美国近月空间站建设计划初探

王永生 贺利（中国航天员科研训练中心）

2024年“国际空间站”（ISS）即将结束运行，尽管美俄两国都有延长其寿命的意愿，但专家们已经开始思考后“国际空间站”（ISS）时代载人航天的发展方向。2017年，美国国家航空航天局（NASA）提出建设现代化美国近月空间站的想法，希望以此来取代“国际空间站”，成为下一个载人航天发展平台。

自2017年以来，NASA一直在研究月球轨道站的概念，起初近月空间站名为“深空之门”（DSG），NASA推迟火星飞行计划并宣布在21世纪20年代末登陆月球。为彰显其月球计划，将月球轨道站更名为“月球轨道平台”（LOP-G）。

1 NASA的月球计划与近月空间站项目

2017年，NASA正式宣布重新调整深空探测战略，将工作重心由火星计划转到月球任务，火星仍然是NASA的计划，但只是作为一个远景规划。2月20日，NASA按照白宫的意见，连同2019财年预算提案呈交了未来10年美国航天发展设想，这标志着美国航天计划将发生变化。从2017年开始，NASA调整了月球计划，制定了短期的探月目标。

1）21世纪20年代末，美国航天员登陆月球表面。为完成既定的探月计划，定期进行月球飞行。在登陆月球之前，人们将访问近月空间并在近月空间站生活。在NASA计划中没有月球基地的建设。

2）2022年启动近月空间站建设。近月空间站规模较小，由4个模块组成：能源动力舱、生活舱、气闸舱和工作舱，总质量为7t左右。其首个能源动力舱将于2022年用商业运载火箭发射。早前预计，能源动力舱于2023年用重型运载火箭“航天发射系统”（SLS）与“猎户座”（Orion）飞船一同发射。NASA有可能计划随第一艘“猎户座”飞船发射生活舱，以便航天员在更加舒适的环境下工作。

3）在“新一代深空探测合作技术”（NextSTEP）计划的框架下，也就是在商业模式下继续研制生活舱。该计划目前处于第二阶段，承包商是毕格罗航天公司（Bigelow Aerospace）、波音公司（Boeing）、洛马公司（LM）、内华达山脉公司（SNC）和轨道-ATK公司（Orbital-ATK）。

4）为向月球运送货物并在后续运送人员，NASA计划开发着陆器，并用商业路线完成该计划，同时不拒绝国际伙伴的帮助。在第一阶段将开展小型着陆器研制招标，在21世纪20年代初开始研制重型平台，在20年代末转为载人升降着陆舱的研制。

尽管到目前为止，这一战略对许多问题并没有给出答案，包括资金问题，但许多专家认为，近月空间站建设必定是美国下一载人航天发展的目标，也是月球计划的开端。尽管一些力量强烈要求保留“国际空间站”，但每个人都明白，在接下来的10年中，航天员必将离开低地球轨道（LEO），到地外寻找生存目标。最小的目标是建立近月空间站，最大的目标是登陆月球或在月球建立基地。

专家们认为，拒绝这些雄心勃勃的目标，意味着要在“国际空间站”或其替代品上坐等到2030年，“航天运输系统”和“猎户座”飞船也将面临废弃，这些都是波音公司和洛马公司多年耗巨资开发的产品。从火星计划重返月球计划，并非仅是特朗普的心血来潮，这是由于有限的财力和技术能力，以及最大承包商实际利益所致。所以，计划的细节会发生变化，可能会拒绝登陆月球，“月球轨道平台”也可能更名为“火星之门”，但拒绝近月空间站的计划可能性极小。

2 组建近月空间站的必要性

2017年11月1日，美国NASA宣布选择5家公司研究和提供太空能源动力舱可能的概念，实际上，这是建造近月访问空间站的第一步。NASA多次强调指出近月空间站项目还未得到美国政府的批准，但是日本航天机构、欧洲航天局（ESA）和俄罗斯航天国家集团（Roskosmos）已着手研究相关的概念。近月空间站极有可能成为“国际空间站”之后下一个大型的空间项目。

