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，由其設計、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，該艙段將充當航天員的起居室和指揮中心。它將設有供獵戶座載人飛船、太空探索技術公司龍-XL貨運飛船和“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。

該艙段預計于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，競標過程塵埃落定，正式轉入全面研發(fā)制造階段。

構想中的第二階段“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、貨運飛船

登月跳板——“月球門戶”

2017年，時任美國總統(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)月軌道空間站計劃，主要作用是為未來各成員國載人深空任務提供中轉服務?！霸虑蜷T戶”建成后不僅可以作為載人月球觀測站，同時也是多國載人登月任務中往返于地球和月球表面的中轉站，更是未來載人登陸火星任務的重要組成部分，是未來美國載人深空探索的核心組成部分。

“月球門戶”設計運行在特殊的月球近直線暈軌道（NRHO），設計壽命15年。目前已確定的主要艙段如下：首先是由美國負責牽頭研制的電源和推進艙（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，繼續(xù)負責機械臂。原定提供氣閘艙的俄羅斯目前仍未最終敲定是否繼續(xù)參與項目，美方將自行準備一個氣閘艙供航天員開展EVA活動。

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制，而是做了很多改進。首先是受限于軌道和任務規(guī)模，任務規(guī)模適當縮小，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，該軌道具備自由進出所需△V小、穩(wěn)定性好、通信和光照條件好等特點，優(yōu)于傳統(tǒng)的拉格朗日點和環(huán)月軌道。還有，“月球門戶”采用大功率電推進組合，軌道維持開銷大幅降低，更關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。第三是為降低補給壓力，將采用一系列高循環(huán)率的可再生生保系統(tǒng)，并提供潛在可擴展性。

目前計劃是在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能力，在此基礎上，參與成員國僅需要單獨研發(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備工作。航天員以“月球門戶”空間站為起點，可以到達月面各個地點實施探索，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轉。

歐空局公布的月球門戶二期渲染圖

增強型天鵝座飛船實物

居住艙設計的變更

“月球門戶”在2016年曝光時原設計有兩個居住艙。兩個居住艙分別由日本宇宙航空研究開發(fā)機構和歐空局設計和制造，功能上交叉互補，結構上串聯(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計以節(jié)省空間。而日本宇宙航空研究開發(fā)機構原計劃引入一套高循環(huán)率的封閉式生保環(huán)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在超過35天的載人深空任務中大幅減小貨物補給需求，但該系統(tǒng)尚未在國際空間站上得到充分測試和驗證，目前已改為證明其可靠性后擇機引入。

為節(jié)省空間，居住艙的廚房區(qū)域當時設計有可展開餐桌及加熱設備，配備一臺冰箱，用于貯存食物和樣品。居住艙設置包含回收設備的廁所。一號居住艙還設計有可折疊的健身器材，以支持必要的生理實驗和體育鍛煉，此外還在規(guī)劃有3D打印機的工作區(qū)域。專門設置有貯存區(qū)，用于貯存食物、淡水、服裝和其它補給品。且準備在居住艙周圍設置柔性儲水層，并引入一些額外的內(nèi)部輻射屏蔽設備。在艙內(nèi)設備上，因為“月球門戶”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準機柜架不適用于“月球門戶”，因此各項目方已經(jīng)計劃重新開發(fā)一套輕量化的通用機柜系統(tǒng)。

2017年3月，居住艙設計發(fā)生重大變更。在“月球門戶”的多邊協(xié)調(diào)委員會會議上，居住艙從原定由日本宇宙航空研究開發(fā)機構、歐空局分別負責的2個被縮減為共同負責的1個，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”任務發(fā)射。另外由美方獨立牽頭研制一個核心居住艙，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。目前雖然2024登月的時間點已不再現(xiàn)實，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。

從貨運飛船到深空家園

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

故事要從軌道科學公司說起。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)補給服務合同，并于2013年首次成功利用天鵝座貨運飛船向國際空間站輸送貨物。截至2021年8月，“天鵝座”累計成功執(zhí)行了15次貨運任務，經(jīng)驗可謂豐富。但飛船的成功并沒有拯救這家公司，軌道科學公司后被軌道·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艙段的前身項目——美國宇航局“下一步探測空間技術伙伴關系”（NextSTEP）合同，成為當時拿到NextSTEP項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)兩輪評估后認為僅“諾·格”一家能按時交工，而“諾·格”在NextSTEP階段中逐步優(yōu)化定型，增大艙內(nèi)空間，追加對接口以充當核心艙段。還通過模塊化思路單獨配備了電力、環(huán)控、導航系統(tǒng)，以此作為PPE相應系統(tǒng)的備份，最終形成HALO的基本形態(tài)，即以“天鵝座”飛船的增強型為基礎，通過大面積改造成為可獨立升空并變軌的無人深空艙段，初步設計有兩個徑向和兩個軸向對接口。

