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金沙国际唯一官网:U.S.A.或将重启,国际空间站

文章作者:军事资讯 上传时间:2019-05-04

  出品:科普中国

金沙国际唯一官网 1正在上映的电影《火星救援》里,倒霉的宇航员被一个人落在了火星上。而在现实世界,载人登际火星的梦想,也并非遥不可及。图片来源:电影《火星救援》

特朗普要让人类重返月球 美国或将重启“星座计划”

  [文/ 观察者网专栏作者 徐令予]

  出品:科普中国

金沙国际唯一官网,  作者:矛隼工作室

2015年可以说是一个火星年:5月喷气推进实验室(JPL)的科学家提出先登陆火卫一(Phobos)再登陆火星的计划;7月下一代空间公司(NextGen Space)在NASA资助下发布了研究报告,探讨公私合营载人登月并制造推进剂飞向火星的方案;10月NASA公布了分3个阶段任登陆火星的报告;而现在,科幻影片《火星救援》的上演,更是激起了人们对载人火星任务的热情。

美国一份新的太空计划近日被外媒披露。由美国总统特朗普任命的NASA(美国国家航空航天局)顾问团在政府文件中写道:希望在3年内将人类送往月球轨道,NASA未来的工作中心则是增强人类在地球与月球之间的活动能力,而不是冒险前往更遥远的太阳系深处。这引起了外界猜测:美国是否会重启“星座计划”?

  在刚刚结束的2017年全球航天探索大会上,中国披露了探月三期工程的总体方案,其中首次公开了嫦娥五号的飞行方案,所采用的火箭,正是新研制的长征五号。探月三期工程目前还只是无人采样的“绕落回”,但从长远看,我们还是有必要实现载人登月,可如果像阿波罗计划那样研制超级火箭,恐怕还要等不少时间。笔者认为,也许可以基于长征五号比较快地实现载人登月。

  作者:矛隼工作室

  监制:光明网科普事业部

自1969年阿波罗载人登月成功以来,火星就是人类的下一个目标。在近地轨道上的踌躇几十年后,人类以NASA为代表正准备踏上火星之旅。为什么几十年的时间里,载人登火一事无成呢?因为难度实在太大了。

“星座计划”由布什政府提出,于2005年开始实施,计划研制一系列新的航天器、运载火箭以及相关硬件,帮助美国人在2020年重返月球,进而飞向火星。奥巴马上任后取消了这项计划,提出2025年登陆小行星,2030年将人类送上火星。

  美国试图重启载人登月

  监制:光明网科普事业部

  探索其他星球,一直人类航天的最大愿望之一。人类在上个世纪登上了月球,并留下了脚印,但这只是个距离地球三十八万公里的卫星,不是一个真正的行星。

困难与方案

早在冯·布劳恩的时代,人类就曾提出载人登火的宏伟目标,但长期以来雷声大雨点小,问题在于需要的钱实在太多!1989年美国总统布什雄心勃勃地提出2018年登陆火星的太空探索倡议(SEI),但《载人探索月球和火星的90天报告》得出结论,这个计划需要耗资4500亿美元,这让美国打消了启动载人登火的念头。

美国政府和民间此后又提出多种载人登火的方案,如NASA的火星参考任务方案(DRA),以及祖布林等人提出的“火星直击”方案,但这些方案要么需要巨额开支和新技术,要么风险较大。2010年美国总统奥巴马决定取消重返月球的星座计划,让美国载人航天将目标转向小行星并最终登陆火星,美国出现了新一轮载人登陆火星的论证高潮。

《火星救援》影片中出现了大量“火星直击”的内容,无论是片中以“Ares”命名的火星飞船,还是马克·沃特尼制水和培植植物等一系列情节,都可以看作是向“火星直击”致敬。“火星直击”固然物美价廉,但各国航天机构还没有胆量在首次火星登陆任务中使用这种高风险方案。今年JPL提出的载人登火方案,则较好地兼顾了技术、预算和风险。10月NASA发布的《火星之旅》报告对此多有青睐。

金沙国际唯一官网 2NASA载人航天的目标已经转向小行星并最终登陆火星。图片来源:NASA

航天专家、《国际太空》杂志社执行总编庞之浩表示,美国还没有宣布新的深空载人战略,但回归星座计划的可能性比较大。

  美国的阿波罗登月任务结束在上世纪七十年代初,在过去的半个世纪中,美国的航天界左顾右盼、瞻前顾后,失去了前进的目标。究竟是重返月球,还是远征火星,或者登陆近地小行星?但一切只停留在辩论和文字上,然后消失在太空里,几乎没有一点实质性的行动和进展。美国的航天之路映射出了美国这半个世纪以来的国运和民心。

