NASA計劃在月球軌道建造新一代載人空間站 SpaceX等五家公司參與

美國國家航空航天局(NASA)計劃在月球軌道建造新一代載人空間站，這就是月門計劃(Gateway)。這個月球空間站能夠讓宇航員在月球軌道居住一到三個月的時間，這樣他們能夠長時間在遠(yuǎn)離地球的太空進(jìn)行科學(xué)實驗;支持月面任務(wù);甚至完成遙控機(jī)器人等遠(yuǎn)程工作。

本文介紹了月門計劃的歷史和主要組成部分，以及未來可能的用途。目前 NASA 計劃在本世紀(jì) 20 年代的某個時候建成月球空間站并讓宇航員入駐，可能是為了支持阿爾忒彌斯登月計劃。阿爾忒彌斯原定目標(biāo)是讓宇航員在 2024 年登月。但 NASA 監(jiān)察長辦公室在 2021 年 8 月份的一份報告中表示，由于宇航服的開發(fā)工作延誤，這一目標(biāo)“不可行”。

月門計劃歷史

幾十年來，NASA 一直希望建立一個月球空間站，而月門計劃的概念至少可以追溯到 2010 年左右。2012 年，NASA 公開討論了在月球背面建立月球站的想法 —— 后來這個項目被稱為深空棲息地(Deep Space Habitat)。2014 年和 2015 年前后，NASA 開始公開討論“地月棲息地”的概念，目的是在本世紀(jì) 20 年代進(jìn)行更長時間的載人太空任務(wù)。

月門計劃的名字也變了好幾次。NASA 在 2017 年的文件中提到過繞月飛行的深空門戶空間站(Deep Space Gateway)。2018 年，在 NASA 提交的 2019 年預(yù)算中，又被重新命名為月球軌道平臺門戶 (LOP-G)。如今，NASA 更傾向于使用更簡單的“月門計劃”一詞。

HALO 模塊 (諾斯羅普?格魯曼公司)

2019 年，NASA 聘請諾斯羅普?格魯曼公司 (Northrop Grumman) 為月門計劃打造用于宇航員居住和后勤保障的 HALO 模塊。HALO 模塊的設(shè)計基于定期向國際空間站運送設(shè)備和物資的天鵝座貨運飛船。NASA 之所以選擇諾斯羅普?格魯曼公司，是因為該公司在將天鵝座貨運飛船改裝成用于宇航員居住的模塊方面取得了不小進(jìn)展。此外，由于天鵝座貨運飛船足夠小，可以通過現(xiàn)有的商業(yè)運載火箭發(fā)射升空，這極大簡化了月門計劃的開發(fā)工作。

諾斯羅普?格魯曼公司說，HALO 模塊“可以讓 4 名宇航員在踏上月球表面探險和返回月球的過程中呆 30 天的時間。”諾斯羅普?格魯曼公司在 2020 年 6 月獲得了 1.87 億美元的資金用于設(shè)計 HALO 模塊，為當(dāng)年 11 月完成的初步設(shè)計審查做準(zhǔn)備。該公司隨后于 2021 年 7 月從 NASA 獲得了一份價值 9.35 億美元的合同，完成 HALO 模塊的設(shè)計和開發(fā)。HALO 模塊計劃于 2024 年搭乘 SpaceX 的獵鷹重型火箭抵達(dá)月球軌道。

動力和推進(jìn)模塊 (Maxar Technologies)

月門計劃的動力和推進(jìn)模塊基于 NASA 小行星重定向計劃中相關(guān)的推進(jìn)器研究工作。這一計劃在 2017 年被取消，但有關(guān)推進(jìn)器的設(shè)計被回收利用。2019 年 5 月，NASA 選中 Maxar Technologies 來建造月門計劃的動力和推進(jìn)模塊。據(jù) NASA 稱，該模塊是一個太陽能電力推進(jìn)裝置，可以繞月運行，也可以用于火星之旅。

Maxar Technologies 在 2019 年完成動力和推進(jìn)模塊的系統(tǒng)需求審查，并在 2021 年初通過了其他兩項關(guān)鍵審查。動力和推進(jìn)模塊預(yù)計將于 2024 年和 HALO 模塊一道前往月球軌道。

機(jī)械臂 Canadarm3 (MDA)

加拿大航天局于 2019 年 5 月宣布，將向月門計劃提供名為 Canadarm3 的新一代機(jī)械臂，這是在航天飛機(jī)和國際空間站所使用機(jī)械臂的基礎(chǔ)上開發(fā)的。Canadarm3 機(jī)械臂設(shè)計融入了一定的機(jī)器學(xué)習(xí)，這樣機(jī)械臂可以在宇航員執(zhí)行任務(wù)期間自行維護(hù)和監(jiān)督空間站運行，因為月球空間站總會有空置的時候。作為交換，NASA 承諾在 2020 年讓一名加拿大宇航員參加阿爾忒彌斯計劃的首次月球軌道飛行任務(wù)。

