“深空门户”计划打造太空码头

李会超

新闻背景

据英国《自然》杂志网站消息称，美国国家航天局和欧洲空间局日前召开会议，研讨在月球轨道上建造一个“前哨基地”，从而为未来的载人深空飞行任务提供帮助。事实上，美国航天局的“深空门户”空间站计划，就是这个设想的基础。

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国际空间站等待“接班人”

自1998年第一个舱段被发射到太空中起，国际空间站已经在轨道上运行了19年。作为迄今为止人类制造的最大航天器，国际空间站为宇航员提供了长期在太空中驻留的机会。19年间，美国的航天飞机和俄罗斯的联盟号飞船载着来自17国的宇航员，穿梭于地球和国际空间站之间。国际空间站的货运补给任务，给了龙飞船、天鹅座飞船等商业航天公司开发的航天器崭露头角的机会。此外，国际空间站还是科学家们开展空间科学实验、测试新航天技术的绝佳的太空实验室，为人类的太空探索事业起到了不可替代的作用。

然而，国际空间站所在的轨道高度仅有约400公里。相比于地球和月球间38.4万公里和地球到火星间五千多万至数亿公里的距离，这样的轨道高度显得微不足道。从地球向近地轨道发射飞行器，是航天飞行里最简单的课题。飞行器通过火箭本身的推力就基本能够进入轨道，无需进行复杂的多次点火、抬升轨道。从地面到国际空间站的飞行，最快仅需要6小时即可到达，飞船本身无需为支持宇航员长期生活而特别设计。此外，在近地轨道运行的空间站，虽然也受到太阳风暴带来的高能粒子影响，但由于处于地球磁场的保护之下，其所处的环境比地球磁层之外的深空要好很多。

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在2016年年末，欧空局各成员国投票决定继续参与国际空间站项目直至2024年。此前，美、日、俄三国也同意国际空间站服役至2024年。这意味着到本世纪20年代，国际空间站将退役，其“接班人”在此之前必须筹备起来。

将成为探月“前哨基地”

对于深空太空飞行来说，月球恰好是一个不近不远的“中间站”。以阿波罗登月计划为例，登月飞船从地球到月球的飞行一般要经历三天左右的时间，其间飞船要在地球附近依靠火箭上面级的推力变轨，进入奔月轨道。在月球附近则要依靠自身的推力减速，以被月球引力捕获。去往月球的飞行，复杂程度相对近地轨道飞行已经有质的不同，但相对于去往火星的漫漫征途来说，仍然是一件相对容易的事情。通过前往月球的飞行，可以在技术跨度不大的情况下逐步验证深空飞行的新技术，为有朝一日人类真正登陆火星提供必要的经验积累。因此，在下一代空间站的设计中，人们将目光投向了绕月轨道。目前，美国航天局已经提出了“深空门户”空间站计划。这个计划和“太空发射系统”火箭、“猎户座”飞船一道，构成了美国的下一代载人航天计划。

“深空门户”建成后，将成为人类探索月球的“前哨基地”。以往，在月球表面着陆的无人探测器和载人飞船，都需要考虑如何与地球通信的问题。当“深空门户”建成后，可以为月球表面部署的所有探测器充当通信中继，探测器只需安装功率不大的天线，就能在“深空门户”的中继下与地球保持稳定的通信。激光通信等新技术的采用，还有望大大提高通信速度。在月球上采集岩石、土壤样本的探测器，也无需设计再入地球大气层的返回装置。他们在月球表面采样完成后，只需将样品送到“深空门户”空间站上，就算完成了任务。而将样本带回地球的工作，可以由定期造访那里的载人飞船或货运飞船完成。这样，探测器还可以在月球和“深空门户”间多次往返采样，降低了探测器的使用成本。“深空门户”还有望成为“月球GPS”的第一个节点，为今后在月球表面进行大规模探索活动提供导航保障。

去往火星的“中途站”