  众所周知的是,国际太空站已经太老了。这个从上个世纪开始建设,足足有几百吨重,十几层楼高的庞然大物,将在不久的未来退役。一方面,是因为国际太空站的核心舱段所经历史过于久远,其中一部分已经老化或者无法满足需求;另一方面,则是因为国际太空站太贵了。

  而火星,这个距离地球足够近,又有可能被殖民的行星,是人类自航天时代开始以来就试图征服的对象。

JPL的方案

JPL的科学家认为,一步到位登陆火星表面开展科学考察,并顺利返回地球的技术难度和工程压力太大了,更好的选择是将任务分为两步:第一步先将宇航员送到火卫一,然后再载人登陆火星。这种方案既降低了任务的复杂度和开销,也可以通过实际飞行验证并降低载人登陆火星的风险。

庞之浩介绍,美国原本就计划在2021年,用新研制的太空发射系统发射猎户座飞船,实施载人绕月飞行任务。现在看来这项计划可能会提前实施,凭借美国现有的技术基础也不难实现。但他认为,如果美国要重新实现载人登月,在保障投入的前提下,至少还需要5年到10年时间。

  今年以来,受新总统“让美国再次伟大”的感召,美国的航天界出现了一些值得关注的新动向。

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  火星与月球截然不同之处的在于距离,地球和火星都在同时距离火星公转,这使得两个星球的距离有时极其远,有的时候相对较近,但是最近的时候也有五千五百万公里。

硬件和早期测试

JPL载人登陆火星的方案用到的硬件,基本可以分为运载发射工具、空间推进系统、人员居住舱和火星表面模块等4个部分。发射工具是著名的SLS火箭和配套的探索上面级(EUS),空间推进部分包括100千瓦的太阳能电推拖船和空间化学推进器,载人舱部分包括猎户座飞船和可以支持4人生活500天的居住舱,火星表面模块包括20吨级火星着陆上升器和20吨级火星基地着陆模块。

根据规划,2018年SLS火箭首次发射后,将在2020年左右发射小行星重定向飞行器,对大功率太阳能电推进行验证。NASA还计划在EM-2等任务中验证猎户座飞船和深空生活舱(DSH),在2028年使用SLS Block II火箭发射无人验证火星着陆器的进入下降和登陆部分(EDL),未来还打算在2035年到2036年间使用火星着陆器载人登月,既满足了重返月球的噱头,又对着陆器的可靠性尤其是火箭反冲着陆系统进行充分验证。

他说,虽然美国人曾经登月,但那是在特殊情况下动用举国之力开展的工程探险。如今虽然航天技术取得很大的发展,但是载人登月仍是非常复杂、庞大的系统工程,很多条件都不具备。

  首先,美国有计划重新启动国家空间委员会,这个由副总统迈克·潘斯领衔的委员会将为美国航空航天局(NASA)和美国的一些私人火箭公司(SpaceX,Blue Origin,波音,洛克希德·马丁等)设定新的发展空间。

  图为国际太空站(来源:NASA)

  每过两年左右,火星和地球就会接近一次,每过15-17年就会最为接近。换言之,每过两年,才会有一个可供发射的发射窗口,16年才能等到一次最佳时机。

福博斯先导任务

2029年到2033年,NASA将进行登陆火卫一福博斯的先导任务。福博斯登陆任务使用4枚的SLS火箭,进一步验证未来载人登陆火星所需的硬件。第一枚SLS火箭发射100千瓦功率的太阳能电推(SEP)拖船、地球返回级和福博斯转移段,第二枚SLS火箭发射电推拖船和福博斯生活舱。这两枚货运火箭将分别在2029和2030年发射,两艘电推拖船花费3年多时间将载荷送到火星高轨道上,生活舱随后降落到福博斯卫星表面。

2032年和2033年,后两枚SLS登场,其中一枚发射深空生活舱和火星轨道插入段,另一枚发射猎户座飞船。由于猎户座飞船只有20多吨重,SLS的EUS上面级剩余足够的推进剂,可以将猎户座飞船、深空生活舱和火星轨道插入段的组合体送入奔火轨道,它们将在200多天后抵达火星附近,并减速进入火星高轨道。

火星高轨道上宇航员转移到猎户座飞船并与福博斯转移段对接,前往福博斯卫星,进行为期300天的科学考察工作,随后福博斯转移段将猎户座飞船送回火星高轨道和深空生活舱对接。最后地球转移段点火工作,将深空生活舱和猎户座飞船的组合体射入地球转移轨道,经过200多天的飞行后返回地球。