2019 年，加拿大曾承諾在 24 年內(nèi)向 Canadarm3 機(jī)械臂和月球探索加速器計劃 (LEAP) 投資 20.5 億加元，當(dāng)時約合 15.6 億美元。LEAP 旨在鼓勵企業(yè)將機(jī)器人、健康和人工智能等技術(shù)用于月球任務(wù)。加拿大 MDA 公司獲得了一系列與 Canadarm3 機(jī)械臂相關(guān)的合同，最近敲定的合同是 MDA 在 2021 年 7 月獲得 3530 萬美元，用于機(jī)械臂接口的初步和詳細(xì)設(shè)計。

貨運飛船(SpaceX)

2019 年 8 月，NASA 公開征集意見，要求各個公司就如何開發(fā)向月球空間站運送貨物的飛船提出建議。與國際空間站所使用的貨運飛船類似，月門計劃貨運飛船將由商業(yè)火箭發(fā)射升空，將能在月球空間站停留至多 6 個月的時間。

2020 年 3 月，SpaceX 被確定為月門計劃的貨運服務(wù)提供商，使用新一代龍飛船提供貨運服務(wù)。目前龍飛船已經(jīng)是國際空間站的主要補(bǔ)給船之一。SpaceX 代表表示，這種名為 Dragon XL 的新飛船將能攜帶超過 5.5 噸的貨物前往月球空間站。NASA 當(dāng)時表示，還可能會選擇其他公司加入 SpaceX 的工作，為月球空間站提供再補(bǔ)給服務(wù)，但所有合同的總價值不超過 70 億美元。

載人飛船(洛克希德?馬丁公司)

月門計劃的第一次載人航天任務(wù)可能由洛克希德?馬丁公司開發(fā)的“獵戶座”飛船執(zhí)行，但其他載人飛船也可能在未來幾年前往月球空間站。獵戶座飛船的開發(fā)歷史早于阿爾忒彌斯，甚至早于 NASA 已經(jīng)取消的幾項計劃，其中也包括 NASA 旨在將人類送上月球和火星的星座(Constellation)計劃。

2014 年 12 月 5 日，“獵戶座”飛船成功執(zhí)行名為“探索飛行測試-1”(EFT-1) 的飛行測試，飛船順利抵達(dá)高地球軌道。“獵戶座”飛船的下一次飛行計劃是阿爾忒彌斯 1 號，原計劃將在 2021 年底發(fā)射升空。自 2017 年以來，由于 NASA 巨型火箭太空發(fā)射系統(tǒng)(SLS)的問題，這一任務(wù)已經(jīng)被推遲了幾次。“獵戶座”飛船包括一個乘員艙和服務(wù)艙，以及重要的動力、燃料和氧氣生成系統(tǒng)，類似于 20 世紀(jì) 60 年代和 70 年代進(jìn)行繞月飛行的阿波羅任務(wù)指令艙。

運行軌道

月球空間站將在被稱為“近直線光環(huán)軌道”(NRHO) 的全新軌道上運行。這樣一來，空間站沿著高度“偏心”的軌道運行，而不是像“阿波羅”那樣繞月球低軌道運行。其在月球南極上空時距離月面最近，同時處于軌道上的其他點時距離月面很高。

根據(jù)歐洲航天局的說法，NRHO 軌道距離月球表面的距離在 3000 到 70000 公里之間，并將與月球一起旋轉(zhuǎn)。這一軌道繞月運行一周大約需要 7 天的時間，而且完全處于陽光照射不到的地方最少，能讓月球空間站的太陽能板供電最大化。小型衛(wèi)星任務(wù) CAPSTONE Cubesat 最早將于 2021 年 10 月發(fā)射升空，測試這一軌道。

月球空間站不會一直有

與自 2000 年以來一直有宇航員的國際空間站不同，月球空間站不會有宇航員一直值守。相反，宇航員每次只會在月球空間站停留大約 30 到 90 天。其他時間月球空間站將自動運行。

這種情況在很大程度上是因為，與國際空間站相比，將宇航員送入繞月軌道成本太高，需要 SLS 火箭和獵戶座飛船。這可能會讓月球空間站在大部分時間里無人值守。

登月任務(wù)的中轉(zhuǎn)站

月門計劃的主要功能之一是充當(dāng)探測器和宇航員往返月面的中轉(zhuǎn)站。NASA 設(shè)想在月面沙克爾頓環(huán)形山建立一個阿爾忒彌斯計劃基地。沙克爾頓環(huán)形山是月球表面富含水冰的區(qū)域。NASA 說，這一月面基地最終將需要水、廢物處理、著陸器、通信和輻射屏蔽等物資。

月球空間站也有可能實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控月球探測機(jī)器人。宇航員可以遠(yuǎn)程遙控月球車或飛行器，來探測隕石坑或建造用于望遠(yuǎn)鏡觀測的無線電天線。畢竟在地球上發(fā)出指令和在月球近側(cè)表面接收指令之間有兩秒的時間延遲。

火星中轉(zhuǎn)站

月門計劃的設(shè)計仍在進(jìn)行中，很難預(yù)測其將如何支持探月任務(wù)，更不用說火星探索任務(wù)。NASA 堅持認(rèn)為，從阿爾忒彌斯和月門計劃中吸取的許多“教訓(xùn)”將對火星探索有用，包括如何將宇航員送往深空，如何保證宇航員的安全，如何就地利用資源等等。

關(guān)鍵詞： NASA 月球軌道 載人空間站 參與