从空间驿站去火星？

□ 迟惑

从空间驿站去火星？

□ 迟惑

SLS火箭将承担起深空关口站建设的重任

NASA的深空关口站设想

2017年4月，在第33届太空论坛上，美国航宇局（NASA）的一个新想法得到了包括中国在内的世界15个航天局代表的支持：为了探索火星，人类需要在月球上“练手”。这或许意味着载人火星探索开始回归比较现实的想法了。

不过和其他国家相比，NASA的计划还是有所不同。NASA并不打算再次送人登上月球，而是打算在地月空间做一番文章，搞一个用于任务中转的前哨站。这种前哨站，不但能成为NASA自己载人火星计划的跳板，也能为其他国家的载人登月活动提供一个落脚点。这个跳板被称作“深空关口站”。

波音的深空居住舱模型内部设计

波音还提出概念，从深空关口站上直接登月

主要元素

严格来说，搞这样一个深空中转站并不是什么新的想法。抛开各种科幻小说不谈，NASA近年来一直在讨论某个“经过验证的地点”部署一个前哨站，用于验证深空探测技术。

在奥巴马政府时期，博尔登执掌的NASA决定放弃重返月球，直接奔向小行星或者火星。这当然带来了巨大的工程难度，于是不少人提出，应当在地月空间的第一（L1点）或第二拉格朗日点（L2点）设置补给站，为奔向深空的载人探索飞船提供高能推进剂。

在拉格朗日点设置燃料补给站，确实有着天然的好处。在宇宙低温环境保存液氢或者液氧，比在地球的温暖环境中容易得多。阳光直射的表面温度或许很高，设置一面遮光罩就可以缓解问题。太阳能电池可以为制冷机提供免费的电力，保证燃料安全。人们可以先把燃料发射到近地轨道，装进储罐。然后用电推力器慢慢地把储罐送到拉格朗日点，卸货后再返回近地轨道。这样，储罐就可以重复使用，降低运行成本。

从L1点飞往深空，所需要的速度增量也更小。根据计算如果从L1点出发，需要每秒2600米的速度增量就能抵达月球表面。但如果从地面出发，需要达到每秒10.848千米。如果从L1点飞往火星，需要每秒2千米的速度增量，从地球出发则需要达到每秒11.2千米的第二宇宙速度。

深空关口站也可以接纳国际合作对象的飞船和舱段

深空关口站和深空运输飞船的概念

但NASA在阐述自己的深空关口站设想时，并没有讨论上述问题。以NASA正在研制的SLS火箭，完全有能力直接奔向火星。之所以要在月球附近搞一个跳板，很大程度上是为了探索和完善载人深空探测的关键技术。这个区域已经远离地球大气层，属于真正意义上的深空。但从这里返回地球的时间却并不长，只要几天就可以抵达，如果有什么麻烦，可以立刻返回。而从火星返回地球，就要花上好几个月了。

按照NASA的说法，深空关口站需要解决的一项大问题，就是老生常谈的空间辐射。人们在近地轨道上可以得到稀薄大气的保护，但国际空间站还是设置了厚度相当可观的防辐射层，否则人类的肉体是无法生存下来的。到了近月空间，大气层再也无法提供保护，因此，国际空间站级别的辐射防护就不够用了。如果不解决这个问题，航天员还没抵达火星，就会身患癌症甚至死去。

然而，按照国际空间站的技术水平来加厚防护层，可能飞船太重，现有的火箭根本推不动。那么，就要研制更轻、更高效的防护材料。NASA将之称为“宇宙拉德辐射防护盾”（拉德是辐射剂量单位），将在猎户座飞船的首次环月之旅上进行试验。

部署计划

现在我们来讨论一下NASA打算怎样建设这个称为“深空关口站”的设施。

第一阶段，是采用现有的技术来探索月球附近的环境，在这个远离地球的地方积累操作经验，并且能使人们认识到，自己应当发展什么样的新技术来解决长期深空任务所可能面临的问题，包括上文中提到的辐射防护问题。当SLS火箭和猎户座飞船的整体安全性得到验证后，NASA就要用它们来建设初期的深空关口站了。深空关口站初期由1个发电舱、1个小型居住舱、1个对接舱、1个气闸舱组成，并且可以对接后勤补给舱。

探索上面级的构成

和货运飞船一起飞向深空的猎户座飞船

第二阶段任务是设法提高能力，来实施超越月球的长期空间飞行任务。这个阶段的目的地就不仅仅是火星了，也包括月球本身乃至小行星。为了支持这样的能力，NASA考虑研制一种深空运输飞船。这种飞船是可重复使用的，同时采用电推进和化学燃料推进，专门用来支持外星球登陆探测任务。这个阶段的高潮将在2029年前后来临，到时候，将安排一次为期一年的载人飞行任务，在月球附近的空间飞行，检验超越地月空间、飞往火星或者其他天体的技术是不是到了成熟的阶段，为长期、远距离载人任务建立信心。这种任务完全要靠任务组自己来应对各种局面，无法得到地球的帮助和支持，因此要慎之又慎。在这个阶段的关口站建设中，以往用于近地轨道载人航天活动的很多技术未必能够沿用，必须开发一些创新、前卫的解决方案。

当火星任务完成之后，关口站和深空运输系统还可以持续运行下去，成为人类在太阳系中长期存在的一个新据点。

深空关口站主要采用大功率电推进系统来实现位置保持和轨道机动。上述几个舱段的技术将得益于SLS和猎户座飞船的技术，以及在国际空间站建设和运营中获得的技术和经验。气闸舱不但可以为关口站本身的建设与维修服务，还可以用于其他探索任务。