载人福博斯登陆任务实际上可以看作是载人环绕火星任务的改良版,这个任务验证了除火星着陆和基地模块以外的所有硬件,而这些硬件也在更早的测试中进行过飞行验证。其中太阳能电推拖船就是小行星重定向飞行器放大一倍的结果。为了执行火星任务,深空生活舱设计上要求支持4人生活500天,作为一种30吨级的舱段,它增加了太阳翼但没有姿态控制系统,可选用国际空间站的生活舱或是天鹅座飞船放大版设计,对美国航天工业来说没有什么难度。火星轨道插入段、福博斯转移段和地球轨道转移段等模块使用传统肼类推进剂,这也是美国十分熟悉的技术。简而言之,载人登陆福博斯使用的硬件相对成熟的,所需费用和技术难度都很低。

为了降低研发和使用成本,JPL的方案还重点考虑了缩小任务规模。JPL的科学家一已开始就排除了技术难度大、研发成本高的核热推进系统,直接选择了成熟的太阳能电推系统,其中大功率太阳翼和大功率电推技术都相当成熟,太阳能电推拖船主要进行技术整合。为了弥补太阳能电推系统推力小轨道转移慢的劣势,只将其用于转移生活舱等货物载荷,载人部分则通过EUS上面级快速转移,兼顾了缩小任务规模和提高安全性。

金沙国际唯一官网 4NASA正在研制的SLS运载火箭,将成为载人登陆火箭的主力运载火箭。图片来源:NASA

1969年7月,美国用土星5号火箭运送阿波罗11号飞船,实现了人类首次登月。截至目前,土星5号仍是人类用过最大的运载火箭,总推力超过3400吨,月球轨道运载能力45吨,近地轨道运载能力118吨。随着阿波罗计划终止,美国暂时没有如此大推力需求的航天任务,土星5号生产线于1970年关闭。直到2011年,NASA确定了SLS的设计,将其作为土星5号的继任者。

  接着,第48届月球和行星科学会议(LPSC)在上月隆重举行。会议上,科学家发表了关于地球、月球、火星、小行星、彗星和无数其他宇宙物体的一些最新发现,并对未来深空探索计划进行了深入认真地讨论。与会的大多数科学家都认为下一个目标应该是重返月球,主要理由可归纳为以下几个方面。

  作为一个凝聚着多个国家技术合作的结晶,国际太空站总计花费了超过一千亿美元——这甚至超过了中国如此多年以来的总航天经费。而这样的经费让美国政府有点撑不住了,近日,特朗普表示将考虑终止国际太空站的经费供应,并将资金提供给火星计划和深空之门空间站。

  然而,赶着窗口期去容易,但是回来可就费劲了,趁着窗口期返航极为困难,而要不然就要足足再等一个窗口期返程。

登陆火星

载人火星登陆任务作为重头戏将在2035年登场,和稍早的福博斯登陆任务相比,增加了两枚SLS火箭的发射量,用于将一个两人制的火星着陆器送到高火星轨道待机,结合一个生活舱用于补给,实现长达1000天的载人登火任务。简而言之,载人登火任务中包括着陆器在内的硬件,都进行过太空环境的飞行试验。更重要的是,载人登火项目循序渐进而来,降低了研发和运行的开销,任务可靠性很高。

JPL的载人登火计划中,两艘电推拖船再次提前3年多发射,将必要的载荷部署到火星高轨道,其中火星上升器高轨道转移段还将使用气动刹车进入火星低轨道待机;火星着陆器发射到地球轨道后和EUS上面级对接,被送入火星转移轨道,也通过气动刹车进入火星高轨道;最后是如出一辙的载人任务,猎户座飞船、火星轨道插入段和深空生活舱被EUS上面级送入火星转移轨道,经过200多天后减速进入火星高轨道。

火星轨道上的飞行时间长达450天左右。2039年两名宇航员将乘坐着陆器抵达火星地表,进行约24天的火星科学考察,然后乘坐上升器抵达火星低轨道,在这里和待机的转移段对接后,飞向高轨道和深空生活舱对接。最后宇航员返回地球。

JPL方案中火星着陆上升器也尽量使用成熟设计,它的防热罩类似“好奇号”,而着陆器部分类似“凤凰号”。当然,这个重达23吨的着陆上升器高达9米,直径12米。由于质量太大,它不可能使用降落伞减速缓冲,而将使用超音速反冲减速的新技术,进入火星大气层气动减速并抛防热罩后,直接启动反冲发动机减速并最终着陆,这个反冲过程和“嫦娥三号”的着陆极为相似,这也是JPL的科学家计划先使用这个着陆上升器试验载人登月的重要原因。

为了降低自身重量,这个火星着陆上升器不仅使用气动刹车进入火星轨道,而且上升器只能将宇航员送到火星低轨道,进入高轨道必须对接轨道转移段,通过这样斤斤计较的设计,它的重量要比火星参考任务方案中的着陆上升器轻小得多,从而最大限度地减少了载人火星任务的规模。火星着陆器还将用于运送火星基地设备,如将支持4人火星表面生活一年的生活舱和原位资源利用设备等物资送到火星表面,建设起一个支持宇航员长期生活的火星基地。