1）近月空间站无疑是载人航天一个新的发展阶段。如果按照成本增长和技术复杂度来排列载人航天项目，得到的顺序是：在近月空间飞行－在月球表面建立基地－飞向火星和金星不着陆－登陆火卫一和火卫二－登陆火星。近月空间站建设可能是“国际空间站”之后向前迈进的最小一步，在某种程度上，这是件好事，与其选择一个不切实际的目标并多次推迟执行，还不如选择务实的小目标。

2）在近月空间站上可以继续空间应用研究。这是自20世纪90年代以来人们一直在做的一项重要的工作，通过人体实验来补充和证实自己的研究。有一种见解，近地轨道空间站的应用潜力几乎已用尽，与自动探测器相比，“国际空间站”经常因科研成果差而受到批评，几乎所有对太阳系的了解，均不是通过载人飞行获取的。近月空间站有可能会弥补“国际空间站”的不足，发挥人的作用，在空间应用领域有新的突破。

3）近月空间站有利于其他行星的飞行训练。科学家们对地球磁场以外的辐射环境缺乏直接和长期的测量，空间辐射环境到底会对人体产生什么样的副作用暂时还不是很清楚。近月空间站能够回答这方面的诸多问题，实际上，人在近月空间站上自主驻留1年完全可以作为火星飞行的模拟。

4）近月空间站有利于加强空间辐射的防护和失重对抗研究。在太空飞行中，辐射常常被认为是主要的问题，此外还有失重，航天员在“国际空间站”驻留以及返回地面后，首先是饱受失重之苦。没有重力不仅会带来一系列生理问题，而且还会影响太空中正常的生活。近月空间站这方面的状况并不比低地球轨道好，甚至更差，因为近月空间站完全没有了残余的地球大气层、地球阴影及其磁场对辐射的防护。但从另一方面讲，专家们会加大对辐射防护、失重对抗及生物医学方面的研究，在这方面也会有新的突破。同时，由于辐射威胁加大，考察时间将会缩短至1～2个月，相应的失重作用也会减小。

5）近月空间站是月球基地建设的中转站。飞往月球也许会激起人们对载人航天的极大热情，在月球基地上生活犹如太空奇幻，令许多人趋之若鹜。但近月空间站受关注度不如其他项目，仅就一次单纯对其他行星的绕飞也会吸引人们的注意力，因为它有其独特性，更不要说在行星上建立基地。但是，建立近月空间站就是为了月表基础设施建设和航天员在月表活动，可以说建设近月空间站是月球计划的第一步。

6）近月空间站的运营成本会更低。向“国际空间站”发送货运和载人飞船，使用运载能力7t的“联盟”（Soyuz）运载火箭就足矣，而向月球发送货物则需要重型火箭，发射载人飞船需用载重量更大的火箭。例如，美国太空探索技术公司（SpaceX）能够用与“国际空间站”飞行相当的耗资来组建近月空间站，主要费用用于升级“龙”（Dragon）飞船，代替“猎鹰”（Falcon）火箭使用“猎鹰重型”（Falcon Heavy）运载火箭。据该公司官方网站统计，这样会使费用增加30%。如果“龙”飞船飞往“国际空间站”需要NASA付出1.2亿美元，而相同的任务飞往月球轨道可能需要2亿美元左右的费用。如果使用“航天发射系统”和“猎户座”飞船，近月空间站1次考察的成本很可能达到10亿美元。

但需要指出的是，近月空间站是访问型空间站，站内并不需要长期驻人，且每年考察飞行次数较少，加之“国际空间站”计划也并非高效，其运营和维护成本居高不下，所以只要采取科学的方法对待资源消耗，无论是近月空间站还是月表基地，运营成本会比“国际空间站”低。

3 NASA建议2022年启动近月空间站建设

2018年2月，美国总统办公室就NASA 2019财年预算问题进行了质询。NASA建议2019年开始研制近月空间站能源动力舱，这是未来近月空间站第一个单元，计划在2022年完成研制和发射。能源动力舱的发射标志着近月空间站建设正式启动。

