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载人空间站从近地走向深空 目标是月球和火星

网络编辑 军事 2021-04-30 12:06:44 0 空间站 月球 美国

原标题:筑梦“天宫”|载人空间站从近地走向深空,目标是月球和火星

中国空间站的“天和”号核心舱顺利发射升空,预计2022年完成“天宫”号空间站的在轨建造。

与此同时,国际空间站的合作方以美国为首,正在紧锣密鼓地筹备建造运行在月球轨道上的空间站——“门户”月球空间站,此外,中国也计划建造月球载人轨道站。载人空间站正从近地轨道逐步走向深空,服务于载人登陆月球和火星的宏伟蓝图。

目前,各国发射的空间站均在地球低轨道运行,随着人类走向深空步伐速度的加快,载人空间站也开始走向深空。

载人深空任务需要中转站

1971年4月19日发射的“礼炮1号”是人类的第一个载人空间站,其内部空间约99立方米,在轨重量超过18吨,赋予了人类具备了长期在轨驻留能力,美国不久后也发射了试验性的天空实验室,这个试验空间站的体积重量更大。从“礼炮1号”开始到现在的国际空间站,美俄先后发射了10个空间站,但它们都位于近地轨道,而随着人类载人航天的重心转向深空,以载人空间站作为中转节点,支持深空探索的技术路线得到了越来越多的关注和支持。

美苏发射第一个空间站之前,美国“阿波罗”计划已经实现了载人登月,但“阿波罗”飞船和登月舱只能支持规模有限的插旗式登月活动。正如近地轨道空间站的出现,让人类在地球轨道实现了长期不间断驻留,要维持规模更大、更具持续性的载人深空探索,无论是实施载人登月还是登火任务,一个支持载人深空任务的空间站用处还是非常大的。

将空间站作为载人深空探测中转站并不是21世纪出现的新点子,早在20世纪80年代,美国提出的“自由”号空间站项目中,就曾旗帜鲜明地要求这个近地轨道的空间站可以支持深空探索,不仅可回收火星取样返回的返回舱,还将支持载人登月和载人登火任务。这个计划宏达的“自由”号空间站将采用双龙骨桁架式结构,大型桁架不仅挂载空间站的节点舱、实验舱和生活舱,还将挂载大型“船坞”设施。航天飞机运来深空飞船的部件后,在“自由”号空间站上组装成完整载人深空飞船组合体,从近地轨道出发执行载人登月和载人登火任务。美国宇航局1989年发布的《90天报告》中,“自由”号空间站正是在轨组装登月飞船和火星飞船的关键空间基础设施。

美国计划在2024年进行载人登月,“门户”月球空间站将发挥重要作用,图为美国载人登月项目中用于发射“猎户座”载人飞船的SLS重型运载火箭。

冷战结束后,“自由”号空间站项目被取消,但相关技术延续下来,融入后来的国际空间站项目。国际空间站的轨道倾角约51度,不适合发射登月飞船,即使如此,美俄仍提出从国际空间站出发的月球旅游构想,其中美国太空探险公司进行推销和运作,俄罗斯能源集团负责制造月球版“联盟”号飞船,使用Block-D上面级对接飞船后完成商业环月飞行。能源集团总经理索恩采夫称每趟环月之旅价格1.5亿美元。遗憾的是,美俄联合商业载人环月方案没能得到足够的启动订单,只能一直停留在纸面上,但它显示了以空间站为中转的技术路线具备巨大的发展潜力。

