NASA 月球空间站概念图:SpaceX 等五家公司参与

美国国家航空航天局(NASA)计划在月球轨道建造新一代载人空间站,这就是月门计划(Gateway)。这个月球空间站能够让宇航员在月球轨道居住一到三个月的时间,这样他们能够长时间在远离地球的太空进行科学实验;支持月面任务;甚至完成遥控机器人等远程工作。

本文介绍了月门计划的历史和主要组成部分,以及未来可能的用途。目前 NASA 计划在本世纪 20 年代的某个时候建成月球空间站并让宇航员入驻,可能是为了支持阿尔忒弥斯登月计划。阿尔忒弥斯原定目标是让宇航员在 2024 年登月。但 NASA 监察长办公室在 2021 年 8 月份的一份报告中表示,由于宇航服的开发工作延误,这一目标“不可行”。

月门计划历史

几十年来,NASA 一直希望建立一个月球空间站,而月门计划的概念至少可以追溯到 2010 年左右。2012 年,NASA 公开讨论了在月球背面建立月球站的想法 —— 后来这个项目被称为深空栖息地(Deep Space Habitat)。2014 年和 2015 年前后,NASA 开始公开讨论“地月栖息地”的概念,目的是在本世纪 20 年代进行更长时间的载人太空任务。

月门计划的名字也变了好几次。NASA 在 2017 年的文件中提到过绕月飞行的深空门户空间站(Deep Space Gateway)。2018 年,在 NASA 提交的 2019 年预算中,又被重新命名为月球轨道平台门户 (LOP-G)。如今,NASA 更倾向于使用更简单的“月门计划”一词。

HALO 模块 (诺斯罗普・格鲁曼公司)

2019 年,NASA 聘请诺斯罗普・格鲁曼公司 (Northrop Grumman) 为月门计划打造用于宇航员居住和后勤保障的 HALO 模块。HALO 模块的设计基于定期向国际空间站运送设备和物资的天鹅座货运飞船。NASA 之所以选择诺斯罗普・格鲁曼公司,是因为该公司在将天鹅座货运飞船改装成用于宇航员居住的模块方面取得了不小进展。此外,由于天鹅座货运飞船足够小,可以通过现有的商业运载火箭发射升空,这极大简化了月门计划的开发工作。

诺斯罗普・格鲁曼公司说,HALO 模块“可以让 4 名宇航员在踏上月球表面探险和返回月球的过程中呆 30 天的时间。”诺斯罗普・格鲁曼公司在 2020 年 6 月获得了 1.87 亿美元的资金用于设计 HALO 模块,为当年 11 月完成的初步设计审查做准备。该公司随后于 2021 年 7 月从 NASA 获得了一份价值 9.35 亿美元的合同,完成 HALO 模块的设计和开发。HALO 模块计划于 2024 年搭乘 SpaceX 的猎鹰重型火箭抵达月球轨道。

动力和推进模块 (Maxar Technologies)

月门计划的动力和推进模块基于 NASA 小行星重定向计划中相关的推进器研究工作。这一计划在 2017 年被取消,但有关推进器的设计被回收利用。2019 年 5 月,NASA 选中 Maxar Technologies 来建造月门计划的动力和推进模块。据 NASA 称,该模块是一个太阳能电力推进装置,可以绕月运行,也可以用于火星之旅。

Maxar Technologies 在 2019 年完成动力和推进模块的系统需求审查,并在 2021 年初通过了其他两项关键审查。动力和推进模块预计将于 2024 年和 HALO 模块一道前往月球轨道。

机械臂 Canadarm3 (MDA)

加拿大航天局于 2019 年 5 月宣布,将向月门计划提供名为 Canadarm3 的新一代机械臂,这是在航天飞机和国际空间站所使用机械臂的基础上开发的。Canadarm3 机械臂设计融入了一定的机器学习,这样机械臂可以在宇航员执行任务期间自行维护和监督空间站运行,因为月球空间站总会有空置的时候。作为交换,NASA 承诺在 2020 年让一名加拿大宇航员参加阿尔忒弥斯计划的首次月球轨道飞行任务。

