随着航天技术的进步,载人航天从近地轨道向更远的空间发展,美国加速推动“阿尔忒弥斯”计划实施,并计划建造“门户”地月空间站,将其发展成地月空间和更远深空的重要枢纽,支持未来载人月球探测任务和可能的载人火星探测。本文简要梳理“门户”地月空间站发展背景,研究其系统方案、建造方案,从项目定位、任务方案、系统方案、发展模式等方面分析其特点,为相关研究提供参考。
一、发展背景
(一)美国载人月球探测总体态势
随着航天技术的发展,载人航天活动从近地轨道向更远空间发展的需求日益突出,在此背景下,世界主要航天国家再次将载人月球探测列为重点发展领域,全球即将迎来新一轮载人月球探测热潮。
进入21世纪以来,美国为巩固航天领先地位,着眼载人航天长远发展,将近地轨道以远空间作为载人航天活动未来的重要方向,以火星为长远目标、月球或小行星为中期目标,先后提出多项载人月球/深空探测计划,发展一系列关键技术和核心能力。小布什政府2004年启动“星座”计划,提出要载人重返月球。奥巴马政府2010年取消“星座”计划,改为实施“小行星重定向”任务。特朗普政府再次瞄准重返月球,实施“阿尔忒弥斯”计划,提出在2024年载人登月。拜登政府延续了“阿尔忒弥斯”计划,但重新调整了计划进度。
当前,美国正在推进“阿尔忒弥斯”计划实施,同时采取多种途径提供保障。一是美国航空航天局(NASA)逐步将近地轨道载人航天活动移交商业公司,腾出更多资源用于月球和深空方向;二是面向载人月球探测,持续开展关键技术攻关,推进重型火箭、新型载人飞船等重要系统研发;三是借助载人月球探测重大工程,吸引商业公司、国际伙伴深度参与,发展本国太空经济,构筑以美为中心的国际小团体,领导未来载人航天发展。
(二)“阿尔忒弥斯”计划整体情况
“阿尔忒弥斯”计划的终极目标是探索火星,近中期目标是载人月球探测。航天员将在月球停留较长时间,勘探水和其他关键资源,逐渐学习太空长期生存技巧,为长达3年的火星探索做准备。
“阿尔忒弥斯”计划采用基于地月空间站的飞行方案,以月球“门户”空间站为枢纽,支持载人月球探测任务及未来的载人火星探测任务,选定月球南极作为着陆区,建立月球基地。“阿尔忒弥斯”计划整体分两个阶段实施:
(1)第一阶段,“登陆月球南极”阶段。主要任务是实现本世纪首次载人登月,进行月球科学考察。特朗普政府提出2024年实现载人登月,拜登政府根据实际进度将该节点推迟至不早于2025年。
(2)第二阶段,“实现月球持续驻留,具备前往火星的能力”阶段。主要任务一是进一步建设“门户”空间站,将其发展为有人和无人任务的中转站,支持长期月球探索;二是建立月球基地,开展科学探测,实现原位资源利用,利用月球车探索偏远区域;三是通过多年在轨/月面活动,获得执行长期载人航天活动的经验和信心,为开展载人火星任务验证技术和能力。
二、系统方案
(一)美国地月空间站概念演化
2012年3月,NASA公布了“深空家园”概念,并于2015年通过“未来空间探索技术伙伴关系”计划对有关概念进行资助,开展深空居住需求研究。2017年3月,NASA在前期研究的基础上,提出了“深空之门”和“深空运输站”项目,“深空之门”为有人照料地月空间站,可用作“深空运输站”的中转补给站及机器人和载人月面任务的中转基地。2018年2月,NASA将“深空之门”更名为“月球轨道平台门户”。随着“阿尔忒弥斯”计划的推进,“月球轨道平台门户”演变为目前的“门户”地月空间站项目,并成为美国载人月球探测计划的重要组成部分。
图1 “门户”概念图
(二)“门户”空间站总体方案
“门户”空间站运行在地月空间,可作为月球探测、火星探测的中转站,同时还将开展行星科学、天体物理学、太阳物理学、基础航天生物学、人体健康与行为等研究。