金沙国际唯一官网 5NASA的最终目标,是将人类送上火星的表面。当然,还得再安全回到地球。图片来源:NASA

庞之浩表示,SLS分为两个阶段,一阶火箭的近地轨道运载能力为70吨,只有土星5号的一半多点,而且计划明年才能首飞。二阶火箭运载能力超过了土星5号,但要投入工程应用还需更长时间。

  目的地——月球

  根据媒体报道,国际太空站将于2024年停止运行,在此之后,国际太空站就会因为没有动力系统并因空气阻力而逐渐降低轨道,最终坠入大气层。

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对比评析

原有的多个火星参考任务方案中,出现了大型核热推进发动机、低温推进剂长期在轨储存、地球轨道组装大型空间组合体以及原位资源利用等诸多遥不可及的新技术。这种任务架构要比1989年《90天报告》里用于组装巨型飞船“自由号”空间港和月球基地等一系列匪夷所思的想法现实得多,但仍然需要太遥远的未来技术和太高的预算开支,这也是美国载人火星方案一直停留在纸面上的主要原因。

祖布林的“火星直击“方案只需要两枚SLS火箭,将一个着陆居住舱和一个返回飞行器送到火星表面,可以说是目前技术下最廉价的设计,但这个方案需要两个大型着陆舱直接射入火星大气层减速降落,同时还要在轨长期储存数吨的液氢,并在火星表面生产返回需要的液氧甲烷推进剂,还将宇航员的生活物资也压缩到了最低,任务风险实在太大。作为一个政府航天机构,NASA必须保证载人任务的安全性,在这个没有航天竞赛的时代,更承受不起人员损失的风险,毕竟不是每个人都有《火星救援》中马克·沃特尼那样的运气。

JPL的科学家借鉴了祖布林的思路,提出了截然不同的载人火星方案,这个方案基于两个原则:第一,尽量使用已有的成熟硬件;第二,尽可能降低任务规模。前者的潜台词是降低载人登陆火星任务中的研发开销,后者则是减少执行载人火星任务的开支。JPL的科学家特意指出,每一步都应该尽可能使用上一步已经用到、得到检验的硬件,而每一步研制的硬件都应该考虑成为下一步的基础。他们还特意指出,应该尽可能避免先进复杂系统的研制,尤其是核热推进系统。

美国历史上曾出现登月竞赛的黄金时代,那时NASA的预算几乎是所求即所得,但这种预算无限的时代毕竟只是特例,阿波罗登月后NASA就遭到预算剧减的当头一棒,未来即使启动载人火星探测,也看不到预算再次高速增长的可能。基于这个基础,JPL的方案假定NASA未来得到的预算只能抵消通胀影响,确定了两个基本研发原则,提出了一个NASA现有预算可承受的载人登火方案。

JPL的科学家精心计算后,认为这个方案可以在现有预算下,在2039年实现载人登陆火星的伟大目标,并能在2043年建立长期驻留的火星基地。相比之下,NASA原有的一系列火星参考任务方案都需要大幅度增加预算,这在过去和现在看来都是白日梦。

金沙国际唯一官网 7《火星救援》?还是先上了火星再说吧!图片来源:电影《火星救援》

JPL的载人火星登陆方案并非是最便宜的,《火星救援》涉及的祖布林“火星直击”或是半“火星直击”方案可以使用3枚SLS火箭进行一次载人登陆火星任务,但JPL方案兼顾了NASA不得不追求低任务风险和不得不面对低预算困境的现状,证明现有困境下NASA仍然可以完成载人登陆火星的壮举。

只要政治上下定决心,人类登陆火星的梦想能够在不远的将来成为现实!(编辑:Steed)

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近年来,风头正劲的猎鹰九号火箭,暂时也无法承担载人登月重任。庞之浩说,即使是新研制猎鹰重型火箭,运载能力也不到土星5号的一半,而且现在也没有首飞。SpaceX公司虽然提出了“超级猎鹰”方案,那更是遥远的事。他认为,猎鹰九号连近地载人任务都没实施过,其目前首先要解决可靠性问题。

  “当我们把宇航员送出近地轨道之后,行星科学将会彻底改变。”月球和行星研究所资深科学家大卫·克林(David Kring)说:“探索月球的最好方法还是依靠训练有素的宇航员,他们做起来可以得心应手。阿波罗计划已经证明了这一点。”

