“月球門戶”居住艙：神奇軌道上的月宮核心

文/ 田豐

2021年7月9日，美國宇航局正式將9.35億美元采購合同授予諾格創(chuàng)新公司，由其設(shè)計(jì)、制造和總裝由美國牽頭的環(huán)月空間站“月球門戶”（Lunar Gateway）的“居住與后勤前哨站”（Habitation and Logistics Outpost，以下簡稱HALO）艙段。作為“月球門戶”核心艙段之一，該艙段將充當(dāng)航天員的起居室和指揮中心。它將設(shè)有供獵戶座載人飛船、太空探索技術(shù)公司龍-XL貨運(yùn)飛船和“星艦”登月艙以及其他參與國加裝的后續(xù)艙段使用的通用對接口。

該艙段預(yù)計(jì)于2024年和另一核心艙段一并由重型獵鷹火箭發(fā)射升空。至此，美國阿爾忒彌斯計(jì)劃中的“月球門戶”空間站的兩大核心艙段及其發(fā)射合同均已正式簽訂，競標(biāo)過程塵埃落定，正式轉(zhuǎn)入全面研發(fā)制造階段。

構(gòu)想中的第二階段“月球門戶”，增加了國際居住艙和氣閘艙等，還可對接獵戶座飛船、登月艙、貨運(yùn)飛船

登月跳板——“月球門戶”

2017年，時(shí)任美國總統(tǒng)特朗普宣布美國將載人重返月球，于是推出了代號“月球門戶”的環(huán)月軌道空間站計(jì)劃，主要作用是為未來各成員國載人深空任務(wù)提供中轉(zhuǎn)服務(wù)?！霸虑蜷T戶”建成后不僅可以作為載人月球觀測站，同時(shí)也是多國載人登月任務(wù)中往返于地球和月球表面的中轉(zhuǎn)站，更是未來載人登陸火星任務(wù)的重要組成部分，是未來美國載人深空探索的核心組成部分。

“月球門戶”設(shè)計(jì)運(yùn)行在特殊的月球近直線暈軌道（NRHO），設(shè)計(jì)壽命15年。目前已確定的主要艙段如下：首先是由美國負(fù)責(zé)牽頭研制的電源和推進(jìn)艙（PPE）；同期發(fā)射的還有美制居住艙，即HALO；隨后還有歐洲和日本聯(lián)合的國際居住艙。加拿大則利用國際空間站的經(jīng)驗(yàn)，繼續(xù)負(fù)責(zé)機(jī)械臂。原定提供氣閘艙的俄羅斯目前仍未最終敲定是否繼續(xù)參與項(xiàng)目，美方將自行準(zhǔn)備一個(gè)氣閘艙供航天員開展EVA活動(dòng)。

相對于近地軌道的國際空間站，“月球門戶”并非換條軌道的簡單復(fù)制，而是做了很多改進(jìn)。首先是受限于軌道和任務(wù)規(guī)模，任務(wù)規(guī)模適當(dāng)縮小，艙段數(shù)量和可居留空間明顯減少。其次是采用特殊的繞月軌道，美國宇航局選定NRHO作為“月球門戶”的工作軌道，該軌道具備自由進(jìn)出所需△V小、穩(wěn)定性好、通信和光照條件好等特點(diǎn)，優(yōu)于傳統(tǒng)的拉格朗日點(diǎn)和環(huán)月軌道。還有，“月球門戶”采用大功率電推進(jìn)組合，軌道維持開銷大幅降低，更關(guān)鍵的是可大范圍自行變軌和在軌加注，從而支持有人及無人登月任務(wù)。第三是為降低補(bǔ)給壓力，將采用一系列高循環(huán)率的可再生生保系統(tǒng)，并提供潛在可擴(kuò)展性。

