日本如何參與美重返月球計(jì)劃

2020-09-16 10:56李晨風(fēng)

太空探索 2020年9期

文/ 李晨風(fēng)

2020年7月9日，美國宇航局與日本政府簽署了一項(xiàng)協(xié)議，日本正式加入了美國重返月球的“阿爾忒彌斯”計(jì)劃。

這份名為《聯(lián)合勘探意向聲明》的協(xié)議是由美國宇航局局長吉姆·布里登斯汀和日本政府教育、文化、體育、科學(xué)技術(shù)大臣黑田光一在一次虛擬會議上簽署的。

布里登斯汀在一份簡短的聲明中說：“今天簽署這項(xiàng)意向聲明是建立在美日兩國在太空領(lǐng)域長期成功合作的基礎(chǔ)上的……我們感謝日本對阿爾忒彌斯計(jì)劃的大力支持，并期待著將我們在國際空間站上所享有的強(qiáng)有力的伙伴關(guān)系擴(kuò)展到地月空間、月球表面等領(lǐng)域?！?/p>

兩國政府都沒有公布宣言的文本，但他們形容這份文件概述了日本在人類和機(jī)器人探索方面的作用。這將包括對月球門戶和月球表面探測的貢獻(xiàn)。

美國和日本是長期的航天合作伙伴。自從特朗普政府提出2024年載人重返月球的阿爾忒彌斯計(jì)劃，日本政府就一直非常積極，反復(fù)表態(tài)打算參與其中。

▲ 2020年7月9日，美日雙方舉行遠(yuǎn)程簽字儀式

日本感興趣的四大領(lǐng)域

2019年10月，第70屆國際宇航大會在美國舉行。其間，布里登斯汀在六大航天局局長（中國國家航天局代表團(tuán)因赴美簽證問題，未能到會）會議上發(fā)表講話稱：“我們需要國際伙伴。當(dāng)我們共同努力時(shí)，我們都能做得更多?！?/p>

布里登斯汀在記者招待會上說，美國宇航局希望國際空間站目前的所有合作伙伴都參與到地月軌道空間站和阿爾忒彌斯計(jì)劃中。日本實(shí)際上是第二個(gè)宣布有意加入阿爾忒彌斯計(jì)劃的航天大國。2019年2月，加拿大宣布將為該計(jì)劃的地月軌道空間站開發(fā)一種機(jī)械臂“加拿大臂3號”，并且在未來24年內(nèi)將為這個(gè)計(jì)劃投入約15億美元。

當(dāng)時(shí)，歐空局和俄羅斯航天局都在考慮各自能提供些什么，例如艙段和氣閘室。布里登斯汀甚至表示，澳大利亞航天局簽署了一份文件，旨在研究澳大利亞對阿爾忒彌斯計(jì)劃的潛在貢獻(xiàn)，印度和阿拉伯聯(lián)合酋長國也有加入阿爾忒彌斯計(jì)劃的機(jī)會。

▲ 地月軌道空間站曾經(jīng)的國際分工

那么，日本政府到底提議了些什么呢？就在國際宇航聯(lián)大會舉行前不久，日本首相安倍晉三發(fā)表聲明，宣布有意加入阿爾忒彌斯計(jì)劃。當(dāng)時(shí)，安倍并沒有明確指出，日本具體將如何參與這個(gè)計(jì)劃。不過，這應(yīng)該認(rèn)為是一次比較及時(shí)的政治表態(tài)。在安倍發(fā)表聲明前一個(gè)月，布里登斯汀就訪問了日本，與日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)簽署了一份關(guān)于月球探測潛在合作的聯(lián)合聲明。

▲ 豐田公司載人月球車的設(shè)想圖

披露具體合作內(nèi)容的是日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)人奧村直樹。他說，日本對四個(gè)具體領(lǐng)域感興趣。首先一個(gè)是為地月軌道空間站的“居住和后勤前哨站”（HALO）艙段提供組件，這將是地月軌道空間站的首批組件之一。前哨站的總承包商是美國諾斯羅普·格魯曼公司。奧村直樹說，日本可以為之提供電池和儲罐等部件。

▲ 豐田公司月球車與人體的對比

第二個(gè)領(lǐng)域是提供月球表面的數(shù)據(jù)。日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)正在開發(fā)一個(gè)名為“智能著陸器”的任務(wù)，簡稱SLIM。這項(xiàng)目的主要目的，其實(shí)是突破在月球表面精確軟著陸的能力，也就是類似于“嫦娥三號”和“四號”的那種能力。這個(gè)著陸器計(jì)劃在2021年年底或2022年年初發(fā)射。

