美国载人太空探索的艰难进程

美国载人太空探索的
艰难进程

Difficult Process of U.S. Human Space Exploration

王景泉 （北京空间科技信息研究所）

奥巴马政府中止了重返月球的载人航天计划以后，其提出的载人登火星构想给美国载人航天出了一个大难题。虽然咬住了低地球轨道以远的大方向未曾放松，但遥远的火星如何去，美国经历了关于未来载人航天的争论和艰难抉择。现在，以载人登火星为背景的小行星探索计划又遇到了新问题—2016年4月提出的“太空复兴”法案对该计划提出了质疑，特朗普政府的决策仍很艰难。

1 “灵活性途径”显示美国低地球轨道以远载人航天的无奈过渡

随着“阿波罗计划”（The Apollo Program）的结束，美国一直在构想外层空间载人探索的下一步。1984年，美国政府批准空间站作为下一步计划。1993年，美国与俄罗斯等其他国家合作建设“国际空间站”（ISS）。但美国人总觉得这样做偏离了未来载人太空探索的路线，决定航天飞机和空间站分别于2011年和2016年退役。由于国际合作伙伴的坚持，“国际空间站”仍在持续运行。

布什政府将载人太空探索的新构想确定为重返月球的星座计划，将“国际空间站”和航天飞机的投资转入该星座，但没有得到国会支持。“阿波罗计划”以及由此衍生的重返月球计划给美国航空航天局（NASA）造成很大负担，而且从经济和技术层面来看，实施这种计划的黄金时代已经过去。

2010年4月15日，奥巴马总统在肯尼迪航天中心做就任总统后的第一次航天政策讲演，宣布取消布什政府重返月球的星座计划，并提出载人登火星、为“国际空间站”商业乘员运输的发展投资、进行新型空间技术开发，以及将“国际空间站”延长至2020年。随之而来的问题是载人登火星将如何实现？

“灵活性途径”策略出台的背景

载人登火星遇到了技术与经费等诸多问题，为此奥巴马政府指定奥古斯丁委员会（Augustine Commission）对载人航天进行专门研究。该委员会在“探寻与大国相称的载人航天计划”的报告中，提出了载人太空探索的“灵活性途径”，即基于能力驱动的新战略。该途径提出以发展基础技术为重点，通过地月空间、小行星等一系列探索的曲折方式，或选择先到月球再到火星等线性方式，待能力具备时再选择目标而不是过早地确定目标，更不是直接去载人登火星。

“灵活性途径”旨在停止无休止的争论，希望解决涉及到多方面的问题。首先，只有发展技术才能有效地促进未来的载人探索，这种技术发展不具体指定专门任务和具体目的地，而是重点发展基础技术，技术配置则可能用于各种各样的专门任务目标，但技术发展的核心和原则不能离开利用已有基础的“航天发射系统”（SLS）和“猎户座”（Orion）飞船。新构思的实质是，星座计划虽然取消，但必须要做到研制的硬件能力不至废弃，重构后两个系统可用到新的计划中。第二，“灵活性途径”牵引出一系列的具体步骤，发展入、出太空的技术，为最终决定到达火星或其他行星的理想目标留出决策时间。飞往低地球轨道（LEO）以远的长远目标，如果选择月球，就出现了“飞过目标再重复”等违背美国意志的问题。决策还指出，月球应该由别的国家和美国私营部门来继续，根据“国际空间站”再补给的经验，深空载人探索应逐步推向商业模式。这是美国载人太空探索下一步决策的深层思维。

提出多目的地的过渡性迂回策略

载人航天作为长周期的发展领域，没有确定的未来目的地和长远的目标终究是个大问题。2012年6月，“NASA太空技术路线图和优先级”报告发布，提出“重振NASA的技术优势，为新时代的太空探索铺平道路”的口号，明确了多目的地的载人探索战略。今后几十年，NASA努力将航天员送到低地球轨道以远的多个可能的目的地，最终目的地是火星。这些可能的目的地包括地月空间、近地小行星(NEAs)、月球、火星及其卫星。

1）地月空间。主要是为地球重力影响以外更复杂的任务做准备，学习和训练人类在太空如何生活和工作，为未来的太空活动和深空任务培育能力。

2）近地小行星。探索地外小行星将揭示“三个如何”问题，即太阳系如何形成、地球生命如何开始形成，以及如何预测和缓解小行星撞击的威胁，还包括为如何利用小行星资源，为未来的太空探索开辟道路。

