中國空間站的“天和”號核心艙順利發(fā)射升空，預計2022年完成“天宮”號空間站的在軌建造。

與此同時，國際空間站的合作方以美國為首，正在緊鑼密鼓地籌備建造運行在月球軌道上的空間站——“門戶”月球空間站，此外，中國也計劃建造月球載人軌道站。載人空間站正從近地軌道逐步走向深空，服務(wù)于載人登陸月球和火星的宏偉藍圖。

目前，各國發(fā)射的空間站均在地球低軌道運行，隨著人類走向深空步伐速度的加快，載人空間站也開始走向深空。

載人深空任務(wù)需要中轉(zhuǎn)站

1971年4月19日發(fā)射的“禮炮1號”是人類的第一個載人空間站，其內(nèi)部空間約99立方米，在軌重量超過18噸，賦予了人類具備了長期在軌駐留能力，美國不久后也發(fā)射了試驗性的天空實驗室，這個試驗空間站的體積重量更大。從“禮炮1號”開始到現(xiàn)在的國際空間站，美俄先后發(fā)射了10個空間站，但它們都位于近地軌道，而隨著人類載人航天的重心轉(zhuǎn)向深空，以載人空間站作為中轉(zhuǎn)節(jié)點，支持深空探索的技術(shù)路線得到了越來越多的關(guān)注和支持。

美蘇發(fā)射第一個空間站之前，美國“阿波羅”計劃已經(jīng)實現(xiàn)了載人登月，但“阿波羅”飛船和登月艙只能支持規(guī)模有限的插旗式登月活動。正如近地軌道空間站的出現(xiàn)，讓人類在地球軌道實現(xiàn)了長期不間斷駐留，要維持規(guī)模更大、更具持續(xù)性的載人深空探索，無論是實施載人登月還是登火任務(wù)，一個支持載人深空任務(wù)的空間站用處還是非常大的。

將空間站作為載人深空探測中轉(zhuǎn)站并不是21世紀出現(xiàn)的新點子，早在20世紀80年代，美國提出的“自由”號空間站項目中，就曾旗幟鮮明地要求這個近地軌道的空間站可以支持深空探索，不僅可回收火星取樣返回的返回艙，還將支持載人登月和載人登火任務(wù)。這個計劃宏達的“自由”號空間站將采用雙龍骨桁架式結(jié)構(gòu)，大型桁架不僅掛載空間站的節(jié)點艙、實驗艙和生活艙，還將掛載大型“船塢”設(shè)施。航天飛機運來深空飛船的部件后，在“自由”號空間站上組裝成完整載人深空飛船組合體，從近地軌道出發(fā)執(zhí)行載人登月和載人登火任務(wù)。美國宇航局1989年發(fā)布的《90天報告》中，“自由”號空間站正是在軌組裝登月飛船和火星飛船的關(guān)鍵空間基礎(chǔ)設(shè)施。

美國計劃在2024年進行載人登月，“門戶”月球空間站將發(fā)揮重要作用，圖為美國載人登月項目中用于發(fā)射“獵戶座”載人飛船的SLS重型運載火箭。

冷戰(zhàn)結(jié)束后，“自由”號空間站項目被取消，但相關(guān)技術(shù)延續(xù)下來，融入后來的國際空間站項目。國際空間站的軌道傾角約51度，不適合發(fā)射登月飛船，即使如此，美俄仍提出從國際空間站出發(fā)的月球旅游構(gòu)想，其中美國太空探險公司進行推銷和運作，俄羅斯能源集團負責制造月球版“聯(lián)盟”號飛船，使用Block-D上面級對接飛船后完成商業(yè)環(huán)月飛行。能源集團總經(jīng)理索恩采夫稱每趟環(huán)月之旅價格1.5億美元。遺憾的是，美俄聯(lián)合商業(yè)載人環(huán)月方案沒能得到足夠的啟動訂單，只能一直停留在紙面上，但它顯示了以空間站為中轉(zhuǎn)的技術(shù)路線具備巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2005年，時任美國總統(tǒng)小布什提出重返月球的“星座”計劃，“星座”計劃采用地球軌道交會方案，并沒有引入空間站作為中轉(zhuǎn)站，這個計劃由于成本超支被之后上臺的新總統(tǒng)奧巴馬取消，但重型火箭改頭換面以SLS的名字活了下來，成為未來載人深空發(fā)射的基礎(chǔ)?！靶亲庇媱澣∠螅绹d人航天部門一時間“拔劍四顧心茫然”，未來到底是登月還是登火舉棋不定，奧巴馬又提出登陸小行星的取巧方案，這也加重了未來發(fā)展方向的困擾。危機同樣帶來機遇，面對未來發(fā)展方向的不確定性，2010年，美國波音公司的Raftery提出了探索平臺的構(gòu)想，探索平臺將使用國際空間站上得到驗證的成熟艙段，它由美國的節(jié)點（Node）艙和公共設(shè)施（Utility）艙，加拿大的機械臂，俄羅斯的“星辰”號（Zvezda）服務(wù)艙等組合而成，并使用大型低溫上面級或是電推模塊運往地月L1/L2拉格朗日點軌道。波音公司工程師表示探索平臺將作為在軌組裝或中轉(zhuǎn)的深空空間站，載人飛船先抵達這個中轉(zhuǎn)站，而深空探索飛船組合體也將在這里匯合或組裝，人貨集結(jié)后從這里出發(fā)飛向月球、小行星或火星。波音公司提出的探索平臺方案得到了大家的支持，后續(xù)具體方案不斷改進完善，最后成為現(xiàn)在美國宇航局正在推進的“門戶”月球空間站計劃。