  很多的人或许认为从此之后,中国空间站将会成为唯一的太空站,但其实不是,那是因为美俄已经准备好了新的空间站计划——深空之门国际月球轨道空间站。

  图为地火霍曼转移轨道,也是最为节省燃料的轨道(图源航天爱好者网)

除了火箭系统,庞之浩表示猎户座飞船也不能用于登月,此外登月航天服的研制、航天员的培训都需要较长周期。

  克林说,他渴望在美国航空航天局的勘探任务中看到首次使用该机构的超重型运载火箭SLS(Space Launch System),该系统目前正在与猎户星座飞船一起进行研制开发。但是SLS和猎户星座计划进展不顺又一再延迟,在特朗普政府的坚持下,美国航空航天局正在评估在2019年中期送两位宇航员绕月的可能性。“我更加急于想看到宇航员将机器人部署到月球表面,最终机器人可以在那里自行落地。”克林补充说: “我们需要回到月球表面。我们需要收集样品。我们需要把它们带回地球。”

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  最初的计划来自于土星五号火箭的设计师沃纳·冯·布劳恩,他所设想的是一个庞大的“远征舰队”,由十艘宇宙飞船和七十个船员组成。而这只远征舰队将在地球轨道上建造,总吨位超过三万七千吨,而其中的绝大部分都是返程的燃料。但随着航天逐渐从想象变为现实,大家逐渐意识到人类的航天发射能力并没有这个计划中的如此强大,这一计划也随之作废。

航天专家、中国航天科工二院二部研究员杨宇光,对美国实现载人登月的预期较为乐观。他认为只要SLS和猎户座飞船研制进展顺利,再基于阿波罗飞船的基础研制一个登月舱,美国数年内载人登月从技术上不难实现,但需要两次发射才能完成。

  科学探索的金山银矿

  图为深空之门空间站轨道对接的想象图(来源:NASA)

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杨宇光提出的方案是分两次发射,将登月所需载荷发射到地球轨道,包括搭载人的猎户座飞船、登月舱和一个上面级。飞船和登月舱完成交会对接,通过上面级实现从第一宇宙速度到第二宇宙速度的加速,将组合体送入地月转移轨道。靠近月球后组合体进行制动,进入环月轨道。航天员从飞船进入登月舱,登月舱与飞船分离,落向月球。返回时,登月舱在环月轨道与飞船对接,一起回到地球。

  克林说,月球是科学探索的金山银矿,因为它为研究地球和其他行星的起源和演变提供了重要的线索:了解它们是如何从小块物体通过增聚和分化形成的;在它们历史早期又如何承受轰炸般的撞击;又是如何在围绕太阳的轨道上迁移。“解决这些问题的最佳地点就在月球上。”他解释说,这是由于月球没有气体保护的表面上留下了45亿年太阳系历史变迁的原始印记。

  深空之门月球轨道空间站将位于三十多万公里外的月球轨道上,而其除了肩负国际太空站的几乎所有任务之外,还要更多的涉及到小行星和月球的探索。

  图为上个世纪冯·布劳恩设想的火星远征舰队(图源航天爱好者)

然而,当年阿波罗计划只需一次发射,采用月球轨道交会对接方式就实现载人登月。如果美国重返月球仅是重复前人作为,甚至所用技术方案更为复杂繁琐,其意义何在?

  克林说,地球上的破坏性地质过程扭曲和遮盖了太阳系历史变迁留下的印记。即使在今日火星——这个比地球更加惰性的星球——我们寻求太阳系最深奥的秘密的许多谜底也已经被缓慢的地质运动所抹除。

  在本世纪,对于小行星的探索、撞击、采样返回任务非常受各国航天机构的关注。而NASA的引力牵引机方案正是在月球轨道研究小行星的计划。

  三十年前,NASA展开了一项研究,这份研究规划了1990年之后的NASA发展方向。在新的研究中,NASA计划了一个重达1300吨的火星飞船,这虽然相对于上一个计划可以说是十分微缩。但考虑到人类目前最大的太空结构——国际太空站——也不过只有400吨,这一计划依然显得非常惊人。

庞之浩表示,未来人类登月应将目标定位于长期驻留,建立能源基地、科研基地等。很多科学家认为,把月球作为跳板实施载人登火更靠谱。

  克林也认为月亮是通往火星的门户。 “我们必须在我们前往火星的道路上拥有合理的有意义的里程碑,”他解释说。 “我们都想让人类到达火星上,问题是你如何到达那里?我不认为我们将在2035年或2045年之前开发出具有奇迹般到达火星的能力。我们需要开发出走向深空的技术和工程队伍,这只可能发生在月球轨道和月球上。”

  引力牵引机方案是使用小型飞船接近小行星,随后开始自转来获得广义相对论的空间效应,产生引力拖拽小行星的计划。NASA计划以此捕获一个超小型小行星并将其移动至月球轨道,随后依靠深空之门空间站对其展开研究,不过这一计划由于经费问题实质上可能已经下马。