2005年,时任美国总统小布什提出重返月球的“星座”计划,“星座”计划采用地球轨道交会方案,并没有引入空间站作为中转站,这个计划由于成本超支被之后上台的新总统奥巴马取消,但重型火箭改头换面以SLS的名字活了下来,成为未来载人深空发射的基础。“星座”计划取消后,美国载人航天部门一时间“拔剑四顾心茫然”,未来到底是登月还是登火举棋不定,奥巴马又提出登陆小行星的取巧方案,这也加重了未来发展方向的困扰。危机同样带来机遇,面对未来发展方向的不确定性,2010年,美国波音公司的Raftery提出了探索平台的构想,探索平台将使用国际空间站上得到验证的成熟舱段,它由美国的节点(Node)舱和公共设施(Utility)舱,加拿大的机械臂,俄罗斯的“星辰”号(Zvezda)服务舱等组合而成,并使用大型低温上面级或是电推模块运往地月L1/L2拉格朗日点轨道。波音公司工程师表示探索平台将作为在轨组装或中转的深空空间站,载人飞船先抵达这个中转站,而深空探索飞船组合体也将在这里汇合或组装,人货集结后从这里出发飞向月球、小行星或火星。波音公司提出的探索平台方案得到了大家的支持,后续具体方案不断改进完善,最后成为现在美国宇航局正在推进的“门户”月球空间站计划。

美欧日倾力打造月球空间站

波音公司Raftery先生的探索平台概念提出后,波音和赫鲁尼切夫公司都对此寄予厚望,美国宇航局也对这一方案表示兴趣。2015年,美国宇航局正式发布合同在NextSTEP计划下开始研制深空居住舱(DSH),以作为探索“门户”月球空间站的居住舱。2016年,特朗普当选为美国总统后,美国再次确定了重返月球的方向,从探索门户站演变而来的“门户”月球空间站概念得到了更强有力的支持,业界公认以“门户”月球空间站为中转站是载人登月最合适的选择。2017年,波音、洛·马、轨道·ATK和劳拉等公司等在NextSTEP-2计划下拿到动力能源模块(PPE)的概念研制合同,PPE源自小行星重定向计划的大功率电推飞行器,将作为深空门户站的动力舱段。美国宇航局早就开始预研的居住舱和动力舱,将成为深空门户站第一阶段建设的两个核心舱段。

2018年,美国宇航局提交的2019年度预算中“门户”月球空间站正式立项并申请3.332亿美元的拨款。该项目也得到了欧洲和日本的支持,新方案中美国负责提供能源动力模块、公共设施舱和居住舱,欧空局提供通信和加油舱(ESPRIT),并和日本联合研制国际居住舱(I-Hab),加拿大提供新的机械臂。俄罗斯原计划提供一个气闸舱,但后来退出“门户”月球空间站计划,使这个计划成为纯西方的深空载人门户站。“门户”月球空间站的轨道改为近直线晕轨道(NRHO),轨道近月点约3000公里远月点约70000公里,近月点时适合释放登月舱执行载人登月任务,远月点时适合前往火星等深空的载人任务。“门户”月球空间站轨道周期约7天,也就是说每隔7天有一次登月窗口。无论从“猎户座”飞船和登月舱的往返,还是通信覆盖等角度考虑,“门户”月球空间站的晕轨道都很适合支持载人登陆月球南极的探索任务。与此同时,近直线晕轨道还保持了任务的灵活性,从这里出发前往小行星或火星所需速度也不大,而PPE舱段配备的大功率电推,还能把门户站转移到更适合飞向火星的L2晕轨道。

“门户”月球空间站有多个国家和组织参与。

国际空间站重量高达约400吨,但飞出地球轨道的代价十分巨大,“门户”月球空间站的尺寸和重量就要小多了。目前,美国宇航局已经正式发布了“门户”月球空间站的动力舱段PPE和居住舱段HALO的研制合同,PPE由原劳拉现Maxar公司负责研制,而HALO舱段由原轨道ATK现诺·格公司负责。PPE动力模块将装有大型柔性太阳翼,发电能力可达60千瓦,大功率电推的总功率可达50千瓦,可提供最大约2.5牛的推力,这个性能在电推航天器中是空前的。HALO小型居住舱由天鹅座飞船衍生而来,但装有三个对接口,除了头部可用于对接“猎户座”飞船的对接口外,侧面的两个对接口将分别用于对接登月舱和货运飞船。