“门户”空间站运行在月球附近的近直线晕轨道上,近点距离月球北极约3000km,远点距离月球南极约70000km,轨道周期约7天。运行轨道较为稳定,每年轨道维持所需的速度增量小于10m/s。载人飞船发射后,从地月转移轨道进入近直线晕轨道所需速度增量约为420m/s,返回地球的速度增量也约为420m/s,从近直线晕轨道转移至较低高度的月球极轨道的速度增量仅为730m/s,满足任务需求。
“门户”空间站具有太阳能发电站、通信枢纽、短期居住舱、科学实验室、巡视器和机器人基地等多种功能,可承载4名航天员,设计寿命15年。“门户”空间站由电源和推进模块、居住和后勤舱、欧洲系统模块、国际居住舱、气闸舱、机械臂等部分组成。
表1 “门户”空间站主要组成部分
图2 “门户”精简构型
(三)“门户”空间站各舱段方案
1.电源和推进模块
电源和推进模块源于“小行星重定向”任务,用于将小行星运送至月球轨道,随后修改用于为“门户”空间站提供电源和动力。电源和推进模块采用“麦克萨”1300系列卫星平台,质量约8~9t,发电功率超过50kW,安装共4台布塞克公司的6kW级霍尔效应推进器和NASA先进电推进系统推进器,可用于轨道机动和保持。电源和推进模块能够在无动力和有动力飞行状态下保持姿态稳定;安装NASA提供的S频段通信系统,具备通信、指挥和控制能力,能够与地球保持高增益通信,还可支持太空系统通信、月球表面中继;具备热控能力,可支持科学和技术实验载荷;安装NASA被动对接适配器,与居住和后勤舱连接。
图3 电源和推进模块
2.居住和后勤舱
居住和后勤舱也称作简易居住舱,此前称为应用舱,用于居住和装载货物。居住和后勤舱基于“天鹅座”货运飞船研制,加装了径向对接口、外舱壁散热器、电池、通信天线等系统。该舱段具备基本的环控生保、热控、通信与跟踪、指令与控制、数据处理、供配电能力,拥有符合国际标准对接系统的2个轴向、2个径向对接口,与“猎户座”飞船共同支持4名航天员飞行30天以上。
图4 居住和后勤舱
3.欧洲系统模块
欧洲系统模块全称为“提供燃料补给、基础设施和通信的欧洲系统”。系统总质量约4t,长3.91m,包括两个部分:一是晕轨道月球通信系统,能够为“门户”空间站提供额外的通信能力;二是补给模块,包括加压燃料箱、对接口、小型廊道等部分,将提供氙气、肼等燃料补给,并为科学实验载荷提供小型气闸。
4.国际居住舱
国际居住舱是欧空局与日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)合作建造的居住舱,与居住和后勤舱一起,可提供125m3的可居住空间。国际居住舱还采用了日本提供的生保系统、NASA提供的电子设备和加拿大航天局提供的机器人技术等。
图5 国际居住舱
三、建造方案
(一)合同授出情况
目前,美国、欧洲、日本、加拿大等各参与方正在推进“门户”空间站的研制工作,累计授出合同总额超过24亿美元。
2019年5月,NASA授予麦克萨技术公司(Maxar)电源和推进模块研制合同,采用固定价格合同形式,总额3.75亿美元。
2020年6月,NASA授予诺格创新系统公司居住和后勤舱初步设计合同,总额1.87亿美元;2021年7月,NASA再次向其授出舱段制造合同,总额9.35亿美元。
此外,NASA授予SpaceX公司发射服务合同,使用“猎鹰重型”运载火箭发射电源和推进模块居住和后勤舱组合体,总额3.318亿美元。
图6 欧洲系统模块
2021年1月,欧空局授予泰雷兹•阿莱尼亚宇航公司欧洲系统模块研制合同,总额2.965亿欧元。
根据计划,国际居住舱合同总额3.27亿欧元,目前,欧空局已向泰雷兹•阿莱尼亚宇航公司授出第一项3600万欧元的合同。
2020年12月,加拿大航天局授予MDA公司“加拿大臂”3价值2280万美元的A阶段合同,确定机械臂技术需求。2022年3月,再次授出价值2.69亿美元的B阶段合同,开展机械臂的初步设计。后续,还将通过C、D阶段合同,完成机械臂的最终设计、制造和测试。
(二)后续建造规划