  经过重重发展,NASA最终产生了现在的登火组合体计划。登火组合器是一个数百吨的组合飞船,将于轨道上组合建造,然后前往火星。总体而言还算是承接了冯·布劳恩的设想。只不过是飞船吨位越来越小,航天员将在飞船中生存数百天直到返回地球。

杨宇光说,登月和登火,很多技术可以互通,比如飞船、火箭等。也有些技术不能通用,比如登月舱和火星着陆器在技术上差别非常大。奥巴马终止星座计划,决定不再重复登月,而是集中所有经费直接把人送上火星,但今天看来,该计划仍遥遥无期。“虽然从技术可行性来看,人类有能力掌握登陆火星所需的技术,但这些技术难度很大,从攻克到试验验证,需要巨额经费投入。一次载人登陆火星任务,所需经费可能远远超过国际空间站。”他说,“但这么多钱从哪来?虽然NASA希望2030年登上火星,但所需经费至今没有着落,也没看到真正有意义的步骤安排。”他表示,单纯的登月没有太大价值,如果能更进一步,提取、利用月球资源飞向火星,这样更有意义。

  每个火星人首先得是一个月球人

  深空之门还将让人类重返月球表面,由于其距离月球极近,而月球引力又极小,可以很方便的完成月球表面的探索任务。无论是NASA的引力牵引机还是月球着陆采样返回,都可以帮助人类更深入的了解外星体的结构组成。

  用于制造登火组合体的火箭的是SLS太空发射系统运载火箭,这种运载火箭的后期货运型运力高达130吨,甚至可能达到165吨之多。

(科技日报北京2月12日电)

  巴黎圣母院大学的月球科学家克莱夫·尼尔(Clive Neal)说,任何有关先去月球还是火星的争论必然导致无所作为。他说,“这不是一个非此即彼的论题”,因为通过挖掘开发月球资源有益于火星研究,并支持人类可持续地进入深空开展对太阳系的探索。

  位于月球轨道的深空之门空间站面领着很大的建设问题。众所周知的是,人类上次登月是使用着号称有史以来最强的土星五号运载火箭,而现在将运抵月球轨道的深空之门舱段并不比登月组合体的体积要小。

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  “你不能成为一名火星人而不是一名月球人,”尼尔说。 “如果你只想现在去火星‘展开旗帜和留下脚印’。但是你永远不会再回去,因为那就是阿波罗计划——一个梦幻般的计划,但它是不可持续的。”

  目前的运载火箭中最大的是重型猎鹰火箭,但是让其运送一个二十吨的舱段进入月球轨道仍然显得有些费力。

  图为SLS太空发射系统block2型的结构图(图源NASA)

  对于尼尔来说,地球的卫星——月球——首先是一个可以而且应该被利用的资源丰富的世界。例如,他指出了月球极地的阳光缺失的陨石坑,在那里几乎永恒的黑暗保存了丰富的水冰,它们可以转化为氧气,水和火箭推进剂。尼尔认为“我们必须做一些基本的地质勘查,如果月球的资源显示出实质性意义的话,那么你就可以把月球带入我们的经济活动圈,我认为月球上的资源有助于实现这一目标。”

  最终解决这一方案的是SLS太空发射系统,这将是一个体型堪比土星五号的超级重型火箭。其由NASA带头研制,其由两个固态助推器和三台RS-25主发动机组成一级火箭,这几乎全都是航天飞机的遗产技术。初期版本的载人SLS太空发射系统运力只有七十到一百吨。但是后期的货运型SLS太空发射系统的运力可以达到一百三十吨,甚至有报道称其达到165吨。这代表着SLS将彻底超过土星五号,成为人类历史上运力最强的运载火箭。

  登火组合体类似于一个摆渡船,并不具备下降至星球表面的能力,真正用于着陆的是独立设计的下降体飞船。而其返回则有两种不同的方案,其中之一是使用类似于阿波罗计划的方案,那就是上升段是下降飞船的一部分,返航时上升段脱离下降飞船独立返回。

  在LPSC会议正式开始之前的座谈会上,阿波罗17号月球步行者、地质学家杰克·施密特(Jack Schmitt)阐述了人类探索月球的价值。施密特的讲话提到了许多观众熟悉的一个议题。几十年来,他一直倡导氦3(He-3)气体的月球采矿经济学,这种同位素可能对于某些形式的核聚变是至关重要的。施米特解释说,月球表面已经从太阳风的数十亿年的喷射轰击中吸收了大量的氦气3,依靠该资源月球定居就可以持续。

