NASA想在月球轨道建长期基地 - Gateway空间站

网易科学人
2018-07-29

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网易科学人2018-07-29

据国外媒体报道,时隔五十年之后,美国国家航空航天局(NASA)想要再次将人类送上月球,并要在月球轨道上建立一个长期性的基地,这就是Gateway空间站项目。

可以说月球是一个非常有耐心的地方。这里曾经也是一个非常繁忙的地方。在距今久远的形成早期,太空中各种碎片的不断轰击使月球表面留下了巨大的熔岩流,形成了所谓的海洋,并在其上留下了数千个存在至今的陨石坑。撞击最终停止,月球安静下来,数十亿年来它几乎什么也没有发生。而隔壁的蓝白色地球世界开始开始繁衍生息。

然后,在很短的时间内,月球上也出现了生命的足迹。从1968年12月到1972年12月,在短短四年的时间里,九名来自地球的宇航人员绕着月球表面飞行,甚至在月球的古老地表上行走。在当时,这对于35亿人身处地球的人来说,是伟大而又不可思议的壮举。但对月球的探索戛然而止,他们突然停了下来。人类离开了,月球恢复了往日的安宁。

然而,这一切可能很快就会改变。这是美国五十年来的第一次——与私营企业和国际合作伙伴一道,承诺重返月球,并要在规定的时间内实现这一目标。 2017年12月,美国总统特朗普签署了三项太空政策令中的第一项,将载人月球探测重新置于美国国家航空航天局议程的首位。有了这些政策,长期以来一直处于发展规划阶段的计划有了新的紧迫性。而且这些计划与美国人第一次登上月球的方式完全不同。

在之前的登月活动中,美国开展的是所谓的月球探测“旗帜和足迹模型”——宇航员乘坐一次性登月车在月球表面着陆,最多工作几天,然后直接返回地球。而美国现在希望在月球表面和绕月轨道上建立长期的基地。新系统的核心部分将是美国国家航空航天局所称的月球轨道平台——Gateway,这个名字也包含了一个相对简单的概念。正如美国国家航空航天局所想的那样,Gateway将成为月球轨道上的一种小型空间站。

就像重达450吨的巨型国际空间站一样,这个空间站也将在十几个国家的合作下建成。现有的国际空间站由15个可居住模块和大量太阳能电池板组成。相比之下,Gateway相对较小,重量约为75吨,仅由一个或两个可居住的模块组成,每个模块的大小与校车相当。此外,Gateway还有一个用于动力和推进的可拆卸模块、一个用于宇航员进行太空行走的气锁模块以及一个用于航天器等设备的对接端口。

宇航员会乘坐美国国家航空航天局目前正在开发的猎户座飞船抵达Gateway空间站。猎户座飞船类似于此前的阿波罗宇宙飞船,但体积更大,功能也更强大。宇航员最多可以在Gateway空间站生活六个星期,这时的空间站会在距月面1200英里到47000英里的绕月轨道上运行。而在此期间,宇航员可以通过登月舱往返于月球表面,这类似于阿波罗时代的登月舱。然而,与旧的登月舱不同的是,新式设备可重复使用,因此,随着时间的推移,它们的成本开支会更低廉。

当然,稳固的基地代价相当高昂。而且美国国家航空航天局的资金已经停止增长多年——每年不到200亿美元,仅占国家预算的0.5%。相比之下,在阿波罗时代的大部分时间里,美国国家航空航天局的拨款都达到了总预算的4%。虽然私营企业在21世纪的太空探索中扮演着从未有过的重要角色,但硬件设施开发初始部分的成本依旧来自美国国家航空航天局的口袋。

根据目前的时间表,第一批空间站设备将在2022年通过无人火箭运往月球轨道——人类在2023年就可以在月球背面的轨道上进行猎户座飞船的试飞,同年就可以入驻Gateway空间站。不久之后,这些宇航员就可以通过Gateway空间站往返月球表面。

“我们正在努力让宇航员在2020年中期登陆月球——大概是在2025到2026年间,” 美国国家航空航天局人类探索和行动部门副署长比尔·格斯登梅尔(Bill Gerstenmaier)说。

如果美国国家航空航天局顺利实现了在月球建立稳固基地的目标,也就意味着向下一个目标迈出了一大步:登陆火星。月球本身仍然是科学研究的丰富对象,但它也可以成为人类在火星站稳脚跟所需系统的关键试验台:火星车,栖息地,动力系统以及长期定居所必需的系统。