目前計(jì)劃是在2024年中期采用重型獵鷹火箭一次性將月球門戶的兩個(gè)核心艙段（HALO和PPE）一并發(fā)射升空。一旦“月球門戶”如期發(fā)射，就將基本具備載人登月的中轉(zhuǎn)能力，在此基礎(chǔ)上，參與成員國僅需要單獨(dú)研發(fā)登月艙，并將其發(fā)射至NRHO軌道，即可完成載人登月的所有準(zhǔn)備工作。航天員以“月球門戶”空間站為起點(diǎn)，可以到達(dá)月面各個(gè)地點(diǎn)實(shí)施探索，包括月球極區(qū)，甚至可以支持月面短期或半永久科研站的運(yùn)轉(zhuǎn)。

歐空局公布的月球門戶二期渲染圖

增強(qiáng)型天鵝座飛船實(shí)物

居住艙設(shè)計(jì)的變更

“月球門戶”在2016年曝光時(shí)原設(shè)計(jì)有兩個(gè)居住艙。兩個(gè)居住艙分別由日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)和歐空局設(shè)計(jì)和制造，功能上交叉互補(bǔ)，結(jié)構(gòu)上串聯(lián)布置。不過，它們都將配備完整的環(huán)控生保系統(tǒng)，還有熱控、通信、導(dǎo)航、供電和消防安全系統(tǒng)，并規(guī)劃有私人密閉空間，擬在內(nèi)部隔間引入充氣式設(shè)計(jì)以節(jié)省空間。而日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)原計(jì)劃引入一套高循環(huán)率的封閉式生保環(huán)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在超過35天的載人深空任務(wù)中大幅減小貨物補(bǔ)給需求，但該系統(tǒng)尚未在國際空間站上得到充分測試和驗(yàn)證，目前已改為證明其可靠性后擇機(jī)引入。

為節(jié)省空間，居住艙的廚房區(qū)域當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)有可展開餐桌及加熱設(shè)備，配備一臺冰箱，用于貯存食物和樣品。居住艙設(shè)置包含回收設(shè)備的廁所。一號居住艙還設(shè)計(jì)有可折疊的健身器材，以支持必要的生理實(shí)驗(yàn)和體育鍛煉，此外還在規(guī)劃有3D打印機(jī)的工作區(qū)域。專門設(shè)置有貯存區(qū)，用于貯存食物、淡水、服裝和其它補(bǔ)給品。且準(zhǔn)備在居住艙周圍設(shè)置柔性儲水層，并引入一些額外的內(nèi)部輻射屏蔽設(shè)備。在艙內(nèi)設(shè)備上，因?yàn)椤霸虑蜷T戶”艙段之間的對接口尺寸限制，目前在國際空間站上使用的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜架不適用于“月球門戶”，因此各項(xiàng)目方已經(jīng)計(jì)劃重新開發(fā)一套輕量化的通用機(jī)柜系統(tǒng)。

2017年3月，居住艙設(shè)計(jì)發(fā)生重大變更。在“月球門戶”的多邊協(xié)調(diào)委員會(huì)會(huì)議上，居住艙從原定由日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)、歐空局分別負(fù)責(zé)的2個(gè)被縮減為共同負(fù)責(zé)的1個(gè)，并命名為“國際居住艙”。還有仿照國際空間站航天員通過圓頂艙段的全景窗戶觀察地球，“月球門戶”擬增設(shè)360°球面觀察窗，使航天員可以享受月球景觀。2019年8月，受特朗普2024重返月球目標(biāo)的壓力，美國重新規(guī)劃了居住艙的發(fā)射規(guī)劃，將日歐合作的國際居住艙后移至2026年的“阿爾忒彌斯-3”任務(wù)發(fā)射。另外由美方獨(dú)立牽頭研制一個(gè)核心居住艙，也就是現(xiàn)在的HALO，并盡快與PPE組成登月所需的“最小系統(tǒng)”，以滿足2024登月的政治任務(wù)。目前雖然2024登月的時(shí)間點(diǎn)已不再現(xiàn)實(shí)，但現(xiàn)有的PPE和HALO兩大核心艙段的大局已定，基本由美國一力承擔(dān)。

