人類登月已近50年，詳解NASA如何帶領一票小弟重返月球，劍指火星！

原標題：人類登月已近50年，詳解NASA如何帶領一票小弟重返月球，劍指火星！

引言

還有一個月就到人類登月49周年的紀念日了，但NASA已經早早開啟了登月50周年紀念的準備活動，並公開了慶祝LOGO（題頭圖）。但看看現在的美國載人航天，國際空間站在軌已近20年，設備老化，垂垂老矣，加上成員國各有算盤，未來美、俄分家甚至再入解體都有可能。再考慮美國自太空梭退役歷時7年仍未恢復載人航天能力，如此看來美帝真是一副「吃棗藥丸」的架勢。但事實並非如此，且不論美正在積極為國際空間站引入商業運營為其拓展續命，就說以美國為首正在規劃設計中的環月軌道空間站「深空之門」，就值得我們深入剖析和警惕。這座空間站一旦建成，不但可使美帝輕鬆重返月球，甚至能支撐遠期載人登火任務，而最可怕的是有可能使其餘參與成員國載人登月「白菜化」，對全月面進行無（有）人探索乃至中短期駐留。

本文分三期，共兩萬字左右，第一期將以2017年底技術狀態為準，敘述「深空之門」的特色、組裝過程和各艙段設計；第二期將針對其特殊設計的月球近直線軌道（NRHO），解析該軌道設計的優劣目的和對未來月面探索帶來的影響；第三期將分析該項目對商業運載火箭、深空載人以及政治方面的影響，和2018年來該計劃的最新改動和進展。

本文作者：跆拳道大灰狼、不會游泳的魚

環球影業發布了《登月第一人》的預告片，顧名思義，這部講述尼爾·阿姆斯特朗生平故事的傳記類型片將於10月12日在美公映，從預告來看值得期待，可惜國內暫無引進計劃

2017年12月11日，是「阿波羅」17號任務結束45周年紀念日，美國總統特朗普正式簽署了其就任後的首項航天政策指令，正式宣布美國將載人重返月球，並將以月球為跳板，為後續的載人登陸火星任務奠定基礎。相比上世紀60年代的「阿波羅」登月計劃，特朗普政府下的新重返月球計劃的主要變化是針對地外天體軌道上的長期駐留提出了更高的要求。作為特朗普政府重返月球計劃的重要舉措，「深空之門」（Deep Space Gateway，簡稱DSG）環月軌道空間站受到了廣泛關注，該空間站現已更名為Lunar Orbital Platform-Gateway，簡稱LOP-G，該空間站暫無中文官方譯名，所以文中依舊稱為DSG或者「深空之門」。

「深空之門」藝術概念圖

第一部分：深空之門=環月的阿波羅飛船+縮小的國際空間站

「深空之門」環月軌道空間站的主要作用是為未來各成員國載人深空任務提供中轉服務。建成後不僅可以作為載人月球觀測站，同時也是多國載人登月任務中往返於地球和月球表面的中轉站，更是未來載人登陸火星任務的重要組成部分，是未來美國載人深空探索的核心組成部分。

「深空之門」目前規劃運行在經過特殊設計的月球近直線軌道（Near-Rectilinear Orbit，NRO）上（也被稱為NRHO，Near-Rectilinear Halo Orbit），預計於2023年開始部署首個艙段，設計壽命15年。截至2017年10月的公開方案中，「深空之門」主要由以下幾個國家負責各自的艙段：由美國負責研製的電源和推進艙（包含部分歐供設備）；歐洲和日本負責的居住艙，俄羅斯負責氣閘艙，加拿大則延續國際空間站的經驗，繼續負責可摺疊機械臂，而補給艙（亦可稱貨運補給飛船）由於有多種過渡方案，因此歸屬方尚未敲定。圖1給出了「深空之門」的總體布局。

目前「深空之門」的具體技術方案仍在不斷討論和迭代當中，參與項目的多個國家和組織正通過國際空間探索協調組（International Space Exploration Coordination Group，ISECG）等國際協調組織，基於最新發布的「全球探索路線圖」，結合各成員國的研發能力，逐步細化和完善「深空之門」的技術細節。

圖1 2016年中僅包含「深空之門」的總體設計

其中由日、歐分別負責的居住艙現已合併（2018年又有變動，我們第三期再說）

相對於目前仍在運行的國際空間站，目前「深空之門」環月軌道空間站在設計上有以下特點：

（1）任務規模大幅縮小

受限於軌道和任務規模，「深空之門」的艙段數量和可居留空間較國際空間站明顯縮小。根據目前的設計版本，僅有一個專屬居住艙，內部加壓空間僅為76立方米（相當於一間38平米面積，2米層高的房子），而截至2016年，國際空間站的內部加壓空間高達932立方米。