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  但是,火星不仅重力较大,还有稀薄的大气层产生阻力,这使得火星上升段的要求远远大于阿波罗计划。另一方面,阿波罗计划在月球上的停留时间远远低于火星任务的时间。

  他说,氦3采矿过程将收获包括水、氢、碳和氮在内的副产品。虽然这些有用的物质在月球土壤中含量极为微弱,但是为了收获氦3必须处理巨量的月球表面土壤,这些副产品会在该过程中大量积聚。施密特解释说,来自低重力月球的水可以用来作为探索火星的飞船结构中的抗辐射的防护层。 “宇宙飞船周围几英寸的水重量很大,从地球带上去太昂贵了,我们可以在月球的任何地方生产水,供应给去火星的飞船。”

  图为SLS太空发射系统(来源:NASA)

  方案二则是在计划开展之前几年就发射一个飞船,这个飞船将独立运送加注好燃料的上升飞船(地球返回载具)。在完成长时间探索计划之后的火星宇航员们,将放弃其着陆飞船,并使用提前预置好的上升飞船返回轨道上的登火组合器。

  从月球和行星科学会议上科学家的发言和会议纪录可以清楚地看到重返月球是人们的共识,当然把共识转换成计划则又是另一回事,而认真实施计划则更为困难了。

  SLS除了发射空间站结构舱段之外,还将发射猎户座飞船,这种飞船将是深空之门与地面的核心人员运送方式,也是人类从深空之门到月球的摆渡船。

  不过,众所周知的是,着陆时可能有诸多危机。这使得着陆飞船很有可能无法降落在预定位置,也就导致他们将与上升飞船相距极远,大大增加了计划的不稳定性不安全性。此外,提前预置的上升飞船将暴露在火星环境下两年或者更长,一旦上升飞船出现故障,后果不堪设想。

  载人登月的关键技术是超重型运载火箭和高效可靠的登月飞船,从目前态势来看,美国宇航局已经着手称为EM-1(Exploration Mission 1)的探索任务,计划在2018年的年底用超重型运载火箭(SLS)搭载航天飞船-猎户座舱(Orion)作无人绕月飞行并返回地球,而中国的超重型运载火箭至今还没有立项,中国载人登月的能力与美国有着明显的差距。

  值得一提的是,NASA的火星计划将在轨道上建造巨大的登火组合体飞船,而这个飞船也很有可能被设置在月球轨道上建造,或者干脆与深空之门空间站对接来方便控制。

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  如果因循守旧、墨守成规沿袭阿波罗计划的老路,那么中国载人登月只能落在美国的后边,估计未来15年内都不会有戏。中国在载人登月方面要实施超越和有所作为,必须要有创新意识实现技术突破。中国重型运载火箭长征五号的首飞成功,让我看到了中国实施载人登月的新机遇。

  当然,深空之门并不是唯一的在轨空间站。

  图为“地球返回载具”(ERV,Earth Retuen Vehicle)的想象图(图源航天爱好者)

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  国际太空站很有可能不会失控坠落,而是将会被民营公司接管。毕格罗公司就对国际太空站曾抱有兴趣,原因是其可能需要以国际太空站作为平台测试自己的充气太空舱。

  NASA的方案尚未确定,而SpaceX也有自己的火星计划,这个计划的相比于NASA的方案更加大胆和激进。其技术设想来自于祖步林博士,最大的特点就是,宇航员们将在火星上自行制造燃料。

  让我们简单回顾一下美国的阿波罗登月计划。“阿波罗”号宇宙飞船由指挥舱、服务舱和登月舱3个部分组成。

  毕格罗也有自己的空间站计划,其将建设一个大型充气空间站名为“鹦鹉螺”,其发射体积并不十分庞大,但在完全展开之后内部体积高达330立方米,是天宫二号的十倍之多。

  SpaceX在原计划中将建造一个起飞重量高达一万两千多吨的复用超级火箭,进入轨道之后由加油船补给燃料,然后在三个月的行程里抵达火星。其飞行员将在火星着陆,并使用大气中的二氧化碳和水反应形成甲烷,并随后重新加注在其着陆飞行器中,在任务结束时起飞返回地球。

  指挥舱

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  宇航员在地月间飞行时的生活和工作座舱,也是全飞船的控制中心。指挥舱高3.2米,重约6吨。指挥舱又分前舱、宇航员舱和后舱3部分。宇航员舱为密封舱,存有供宇航员生活14天的必需品和救生设备。

  图为毕格罗充气太空站的想象图(来源:百度图片)

  图为spaceX的火星方案(图源航天爱好者)

金沙国际唯一官网:U.S.A.或将重启,国际空间站退役在即。  服务舱

  除此之外,Axiom 航天公司试图在国际空间站基础上建设自己的铝制外壳舱段,并随后建设自己的空间站,此公司将与Made In Space合作探索在近地空间进行工业生产的可能性。