在几年内完成能源动力舱的任务看似雄心勃勃，难以想象，但实际上其元器件的研制工作已开展了很长时间。近年来，NASA根据“未来载人系统”项目对能源动力舱的研制给予了拨款。“小行星重定向任务”（ARM）废止后，能源动力舱继承了该计划中的大功率离子发动机和太阳能电池的结构。

根据NASA 2019财年预算草案，将向能源动力舱项目拨款5亿～6亿美元，一直延续至2022年发射，并且在2023年飞行试验期间还将拨款4.591亿美元，项目的总计拨款为24亿美元。预计美国议会在讨论时这个数字还会有变化。令人担忧的是，近年来，美国出现对预算批准严重拖延的现象，NASA 2018财年预算在6个月前已经开始了，但至今还没批复，NASA只能对以前批准的项目给予拨款。专家认为，如果情况不发生改变，整个能源动力舱项目的启动时间也将会推迟。

近月空间站概念图

能源动力舱是近月空间站的关键部分，它不仅负责为近月空间站提供能源，而且还负责轨道机动（变轨），以及负责与地面、与航天飞船的通信和导航。在航天员出舱期间，能源动力舱为其提供支持。能源动力舱还将配有对接系统和加注系统，以补充燃料储备。

目前有5家公司在为NASA构思能源动力舱的概念，分别是：波音公司、洛马公司、轨道-ATK公司、内华达山脉公司和劳拉空间系统公司（SS/L）。能源动力舱预计 于2022年8月发射。

NASA将采用新的模式进行能源动力舱的研制，在研发期间，能源动力舱并非归NASA所有，而属于承包公司。承包公司将独自负责能源动力舱的飞行试验，试验期限为1年。此后，如果试验满足技术任务的要求，能源动力舱将交付NASA评审。

如果NASA的建议得到批准，将不会使用“航天发射系统”发射能源动力舱，因为在2022年“航天发射系统”尚未完成研制，将使用商业运载火箭进行发射。暂时还不知道哪家公司会在竞争中胜出获得发射权。有可能会提出申请的公司有SpaceX公司（有“猎鹰重型”火箭），以及美国联合发射联盟公司[ULA，有“火神”（Vulcan）火箭]和蓝色起源公司[Blue Origin，有“新格伦”（New Glenn）火箭]，前提是后两家公司必须通过NASA的认证。

因为可能从探索任务－2（EM－2）开始，能源动力舱将改为商业火箭发射，NASA建议在2023年EM－2任务期间，用“航天发射系统”向月球轨道发射生活舱。与能源动力舱的情况一样，生活舱的研制在2019年也不会从零开始。从2016年起，NASA在NextSTEP计划的框架内对用于深空探测的生活舱项目给予拨款，波音公司、洛马公司和毕格罗航天公司等得到了资助。

NASA在2022年和2023年向近月空间站发射2个新模块的目标可以被认为是相当乐观的。在2017年的计划中，预计于2024年在EM－3任务中发射生活舱。但是，有关EM－2任务的安全问题不容忽视，该任务中将首次进行“猎户座”飞船载人飞行，同时还将保障生活舱与能源动力舱对接。生活舱与以后发射的所有模块一样，自身没有导航和动力装置，因此向近月空间站运送生活舱的任务将完全依靠“航天发射系统”的上面级和“猎户座”飞船。这也是工程师们需要关注的问题。

4 近月空间站项目国际合作前景

合作是未来载人航天特别是深空探测发展的必由之路，只有强强联合，以及资金和技术的完美结合，人类才能在空间探索的道路上走的更远。这一点早已成为航天领域的普遍共识，“国际空间站”已成为了国际合作的典范。

近月空间站的设想提出后，许多国家的航天机构对该项目合作产生兴趣，不仅仅是“国际空间站”的合作伙伴国，其他国家也表现出了合作意向。大多数国家的航天机构希望，近月空间站运营模式能如“国际空间站”一样，使各伙伴国在平等互利的基础上展开合作。