（2）採用特殊的繞月軌道

NASA橫向比較了多種過渡的軌道方案，在綜合評估各方面因素後選定NRO軌道作為「深空之門」的工作軌道。該軌道不同於「阿波羅」登月時期選擇的繞月軌道和之前呼聲較高的地月拉格朗日點方案，具備自由進出所需△V小、穩定性好、通信和光照條件好等特點，下期我們將詳細介紹該軌道。

（3）可支持有人及無人登月任務

「深空之門」在建成後，將「獵戶座」飛船（Orion）作為航天員在地球和「深空之門」之間的轉運飛船，可同時支持4名航天員最長達42天的深空任務。作為地月之間的轉移節點，僅需研製往返「深空之門」和月球表面的登月艙，即可實現載人登月。已對載人登月艙研發表現出明確意願。

（4）高生保系統循環率

受限於運行軌道和火箭運載能力，「深空之門」的無人貨運補給難度和成本將高於近地軌道的國際空間站，加之長達100餘天的遠期地火轉移周期，因此，「深空之門」的空氣、水和廢物循環率必須得到提升。根據在國際空間站時期獲得的經驗，「深空之門」的生命支持系統初期將引入一套類似的開放式循環系統，但後期將引入閉環生保和廢物循環系統，用於回收利用生活廢水和呼吸廢氣，目標將液體循環率提高至90%以上，氧氣循環率提升至60%。

（5）大規模採用電推進

「深空之門」將採用多套由NASA和ESA分別提供的大功率電推進器來維持軌道，利用其高比沖優勢減小燃料消耗，同時預留在軌補給能力。此外還將使用電推進器在地月軌道和火星轉移軌道間進行轉移，同時仍備有化學推進系統作為備份，增強可靠性，這也將是美、歐首次在載人空間站系統上採用大功率電推進器。

（6）潛在可擴展性

根據國際空間站經驗，「深空之門」將繼續強化開放式架構設計，預留多個對介面和可擴展結構，留待新的艙段或組件對接空間站，以應對國際或商業合作夥伴的加入和後期升級改進。

第二部分：不靠譜的SLS挑大樑，說說深空之門的搭建之路

目前，「深空之門」的整個任務組建計劃分為三個階段。主要過程如下：

第一階段（2018-2026）——月球前哨站

第一階段為月球前哨站階段，將在NRO軌道建造「深空之門」的核心組成部分，並為載人登月任務提供支持，詳見圖2。

在第一階段的組裝過程中，由尚在研發的太空發射系統（Space Launch System，SLS）重型運載火箭和「獵戶座」載人飛船聯合完成。根據2017年3月在NASA顧問委員會會議上公開的資料顯示，組裝「深空之門」原定需要SLS發射4次，每次發射都將包含「獵戶座」載人飛船和相應艙段，預計耗時約3-5年時間。在整個組建過程中，還將根據具體情況適時安排貨運飛船實施補給任務，由各成員國和組織結合自身情況安排發射。

「深空之門」的組建目前定於2023年正式開始。但在此之前，SLS需先順利完成首飛驗證，命名為「探索任務-1」（Exploration Mission-1，簡稱EM-1）的首飛任務原定於2018年，現已推遲至2020年中期，且仍不排除繼續推遲的可能。在該任務中，SLS Block 1型火箭將搭載不載人的全狀態「獵戶座」飛船升空，進入繞月飛行的大幅值逆行軌道（Distant Retrograde Orbit，DRO），並於26-40天後返回地球，以測試SLS火箭的運載能力和「獵戶座」飛船各系統可靠性。在2023年的EM-2任務中，原計劃將由SLS Block 1B型火箭將發射載人的「獵戶座」飛船和「深空之門」首個艙段——電源和推進艙。但由於SLS近年來肆無忌憚的推遲和經費超支，NASA已有意將該艙段的運載火箭更換為商業運載火箭，例如SpaceX的重型獵鷹，我們在第三期中再詳聊SLS因為自己「作死」而丟掉任務的故事。