  如此之多的火星探索方案,其实都寄托了人类试图探索外星的期盼。地球是人类的摇篮,但人类不可能永远在摇篮中生活,NASA的火星计划,或许能够真正助力人类成为一个多行星的物种。

  前端与指挥舱对接,后端有推进系统主发动机喷管。舱体为圆筒形,高6.7米,直径4米,重约25吨。主发动机用于轨道转移和变轨机动。

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  登月舱

  图为Axiom航天公司的铝制外壳空间站想象图(来源:百度图片)

  由下降级和上升级组成,地面起飞时重14.7吨,宽 4.3米,最大高度约7米。

  总体而言,国际太空站之后,新的空间站将如同雨后春笋一样大量的建设起来,世界航天也将进入一个新的时代。中国航天也要奋起直追,一同进入这伟大的新航天时代。

  ①下降级:由着陆发动机、4条着陆腿和4个仪器舱组成。

  ②上升级:为登月舱主体。宇航员完成月面活动后驾驶上升级返回环月轨道与指挥舱会合。

  在阿波罗计划中,这三个功能舱组成的飞船总重约46吨,由超重型火箭土星五号一次送入太空。由此可知,使用近地轨道运力25吨的长征五号火箭两枚来完成任务是有可能的。具体步骤可以分解如下:

  1)由一枚长5火箭把近25吨的服务舱送到中国太空站;

  第二枚长5火箭把近25吨的指挥舱和登月舱送到太空站;

  在太空站把服务舱、指挥舱和登月舱装配成登月飞船,等待宇航员的到达。

  2)由长征2F把三位宇航员送入中国太空站,神舟飞船停泊太空站;

  待宇航员稍事休息调整状态后,对飞船作全面检查并添加食品、水和燃料;

  三位宇航员进入登月飞船飞向月球。

  3)登月飞船进入月球轨道,二名宇航员进入登月舱;

  登月舱分离实施月球登陆,指挥舱和任务舱绕月飞行;

  二名中国宇航员登陆月球,设置机器人,实施科学研究,建设月球永久建筑。

  4)宇航员带着月岩样品进入登月舱上升级,上升级带着二位宇航员飞返指挥舱;

  三名宇航员汇合,抛弃登月舱上升级,乘坐飞船返回近地空间站;

  宇航员在空间站稍事休息,然后带着月岩样品进入神舟飞船,神舟安全降落在内蒙四王子旗着陆区。

  两枚长征五号和一枚长二F的近地轨道运载总能力大约可达60吨,这能力比阿波罗计划土星五号运载火箭还略输一筹。虽然土星五号的总负载大约也只有50多吨,但土星五号不只是把50多吨的负载送入地球轨道,它的第三级火箭再启动后把负载进一步推向月球轨道。这个差距就体现在更多的推进燃料。所以本方案中特别安排由空间站向月球飞船补充燃料、水和宇航员的食物。通过此项补充,又加上地月轨道设计优化和各种减重新材料的使用,相信完全有可能依靠中国已有的运载火箭实现载人登月。

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  这个方案的优点主要有三个方面:

  1)尽可能保证载人登月的人身安全。整个计划中宇航员飞离和返回地球是非常危险的过程,本方案仍让久经考验的长二f和神舟飞船来完成,这是本方案的点睛神笔。方案使用长征五号重型火箭分两次运送登月飞船,长征五号运载能力强,但是还在试用改进期,安全性仍待考验。不过不用它来载人,运送设备出点问题也无大碍,最多重发备份或取消计划,不会有人身伤害。

  2)尽量发挥中国在地球轨道上设备对接的技术优势。整个登月飞船作功能模块化设计,分开送入近地轨道并在轨组装。这也为将来深空探索作好准备,这些功能模块可以灵活扩充组合以适应不同的任务要求。

  3)大大加速载人登月进程。本方案绕开了长征九号超重型火箭,长9火箭还没有立项,即使马上立项,从立项、试验、首飞再到载人飞行,估计至少要等到2030年以后了。本方案与长9研制不冲突,登月飞船功能模块的研制可以同步进行,设计时对使用长5和长9应作全盘考虑。在长9完工前使用长5实施载人登月。

  说实话,本文只能算是一种初步的设想,权作抛砖引玉吧,具体的计划应由专家组作更详细更深入的研究后逐步制定。实现载人登月不是面子工程,这一点本文的上半部已经作了详细的介绍,登月对于开展科学研究和发展国民经济有着不可替代的现实意义,登月也是人类走向深空不可绕开的重要一环。建设空间站—载人登月—建设月球基地—走向深空,这才是一条正确稳妥的航天之路。(来源:观察者网)

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