美国宇航局原计划PPE和HALO各自分别发射,但现在已经决定使用“重型猎鹰”火箭一次性发射,PPE和HALO两个舱将在地面整合为一个重约15吨的整体,射入一条逃逸能量C3略小于0的低能量转移轨道,经过几个月飞行后进入环月的近直线晕轨道,支持后续的载人登月任务。“门户”月球空间站未来新增的欧空局ESPRIT舱和欧日合作的I-Hab舱将在第二阶段由本国火箭分别发射,但所有的航天员往返要依靠美国SLS重型火箭发射的“猎户座”飞船。美国宇航局还发布了“门户”月球空间站的货物补给合同,SpaceX公司以“重型猎鹰”火箭发射的“龙”XL飞船抢到了合同,未来门户站补给合同金额最高可达70亿美元之多。

支撑人类持续载人深空探索

“门户”月球空间站是美欧日等西方国家未来载人航天的新重心,它将主要用于支持载人登月活动。具体地说,美国宇航局计划使用大型商业运载火箭发射登月舱,在月球门户站汇合组装后,执行载人登月任务。“门户”月球空间站的存在,不仅作为中转站为航天员提供了更长的驻留时间和更多的登月窗口,大大提高了载人登月任务的灵活性和安全性,还也为使用多枚大型火箭分别发射登月舱的各个组成部分提供了可能,有利于提高登月任务的灵活性,降低载人登月的总体成本。

美国蓝色起源公司为首的登陆舱团队,将登月舱分为转移段、下降段和上升段三个部分,分别使用商业大型火箭发射,其中转移段和上升段还能加注后重复使用。众所周知,载人登月计划耗资极其巨大,其中重型运载火箭的研制和使用是其中最大的一块,比如“阿波罗”登月计划的190多亿美元花费中,“土星五号”火箭占了约60亿美元之多,而依托“门户”月球空间站作为组装站,使用商业大型火箭分别发射登月舱组件,可以摆脱对重型火箭的依赖。蓝色起源公司计划使用新格伦或是火神商业运载火箭发射登月舱,这两种火箭都不是为登月计划专门研制,它们首先用于近地轨道和静止轨道航天器的发射任务,用于登月发射不仅无需支付研制费用,还能和常规发射任务共同分摊运营成本,极大地降低载人登月的成本。

“重型猎鹰”火箭也将“门户”月球空间站建设中发挥作用。

另一方面,“门户”月球空间站位于月球近直线晕轨道上,也降低了对载人飞船机动能力的要求。传统的阿波罗飞船需要独立进出近月轨道,需要超过2000米/秒的速度改变能力,而有了月球空间站作为中转,载人飞船即使只1300米/秒左右的速度增量,也能作为班车执行天地往返任务,把航天员运往门户站执行载人登月任务。同样,从远月点70000公里的月球晕轨道出发,前往近地小行星或是火星都不需要多大的速度改变能力,美国宇航局计划发射超大功率(电推功率300千瓦+)的太阳能电推飞船,从月球空间站出发载人前往火星。如果超大功率电推载人飞船从近地轨道出发,爬出地球引力井不仅需要漫长的时间,还要反复穿越范艾伦辐射带,对航天器的电子设备以及航天员的身体健康是极为不利的。此外,近地轨道上的空间站受到地球磁场的保护,而位于深空之中的月球空间站,辐射环境更接近行星际环境,在上面可以进行一年或更长的长时间驻留试验,更好的积累长时期行星际航行的经验,为长时间的载人登火任务打好基础。

总而言之,随着人类探索的脚步逐渐深入深空,为了支持规模跟大、时间更长的载人飞行任务,载人空间站也在向深空发展。深空中的空间站将成为人类探索深空的中转站和前哨站,让人类的深空活动更具经济性和可持续性,为人类未来实施大规模的载人登月任务,建造月球基地开发月球,以及踏足火星提供有力的支撑。

 

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