3）月球。在人类和机器人任务到达月球以前，应产生大量关于地球卫星的科学信息，揭示月球大量潜在信息。扩大载人任务，将会带来月球、地球、太阳系乃至整个宇宙的新发现。

4）火星及其卫星。人类登陆火星表面，将获得难以置信的科学发现。同时，探索火星也是内太阳系以远人类长期太空探索的第一步。

2 用技术开发和能力驱动掩盖目的地论证的徘徊

多目的地不可能同时进发，需要深入研究待选择目的地的先后顺序和相应的开发任务。技术开发路线的确定，要建立在多目标选择背景下，培育安全、可靠、可提供、可持续并具有灵活性的太空计划。NASA的载人太空探索战略，主要特点是集中于发展适应多目的地的核心能力，而不是开发只能专用的、针对具体目的地的硬件。技术和能力的根本目的是解决低地球轨道以远乘员和物品的运输问题，是从低地球轨道到火星探索的关键，意味着NASA能应对日益复杂的任务。

低地球轨道以远乘员和货物的运送

研制“猎户座多用途乘员飞行器”（Orion MPCV）和演进型重型发射飞行器“航天发射系统”。“猎户座多用途乘员飞行器”由乘员舱、服务舱和发射救生系统组成。乘员舱在发射、登陆和回收期间为航天员提供安全的居住条件，也是完成任务以后返回地球的唯一的飞行器。演进型重型发射飞行器设计为可承载上述飞行器、货物、设备和科学实验的发射飞行器，到达低地球轨道以远的目的地，初期运载能力70t，升级后运载能力达130t。

太空推进

NASA目前先进的太空推进技术包括太阳能电推进(SEP)、核反应堆加热推进剂的核热推进(NTP)和利用核反应堆产生电能再使推进剂电离的核电推进(NEP)。太阳能电推进是到达火星和近地小行星的高效率技术，利用大面积（达670m2）的太阳电池帆板将太阳能变成电能，形成比化学推进更高效率的电推进系统。核热推进利用液氢、水等过热液体推进剂，一般比太阳能电推进和核电推进有较高的推力，但同样的里程需要更多推进剂。

现在太空使用的太阳能电推进，基本在4～5kW的水平，适用于飞行器的位置保持。NASA希望新的载人飞行器达到10～15kW，为此轨道-ATK公司正在研制10m直径的圆形太阳电池阵，能产生35kW的电力，可作为今天小型电姿态控制系统和明天大型空间拖拉系统之间的过渡供电系统，首飞试验预计在2016-2019年之间进行。

长期太空居住

未来的火星探索任务将对航天员带来许多挑战，包括长期的太空旅行、极端的温度和尘埃等，为此要研制长期居住系统，必须具备许多工程、生物学、后勤以及可实施处置方案等能力，包括高可靠的环境控制和生命支持系统(ECLSS)、视频存储、准备和制作、辐射防护以及乘员身体和心理健康保障等方面。

移动探索舱

乘员到达目的地后，无论是在太空还是在目的地表面，他们必须安全地离开舒适的居住舱去探索和观察目的地、处理实验、采集样品等。移动探索舱方案增加了可操纵漫游的加压驾驶室，乘员可以全面、安全和舒适地探索，一次离开主居住舱时间可达数周。

先驱机器人

NASA使用过的面向月球的月球勘察轨道器（LRO）和面向小行星的“黎明”（Dawn）先驱机器人，主要用于目的地成像和绘图，而未来先驱机器人要有能力采集更复杂的现场数据。

乘员与机器人接口

人与机器人接口能力包括手段、程序和实现人与机器人之间无缝交互作用的技术。具体的接口有手动输入装置、预编程的手势和命令、生物电子接口等。

目的地系统

能力是NASA新途径和未来载人太空探索的基础。面对不同目的地，NASA确定了各种能力，包括目的地运送、在太空和在目的地操作、以及居住和具体目的地系统等。其他如地面操作、太空操作、舱外活动（EVA）系统等也需要大量技术开发。

