美國月球軌道空間站建設啟動實質研發

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作者：王琴 范全林 張曉雯

中國科學院國家空間科學中心

空間科學與深空探測規劃論證中心

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國際載人深空探索選擇月球軌道作「起跳板」

LOP-G 是基於「國際空間站」（ISS）框架，由NASA 主導，歐洲航天局（ESA）、俄羅斯航天國家集團（ROSCOSMOS）、日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）和加拿大國家航天局（CSA）等參與研發的近月空間站。NASA 希望按照國際合作及商業模式建造和運行LOP-G，既可減輕美國的投資壓力，又能利用歐、俄、日、加等航天強國的技術優勢。LOP-G 容積約125m3，規模遠小於ISS。根據NASA 專家披露的新信息，LOP-G 將擁有50kW 電力和推進系統（PPE），可對接的航天員工作艙、兩個居住艙、氣閘過渡艙、後勤補給艙、在軌加註和通信艙（ESPRIT）以及資源利用艙，支持航天員出艙（EVA），未來可供4 名航天員持續開展工作21天。

雖然LOP-G 項目運營模式尚未最終確定，但基於各參與國家優勢的任務分工已基本明確，相關的運輸系統或著陸技術仍在討論之中。

不同於長期有人照料的空間實驗室，LOP-G 作為一個訪問型空間站，它將支持航天員在月球軌道和月面上短期駐留，並且經月球中轉往返火星及深空，開展科學探索，同時兼顧太空安全和商業航天等目標。這與NASA 長期呼籲和謀劃的載人深空探索發展戰略是一致的。為了再次跨出近地軌道，NASA 力爭在自己主導下，通過多國若干年的協同努力，在月球附近建立靈活、可復用、可持續的空間站基礎設施，為載人環火和登陸，乃至更深遠的太陽系探測提供「起跳板」，是載人深空探索萬里長征的第一步。

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LOP-G牽引月球探測助力未來深空任務

與我國嫦娥四號中繼星「鵲橋」的Halo 使命軌道類似，LOP-G 亦將運行在地月連線延長線的L2 點，但採用近直線暈軌道（NRHO）。NRHO 軌道屬於Halo軌道族，其軌道形狀不同於環地或環月衛星的橢圓軌道，軌道面是圍繞L2 點的三維非規則曲線，幾乎垂直於地月系平面，軌道周期6～8 天，近月點距離約2000km，遠月點距離約75000km，L1 和L2 分別代表NRHO 軌道的可通過定期軌控保持軌道的穩定性。

NASA 載人深空探測規劃中並無明確的月球基地建設任務，而ESA 又在呼籲多國參加其開發月球資源的「月球村」計劃，俄羅斯、日本等亦對月表科研活動興趣濃厚，此時LOP-G 任務提出並實施兼顧了各方航天發展的六大主要訴求。

一是「中繼站」。和「鵲橋」類似，LOP-G 直視月球背面，其通信艙可實現與月面工作的各類著陸器和巡視器的中繼通信覆蓋。

二是「門戶站」。LOP-G 註定是人類往返火星探測的前哨，啟程前對火星飛船在軌組裝和測試。另一方面，在LOP-G 上可在軌組裝、測試小衛星/ 立方星群及小行星探測器，開展地月空間科學探測、近地小行星探測等，而後者也承載了人類太空資源開發和利用、預防和規避近地小天體與地球相撞的重要使命。

三是「 樞紐站」。LOP-G 所在的NRHO 軌道維持容易，同時它又能升降軌道以完成不同性質的任務，既可以作為地月轉移的過渡軌道，僅需約730m/s 的速度增量即可進入環月極地軌道，也能進入月球的高軌道進而支持探測器前往太陽系其他目標天體，大幅降低深空探測任務的推進劑需求。

四是「中轉站」。將LOP-G 作為月表探測任務的中轉站，支持航天員和遙操作機器人的月面著陸、巡視和返回等作業，使進入月球或隨時往返的任務更加靈活，助力各類月表科學探測活動的開展。

五是「接力站」。無論是航天員重返月球或是奔向火星或更遠深空，LOP-G 是人類離開近地軌道後的接力站，既可為航天員提供太空生存所需，亦可為各類深空探測器加註燃料，提供能源，使得月球著陸器的重複使用成為可能。

六是「試驗站」。LOP-G 可以測試和研發未來深空探測新技術，併兼顧商業航天的優勢資源發展所需裝備。

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LOP-G 工程研製取得重要進展

雖然LOP-G 是最近兩年才日益引起關注，但其所需的各類技術卻不是從一張白紙起步的。近5 年以來，得益於兩輪「空間探索夥伴關係的下一代空間技術」（NextSTEP）計劃的支持，阿斯特拉火箭公司、波音公司、洛馬公司等商業航天公司圍繞先進推進系統、深空居住艙等的原型預研已取得重要進展，NASA 正穩步推進大推力重型運載火箭SLS 和獵戶座飛船研製。SLS 首飛火箭正在加緊生產，獵戶座飛船研製接近尾聲。2018 年8 月SLS 的移動發射塔（ML）已運抵肯尼迪航天中心39B 發射場組裝大樓。9 月，獵戶座降落傘系統完成最終考核，這是將人類送往月球及更遠深空的重要里程碑事件。10 月，獵戶座隔熱罩和通信模塊分別在肯尼迪航天中心完成安裝和測試。SLS 核心階段的五個主要結構部件已完成總裝。2018 年年底，SLS 的10 個運載火箭發動機固體助推器已全部就位。

當然，LOP-G 的工程研製仍存在很多挑戰。NASA 計劃2019 年在斯坦尼斯航天中心測試SLS火箭的芯級，測試將包括安裝飛行芯級，並使4 個RS-25 發動機同時點火。同年也將對歐洲研發的服務艙及移動發射塔進行測試。工程師們必須確保SLS、獵戶座和地面系統的安全可靠運行，未來可以支持人類向月球和更遠的地方探索。新一代RS-25發動機將在利用3D 列印和智能製造技術降低成本的同時，繼續保持其可靠性。計劃於2020 年實施的EM-1 任務在肯尼迪航天中心發射，將實現SLS 與獵戶座飛船的首飛，同時這也是與地面發射系統的第一次綜合試驗，為未來的載人深空探測鋪平道路，引領人類探索月球及更遠地方。後續還將對EM-2 任務載人飛行的乘員艙、發射中止系統（LAS）進行一系列的測試，而LOP-G 的「真正」組裝也將自EM-2 開始。

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結 語

雖然存在很多不確定性，NASA 還是規划了2024 － 2026 年執行載人的EM-4 到EM-7 任務：完成國際生活艙（EM-4）、美國生活艙（EM-5）、後勤補給艙（EM-6）、過渡艙（EM-7）。2027 －2033 年實現LOP-G 的深空運輸中轉（DST）功能，將全面建成LOP-G：2027 年驗證LOP-G 的DST功能（EM-8） 和載人DST 功能（EM-9）；2028年驗證LOP-G 的後勤補給和燃料加註等貨運DST功能（EM-10）；2029 年開展地月空間為期一年的載人DST 驗證（EM-11）；2030 年LOP-G 開展後勤補給和燃料加註等的DST（EM-12）；2033 年利用DST 實現載人環火星探測（EM-13）。

來源：《國際太空》2019年第4期

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