俄罗斯赞成在深空探测方面加强合作

2017年9月27日，在澳大利亚阿德莱德召开的第68届国际宇航联大会上，俄罗斯航天国家集团和NASA签署联合声明，双方一致认为，应当联合各国航天机构的力量和世界各地的私人公司，共同致力于载人深空探索任务。

俄罗斯航天国家集团在声明中指出，各航天机构有意向统一正在开发的空间技术的标准和接口，首先应当统一新型载人飞船和空间站舱室的对接机构。各国航天机构也早有此意向，2010年参加“国际空间站”建设的各国航天机构就制定了对接系统的国家标准（IDSS），按此标准开发的相关部件将在所有美国新型飞船、“国际空间站”对接端口（IDA）和俄罗斯联邦号（Federation）载人飞船上使用。IDSS机构标准是雌雄一体化的，也就是无论是主动对接器还是被动对接器，彼此之间是没有区别的。

俄罗斯航天国家集团也有意向与NASA在月球轨道上开展合作，其观点是，未来近月空间站应当是“国际空间站”的直接延续，各参与方应是完全平等的伙伴关系。

在第68届国际宇航联大会上，俄罗斯航天国家集团也就月球轨道载人平台的建设问题向NASA提交了建议。这些建议是基于俄罗斯能源火箭航天集团（RKK Engergia）和美国波音公司早些时候进行的关于近月空间站概念的论证。俄罗斯能源火箭航天集团准备研制气闸舱，必要时再增加一个生活舱，而且从理论上讲，俄罗斯还有能力基于超重火箭和联邦号飞船向月球轨道提供货物和人员运输服务。

月球基地概念图

日本和欧洲表现出强烈的合作意向

2017年春季，NASA提出了月球轨道载人平台概念，并号召国外航天机构和私人公司参与这方面的合作。对此，日本航天机构表现出了兴趣，日方表示，希望像“国际空间站”合作方式一样组建近月空间站，“国际空间站”上日本“希望”（Kibo）气闸舱是美国舱段的组成部分，希望日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的科学试验舱也能出现在近月空间站上。

欧洲有机会向近月空间站发射自己的舱室模块，交换条件是生产“猎户座”飞船的服务舱。ESA和JAXA有意愿研制未来空间站的生命保障系统，但NASA打算独自开发该系统。

欧洲感兴趣的第二个方向是运送物资到月球表面。NASA计划近期向合作伙伴和私营公司招标研制小型着陆平台，以后还将开发重型着陆平台，其中包括能够将航天员送到月球并能返回轨道的着陆器，暂时还未对载人着陆器提出要求。NASA指出，“阿波罗”（Apollo）计划中的着陆器不符合NASA现代安全要求，因此使用第一阶段小型着陆平台还有一个目的是，进一步明确开发载人平台的要求。

日本也对这方面的合作表现出兴趣，有意研制载人着陆器。如果获得批准，日本航天员将乘“猎户座”飞船抵达美国近月空间站，此后将转入自己的起降式着陆舱并完成月表着陆。

近月空间站项目运营模式尚未确定

NASA同样认识到了近月空间站项目国际合作的重要性。但是美国不想再走受制于人的老路，虽然“国际空间站”项目非常成功，但“国际空间站”首先是一个具有政治色彩的空间项目。“国际空间站”分为两个舱段，在技术上彼此相互依赖，但分别由休斯顿飞控中心和莫斯科飞控中心独立控制。除俄罗斯以外，所有其他参与国的舱室均是美国舱段的一部分。俄美两国在“国际空间站”项目框架内相互协作，虽然比较顺利，但也存在分歧。

NASA认为没有任何理由将类似的工作模式及其固有的复杂性转移到月球的轨道上。近月空间站与现行的“国际空间站”不同，它是小型空间站，美国计划在该项目上发挥本国（包括私营公司）的技术能力。