为增强能力，NASA计划与私营公司合作进行名为“探索合作伙伴的下一代太空技术”（Next STEP）的技术开发，12项研究合同中有7项是深空居住系统或太空推进等相关分系统。深空居住系统主要研制新的模块化居住舱，使其具备深空载人拓展能力。正在研制的“航天发射系统”-“猎户座乘员探索飞行器”（SLS/Orion）2021年将首次载人飞行到月球轨道的重定向小行星，具备搭载4名航天员执行21天任务的能力。但环月轨道的重定向任务要求至少60天的载人飞行，未来载人登火星至少在深空要生存9个月，需要私营公司研制新型模块化居住系统。目前NASA的太阳能电推进能力是5kW以下，但2020年小行星重定向任务的电推进需求至少为40kW，这就要求私营公司研制50～300kW的太阳能电推进系统。除专项技术外，还有载人航天的机器人飞行器融合，如在2021年飞行器飞向拖到月球轨道的小行星时，还要搭载2颗立方体卫星，以降低风险，提高效费比。重定向任务在月球附近载人攀登小行星时需要物资补给，因此，NASA在2014年初就提出了“月球货物运输与软着陆”（Lunar CATALYST）计划，在深空载人探索中引入私营企业参与。

2015年5月，NASA再次发布新的技术路线图，主要面向调整后的14项太空关键技术领域，旨在推动太空探索渐进式的核心能力构建，沿着飞向月球空间和火星轨道、最后载人登陆火星的发展思路，进行长时间跨度的技术开发。

3 低地球轨道以远载人航天战略目标的初步选择

确定多目的地和能力驱动战略的灵活性过渡策略，使美国载人航天既能遵从奥巴马总统的要求，又能为具体目标选择留出论证时间。美国较早地确定了小行星重新定向任务作为近期目标，默认了探索小行星为跳板、火星为最终目标的战略选择。

近地小行星何以成为实现最终目标的跳板

（1）探索小行星对人类认识和保护地球的重要性

探索小行星是研究地球演变首要的选择。小行星是太阳系形成时遗留下的碎片，他们保留了数十亿年未曾变化的原始状态，与地球具有相互的遗产关系。包括水星、金星、地球和火星的太阳系内部行星，均形成于当今小行星的原始形态，探索近地小行星可以揭示太阳系早期历史的线索，并带给人类地球起源的更多信息。

探索小行星有助于发现地球生命的起源。近地小行星包含了水和有机成分，这些无疑是地球生命形成的基础。探索小行星也是保护地球的需要，可以帮助人类发现小行星是否是造成地球生命危险的自然成因。研究近处的小行星，能为人类更好的预测小行星撞击做好准备，采取可能的移走或对小行星施以影响，争取能够预防灾难性事件的发生。目前已经确认有8000多个近地小行星，尺寸有几米到几十公里直径。

探索小行星有助于开发近地小行星资源。大多数小行星主要由石头构成，包含镍铁等金属，有的也包含大量的水，这些材料可为利用近地小行星提供有益的机会。如果能够在近地小行星采矿和处理这些材料，未来就可能在太空构建空间结构，也许能利用这些材料制造火箭燃料。将人类送上近地小行星，就可以了解探索小行星资源的机会。作为奔向火星的跳板，为到达小行星而开发的深空推进技术，也可用于将来人类探索火星。

（2）较大难度的技术开发可为未来火星探索夯实基础

尽管某些近地小行星通过时靠近地球，或者在月球轨道以内，但更有意义的小行星目的地可能都在数千万公里远。为了到达近地小行星，航天员必须要往返飞行至少6个月，这是没有水、食品和空气供应的长时间飞行，这种无供应飞行甚至会超过以往经历过的任何飞行。另外，即使最大的小行星也没有足够的重力能使航天员安全着陆或在上面行走，有些小行星运行轨道和结构组成极不稳定，不时旋转并飞出碎石片。这时的近地小行星任务将要求具有的能力允许航天员能接近小行星，靠近考察，实现采样和测量。锚定一个飞行器或近地小行星的航天服，都应为科学调查近地小行星提供稳定的平台，但近地小行星规模、旋转速率和小行星成分的多样性，都会为设计和操作提出更多挑战。

先驱机器人将帮助科学家确定某颗近地小行星是任务的最佳选择。地面操作将保证任务发射，在有限的发射窗口内，要求发射的飞行器能到达通过的近地小行星。高效率的太空推进系统将用于深空运输。由长期居住能力所支持的太空居住系统将保护乘员免受苛刻太空环境的伤害，并提供必需的生命支持。到达小行星时，乘员将依靠移动探索舱进行高效、安全探索采样。舱外活动系统包括航天服、锚定工具及技术，将支持乘员亲身探索小行星。利用人机接口能力，乘员借助机器人系统完成一系列的研究、作业和试验，在舱外活动系统旁边直接工作或由移动探索舱内的乘员控制。

美国载人探索火星的时间表浮出水面

2015年4月初，关于载人登火星的最新研究报告指出，在当前的经费支持力度下，美国有望在2030年实现载人火星任务，其中2033年实现载人的火星轨道飞行，2039年载人登火星。