第三個(gè)領(lǐng)域是為地月軌道空間站提供后勤支持。為此，日本提出了HTV-X飛船，它是用于國際空間站的HTV貨運(yùn)飛船的改進(jìn)型號版本。HTV-X將用H3火箭發(fā)射。這種火箭的首飛定于2020年年底實(shí)施。

▲ 豐田公司月球車帶有一面太陽電池

日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)感興趣的最后一個(gè)、也是最雄心勃勃的領(lǐng)域，是地月軌道空間站居住艙和載人月球車。其中后者不再是阿波羅計(jì)劃中的那種敞篷車，而是有密封車艙的加壓車。航天員在車內(nèi)可以不穿艙外航天服。這個(gè)項(xiàng)目的企業(yè)合作對象，正是著名的豐田汽車公司。據(jù)稱，這是日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)正在尋求的幾個(gè)行業(yè)合作中“最大、最具象征意義”的一項(xiàng)協(xié)議。

▲ 豐田公司月球車的燃料電池裝在尾部

被接納的歐洲和被拒絕的俄羅斯

看到日本如此積極主動(dòng)，歐空局在第二個(gè)月舉行的部長級會議上決定加入阿爾忒彌斯計(jì)劃。歐空局在國際空間站合作中獲得了巨大的科學(xué)收益，因此對阿爾忒彌斯計(jì)劃也有很大興趣。局長沃爾納認(rèn)為應(yīng)當(dāng)充分利用國際空間站的成功機(jī)制。他說，為空間站談判最初的政府間協(xié)議花了8年時(shí)間。“我可不想等8年。”

俄羅斯當(dāng)時(shí)也傾向于加入美國的載人登月計(jì)劃，包括加入地月軌道空間站建設(shè)。俄羅斯宇航局載人航天執(zhí)行主任謝爾蓋·克里卡列夫說：“我們正計(jì)劃參與這個(gè)空間站?！?/p>

克里卡列夫在隨后的記者招待會上說，俄羅斯所能做出的貢獻(xiàn)可能涉及某些運(yùn)輸系統(tǒng)，比如俄羅斯宇航局幾年來一直在研發(fā)的載人航天器，它可以為美國宇航局的獵戶座飛船提供一種備份方案。他說：“我們認(rèn)為備用運(yùn)輸系統(tǒng)和空間站艙段將是俄羅斯可以參與的內(nèi)容?！?/p>

▲ 豐田公司月球車將具有很好的越野能力

▲ 地月軌道空間站是日本的參與目標(biāo)之一

但是很顯然，美國此后的政治氣氛已經(jīng)無法讓俄羅斯繼續(xù)參與這項(xiàng)國際合作了。2020年7月中旬，俄羅斯航天局局長、俄羅斯副總理羅戈津宣布，打算和中國共同建設(shè)月球基地。

那么，布里登斯汀考慮中國了嗎?當(dāng)時(shí)就有記者提出了這個(gè)敏感的問題，不過這位局長避而不談，他指出，現(xiàn)行法律禁止美國宇航局和中國在未經(jīng)國會批準(zhǔn)的情況下進(jìn)行雙邊合作。他甚至說：“要改變這種情況的話，我可沒掙那份工資?！?/p>

日本航天員何時(shí)能登月

不過地月軌道居住艙和加壓月球車都不是很快就能研制出來的。根據(jù)日方的說法，它們很可能要到2025年后才能研制出來，對接到地月軌道空間站上。而月球車要到2029年或2030年才能研制出來。

▲ 美日航天局長和豐田公司負(fù)責(zé)人展示月球車

▲ H3的固體助推器運(yùn)往試驗(yàn)場

作為對阿爾忒彌斯計(jì)劃這些貢獻(xiàn)的交換，日方有可能得到機(jī)會，讓日本航天員參與以后的飛行任務(wù)，包括登月。奧村直樹說：“我們希望派遣一些日本航天員到月球表面，這將由兩國政府協(xié)商?！?/p>

無論最終協(xié)議的條款是什么，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)又能夠從自己的政府那里獲得什么樣的財(cái)政資源，他們都很看重這次合作機(jī)會。奧村直樹強(qiáng)調(diào)說：“日本有很強(qiáng)的動(dòng)力，利用我們的核心競爭力去開拓新的領(lǐng)域，并加強(qiáng)美日之間的合作?！?/p>

豐田公司的月球車

那么，日本將為美國的月球探索計(jì)劃提供的加壓月球車到底長什么樣呢?