此外，“深空门户”还可以看作月球附近的一个“太空码头”。按照目前的设想，去往火星或更远行星的载人飞船，一般需要由多个功能各异的舱段组成。这些舱段在宇航员出发之前，会先期被发射到月球附近，与“深空门户”对接。宇航员们到达“深空门户”后，将在这里做准备工作，完成深空飞船的组装，再换乘深空飞船飞往火星。从火星返回“深空门户”后，深空飞船的各个舱段可以停泊在“深空门户”空间站上等待下次飞行，从而实现了重复利用，也节省了下一次发射时所需要的燃料。月球附近的空间辐射环境已经与深空飞行相差不大，通过“深空门户”的长期运行，可以验证辐射防护技术，保证宇航员的安全和健康。在月球表面，也可以对火星上需要进行的着陆场准备、基地建设等工作进行测试，积累经验。

比起由三十多个舱段组成的国际空间站，“深空门户”空间站的个头要小不少，仅由四个舱段构成。在这四个舱段中，深空居住舱是空间站的核心部分，用来支持宇航员长期在绕月轨道上工作生活。货运舱用来进行空间站的货运补给工作，同时也进行一些空间科学实验。气密舱给宇航员出舱活动提供了支撑条件，同时也是“太空码头”的“泊位”，各类深空航天器在启程之前将与空间站对接于此。此外，供电和推进舱，将为整个空间站的正常工作提供电力和推力保障。

延伸阅读“深空门户”

的火箭与飞船

火箭——“太空发射系统”

建设“深空门户”的发射任务将由NASA的新一代火箭“太空发射系统”承担。这种火箭的推进技术继承于航天飞机。航天飞机橙色燃料箱两侧捆绑的那种固体火箭助推器，在经过程度不大的改造后将被用于太空发射系统最初使用的Block1和Block1B两种构型。而后期的Block2构型，则会使用全新的助推器。在这几种构型中，火箭的芯一级均采用4台RS-25液氢-液氧发动机，这种发动机同样来源于航天飞机。目前发展迅猛的商业航天公司SpaceX，采用了并联数十台小推力发动机的方法来获得较大的总推力。与之相比，太空发射系统采用了另一条技术路线，即用数量不多的大推力RS-25发动机来获得较大总推力。这种方案的动力系统相对简单，因此风险也相对较小。按照NASA目前的计划，太空发射系统在2022年的第一次载人发射就将进行“深空门户”的建设。在那次发射中，火箭将会把载有四名航天员的“猎户座”飞船和“深空门户”空间站的供电和推进舱发射到太空中去。在太空发射系统随后的三次载人发射中，其他三个舱段也会分别被发射升空，最终在2025年完成“深空门户”的建设。

飞船——“猎户座”载人飞船

承载宇航员在地球与“深空门户”间往返的，是NASA的“猎户座”载人飞船。猎户座飞船是一种两舱构型的载人飞船。服务舱用来为飞船飞行提供电能、氧气等必要供应，乘员舱用来搭载最多4名航天员。作为新一代载人飞船，猎户座不但采用了更先进的控制系统、计算机系统和废物处理系统，乘员舱还具备了回收重用的能力。使用猎户座飞船，NASA可以执行飞往近地轨道、月球轨道甚至火星的飞行。在飞往火星时，猎户座飞船人均仅2.25立方米的活动空间会使宇航员在长时间飞行过程中产生难以忍受的“憋屈”。因此，猎户座飞船先要到达“深空门户”空间站，与已经在那里等候它的“深空居住舱”对接，共同完成火星之旅。深空居住舱能够为每位宇航员提供的活动空间可达70立方米。目前，猎户座飞船正在测试过程中，而深空居住舱的选型设计工作也已经展开，已经有六个承包商向NASA拿出了自己的方案。其中，洛克希德·马丁公司计划将为国际空间站提供货运补给服务的“天鹅座”货运飞船改装成深空居住舱，而波音公司的计划则是利用国际空间站相关舱段的成熟技术，来设计新的深空居住舱。

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