築夢「天宮」｜載人空間站從近地走向深空，目標是月球和火星

中國空間站的「天和」號核心艙順利發射升空，預計2022年完成「天宮」號空間站的在軌建造。

與此同時，國際空間站的合作方以美國為首，正在緊鑼密鼓地籌備建造運行在月球軌道上的空間站——「門戶」月球空間站，此外，中國也計劃建造月球載人軌道站。載人空間站正從近地軌道逐步走向深空，服務於載人登陸月球和火星的雄偉藍圖。

目前，各國發射的空間站均在地球低軌道運行，隨著人類走向深空步伐速度的加快，載人空間站也開始走向深空。

載人深空任務需要中轉站

1971年4月19日發射的「禮炮1號」是人類的第一個載人空間站，其內部空間約99立方米，在軌重量超過18噸，賦予了人類具備了長期在軌駐留能力，美國不久後也發射了試驗性的天空實驗室，這個試驗空間站的體積重量更大。從「禮炮1號」開始到現在的國際空間站，美俄先後發射了10個空間站，但它們都位於近地軌道，而隨著人類載人太空的重心轉向深空，以載人空間站作為中轉節點，支持深空探索的技術路線得到了越來越多的關註和支持。

美蘇發射第一個空間站之前，美國「阿波羅」計劃已經實現了載人登月，但「阿波羅」飛船和登月艙只能支持規模有限的插旗式登月活動。正如近地軌道空間站的出現，讓人類在地球軌道實現了長期不間斷駐留，要維持規模更大、更具持續性的載人深空探索，無論是實施載人登月還是登火任務，一個支持載人深空任務的空間站用處還是非常大的。

將空間站作為載人深空探測中轉站並不是21世紀出現的新點子，早在20世紀80年代，美國提出的「自由」號空間站項目中，就曾旗幟鮮明地要求這個近地軌道的空間站可以支持深空探索，不僅可回收火星取樣返回的返回艙，還將支持載人登月和載人登火任務。這個計劃宏達的「自由」號空間站將採用雙龍骨桁架式結構，大型桁架不僅掛載空間站的節點艙、實驗艙和生活艙，還將掛載大型「船廠」設施。太空飛機運來深空飛船的部件後，在「自由」號空間站上組裝成完整載人深空飛船組合體，從近地軌道出發執行載人登月和載人登火任務。美國NASA1989年發布的《90天報告》中，「自由」號空間站正是在軌組裝登月飛船和火星飛船的關鍵空間基礎設施。

美國計劃在2024年進行載人登月，「門戶」月球空間站將發揮重要作用，圖為美國載人登月項目頂用於發射「獵戶座」載人飛船的SLS重型運載火箭。

冷戰結束後，「自由」號空間站項目被取消，但相幹技術延續下來，融入後來的國際空間站項目。國際空間站的軌道傾角約51度，不適合發射登月飛船，即使如此，美俄仍提出從國際空間站出發的月球旅遊構想，其中美國太空探險公司進行推銷和運作，俄羅斯能源集團負責制造月球版「聯盟」號飛船，使用Block-D上面級對接飛船後完成商業環月飛行。能源集團總經理索恩采夫稱每趟環月之旅價格1.5億美元。遺憾的是，美俄聯合商業載人環月方案沒能得到足夠的啟動訂單，只能一直停留在紙面上，但它顯示了以空間站為中轉的技術路線具備巨大的發展潛力。