“月球作为登陆火星的试验地具有很大的实践意义,”乔治华盛顿大学太空政策研究所创始人约翰·洛格斯登(John Logsdon)说,“登陆火星之前,在距离地球只有三天路程的地方去体验一下如何生活是一个好主意。毕竟前往火星至少需要八个月的时间。”

Gateway可以为登陆火星提供的不仅仅是技术,它也可以提供资源。月球是水、空气和火箭燃料的现成来源,这要归功于月球两极沉积的冰,以及它的表层——或称风化层——只是覆盖着灰尘。宇航员可以轻而易举地采集冰块并将其运送到Gateway,其中一些可以作为水储存,而另一部分水则可以分解成氢和氧。前往火星的宇航员可以在此停下来,为他们的长途旅行补充所需的物资,从而节省了将这些必需品从地球上运出的巨大成本。第二个居住模块也可以停靠在Gateway上,火星宇航员也可以在往返火星的途中在空间站进行调整。

但是,即便大家一致认为重返月球是一个好主意,但并不是每个人都同意打造Gateway空间站这种方式。对于批评者来说,这个计划听起来就像是一个就业计划和一笔融资——这种情况经常发生在新一届政府刚刚上台时,想要在太空发展上留下属于自己的印记,仅仅因为它是新事物而梦想着新的东西。

“我们往往根据形势做出这些决定,”前宇航员、Gateway空间站批评者特里·维尔茨(Terry Virts)说道,“我们将建造这样一个东西,然后我们会觉得我们必须使用它。我们短期内的目标是登陆月球,长期目标是登陆火星。但我们不需要一个Gateway来完成这两件事。”

更重要的是,Gateway空间站远比阿波罗登月计划更为复杂,后者仅涉及三个关键部分:土星五号火箭,阿波罗轨道飞行器和登月舱。近几十年来,美国国家航空航天局甚至还没有能够完成人类在深空探测中所做的基本工作。猎户座宇宙飞船和太空发射系统(SLS)自2004年以来一直在艰难前行,首次发射日期也一再被推迟。即使新的航天器和太空火箭投入使用,美国国家航空航天局计划的仅仅是每隔一年发射一次。相比之下,阿波罗飞船和土星五号在1968年至1972年间就进行了10次载人飞行。

洛格斯登表示,按照目前太空计划的缓慢进度而言, “我们能够如期完成Gateway空间站将是一个很大的挑战。”

美国国家航空航天局之前就已经听过这一切,并坚持认为这次的情况确实有所不同。“你已经可以亲手感觉到第一个准备飞行的猎户座宇宙飞船上,” 格斯登梅尔说。他补充道,太空发射系统SLS也“已经准备好了。所有的设备都已经准备就绪。”

然而,设备间里的硬件设备并不是发射台的硬件设备——更不用说月球轨道了。在穿越长距离的深空之前,必须克服许多障碍。

起初的Gateway空间站项目并没有考虑到月球。当美国前总统奥巴马就职时,他接手的是一个资金不足、进度落后的登月计划,这一计划是前总统乔治·W·布什(George W. Bush)在2004年发起的,更像是老的阿波罗计划(Apollo program)。在总统竞选期间就对太空政策没什么兴趣的奥巴马取消了布什计划,包括开发猎户座宇宙飞船和太空发射系统SLS。 (火箭当时被命名为Ares V.)但是这两个项目与佛罗里达州和德克萨斯州两个美国太空界主力州的利益交叉,,有可能会影响到奥巴马的立法愿望和连任计划,因此最终在国会的压力下做出让步,保留了太空计划。

然而,月球将不再是目标。相反,美国国家航空航天局将尝试使用无人宇宙飞船寻找一颗小型小行星,将其重新安置到到高月球轨道,在附近建造一个小型空间站,并将宇航员送到空间站,然后降落到小行星上研究它。这个不可思议的想法——被称为小行星重定向任务——从未通过论证。在奥巴马的第二个任期,美国政府悄悄放弃了该计划,指示美国国家航空航天局在2030年之前将注意力集中在如何把宇航员送上火星。Gateway仍然是登陆火星新计划的一部分。