從貨運(yùn)飛船到深空家園

事實(shí)上，現(xiàn)有的HALO方案并非從頭打造，本質(zhì)上是國際空間站貨運(yùn)飛船的“深空大改”。

故事要從軌道科學(xué)公司說起。該公司在2008年末正式獲得了美國宇航局的國際空間站商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)合同，并于2013年首次成功利用天鵝座貨運(yùn)飛船向國際空間站輸送貨物。截至2021年8月，“天鵝座”累計(jì)成功執(zhí)行了15次貨運(yùn)任務(wù)，經(jīng)驗(yàn)可謂豐富。但飛船的成功并沒有拯救這家公司，軌道科學(xué)公司后被軌道·ATK公司收購，而軌道·ATK公司又于2018年被“諾·格”收購。

“軌道· ATK”早在被“諾·格”收購前的2016年就參與了HALO艙段的前身項(xiàng)目——美國宇航局“下一步探測空間技術(shù)伙伴關(guān)系”（NextSTEP）合同，成為當(dāng)時(shí)拿到NextSTEP項(xiàng)目下居住艙論證合同的6家公司之一。最終美國宇航局經(jīng)兩輪評估后認(rèn)為僅“諾·格”一家能按時(shí)交工，而“諾·格”在NextSTEP階段中逐步優(yōu)化定型，增大艙內(nèi)空間，追加對接口以充當(dāng)核心艙段。還通過模塊化思路單獨(dú)配備了電力、環(huán)控、導(dǎo)航系統(tǒng)，以此作為PPE相應(yīng)系統(tǒng)的備份，最終形成HALO的基本形態(tài)，即以“天鵝座”飛船的增強(qiáng)型為基礎(chǔ)，通過大面積改造成為可獨(dú)立升空并變軌的無人深空艙段，初步設(shè)計(jì)有兩個(gè)徑向和兩個(gè)軸向?qū)涌凇?/p>

而在美國宇航局決定合并發(fā)射后，HALO與PPE重疊的導(dǎo)航、通訊、推進(jìn)分系統(tǒng)均被刪除，HALO和PPE間的對接機(jī)構(gòu)簡化為固定式過渡段，且所有對接口均改為被動(dòng)端。此外還免去了月球軌道對接的高風(fēng)險(xiǎn)操作，同時(shí)HALO的居留空間進(jìn)一步擴(kuò)大。在測控方面，合并后“諾·格”將不再進(jìn)行飛船通訊和控制，一并交由PPE艙段負(fù)責(zé)。截至目前，HALO將為站上航天員提供初期的生活和指揮空間，并設(shè)置有供擴(kuò)展艙段及到訪的貨運(yùn)和載人飛船使用的對接口，可支持4名航天員居留30天以上。

HALO內(nèi)部剖面圖

整合發(fā)射的決定

在2017年最初的任務(wù)規(guī)劃中，PPE和HALO應(yīng)由兩次SLS火箭分別發(fā)射升空，并由獵戶座飛船帶至NRHO軌道并對接，然而SLS火箭的進(jìn)度一推再推，單發(fā)成本逼近20億美元。加之時(shí)任總統(tǒng)特朗普對2024登月的要求急迫，2019年美國宇航局轉(zhuǎn)而考慮成熟、靈活且低價(jià)的商業(yè)火箭，當(dāng)時(shí)已順利完成首飛的重型獵鷹火箭進(jìn)入備選清單。于是，該局將計(jì)劃修改為兩個(gè)艙段由“重型獵鷹”單獨(dú)發(fā)射，不再由“獵戶座”帶飛。因?yàn)镻PE自帶動(dòng)力，可自行變軌進(jìn)入NRHO軌道，但HALO卻需要額外配置推進(jìn)艙。