接下來，SLS火箭在2026年前還將進行EM-3、EM-4兩次發射任務，分別把居住艙（Habitation Module）和後勤補給艙（Logistics Module）送入NRO軌道，並與EM-2任務中電源和推進艙對接構成「深空之門」空間站的主體。EM-3和EM-4任務中發射的兩艘「獵戶座」飛船也將與「深空之門」空間站對接，參與空間站建造。

從2026年開始，SLS火箭將執行EM-5發射任務，發射「獵戶座」載人飛船的同時，把俄羅斯設計製造的氣閘艙送入NRO軌道，並對接空間站。至此，「深空之門」空間站的第一階段建造完成，在不包含「獵戶座」飛船的條件下總重約40t。

圖2 「深空之門」任務第一階段示意圖

至此，「深空之門」已經基本具備了載人登月中轉能力，在此基礎上，參與成員國僅需要單獨研發登月艙，並將其發射至NRO軌道，即可完成載人登月的所有準備工作。航天員以 「深空之門」空間站為起點，可以到達月面各個地點實施探索，包括月球極區，甚至可以支持月面短期或半永久科研站的運轉。如果深空之門如期建成，在世界範圍內，我們有可能會面臨一個登月「白菜化」的局面，這對長征九號和我國獨立載人登月的立項確實不是個好消息。

第二階段（2027-2029）——地月轉運階段

如果計劃順利，從2027年開始將進入任務的第二階段，詳見圖4和圖5。NASA將繼續發射SLS運載火箭，執行EM-6到EM-9任務。EM-6任務中，SLS Block 1B貨運型火箭將重達41t的深空運輸器（Deep Space Transport，DST）發射進入地月轉移軌道TLI（Trans-lunar injection，TLI）。DST使用自身的大功率電推進系統，耗時191～221天逐漸變軌進入「深空之門」所在的NRO軌道，並與之對接。在EM-7任務中，將繼續發射補給艙和載人「獵戶座」飛船。

圖3 「深空之門」和深空運輸器示意圖（NASA）

圖4 「深空之門」任務第二、三階段示意圖

在2028年的EM-8任務中，SLS將發射貨運飛船對DST進行推進劑在軌加註。在2029年的EM-9任務，SLS火箭將繼續發射「獵戶座」飛船和補給艙。之後，DST將脫離「深空之門」，單獨在地月空間進行為期約300～400天的試航（shakedown），驗證DST長時間深空獨立飛行能力，為飛向火星的長期載人飛行做好準備。至此，第二階段任務基本結束，通過「深空之門」的完善和DST的一系列測試，為載人火星任務提供支撐。

第三階段（2030以後）——載人登陸火星

從2030年開始，整個任務將進入第三階段，即載人登陸火星階段。目前仍處於規劃和設計當中，在規劃的EM-10任務中，NASA將使用SLS Block 2火箭發射貨運補給飛船，為深空之門空間站和DST提供補給，並在EM-11任務中發射載人「獵戶座」飛船和補給艙前往「深空之門」空間站。如果一切順利，DST則在燃料在軌補加完成後，將獨立進入地火轉移軌道，之後返回NRO軌道並與「深空之門」空間站重新對接。而後續載人火星登陸任務的最終實施仍有待進一步研究和確定，但「深空之門」的作用將不可或缺。

第三部分：麻雀雖小五臟俱全，詳解各艙段的「獨門絕學」

3.1電源與推進艙

電源與推進艙（Power and Propulsion Element，PPE）作為「深空之門」的首個艙段，發揮著電力供給、軌道機動和通信的核心作用。2016年時該艙段的設計需求首次曝光，乾重約6.3t，發射重量約8.5t，原計劃在EM-3任務中發射升空，詳見圖5。除了設計用於將科學儀器和樣品暴露於空間的小型氣閘之外，電源與推進艙不設有增壓艙。該模塊主要分為兩部分，分別為太陽能電推進模塊（Solar-Electric Propulsion module，SEP）和後勤通信和設備機架（Logistics Communication and Utilization Bay，LCUB）。外壁還設置了必要的EVA抓手，便於後期在軌維護。

圖5 電源與推進艙示意圖（2016年版）

太陽能電推進模塊的推進系統由兩套互為備份的推進系統組成，首先NASA和ESA各提供一套電推力器，兩者共用氙儲箱，可同時工作，並互為備份。此外，ESA電推力器比沖在1800-3000s之間，設置在獨立吊艙內，噴管方向固定，基於ESA已有的「阿特米斯」（Advanced Data Rely and Technology Mission Satellite，Artemis）系列衛星的電推器改進而來。NASA的離子推力器則可兼任反作用控制系統（Reaction Control System，RCS）。此外還配備有8台肼基RCS發動機，兩套RCS系統互為備份。該模塊還設計有兩塊太陽能電池板，每塊可提供25-30kW的電力，模塊還內置4個氙儲箱、電池、反作用飛輪、GNC和數據存儲系統。