在美國宇航局探索科學(xué)論壇的一次會議上，美國宇航局高級探測系統(tǒng)部代理主任、前美國宇航局獵戶座項(xiàng)目經(jīng)理馬克·基拉西奇說：“它和空間站的居住艙差不多，可以支持兩個(gè)人生活14天，只不過它是帶輪子的。我們可以把它理解為一種月球上的房車。”

▲ H2與H3火箭的對比

▲ H3火箭的基本結(jié)構(gòu)

他說，美國宇航局認(rèn)為讓日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)參與一個(gè)“主要的月球表面元素”工作是很重要的，因此日方將主導(dǎo)這種月球房車的開發(fā)。美國宇航局之所以認(rèn)為日方的參與“很重要”，是因?yàn)槿毡驹谶@方面已經(jīng)有了很好的技術(shù)基礎(chǔ)。

2019年7月16日，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)和豐田汽車公司宣布，簽署了一項(xiàng)為期3年的聯(lián)合研究協(xié)議，從2019財(cái)年到2021財(cái)年研究使用燃料電池電動(dòng)汽車技術(shù)的載人加壓月球車，制造、測試和評估原型車，以此作為參與美國載人探月活動(dòng)的一部分工作。

豐田是世界上最大的地面車輛制造商之一，豐田汽車在人們生活中很常見?！坝新繁赜胸S田車”也是人們熟悉的廣告詞，但月球上沒有路，還會有豐田車嗎？

考慮到美國本次重返月球并不是“阿波羅”計(jì)劃那種待一會兒就走的任務(wù)，而是多天考察、為后續(xù)月球基地奠定基礎(chǔ)，所以月球車的研制面臨著許多挑戰(zhàn)。月球重力是地球重力的六分之一，月球地形復(fù)雜，有火山口、懸崖和山丘，而且月球車暴露在比地球更嚴(yán)酷的輻射、溫度條件以及超高真空環(huán)境中，所以豐田提出了“太空機(jī)動(dòng)車”的概念，來設(shè)法適應(yīng)上述環(huán)境條件。

目前豐田公司還沒有公布設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。但是根據(jù)已經(jīng)透露出來的一些信息，豐田設(shè)計(jì)的火星車長約6米、寬5.1米、高3.6米，是一種非?！胺健钡能囕v。它的內(nèi)部容積達(dá)到近13立方米，可以為兩名乘員提供足夠的生活和居住空間。豐田公司還表示，“在緊急情況下可以乘坐4個(gè)人”。

▲ H3火箭的固體助推器在點(diǎn)火試驗(yàn)中

▲ H3火箭的構(gòu)想

豐田月球車最大的特點(diǎn)，是使用燃料電池系統(tǒng)。日本企業(yè)在民用車輛燃料電池技術(shù)上居于世界領(lǐng)先地位，豐田Mirai等型號上已經(jīng)開始采用這種技術(shù)。長期以來，豐田一直試圖開發(fā)混動(dòng)汽車和燃料電池汽車，來改變世界汽車產(chǎn)業(yè)格局。對日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)來說，燃料電池技術(shù)的 “負(fù)排放”也符合太空探索的需求。

豐田執(zhí)行副總裁長谷伸一曾經(jīng)這樣表示：“使用清潔發(fā)電方法的燃料電池只排放水，而且可以提供大量的能源?！?/p>

豐田表示，該車的“月球表面續(xù)航能力”將近1萬公里。月球車還要裝備一個(gè)折疊式的太陽能電池板來提供電力。

按照計(jì)劃，2019財(cái)年內(nèi)，要確定在月球表面駕駛所需開發(fā)的技術(shù)要素；起草月球車原型的規(guī)格；2020財(cái)年內(nèi)，要為每個(gè)技術(shù)元素制造測試零件，并制造一輛月球車原型；2021財(cái)年，要測試和評估制造的零部件和月球車原型，然后將原型車改裝為正式的量產(chǎn)型。

為此，在2019年7月1日，豐田公司成立了一個(gè)專門的月球探測車輛工廠，計(jì)劃在2020年年底前將該部門的員工人數(shù)擴(kuò)大到大約30人。

日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)打算通過這個(gè)月球車項(xiàng)目，獲取與月面駕駛技術(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)。而且這種月球車的主要用途，是前往探測月球極地地區(qū)，調(diào)查使用月球資源（如水冰）的可能性，并為今后的大型天體表面探測技術(shù)打下基礎(chǔ)。