而在美國宇航局決定合并發(fā)射后，HALO與PPE重疊的導航、通訊、推進分系統(tǒng)均被刪除，HALO和PPE間的對接機構簡化為固定式過渡段，且所有對接口均改為被動端。此外還免去了月球軌道對接的高風險操作，同時HALO的居留空間進一步擴大。在測控方面，合并后“諾·格”將不再進行飛船通訊和控制，一并交由PPE艙段負責。截至目前，HALO將為站上航天員提供初期的生活和指揮空間，并設置有供擴展艙段及到訪的貨運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年最初的任務規(guī)劃中，PPE和HALO應由兩次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火箭的進度一推再推，單發(fā)成本逼近20億美元。加之時任總統(tǒng)特朗普對2024登月的要求急迫，2019年美國宇航局轉而考慮成熟、靈活且低價的商業(yè)火箭，當時已順利完成首飛的重型獵鷹火箭進入備選清單。于是，該局將計劃修改為兩個艙段由“重型獵鷹”單獨發(fā)射，不再由“獵戶座”帶飛。因為PPE自帶動力，可自行變軌進入NRHO軌道，但HALO卻需要額外配置推進艙。

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)省大量時間和費用，并降低任務風險和復雜度。新方案不僅節(jié)省了一次發(fā)射費用，原有兩艙需重復配備的多個分系統(tǒng)均可簡化，“諾·格”的工作量大幅減少，最關鍵是進度亦可順勢提前，減費增速效果明顯。

“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。巧合的是當時“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。但實際上太空探索技術公司此舉并非為迎合美國宇航局，而是美國軍方的要求，因為當時太空探索技術公司正與其他3家公司競逐“國家安全發(fā)射”項目，作為未來10年美國軍用航天發(fā)射的“劃地之戰(zhàn)”。中標之后，“重型獵鷹”將接過重型“德爾它4”的部分天價機密載荷發(fā)射任務，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，同時還要在LC-39A發(fā)射臺興建垂直總裝廠房，以便進行載荷的垂直整合。美國宇航局修改方案進行合并發(fā)射，其實是借了軍方的“東風”。

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，價值3.318億美元。雖然相較“重型獵鷹”商業(yè)發(fā)射報價可謂昂貴，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30多億美元。同時“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上的大功率電推進器將開始工作，經(jīng)過約270天的時間和多次變軌逐步將兩艙組合體送往環(huán)月軌道，直至進入預定的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”上補加推進劑，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，在地月轉移可達性方面，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。在登月可達性方面，因載人任務需要出發(fā)后盡快到達月面，而對于L2點和DRO軌道，進入LLO的時間卻長達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，推進劑開銷幾乎可忽略不計。而對地通信方面，L2點和NRHO都完全無遮擋，可保持對地通信隨時暢通。與月面的通信方面，L2點和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%的時間都可以實施無中繼直接通信，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設施，這一項目的成形和最終實施對參與的各成員國乃至航天產(chǎn)業(yè)都將產(chǎn)生深遠的影響。

對于項目的核心發(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域絕對領先地位的思想。此外，作為繼國際空間站之后的另一個國際性合作項目，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攤設計和研制成本，契合最終目的為載人火星登陸的長期目標。

除此之外，在近10年商業(yè)貨運補給項目和商業(yè)載人航天項目的牽引下，以太空探索技術公司為首的一大批新興航天企業(yè)茁壯成長，同時倒逼傳統(tǒng)航天企業(yè)對已有火箭及航天器進行降價換代。這些公司已不再滿足于近地軌道業(yè)務，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”實質是包辦了航天員的地月轉移過程，各成員國僅需要研發(fā)登月艙即可實現(xiàn)載人登月，從而規(guī)避了各成員國需具備獨立載人航天能力的硬性要求，無論在經(jīng)濟性還是政治性上均有利于各成員國。隨著分工和任務逐步明晰，載人登月在政治上起到了肉眼可見的宣傳效應，而在經(jīng)費支出和技術跨度上都已經(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家中標“月球門戶”的貨運飛船項目

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、大規(guī)模電推進器、氙推進劑在軌加注、長期無人自動運行、空間碎片防護等方面仍面臨諸多技術挑戰(zhàn)。因此，“月球門戶”的最終成型還需假以時日，過程也不會一帆風順。就項目本身而言，重返月球計劃的提出不過是已有技術儲備順水推舟的成果，其核心還是為了維持美國在載人航天領域的領導地位，本質上還是換湯不換藥的。