樣本帶回地球的工作，可以由定期造訪那裡的載人飛船或貨運飛船完成。這樣，探測器還可以在月球和「深空門戶」間多次往返採樣，降低了探測器的使用成本。「深空門戶」還有望成為「月球GPS」的第一個節點，為今後在月球表面進行大規模探索活動提供導航保障。

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「太空碼頭」。按照目前的設想，去往火星或更遠行星的載人飛船，一般需要由多個功能各異的艙段組成。這些艙段在宇航員出發之前，會先期被發射到月球附近，與「深空門戶」對接。宇航員們到達「深空門戶」後，將在這裡做準備工作，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」後，深空飛船的各個艙段可以停泊在「深空門戶」空間站上等待下次飛行，從而實現了重複利用，也節省了下一次發射時所需要的燃料。月球附近的空間輻射環境已經與深空飛行相差不大，通過「深空門戶」的長期運行，可以驗證輻射防護技術，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行的著陸場準備、基地建設等工作進行測試，積累經驗。

比起由三十多個艙段組成的國際空間站，「深空門戶」空間站的個頭要小不少，僅由四個艙段構成。在這四個艙段中，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。貨運艙用來進行空間站的貨運補給工作，同時也進行一些空間科學實驗。氣密艙給宇航員出艙活動提供了支撐條件，同時也是「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於此。此外，供電和推進艙，將為整個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——「太空發射系統」

建設「深空門戶」的發射任務將由NASA的新一代火箭「太空發射系統」承擔。這種火箭的推進技術繼承於太空梭。太空梭橙色燃料箱兩側捆綁的那種固體火箭助推器，在經過程度不大的改造後將被用於太空發射系統最初使用的Block1和Block1B兩種構型。而後期的Block2構型，則會使用全新的助推器。在這幾種構型中，火箭的芯一級均採用4台RS-25液氫-液氧發動機，這種發動機同樣來源於太空梭。目前發展迅猛的商業航天公司SpaceX，採用了並聯數十台小推力發動機的方法來獲得較大的總推力。與之相比，太空發射系統採用了另一條技術路線，即用數量不多的大推力RS-25發動機來獲得較大總推力。這種方案的動力系統相對簡單，因此風險也相對較小。按照NASA目前的計劃，太空發射系統在2022年的第一次載人發射就將進行「深空門戶」的建設。在那次發射中，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艙發射到太空中去。在太空發射系統隨後的三次載人發射中，其他三個艙段也會分別被發射升空，最終在2025年完成「深空門戶」的建設。

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型的載人飛船。服務艙用來為飛船飛行提供電能、氧氣等必要供應，乘員艙用來搭載最多4名航天員。作為新一代載人飛船，獵戶座不但採用了更先進的控制系統、計算機系統和廢物處理系統，乘員艙還具備了回收重用的能力。使用獵戶座飛船，NASA可以執行飛往近地軌道、月球軌道甚至火星的飛行。在飛往火星時，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間飛行過程中產生難以忍受的「憋屈」。因此，獵戶座飛船先要到達「深空門戶」空間站，與已經在那裡等候它的「深空居住艙」對接，共同完成火星之旅。深空居住艙能夠為每位宇航員提供的活動空間可達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計工作也已經展開，已經有六個承包商向NASA拿出了自己的方案。其中，洛克希德·馬丁公司計劃將為國際空間站提供貨運補給服務的「天鵝座」貨運飛船改裝成深空居住艙，而波音公司的計劃則是利用國際空間站相關艙段的成熟技術，來設計新的深空居住艙。

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