2019 年,加拿大曾承诺在 24 年内向 Canadarm3 机械臂和月球探索加速器计划 (LEAP) 投资 20.5 亿加元,当时约合 15.6 亿美元。LEAP 旨在鼓励企业将机器人、健康和人工智能等技术用于月球任务。加拿大 MDA 公司获得了一系列与 Canadarm3 机械臂相关的合同,最近敲定的合同是 MDA 在 2021 年 7 月获得 3530 万美元,用于机械臂接口的初步和详细设计。

货运飞船(SpaceX)

2019 年 8 月,NASA 公开征集意见,要求各个公司就如何开发向月球空间站运送货物的飞船提出建议。与国际空间站所使用的货运飞船类似,月门计划货运飞船将由商业火箭发射升空,将能在月球空间站停留至多 6 个月的时间。

2020 年 3 月,SpaceX 被确定为月门计划的货运服务提供商,使用新一代龙飞船提供货运服务。目前龙飞船已经是国际空间站的主要补给船之一。SpaceX 代表表示,这种名为 Dragon XL 的新飞船将能携带超过 5.5 吨的货物前往月球空间站。NASA 当时表示,还可能会选择其他公司加入 SpaceX 的工作,为月球空间站提供再补给服务,但所有合同的总价值不超过 70 亿美元。

载人飞船(洛克希德・马丁公司)

月门计划的第一次载人航天任务可能由洛克希德・马丁公司开发的“猎户座”飞船执行,但其他载人飞船也可能在未来几年前往月球空间站。猎户座飞船的开发历史早于阿尔忒弥斯,甚至早于 NASA 已经取消的几项计划,其中也包括 NASA 旨在将人类送上月球和火星的星座(Constellation)计划。

2014 年 12 月 5 日,“猎户座”飞船成功执行名为“探索飞行测试-1”(EFT-1) 的飞行测试,飞船顺利抵达高地球轨道。“猎户座”飞船的下一次飞行计划是阿尔忒弥斯 1 号,原计划将在 2021 年底发射升空。自 2017 年以来,由于 NASA 巨型火箭太空发射系统(SLS)的问题,这一任务已经被推迟了几次。“猎户座”飞船包括一个乘员舱和服务舱,以及重要的动力、燃料和氧气生成系统,类似于 20 世纪 60 年代和 70 年代进行绕月飞行的阿波罗任务指令舱。

运行轨道

月球空间站将在被称为“近直线光环轨道”(NRHO) 的全新轨道上运行。这样一来,空间站沿着高度“偏心”的轨道运行,而不是像“阿波罗”那样绕月球低轨道运行。其在月球南极上空时距离月面最近,同时处于轨道上的其他点时距离月面很高。

根据欧洲航天局的说法,NRHO 轨道距离月球表面的距离在 3000 到 70000 公里之间,并将与月球一起旋转。这一轨道绕月运行一周大约需要 7 天的时间,而且完全处于阳光照射不到的地方最少,能让月球空间站的太阳能板供电最大化。小型卫星任务 CAPSTONE Cubesat 最早将于 2021 年 10 月发射升空,测试这一轨道。

月球空间站不会一直有人

与自 2000 年以来一直有宇航员的国际空间站不同,月球空间站不会有宇航员一直值守。相反,宇航员每次只会在月球空间站停留大约 30 到 90 天。其他时间月球空间站将自动运行。

这种情况在很大程度上是因为,与国际空间站相比,将宇航员送入绕月轨道成本太高,需要 SLS 火箭和猎户座飞船。这可能会让月球空间站在大部分时间里无人值守。

登月任务的中转站

月门计划的主要功能之一是充当探测器和宇航员往返月面的中转站。NASA 设想在月面沙克尔顿环形山建立一个阿尔忒弥斯计划基地。沙克尔顿环形山是月球表面富含水冰的区域。NASA 说,这一月面基地最终将需要水、废物处理、着陆器、通信和辐射屏蔽等物资。

月球空间站也有可能实现远程遥控月球探测机器人。宇航员可以远程遥控月球车或飞行器,来探测陨石坑或建造用于望远镜观测的无线电天线。毕竟在地球上发出指令和在月球近侧表面接收指令之间有两秒的时间延迟。

火星中转站

月门计划的设计仍在进行中,很难预测其将如何支持探月任务,更不用说火星探索任务。NASA 坚持认为,从阿尔忒弥斯和月门计划中吸取的许多“教训”将对火星探索有用,包括如何将宇航员送往深空,如何保证宇航员的安全,如何就地利用资源等等。

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