上述3年期研制工作完成后，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)和豐田將從2022年開始啟動(dòng)1:1比例原型月球車的制造和評估，開展月球極地探測所需驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的獲取和驗(yàn)證測試；從2024年開始實(shí)施月球車工程模型的設(shè)計(jì)、制造和評估，以及飛行樣機(jī)的設(shè)計(jì)；從2027年開始實(shí)施飛行樣機(jī)的制造、性能和質(zhì)量測試，到2029年發(fā)射。

▲ 在實(shí)驗(yàn)中的H3火箭固體助推器

用來登月的H3火箭

在日本參與美國登月的活動(dòng)中，豐田公司其實(shí)還要排在后面，排在第一位的，是負(fù)責(zé)研制火箭的三菱重工。安倍在2019年10月表態(tài)之后，三菱重工很快發(fā)表聲明，稱2021年要對H3火箭做進(jìn)一步升級，確保它在2025年能向月球運(yùn)送貨物。

H3火箭的開發(fā)目標(biāo)之一，是降低日本火箭的成本，以便在全球商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場上占據(jù)更大的份額，同時(shí)也滿足日本的軍事和民用發(fā)射需求。

H3是一種兩級火箭。第一級使用液氧和液氫推進(jìn)劑，有不攜帶固體助推器、攜帶兩個(gè)或四個(gè)固體助推器這三種配置，固體燃料為聚丁二烯。第一級采用兩臺或三臺LE-9發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，它與H2火箭的LE-5B發(fā)動(dòng)機(jī)有所類似。一級火箭攜帶225噸燃料。二級采用改進(jìn)型LE-5B發(fā)動(dòng)機(jī)，攜帶23噸推進(jìn)劑。

H3火箭的變型比較多，因此需要在名稱上加以區(qū)分。它采用“H3”+兩位數(shù)+字母的命名方式。兩位數(shù)中的第一個(gè)數(shù)字表示芯級的LE-9發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量，可以是“2”或“3”。第二位數(shù)字表示固體火箭助推器數(shù)量，可以是“0”“2”或“4”。固體助推器的所有布局都是對稱的。末尾的英文字母表示有效載荷整流罩的長度，短罩為“S”，長罩為“L”。例如，H3-24L表示有兩臺LE-9發(fā)動(dòng)機(jī)，四個(gè)固體火箭助推器，采用長整流罩，而H3-30S表示3臺LE-9發(fā)動(dòng)機(jī)，沒有固體火箭助推器、采用短整流罩。

▲ H3火箭主發(fā)動(dòng)機(jī)

▲H3火箭主發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火測試

截至2018年11月，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)提出了3種具體配置：H3-30、H3-22和H3-24。顯然，都沒有給出整流罩規(guī)格。

此前日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)曾經(jīng)提出H3-32，但在2018年年底被取消，改為H3-22。H3-32的性能顯然更好，但日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)從獵鷹9號火箭的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識到，衛(wèi)星運(yùn)營商往往傾向于利用衛(wèi)星本身的遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)來進(jìn)入靜止軌道，過于強(qiáng)大的火箭是沒有必要的，H3-22火箭足夠滿足需求了。

但是載人登月需要的火箭運(yùn)力越大越好。2019年10月，三菱重工負(fù)責(zé)人在第70屆國際宇航大會上發(fā)表演講時(shí)說，為了支持美國宇航局未來的月球飛行，三菱重工正在考慮H3的兩種變型，分別是基本型和重型。

▲ 在測試中的H3火箭燃料罐

H3基本型可以將7.9噸的載荷運(yùn)送到地球同步轉(zhuǎn)移軌道上。如果對第二級進(jìn)行改進(jìn)，就可以把3.4噸多的加壓貨物和1噸多的非加壓貨物運(yùn)送到地月軌道空間站上。他說，將一艘HTV-X貨船發(fā)射到地月軌道空間站需要兩次H3基本型發(fā)射。第一次發(fā)射將把HTV-X送入環(huán)繞地球的軌道。第二次發(fā)射將發(fā)射一個(gè)帶有附加燃料箱的上面級，與HTV-X對接，一起飛向地月軌道空間站。三菱重工可能在2025年或2026年執(zhí)行這樣的任務(wù)。很顯然，這個(gè)時(shí)間晚于美國宇航局首次載人重返月球的時(shí)間表。

三菱重工打算把H3火箭改造出一種重型版，就是把三個(gè)第一級捆綁在一起，構(gòu)型和美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司的德爾塔 4火箭重型版或太空探索技術(shù)公司的重型獵鷹火箭類似。它可以把載荷送入地月轉(zhuǎn)移軌道或者直接飛到環(huán)月軌道。