與國際空間站類似，電源與推進艙還設置有一個由加拿大負責設計製造的可摺疊空間機械臂。此外還有一個小型的氣閘與對介面聯通，通過該氣閘航天員可以將有效載荷和儀器放入氣閘中。在氣閘減壓之後，載荷將直接暴露於真空，也可由機械臂取出。表1給出了2016版電源與推進艙質量分配。

表1 電源與推進艙重量分配（2016年版）

在2017年3月的會議上，電源與推進艙的設計方案出現重大調整，發射計劃由EM-3提前至EM-2，即隨同「獵戶座」飛船的首次載人任務一同升空，詳見圖6。

圖6 電源與推進艙示意圖（2017年版）

受EM-2任務火箭運載能力所限，發射重量從8.5t減至6.5t。為了減重，機械臂和ESA的電推力器被移除，改為搭載後續的貨運飛船進行在軌組裝。另外，氙儲量也相應減少，並添加一套在軌加註介面，氙儲箱的未滿部分將在後續任務中進行在軌補加。此外，為了提供更多的可擴展性，該版本電源與推進艙兩側額外增加兩個對接位（docking location），採用標準APAS/NDS對介面，用於臨時安裝非加壓載荷。此外，肼基燃料儲量則從200kg增加到400kg。

2017年9月，電源與推進艙設計再次發生變化，ESA負責的LCUB部分更名為ESPRIT（European System Providing Refueling Infrastructure and Telecommunications），並從EM-2任務中拆分出來獨立發射。該模塊添加了氙和肼推進劑儲箱，可以直接與原有的電源與推進艙對接，詳見圖7。

此外還設置有對地和對月天線以及相關的通信裝置，可提供X、Ka、S、UHF波段和激光通信，為未來的登月任務提供中繼。此外，還至少設置有一個主動和一個被動對介面，主動對介面將與太陽能電推進模塊對接，並可以泵送推進劑，以驗證推進劑補加技術；被動對介面則與居住艙連接。

圖7 2017年9月設計修改後被獨立出來的ESPRIT模塊

3.2 居住艙

「深空之門」在2016年曝光時設計有兩個居住艙（Habitation Module），詳見圖8。兩個居住艙分別由JAXA和ESA設計和製造，功能上交叉互補，結構上串聯布置。不過，都將配備完整的環控生保系統（Environmental Control and Life Support System，ECLSS），還有熱控、通信、導航、供電和消防安全系統，並規劃有私人密閉空間，擬在內部隔間引入充氣式設計以節省空間。JAXA原計劃引入一套高循環率的封閉式生保環控系統，該系統可在超過35天的載人深空任務中大幅減小貨物補給需求，但該系統尚未在國際空間站上得到充分測試和驗證，目前已改為在任務架構第三階段的DST中進行實際測試，證明其可靠性後再引入。

圖8 居住艙示意圖

為節省空間，居住艙的廚房區域目前設計有可展開餐桌及加熱設備。還包括一台冰箱，用於貯存食物和樣品；還設置有包含回收設備的廁所。一號居住艙還設計有可摺疊的健身器材，以支持必要的生理實驗和體育鍛煉，此外還在規劃有3D印表機的工作區域。居住艙還專門設置有貯存區，用於貯存食物，淡水，服裝和其它補給。由於「深空之門」的運行軌道遠離地球，因此居住艙的輻射防護系統至關重要，不過目前尚未開始詳細設計，但傾向於在居住艙周圍設置有柔性儲水層，並引入一些額外的內部輻射屏蔽設備。在艙內設備上，因為「深空之門」艙段之間的對介面尺寸限制，目前在國際空間站上使用的標準機櫃架不適用於「深空之門」，因此各項目方已經計劃重新開發一套輕量化的通用機櫃系統。