按照格斯特梅尔在一次讨论会上的说法，深空关口站的建设将从EM-2和EM-3任务开始，EM的含义是“探索任务”，指用SLS火箭发射猎户座飞船。EM-1任务打算在2018年发射，此时的SLS火箭还是基本构型。

从2021年8月的EM-2开始，SLS将使用一种能力强大的“探索上面级”（EUS）。EUS不但能把猎户座飞船送入预定轨道，还能另外搭载重达数吨的载荷，具体位置在EUS和猎户座飞船之间。这就为建设深空关口站提供了关键性的技术条件。因此EM-2任务除了飞船之外，还将携带大约10吨重的有效载荷。EM-3任务将搭载居住舱，而EM-4将搭载后勤补给舱和加拿大制造的机械臂。这3次飞行将初步构建起深空关口站的主体。

EM-5任务将送去气闸舱和其他设施，为航天员入驻提供条件。从2027年的EM-6任务开始，深空关口站就要正式为火星探测服务了。当年要发射重达41吨的深空运输飞船，它内含居住和运输系统，是长周期载人深空探测的必备条件。按照格斯特梅尔的说法，将有4名航天员在里面度过42天的时间。如果能够满足这样的生命支持要求，下一步才会讨论，要在这里研究和验证什么技术来支持NASA的探索计划。

到2029年，SLS将发射深空货运飞船为深空关口站送去更多燃料和补给品，据说数量可以供4个人使用1000天。运输任务完成后，这艘飞船将临时脱离关口站，进行为期一年的近月空间巡航。

如果上述工作顺利，在2033年将再次实施两次SLS发射，与这艘深空货运飞船对接，为之补充燃料。然后实施前往火星临近空间的飞行，并返回地月空间。

深空关口站的建设计划也可能存在一些变数。按照计划，EM-1任务是不载人的。不过NASA现在有一些人士提出，可以把EM-1改成载人任务，这就会提高任务的复杂程度，从而导致它推迟到2019年才能实施，也会导致EM-2等任务顺延。NASA目前还没有公开说明，是不是要做出这样的改动。

在早期论证深空关口站时，曾经有人提出，索性把关口站本身改造成火星飞船算了。但NASA经过论证发现，自己需要相当长的时间来研究解决一些关键技术，包括长周期空间飞行的生命支持系统。这些技术不可能在2020年代前半期就搞定，赶不上深空关口站组装完成的时间节点。

波音在竞标中领先了吗？

目前，美国两个最大的宇航企业波音和洛马都在积极竞争深空关口站的合同。早在2016年，NASA就在“下一步空间探索技术伙伴关系”（NextSTEP）计划下，向6家企业授予合同，研究可能用于地月空间的居住舱设计。这六家企业中也包括波音公司。

但有意思的是，波音也在第33届航天论坛上举行了一个发布会，拿出了一个最新的近月设施概念图。人们发现，这个概念图和NASA展示的非常相似。波音的深空关口站部署过程也和NASA的一样，先部署动力和推进平台，然后是居住舱和气闸舱。不过波音方案中有一个对接舱，NASA计划中，这个位置是留给后勤服务舱的。

这是不是意味着波音中标的希望最大呢？不过波音自己并不承认与NASA有什么事先沟通，这家企业的宇航探索部门负责人说，两个概念之所以看起来很像，是因为在NextSTEP计划中受到了NASA理念的影响，“我们和NASA反复探讨了有关体系架构。”自己这个方案的目标，是在月球附近部署足够的设施，来服务于NASA提出的两个目标：登陆月球和前往火星。波音的深空关口站方案需要发射更多SLS火箭。不过波音表示，自己的方案不会超出预算，而且更加现实、更加简单，2024年就可以部署。

ULA展示探索上面级样机

探索上面级的不同配置

在刚刚被取消的小行星重新定向计划（ARM）中，波音也是4家竞标商之一。而这家公司提出的深空关口站在很大程度上继承了ARM计划的一些技术，尤其是供电能力、推进能力和相关的平台设计。

国际合作与商业合作

和国际空间站一样，深空关口站也欢迎商业企业来提供货运服务。如果此事成真，肯定会在美国商业航天界中带来新一轮火箭研制热潮。

NASA目前的预算当中，并不包括月球着陆器，但也可以考虑为外国合作者提供支持。采用电推进技术后，深空关口站可以在环绕月球的轨道上自由机动。因为月球没有大气层，深空关口站可以接近到月球表面很近的地方，为着陆提供良好的条件。

格斯特梅尔表示，欢迎合作伙伴提出着陆器的设想。但他更关注能“大幅度改变”载人探索计划的设想，例如如何利用月球上的资源，尤其是水冰的利用。

波音也表示，自己即使拿到了深空关口站的合同，也不打算独吞，会根据不同分系统的具体情况来分包给其他公司。例如气闸舱就可以交给其他国家的航天局来负责。格斯特梅尔表示，已经有几个航天局和NASA讨论了研制气闸舱的问题。这些航天局也许会提供更多的舱段。但是考虑到当前的深空关口站设计规模，或许无法容纳太多、太大的额外舱段。那么，外国合作部门怎样才能利用深空关口站来实施登月计划呢？波音的设计方案当中，确实包括一个登月飞船，不过并未公布由谁来建造或者出资。

到2026年前后，深空关口站将全面投入使用。此时正值美国建国250周年，特朗普已经明确表示，希望看到“美国在遥远的世界留下足迹”。所以，深空关口站算不算美国式的献礼工程呢？★