（1）获得火星和地球最新科学知识

美国将火星作为深空载人航天的最终目的地，首先是需要获得火星和地球最新的科学知识。火星在许多方面与地球相似，火星也有大气圈、水圈、低温层和岩石圈，它们的相互作用产生了火星环境。但至今人类还不知道火星是否曾经有过或仍保持着生物圈，是否存在支持生命存活的环境。航天员登火星将搜索和测量地下和地表水、了解全火星的地质构造以及大气演化，科学家比较火星演化和地球的演化，确认火星是否适合人类生存。

（2）支持人类技术和经济增长

为登火星开发的新技术，将支持地球上技术和经济的增长。在极端环境下管理农业和包括改进太阳电池产生电力的方法，对人类行星有极大利益。在火星表面支持人类生存的生保系统和辐射防护技术，对帮助人类更长寿命和更高生活质量的生活也将有重要的推动作用。

（3）激发全球的火星开发热情

太空探索是国际性或者说全人类的开发目标。20世纪60年代，登月曾形成过冷战时期的国际竞争，自那时以后，国际合作计划采取合作伙伴方式并已经达成共识，这一趋势在“国际空间站”构建中已经体现出来，在全球探索路线图中也勾画出了多边合作的探索计划。半个多世纪以来，仅美国和欧洲就向火星发射了16次以上的探测任务，而且新的任务正在积极开发中。至今火星任务仍作为人类太空探索的最后目标。

（4）探索火星需要克服的挑战相当复杂

探索火星是内行星以远太空人类长期探索的第一步，可以推动人类进入恒星系。根据目前的推进技术，利用目前的推进技术，人类到达火星至少需要6个月。由于可用的飞行轨道和窗口原因，航天员要么30天内必须离开火星，要么必须在火星表面至少逗留500天。这种任务周期，明显超出了人类已验证的没有来自地球的直接支持而维持在太空生存的能力。火星任务还需要解决航天员健康问题的挑战，如辐射和火星尘埃可能造成的健康伤害。一旦开始了人类历史上最长时间、最远距离和最具风险的太空探索任务，乘员必须能做到自给自足和具有充分灵活性，以足够适应不断变化的和不能预测的环境。

（5）机器人火星探测已有的基础

美国对火星探测已有了2个阶段的基础。第一阶段（1960-1971年）为飞越阶段，进行远距离概貌观测；第二阶段（1971年至今），通过轨道器环绕探测、着陆和表面巡视探测等方式，对火星表面地貌、大气、磁场、地质、地下结构等进行详细探测。下一个阶段将进行机器人飞行器采样返回等新的探测，并逐步与载人登火星活动相结合。

（6）支持火星任务需要多种开发活动

首先，必须具有先进的太空推进技术，以便可将人员和物品安全有效的从地球运往火星，运回地球。不但要更快地使乘员到达目的地，而且长期太空飞行的诸多风险必须降至最低。

其次，需要合适的长期居住条件，以保证乘员任务期间的安全和健康。生活环境将防护乘员不会暴露在银河宇宙线、太阳粒子事件和微重力环境中。这种能力也将支持长期飞行中乘员神智和情绪的稳定，乘员必须克服在高风险、狭窄环境和与地球只有有限通信等环境长时间生存的诸多限制。长期的生活环境需要太空操作的自主化，这样可以帮助缓解与地球的20分钟的单路通信延迟。

再次，需要开发目的地系统的能力，其中很重要的是着陆器，使乘员访问火星表面和资源的现场利用系统（ISRU）。该系统将提取和处理火星资源，以产生航天员呼吸需要的空气和火星表面移动器、太空飞行器需要的燃料，乘员可在移动探索舱中探索火星表面，每次数周不用回到主居住舱。乘员还需要舱外活动系统和人机接口，使其有效并安全地在火星表面探索和工作。

美国正在规划配置有通信轨道器的火星2020采样漫游车计划，2022年发射，作为未来火星采样返回以致载人火星任务的技术应用试验床。NASA的机器人火星探索和载人火星任务计划正从模糊逐渐走向明朗。

4 5年艰难论证的初步选择结果

奥巴马政府提出的载人登陆火星计划已跨过艰难的多目标阶段，确定地球轨道以远的小行星重新定向作为最后登陆火星关键一步，也越过技术驱动的艰难阶段，进入到有目标的太阳能电推进和长期生命支持系统等有目的地的技术开发日程。奥巴马宣布计划5年以后，虽然还没有详细计划，但时间表已有轮廓。