2017年3月，居住艙發生重大設計變更，在「深空之門」的多邊協調委員會會議上，居住艙從原定JAXA、ESA分別負責的2個被縮減為共同負責的1個（此舉可以縮減組裝所需發射次數，畢竟一次SLS發射已經10億美金往上了）。在2017年5月的國際空間站合作夥伴會議上，JAXA要求保留「深空之門」的第二個居住艙，但目前未獲通過。為彌補被取消的居住艙帶來的影響，設計方考慮了各種方案。得益於發射居住艙所使用的SLS火箭的運力裕量，2017年8月，設計方決定將居住艙拉長近1m，形成長約5m的圓柱形結構。該變更將導致冷卻系統隨之改變，進而影響電源系統設計，因此又擬定在徑向對接埠上增加特殊的拉杆（tie rods）來補強居住艙結構。此外，還將為科學實驗增加更多的被動連接器。還有，仿照國際空間站航天員通過圓頂艙段的全景窗戶觀察地球，「深空之門」擬增設360°的球面觀察窗，使未來的宇航員可以享受月球景觀。

國際空間站上的觀景窗，很多壯美的對地照片都出自這裡，未來深空之門的觀景窗外就是月球了

觀景窗外觀，被稱之為「Cupola」，在義大利語中意為「圓頂」

目前該艙段的發射暫定採用SLS，但NASA也在評估採用SpaceX的「獵鷹」重型火箭和聯合發射聯盟（United Launch Alliance，ULA）的「火神」運載火箭來執行居住艙發射，以降低項目成本並支持新一代商業運載火箭的研發。表2給出了生活艙參數指標。

表2 生活艙空間分配表

3.3 氣閘艙

目前「深空之門」僅設計一個氣閘艙（Airlock module），由俄羅斯負責設計製造，同時也是目前唯一確定由俄方負責的艙段（怒刷存在感）。

2016年10月，俄方首次提出氣閘艙的設計思路，氣閘艙由兩部分組成，主球室和備用的圓柱形延伸段。內部容積為16m3（國際空間站為12 m3）的球形艙室設有兩個EVA艙口（Extravehicular activity，艙外活動）。而氣閘的圓柱形艙室用於艙外航天服貯存，並保持加壓狀態，但在緊急情況下也可以用作備用氣閘。即航天員仍使用主球室艙口離開，但圓柱形艙的所有系統都可在真空下運行。「和平號」空間站的「量子-2」（Kvant-2）艙曾採用過類似的備用氣閘設計方案。圖9給出了氣閘艙示意圖，表3是氣閘艙指標參數。

圖9 氣閘艙示意圖

由於俄羅斯氣閘艙乾重較小，在使用SLS發射氣閘艙時將在內部布置增壓貨物。此外美、俄雙方還在評估另一種發射方案，即採用俄羅斯的「安加拉-A5」運載火箭單獨發射氣閘艙，但由於沒有「獵戶座」飛船的配合，需要額外配套深空推進艙，用於與「深空之門」自動交會與對接。

表3 氣閘艙參數

受限於「深空之門」的規模，目前俄羅斯的氣閘艙將成為「深空之門」的唯一「出口」，這與國際空間站上美、俄分別設置氣閘艙不同。因此，NASA正在評估美系艙外航天服與該氣閘艙設計的適用性，並不排除未來進一步修改設計的可能性。

小結

除了以上提到的艙段之外，俄羅斯還規劃有一個專門的登月支持艙段，但目前屬於「剃頭挑子一頭熱階段」，未獲得美歐等成員支持。說起登月，事實上在深空之門建成後，有意登月的成員國僅需要設計製造一款登月艙，就能以深空之門為跳板達到載人登月，乃至月面中期駐留的目標，相對於白手起家獨立登月的難度簡直就像開了「外掛」，所以不具備載人航天能力的日本和歐洲對此項目都比較積極。

當然想做登月跳板絕不是隨便找個環月軌道，然後幾個艙室簡單一拼就搞得定的，還需要複雜的軌道規劃和任務設計，究竟如何實現全月面到達和登月的白菜化，且聽下回分解。

（未完待續）

主要參考資料：

1. Options for Staging Orbits in Cis-LunarSpace, Ryan Whitley, Roland Martinez, 2015
2. Deep Space Gateway (DSG) Concept Power and Propulsion Element (PPE) Request for Information, 2017
3. Power Propulsion Element For Deep Space Gateway Concept, Request for Information & Synopsis Virtual Industry Forum, 2017
4. GER Human Exploration Moon GLEX2017 Presentation, 2017
5. NASA Advisory Council, 2017
6. Space Launch System(SLS) Mission Planner『s Guide, NASA, 2017
7. ＪＡＸＡの國際宇宙探査シナリオ検討と 宇宙探査における技術開発の取組みについて，2017
8. RussionSpaceWeb網站相關介紹
9. wiki、百度、google、航空航天港、航天愛好者網等

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