NASA专家多次强调，近月空间站绝不是“国际空间站”的新版本。第一，尽管是国际参与的项目，但近月空间站将属于美国，而“国际空间站”是由俄罗斯和美国管理；第二，近月空间站规模要小的多，基本上是由4个模块组成，总质量为7t左右，而“国际空间站”一些大的模块质量就达15～20t；第三，近月空间站将是访问型空间站，不需要像“国际空间站”一样保持常驻人员，其运营成本较低。

NASA希望将近月空间站发展成为一个专属于自己的项目，国际合作伙伴甚至私营公司可以在同等条件下加入。即使各国的提议被接受，也不会像在低地球轨道一样与NASA是平等合作伙伴。NASA强调，国际合作伙伴对“月球轨道平台”的兴趣超出了可能的范围。因此，NASA将组织开展讨论，确定合作伙伴是否愿意为运输系统或着陆技术做贡献。

与此同时，NASA官员也多次表示，近月空间站仅是NASA正在研究的概念，还没有得到现政府和国会的批准，现在谈论国际参与的具体架构和形式还为时尚早。

对美国航天政策担忧

建设“深空之门”/“月球轨道平台”想法的提出是近10年载人航天转入新发展阶段的首次尝试，各国的航天机构也希望搭乘这趟快车来促进本国载人航天的发展，也有一些问题困扰着NASA的合作伙伴。

首先是对美国航天政策稳定性的担忧。自2000年以来，NASA经常改变长期计划，令人印象深刻。2011年，停止了耗费7年的重返月球和创建月球基地的“星座”（Constellation）计划。当年，NASA拒绝替换“灵活路径”（Flexible Path）方案。在奥巴马政府的计划框架内，预计在2025年将小行星送入月球轨道，并于2026年飞向小行星，在2030年中期进行火星考察。

近10年，NASA的工作方向不止一次的在发生变化，其他国家的航天机构担心这种情况是否会再度发生。有人认为，NASA的计划暂时还很不成熟，近月空间站与“国际空间站”相比并不具有任何绝对的优势。NASA的计划没有一个明确的长期目标，所有的努力也都缺少一个方向。

尽管如此，专家们再次强调，近月空间站的想法应该不会再发生变化。第一，这是最有可能取代“国际空间站”的下一个项目，对于NASA而言，既具备技术实力，也具备资金；第二，为实施这个计划，火箭和飞船几乎已准备完毕，“猎户座”飞船只能飞往近月空间，除此以外别无它用；第三，尽管很长一段时间飞往火星仍是NASA的主要目标，但目前在这个方向上没有任何作为。

其次，对近月空间站的合作前景担忧。美国希望利用建设近月空间站的机会来发展自己的计划，其中之一就是建设月球基地，并在此框架下开发生命保障和辐射防护技术。俄罗斯专家认为，在近月空间站建设项目上国际合作的潜力不大，要进一步加强合作，各航天机构的力量应当聚力在月球基地舱室、电站及防护服等的开发和训练上。

各国的航天专家认为，近月空间站项目表明航天活动正在变得更加复杂和多元，任何国家和航天机构不可能独自掌控航天发展的所有方向。如果说在20世纪国家孤立隔绝并非是灾难，那么在21世纪任何一个国家的经济都不是自给自足的。同样，一个独立的行业也是如此，随着航天任务的扩展及其复杂化，无论我们的愿望如何，各国之间将出现分工协作的局面。尽管有的国家不愿意看到这种局面，喜欢单打独斗，但这会需要和消耗更多的资源，其结果只能是不可避免地延期发展。

5 结论

后“国际空间站”时代载人航天如何发展，一直是各国航天机构专家们思考的问题。尽管各航天大国都有载人探月的计划，但探月的时机、方式和途径却不尽相同。载人探月是下一个展示各国实力和航天技术的舞台，各航天机构将趋之若鹜，竞相发挥自己的潜力。这其中，美国依靠雄厚的财力和技术实力，必将异军突起，引领世界载人航天的发展趋势。虽然近月空间站还只是概念论证阶段，但其雄心勃勃的计划彰显了美国发展载人航天和深空探测的决心。