2020年5月，美國宇航局經(jīng)評估后再次變卦，考慮將PPE和HALO進(jìn)行合并發(fā)射，地面對接后由“重型獵鷹”一次性發(fā)射升空。此舉有望節(jié)省大量時(shí)間和費(fèi)用，并降低任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)和復(fù)雜度。新方案不僅節(jié)省了一次發(fā)射費(fèi)用，原有兩艙需重復(fù)配備的多個(gè)分系統(tǒng)均可簡化，“諾·格”的工作量大幅減少，最關(guān)鍵是進(jìn)度亦可順勢提前，減費(fèi)增速效果明顯。

“重型獵鷹”脫穎而出

合并發(fā)射后的PPE和HALO被整體包絡(luò)在加長整流罩內(nèi)

新方案并非完美無缺。兩艙合并需配備超長整流罩，而“重型獵鷹”現(xiàn)有整流罩內(nèi)高僅11米，全直徑內(nèi)高僅6.7米，顯然不夠。巧合的是當(dāng)時(shí)“重型獵鷹”正打算推出加長整流罩，合并發(fā)射的提案兩家一拍即合。但實(shí)際上太空探索技術(shù)公司此舉并非為迎合美國宇航局，而是美國軍方的要求，因?yàn)楫?dāng)時(shí)太空探索技術(shù)公司正與其他3家公司競逐“國家安全發(fā)射”項(xiàng)目，作為未來10年美國軍用航天發(fā)射的“劃地之戰(zhàn)”。中標(biāo)之后，“重型獵鷹”將接過重型“德爾它4”的部分天價(jià)機(jī)密載荷發(fā)射任務(wù)，勢必需要額外研發(fā)類似后者的全長15米，全直徑內(nèi)長11米的長整流罩，同時(shí)還要在LC-39A發(fā)射臺興建垂直總裝廠房，以便進(jìn)行載荷的垂直整合。美國宇航局修改方案進(jìn)行合并發(fā)射，其實(shí)是借了軍方的“東風(fēng)”。

最終，美國宇航局于2021年2月正式選定“重型獵鷹”合并發(fā)射月球門戶的兩核心艙段，價(jià)值3.318億美元。雖然相較“重型獵鷹”商業(yè)發(fā)射報(bào)價(jià)可謂昂貴，但我們要知道，美國宇航局最初發(fā)射兩艙段所擬用的兩發(fā)SLS耗資可是高達(dá)30多億美元。同時(shí)“重型獵鷹”首飛至今3次發(fā)射全勝，2024年艙段發(fā)射前還有5~7張訂單可供積累可靠性，而SLS火箭至今仍未首飛。

優(yōu)中選優(yōu)的特殊軌道

在最終發(fā)射過程中，“重型獵鷹”將把PPE和HALO送入高地球軌道。分離后PPE上的大功率電推進(jìn)器將開始工作，經(jīng)過約270天的時(shí)間和多次變軌逐步將兩艙組合體送往環(huán)月軌道，直至進(jìn)入預(yù)定的NRHO工作軌道。除接待“獵戶座”載人飛船外，美國宇航局還打算讓按載人配置的登月著陸器在繞月軌道上同“月球門戶”對接。這些著陸器可在“月球門戶”上補(bǔ)加推進(jìn)劑，以便多次往返于月面。

NRHO作為環(huán)月軌道中的新面孔，在人類以往的航天任務(wù)中鮮有采用，但經(jīng)美國宇航局評估卻是一條常駐月球的理想軌道，是從眾多軌道方案中優(yōu)選而來。首先，在地月轉(zhuǎn)移可達(dá)性方面，常用的低月球軌道（LLO）因能量較低，不能滿足“獵戶座”速度增量小于1250米/秒的約束條件。常見的順行環(huán)月軌道（PCO）、月球凍結(jié)軌道（FLO）、月球大橢圓軌道（ELO）的速度增量隨發(fā)射窗口變化而不穩(wěn)定。而近直線軌道（NRHO）、L2點(diǎn)的暈（HALO）軌道、大幅值逆行軌道（DRO）速度增量在800~900米/秒之間，且比較穩(wěn)定。在登月可達(dá)性方面，因載人任務(wù)需要出發(fā)后盡快到達(dá)月面，而對于L2點(diǎn)和DRO軌道，進(jìn)入LLO的時(shí)間卻長達(dá)3~4天，所以NRHO軌道在本輪勝出。