2005年，時任美國總統小布什提出重返月球的「星座」計劃，「星座」計劃採用地球軌道交會方案，並沒有引入空間站作為中轉站，這個計劃由於成本超支被之後上臺的新總統歐巴馬取消，但重型火箭改頭換面以SLS的名字活了下來，成為未來載人深空發射的基礎。「星座」計劃取消後，美國載人太空部門一時間「拔劍四顧心茫然」，未來到底是登月還是登火舉棋不定，歐巴馬又提出登陸小行星的取巧方案，這也加重了未來發展方向的困擾。危機同樣帶來機遇，面對未來發展方向的不確定性，2010年，美國波音公司的Raftery提出了探索平臺的構想，探索平臺將使用國際空間站上得到驗證的成熟艙段，它由美國的節點（Node）艙和公共設施（Utility）艙，加拿大的機械臂，俄羅斯的「星辰」號（Zvezda）服務艙等組合而成，並使用大型低溫上面級或是電推模塊運往地月L1/L2拉格朗日點軌道。波音公司工程師表示探索平臺將作為在軌組裝或中轉的深空空間站，載人飛船先抵達這個中轉站，而深空探索飛船組合體也將在這裡匯合或組裝，人貨集結後從這裡出發飛向月球、小行星或火星。波音公司提出的探索平臺方案得到了大家的支持，後續具體方案不斷改進完善，最後成為現在美國NASA正在推進的「門戶」月球空間站計劃。

美歐日傾力打造月球空間站

波音公司Raftery先生的探索平臺概念提出後，波音和赫魯尼切夫公司都對此寄予厚望，美國NASA也對這一方案表示興趣。2015年，美國NASA正式發布合同在NextSTEP計劃下開始研制深空居住艙（DSH），以作為探索「門戶」月球空間站的居住艙。2016年，川普當選為美國總統後，美國再次確定了重返月球的方向，從探索門戶站演變而來的「門戶」月球空間站概念得到了更強有力的支持，業界公認以「門戶」月球空間站為中轉站是載人登月最合適的選擇。2017年，波音、洛·馬、軌道·ATK和勞拉等公司等在NextSTEP-2計劃下拿到動力能源模塊（PPE）的概念研制合同，PPE源自小行星重定向計劃的大功率電推飛行器，將作為深空門戶站的動力艙段。美國NASA早就開始預研的居住艙和動力艙，將成為深空門戶站第一階段建設的兩個核心艙段。

2018年，美國NASA提交的2019年度預算中「門戶」月球空間站正式立項並申請3.332億美元的撥款。該項目也得到了歐洲和日本的支持，新方案中美國負責提供能源動力模塊、公共設施艙和居住艙，歐空局提供通訊和加油艙（ESPRIT），並和日本聯合研制國際居住艙（I-Hab），加拿大提供新的機械臂。俄羅斯原計劃提供一個氣閘艙，但後來退出「門戶」月球空間站計劃，使這個計劃成為純西方的深空載人門戶站。「門戶」月球空間站的軌道改為近直線暈軌道（NRHO），軌道近月點約3000公里遠月點約70000公里，近月點時適合釋放登月艙執行載人登月任務，遠月點時適合前往火星等深空的載人任務。「門戶」月球空間站軌道周期約7天，也就是說每隔7天有一次登月窗口。無論從「獵戶座」飛船和登月艙的往返，還是通訊覆蓋等角度考慮，「門戶」月球空間站的暈軌道都很適合支持載人登陸月球南極的探索任務。與此同時，近直線暈軌道還保持了任務的靈活性，從這裡出發前往小行星或火星所需速度也不大，而PPE艙段配備的大功率電推，還能把門戶站轉移到更適合飛向火星的L2暈軌道。

「門戶」月球空間站有多個國家和組織參與。

國際空間站重量高達約400噸，但飛出地球軌道的代價十分巨大，「門戶」月球空間站的尺寸和重量就要小多了。目前，美國NASA已經正式發布了「門戶」月球空間站的動力艙段PPE和居住艙段HALO的研制合同，PPE由原勞拉現Maxar公司負責研制，而HALO艙段由原軌道ATK現諾·格公司負責。PPE動力模塊將裝有大型柔性太陽翼，發電能力可達60千瓦，大功率電推的總功率可達50千瓦，可提供最大約2.5牛的推力，這個性能在電推太空器中是空前的。HALO小型居住艙由天鵝座飛船衍生而來，但裝有三個對接口，除了頭部可用於對接「獵戶座」飛船的對接口外，側面的兩個對接口將分別用於對接登月艙和貨運飛船。