2015年5月初，美国行星学会召开了一次名为“火星轨道载人飞行”的闭门研讨会，来自NASA、航天工业界及科学界的70名代表就登陆火星的可行性和成本进行了分析，并就人类登陆火星前必须首先完成轨道飞行等问题达成共识。据美国行星学会发表的一份声明，一项独立的成本估算显示，如果“国际空间站”按计划在2024年退役，那么NASA目前的预算水平能负担上述火星探索计划。曾担任美国火星计划主管的斯坦福大学教授斯科特 哈伯德在声明中说：“我们相信，我们现在有了一个长远、成本可控、可行的人类探索火星计划的构想。”这一时间表并非参与研讨会的专家制订，而是由NASA喷气推进实验室（JPL）的一份内部报告首先提出。据美国媒体报道，绕火星轨道飞行任务可能持续30个月，包括9个月去火星、一年在轨及9个月的返回时间。

5 载人登火星的可能途径仍需长期反复论证

据美国媒体报道，NASA正在“悄悄”重新评估在执行火星任务前“重返月球”的可行性。但NASA官员对此予以否认，表示只是考虑利用月球附近的太空作为探索火星的支撑，包括如何在月地空间中生活、工作和学习，但载人登陆月球不是美国火星计划的一部分。

将长期载人的太空飞行目标定为登陆火星，支持的声音日渐增强，但NASA就如何实现这一目标的具体途径尚未达成一致。对于2020年中期小行星重新定向月球轨道任务极其具体发展，NASA尚未制定明确计划。国会对NASA这种缺乏具体计划的做法提出异议，众议院科学委员会要求NASA提出和正式修订载人登火星的路线图。

NASA喷气推进实验室的太阳系探索部门负责人阐述了初步的工程设想，在2033年载人飞行到达火星的卫星“福布斯”（Forbes），2039年载人登陆火星。这一方案需利用“航天发射系统”至少进行4次发射，而且需要跨越几年的时间。

第一次“航天发射系统”将发射一艘拖船，使用太阳能电推进系统推进，运送转移级飞行器并在火星轨道飞行多年；第二次发射系统将携带太阳能电推进系统拖船，运送将在“福布斯”表面登陆的居住舱；第三次将向地球轨道发射一个居住舱和火星轨道插入级飞行器；第四次在地球轨道居住舱发射不久后，由发射系统发射携带载有4名乘员和上面级的“猎户座”飞行器。此后“猎户座”和地球轨道的居住舱对接，上面级携带该飞行器组合（含火星轨道插入级）飞向火星。一旦进入火星轨道，“猎户座”便与地球轨道居住舱分离，并与转移级飞行器对接后飞往“福布斯”，到达后与“福布斯”居住舱对接。乘员在“福布斯”逗留300天后，“猎户座”与火星轨道的转移级飞行器对接，返回地球。

短期逗留的火星登陆任务也采用相似的途径，初步设想是2名乘员在火星表面逗留3周。该方案需要“航天发射系统”至少进行6次发射，以运送登陆器和转移级飞行器。

载人登火星终究是太复杂的问题。有专家指出，每一个火星任务都涉及到全面开发和几十年的制造过程，在2035年实施第一次载人火星任务总成本不会低于2300亿美元。如果将9个人发射到火星，大概需要15000亿美元。近年来NASA每年的预算在180亿美元浮动，包括40亿美元的载人航天预算，如果按这样投资规模，运送9个人上火星，使用NASA全部预算需要80年，若利用全部载人航天预算，则需要375年。另外，即使载人登火星不涉及建造巨大的行星际飞船，也需要3个基本部分，包括地球返回飞行器(ERV)、火星上升飞行器(MAV)和有居住能力的飞行器，这至少需要100t，包括30t有效载荷，70t跨火星推进系统，其中每一部分运送到轨道需要2次“猎鹰重型”（Falcon Heavy）火箭和一次“航天发射系统”发射。

美国太空复兴法案提出了NASA优先级的基本政策转移，认为载人登火星任务已成为需要专门解决的复杂问题，过去10年这一领域的发展不尽如人意，包括载人登小行星等任务出现了更大的不确定性。

特朗普政府仍然对载人航天基础项目予以保护。2018年NASA航天预算提出“小行星开发”计划并拨款37亿美元，保持了原有的发展支持力度。虽然中止了原来的“小行星重定向任务”，但21世纪30年代载人抵达火星表面或附近的时间和整体构思尚在研究中。

毛凌野/本文编辑