除此之外，NRHO軌道每年僅需約10米/秒的ΔV即可滿足軌道維持需求，推進(jìn)劑開銷幾乎可忽略不計(jì)。而對地通信方面，L2點(diǎn)和NRHO都完全無遮擋，可保持對地通信隨時(shí)暢通。與月面的通信方面，L2點(diǎn)和NRHO則具有最佳的通信覆蓋率，兩者可謂勢均力敵。不過NRHO對月球兩極區(qū)域非常友好，有86%的時(shí)間都可以實(shí)施無中繼直接通信，恰好契合了近年興起的月球兩極探索熱。最后在熱控方面，NRHO軌道熱環(huán)境也相對友好，減小了艙段的熱控壓力。

項(xiàng)目的意義

合并發(fā)射狀態(tài)下的PPE和HALO艙

軌道、艙段、火箭無不是精心謀劃和巨資投入的“月球門戶”，是阿爾忒彌斯計(jì)劃的核心之一，也是未來近20年載人深空探索的重要樞紐和中轉(zhuǎn)設(shè)施，這一項(xiàng)目的成形和最終實(shí)施對參與的各成員國乃至航天產(chǎn)業(yè)都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

對于項(xiàng)目的核心發(fā)起方美國而言，“月球門戶”首先在政治上正好暗合維持美國在航天領(lǐng)域絕對領(lǐng)先地位的思想。此外，作為繼國際空間站之后的另一個(gè)國際性合作項(xiàng)目，可以成為新的政治紐帶，將國際空間站成員國繼續(xù)組織起來，拖延乃至阻止成員國與其他國家接觸合作的可能。而多國合作模式還可以分?jǐn)傇O(shè)計(jì)和研制成本，契合最終目的為載人火星登陸的長期目標(biāo)。

除此之外，在近10年商業(yè)貨運(yùn)補(bǔ)給項(xiàng)目和商業(yè)載人航天項(xiàng)目的牽引下，以太空探索技術(shù)公司為首的一大批新興航天企業(yè)茁壯成長，同時(shí)倒逼傳統(tǒng)航天企業(yè)對已有火箭及航天器進(jìn)行降價(jià)換代。這些公司已不再滿足于近地軌道業(yè)務(wù)，正以積極的態(tài)度參與到以“月球門戶”為牽引的載人深空探索之中。

對載人登月本身而言，“月球門戶”實(shí)質(zhì)是包辦了航天員的地月轉(zhuǎn)移過程，各成員國僅需要研發(fā)登月艙即可實(shí)現(xiàn)載人登月，從而規(guī)避了各成員國需具備獨(dú)立載人航天能力的硬性要求，無論在經(jīng)濟(jì)性還是政治性上均有利于各成員國。隨著分工和任務(wù)逐步明晰，載人登月在政治上起到了肉眼可見的宣傳效應(yīng)，而在經(jīng)費(fèi)支出和技術(shù)跨度上都已經(jīng)被降低到可接受的程度。

美國宇航局備選的軌道示意圖（NRO即NRHO軌道）

太空探索技校公司獨(dú)家中標(biāo)“月球門戶”的貨運(yùn)飛船項(xiàng)目

但我們也要看到，“月球門戶”本身在高循環(huán)率環(huán)控生保、深空輻射防護(hù)、大規(guī)模電推進(jìn)器、氙推進(jìn)劑在軌加注、長期無人自動(dòng)運(yùn)行、空間碎片防護(hù)等方面仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，“月球門戶”的最終成型還需假以時(shí)日，過程也不會(huì)一帆風(fēng)順。就項(xiàng)目本身而言，重返月球計(jì)劃的提出不過是已有技術(shù)儲備順?biāo)浦鄣某晒浜诵倪€是為了維持美國在載人航天領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，本質(zhì)上還是換湯不換藥的。