根据计划,“门户”空间站预计2028年前后完成建造。2024年,利用“猎鹰重型”运载火箭,将电源和推进模块居住和后勤舱2个舱段的组合体一次发射入轨。随后分别利用“阿尔忒弥斯”4/5/6任务,依次部署国际居住舱、欧洲系统模块、后勤舱和机械臂;并利用一次无人任务部署气闸舱,完成“门户”空间站建造。届时,“门户”空间站完全具备载人登月中转能力,参与成员国仅需要单独研发登月舱,发射到“门户”,即可完成载人登月的所有准备工作。
根据设想,“门户”空间站未来还可支持载人火星探测任务。首先向“门户”空间站发射“深空运输站”,之后发射载人飞船和后勤舱,随后发射货运飞船对“深空运输站”在轨加注。完成各项准备后,“深空运输站”飞向火星,开展长时间深空独立飞行。
四、特点分析
(一)“门户”将成为世界首座地月空间站,具有重要意义
载人月球探测因项目引领性、高影响力的特点,被航天强国视作战略高地,被当作拓展人类生存空间、牵引科学发现、推动技术进步、展示综合国力的标志性工程予以推进。“门户”地月空间站是美国“阿尔忒弥斯”计划的重要组成部分,目前已向承研商授出主要舱段和系统的研制合同,正在从概念走向现实,根据计划,将于2024年启动首批舱段部署,2028年完成建造。“门户”将成为世界第一座地月空间站,对于展示美国实力、提升国际影响、巩固航天领先地位具有重要意义。
表2 “门户”空间站建造计划
(二)基于地月空间站的探测方案,可提高任务灵活性
“门户”空间站为“阿尔忒弥斯”计划提供了极大的任务灵活性。“门户”空间站运行在近直线晕轨道,不仅能够提供对月球南极的长时间覆盖,还能够避开地食影响、持续保持与地球的通信,此外,轨道仅需要极少的能量维持,还支持到访航天器以较少的速度增量实现轨道转移。与直接往返的任务模式不同,采用地月空间站作为中转站,能够将载人月球探测任务分割为载人天地往返、登月两部分,使两项任务完全解耦,提高了任务可靠性和人员安全性,增加了整个载人月球探测任务的灵活性,未来还可支持载人火星探测。
(三)“门户”空间站功能齐备、规模适度
“门户”空间站针对月球探测任务,注重有人探测和无人探测相结合,并将该理念融入系统方案设计中。“门户”空间站具备太阳能发电站、地月空间通信枢纽、航天员短期居住舱、科学实验室、巡视器和机器人基地等多种功能,可作为月面探测、深空探测的中转站。相比运行在近地轨道的“国际空间站”,“门户”地月空间站在功能上较为齐备,甚至超出“国际空间站”;在规模上较为适度,可支持航天员中期驻留及无人自动探测任务,综合效率较高。
(四)注重引入国际合作、商业合作,提升项目可持续性
“门户”空间站是一个大型国际合作项目,延续了“国际空间站”的合作关系,项目由NASA主导,除俄罗斯航天国家集团外,欧空局、日本宇宙航空研究开发机构、加拿大航天局等其他“国际空间站”的参与方均深度参与。此外,美国还注重引入商业公司力量,利用“猎鹰重型”等商业运载火箭发射重要舱段;后勤舱等系统还计划吸收近地轨道商业货物和乘员运输的经验,交由商业公司负责。国际合作伙伴、商业公司将参与“门户”空间站整个研制、服务、应用阶段,提升项目的效益和可持续性。
五、结束语
“门户”空间站将成为世界首座地月空间站,能够为持续探索利用地月空间和更远深空提供重要的踏板,是美国最新载人月球探测计划的重要组成部分,也是“阿尔忒弥斯”计划区别于“阿波罗”计划的关键系统之一。“门户”空间站在轨道设计、系统总体设计等方面采用了诸多创新方案,同时充分发挥重大航天工程在国际合作、商业合作上的带动作用,其发展思路值得关注研究。
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本文转载自“中国航天”,作者:何慧东 苑艺,北京空间科技信息研究所,原标题《美国“门户”地月空间站发展情况研究》。
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