美國NASA原計劃PPE和HALO各自分別發射，但現在已經決定使用「重型獵鷹」火箭一次性發射，PPE和HALO兩個艙將在地面整合為一個重約15噸的整體，射入一條逃逸能量C3略小於0的低能量轉移軌道，經過幾個月飛行後進入環月的近直線暈軌道，支持後續的載人登月任務。「門戶」月球空間站未來新增的歐空局ESPRIT艙和歐日合作的I-Hab艙將在第二階段由本國火箭分別發射，但所有的太空員往返要依靠美國SLS重型火箭發射的「獵戶座」飛船。美國NASA還發布了「門戶」月球空間站的貨物補給合同，SpaceX公司以「重型獵鷹」火箭發射的「龍」XL飛船搶到了合同，未來門戶站補給合同金額最高可達70億美元之多。

支撐人類持續載人深空探索

「門戶」月球空間站是美歐日等西方國家未來載人太空的新重心，它將主要用於支持載人登月活動。具體地說，美國NASA計劃使用大型商業運載火箭發射登月艙，在月球門戶站匯合組裝後，執行載人登月任務。「門戶」月球空間站的存在，不僅作為中轉站為太空員提供了更長的駐留時間和更多的登月窗口，大大提高了載人登月任務的靈活性和安全性，還也為使用多枚大型火箭分別發射登月艙的各個組成部分提供了可能，有利於提高登月任務的靈活性，降低載人登月的總體成本。

美國藍色起源公司為首的登陸艙團隊，將登月艙分為轉移段、下降段和上升段三個部分，分別使用商業大型火箭發射，其中轉移段和上升段還能加註後重復使用。眾所周知，載人登月計劃耗資極其巨大，其中重型運載火箭的研制和使用是其中最大的一塊，比如「阿波羅」登月計劃的190多億美元花費中，「土星五號」火箭占了約60億美元之多，而依托「門戶」月球空間站作為組裝站，使用商業大型火箭分別發射登月艙組件，可以擺脫對重型火箭的依賴。藍色起源公司計劃使用新格倫或是火神商業運載火箭發射登月艙，這兩種火箭都不是為登月計劃專門研制，它們首先用於近地軌道和靜止軌道太空器的發射任務，用於登月發射不僅無需支付研制費用，還能和常規發射任務共同分攤運營成本，極大地降低載人登月的成本。

「重型獵鷹」火箭也將「門戶」月球空間站建設中發揮作用。

另一方面，「門戶」月球空間站位於月球近直線暈軌道上，也降低了對載人飛船機動能力的要求。傳統的阿波羅飛船需要獨立進出近月軌道，需要超過2000米/秒的速度改變能力，而有了月球空間站作為中轉，載人飛船即使隻1300米/秒左右的速度增量，也能作為班車執行天地往返任務，把太空員運往門戶站執行載人登月任務。同樣，從遠月點70000公里的月球暈軌道出發，前往近地小行星或是火星都不需要多大的速度改變能力，美國NASA計劃發射超大功率（電推功率300千瓦+）的太陽能電推飛船，從月球空間站出發載人前往火星。如果超大功率電推載人飛船從近地軌道出發，爬出地球引力井不僅需要漫長的時間，還要反覆穿越范艾倫輻射帶，對太空器的電子設備以及太空員的身體健康是極為不利的。此外，近地軌道上的空間站受到地球磁場的保護，而位於深空之中的月球空間站，輻射環境更接近行星際環境，在上面可以進行一年或更長的長時間駐留試驗，更好的積累長時期行星際航行的經驗，為長時間的載人登火任務打好基礎。

總而言之，隨著人類探索的腳步逐漸深入深空，為了支持規模跟大、時間更長的載人飛行任務，載人空間站也在向深空發展。深空中的空間站將成為人類探索深空的中轉站和前哨站，讓人類的深空活動更具經濟性和可持續性，為人類未來實施大規模的載人登月任務，建造月球基地開發月球，以及踏足火星提供有力的支撐。

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