2017年,特朗普搁置了登陆火星的计划,并用登月取而代之。然而,Gateway是一个已经开始实施的计划,依旧保持运行。美国国家航空航天局和美国政府坚持认为它适合新的登月计划,但这并不是一个简单的案例。一艘驶往火星的宇宙飞船可以在月球上停下来寻找天然气和物资,但其接下来的航程仍超过99%。相比之下,在Gateway停留的登月舱已经完成了99%的旅程。

对于洛格斯登来说,保留Gateway是一种事后推理。它在现有的计划中,即使我们不需要它,我们也要利用它。“问题是,如果以前登陆火星不是目标,你还会有Gateway吗?”他问道。

美国国家航空航天局对此的回答是肯定的,并特别指出,Gateway使得登月的选择性远比阿波罗要大得多。在登月舱分离并朝下飞行之前,阿波罗飞船在离月球表面约60英里的地方绕着月球盘旋。Gateway将在太空中以接近直线的方式飞行,称为近直线光环轨道(NRHO)。这意味着一个大的蛋形轨道,大致从北到南绕着月球飞行。

这种不规则的形状和定位使轨道具有特殊的性能。由于地球和月球在太空中的那个点之间存在一种重力平衡,所以只需要一点点燃料即可将轨道调整到几乎任何角度。在Gateway的帮助下,宇航员只需确定想要降落的位置,定位飞行轨道就可以飞过那个地方,然后将登月舱降下去。通过这种方式,宇航员甚至可以探索月球的远端和两极,这是阿波罗计划没有去过的地方。

“Gateway让我们可以造访月球的更多地方,”布里登斯廷说。 “在阿波罗时代,所有六次登陆月球都发生在赤道地区。想象一下,你想要探索地球,所以向明尼苏达州发射了一个登陆舱。这会告诉你撒哈拉以南的非洲有什么吗?”

美国国家航空航天局人类探索与行动委员会主席,前宇航员肯·鲍尔索克斯(Ken Bowersox)则认为,一个像Gateway一样灵活的出发点不仅可以实现更雄心勃勃的任务,还可以鼓励他们。 “这就像是登山的大本营,”他说,“当你建造它时,人们会想要走得更高,而且他们会去更高的地方。”

然后,一些更高的目标涉及新技术的发展。需要让Gateway在轨道上自由移动的轻触式火箭推力意味着减少对传统化学发动机的依赖,因为化学发动机会消耗大量燃料,增加大量重量,并花费大量金钱。相反,美国国家航空航天局将加速发展所谓的太阳能电力推进系统(SEP)——一种利用太阳能为氙气充电的系统,然后氙气并不是在轰鸣的火焰燃烧,而是以精细、无声的气流离开飞船推进系统。其产生的推力很小,能够使飞船稳定但逐渐加速,这意味着可能需要数周甚至数月时间才能完成调整轨道并飞越您想要降落的地方。但是对于宇航员来说,探索月球的新区域还需要几个月的准备时间,所以当宇航员正在训练并且登月舱准备就绪的过程中,Gateway空间站有时间可以慢慢调整。

今年春天,美国国家航空航天局邀请包括大型工业企业洛克希德马丁公司和波音公司在内的五家公司提交了Gateway空间站的太阳能推进模块计划,并希望在今年年底前签订合同。该模块将于2022年首先升空,随后是2023年的居住模块——其重量较轻,其技术要归功于建造国际空间站15个模块所积累的经验。当然,Gateway在成为月球探索大本营之前需要更多的设备。除了对接端口和将要连接到居住模块的宇航员太空行走空气锁之外,它还需要机器人和载人登月舱,以及用于处理和转换从月球采集的水之类的舰载系统。

这些设备中的一部分功能现在只是设想,甚至美国国家航空航天局也承认了这一点。将水分解为氢气和氧气很容易,但如果你想以经济实惠的方式进行大批量转换,那么就有待商榷了。例如,月球上的冰可能与表面的土壤混合在一起,没有人知道冰里面到底有多少杂质。

“或许月球上的冰会像黄金一样罕见,然后你必须移动大量的风化层来获取水,” 格斯登梅尔承认道。

尽管如此,如果Gateway有比阿波罗更多的设备部件,它也有一个阿波罗计划所没有的很大优势:合作伙伴。美国国家航空航天局早期的宇宙飞铲是完全定制化的机器。该机构对它们进行构思,拟定它们的草图,然后向公司发起投标,让它们按照规格建造。现代太空市场更像是一个市集,私人公司设计和建造他们自己的助推器和太空船,并将他们的服务卖给政府和企业客户。

即使发明了像SEP电源模块或登月舱这样的东西,美国国家航空航天局也只是泛泛地描述了机器需要做什么,然后让私人公司来做有竞争力的设计工作,并以具有竞争力的价格进行竞标。获得合同的公司可以像任何企业一样免费使用自己所构建的产品并将其推销给其他客户。在阿波罗计划结束后,没有人会把登月设备出售给下一个想要飞向月球的客户,在利润方面很难有潜力可挖。

“现在的不同之处在于,” 洛格斯登说,“就是私人公司的财力雄厚,而且对月球和太空探索感兴趣,这样以来不仅仅是美国国家航空航天局,包括它们自己也可以成为自己产品的客户。”

同样,美国国家航空航天局的非私人合作伙伴也很重要。当里根总统于1984年首次提出国际空间站时,它被称为“自由空间站”,并没有任何国际意义。像所有其他的美国国家航空航天局项目一样,这也是一个美国单独立项的计划。但“自由空间站”在执行过程中飘忽不定,部分原因在于缺乏足够的资金。 1993年,美国副总统阿尔·戈尔(Al Gore)和俄罗斯总理维克托·切尔诺梅尔丁(Viktor Chernomyrdin)启动了一项协议,该协议最终将“自由空间站”项目改造成一个由许多国家组成的联合体,所有这些国家都将提供资金、模块和其他硬件。国际空间站建成之后,为世界各国的宇航员提供了在太空中进行研究的场所。

对于长期在美国和俄罗斯阴影下苦苦挣扎的太空项目来说,这是一笔非常甜蜜的交易,对各国宇航员来说尤为如此。随着时间的推移,包括加拿大、日本和欧洲航天局在内的15个机构加入了该项目,美国和俄罗斯是该项目的高级合作伙伴。

随着国际空间站的持续运行,该联盟也完好无损。目前,美国正在邀请其合作伙伴共同开展登月和火星项目。2017年在日本东京、加拿大蒙特利尔和澳大利亚阿德莱德举行的一系列会议上,该联盟成员同意了Gateway项目的基本时间表,以NRHO作为其初始轨道,并就各自承担哪些组件的设计和构造达成了初步协议。例如,俄罗斯或将提供气闸舱;日本提供用于辅助动力、推进系统和通信的额外模块,并提供一个专门用于科学实验的气锁;加拿大将提供用于空间站外作业的机器人手臂,目前国际空间站上的机器人手臂对于宇航员在站外工作至关重要。

作为项目统筹者的布里登斯廷表示,不同的国家想要Gateway项目非常突出和可见部分,“这是一个很好的现象。”

但Gateway项目仍存在相当大的障碍,其中就包括美国国家航空航天局持续的资金短缺。在其不到200亿美元的年度预算中,只有一半用于载人太空探索,其中又只有一半可以用于Gateway项目,其余的则用于支持国际空间站的正常运行。杯水车薪的资金也是猎户座和太空发射系统SLS发展缓慢的主要原因,虽然目前的Gateway时间表有望加快,但没有人会认为登月项目会得到井喷般的资金支持,就像美国在20世纪60年代所做的那样。

也许是在不经意间,美国国家航空航天局的新闻稿也反映了Gateway项目的不确定性,常常描述Gateway项目“将”做——而非确定的事情。比如说,发射最早可能会在“既定日期”进行,这与肯尼迪总统(President Kennedy)在上世纪60年代末之前登月的目标非常不同。然而,这种有条件的规划可能已经是现代太空计划中所能做的最好的。

“希望我们能获得类似阿波罗计划的太空探索预算的想法完全是错误的,”太空政策研究所的洛格斯登说,“问题是我们是否能够获得足够的增量资金,以便于行动能够更快。”

此外,政府的更替仍在持续,甚至可能会破坏强大的资助计划。从1958年美国国家航空航天局的创建到1972年的最后一次登月,中间经历了四位不同的总统——每个党派各有2位——以及8个不同的国会。尽管他们经常就人类太空探索的速度和代价争论不休,但总体上登月的目标是不变的。而现在,整个美国政府连维持政府运行的短期预算延期都无法达成一致,很难想象其能够在太空探索中取得成功。

但月球仍然有耐心,星辰大海仍然有耐心。肯尼迪在1962年发表的著名演讲中有句话: “我们选择登月。” 这句话中最有力的词就是“选择”。我们选择。我们可以再次选择。这完全取决于我们。

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