美歐日傾力打造月球空間站

波音公司Raftery先生的探索平臺概念提出后，波音和赫魯尼切夫公司都對此寄予厚望，美國宇航局也對這一方案表示興趣。2015年，美國宇航局正式發(fā)布合同在NextSTEP計劃下開始研制深空居住艙（DSH），以作為探索“門戶”月球空間站的居住艙。2016年，特朗普當選為美國總統(tǒng)后，美國再次確定了重返月球的方向，從探索門戶站演變而來的“門戶”月球空間站概念得到了更強有力的支持，業(yè)界公認以“門戶”月球空間站為中轉(zhuǎn)站是載人登月最合適的選擇。2017年，波音、洛·馬、軌道·ATK和勞拉等公司等在NextSTEP-2計劃下拿到動力能源模塊（PPE）的概念研制合同，PPE源自小行星重定向計劃的大功率電推飛行器，將作為深空門戶站的動力艙段。美國宇航局早就開始預研的居住艙和動力艙，將成為深空門戶站第一階段建設(shè)的兩個核心艙段。

2018年，美國宇航局提交的2019年度預算中“門戶”月球空間站正式立項并申請3.332億美元的撥款。該項目也得到了歐洲和日本的支持，新方案中美國負責提供能源動力模塊、公共設(shè)施艙和居住艙，歐空局提供通信和加油艙（ESPRIT），并和日本聯(lián)合研制國際居住艙（I-Hab），加拿大提供新的機械臂。俄羅斯原計劃提供一個氣閘艙，但后來退出“門戶”月球空間站計劃，使這個計劃成為純西方的深空載人門戶站。“門戶”月球空間站的軌道改為近直線暈軌道（NRHO），軌道近月點約3000公里遠月點約70000公里，近月點時適合釋放登月艙執(zhí)行載人登月任務(wù)，遠月點時適合前往火星等深空的載人任務(wù)?！伴T戶”月球空間站軌道周期約7天，也就是說每隔7天有一次登月窗口。無論從“獵戶座”飛船和登月艙的往返，還是通信覆蓋等角度考慮，“門戶”月球空間站的暈軌道都很適合支持載人登陸月球南極的探索任務(wù)。與此同時，近直線暈軌道還保持了任務(wù)的靈活性，從這里出發(fā)前往小行星或火星所需速度也不大，而PPE艙段配備的大功率電推，還能把門戶站轉(zhuǎn)移到更適合飛向火星的L2暈軌道。

“門戶”月球空間站有多個國家和組織參與。

國際空間站重量高達約400噸，但飛出地球軌道的代價十分巨大，“門戶”月球空間站的尺寸和重量就要小多了。目前，美國宇航局已經(jīng)正式發(fā)布了“門戶”月球空間站的動力艙段PPE和居住艙段HALO的研制合同，PPE由原勞拉現(xiàn)Maxar公司負責研制，而HALO艙段由原軌道ATK現(xiàn)諾·格公司負責。PPE動力模塊將裝有大型柔性太陽翼，發(fā)電能力可達60千瓦，大功率電推的總功率可達50千瓦，可提供最大約2.5牛的推力，這個性能在電推航天器中是空前的。HALO小型居住艙由天鵝座飛船衍生而來，但裝有三個對接口，除了頭部可用于對接“獵戶座”飛船的對接口外，側(cè)面的兩個對接口將分別用于對接登月艙和貨運飛船。

美國宇航局原計劃PPE和HALO各自分別發(fā)射，但現(xiàn)在已經(jīng)決定使用“重型獵鷹”火箭一次性發(fā)射，PPE和HALO兩個艙將在地面整合為一個重約15噸的整體，射入一條逃逸能量C3略小于0的低能量轉(zhuǎn)移軌道，經(jīng)過幾個月飛行后進入環(huán)月的近直線暈軌道，支持后續(xù)的載人登月任務(wù)?！伴T戶”月球空間站未來新增的歐空局ESPRIT艙和歐日合作的I-Hab艙將在第二階段由本國火箭分別發(fā)射，但所有的航天員往返要依靠美國SLS重型火箭發(fā)射的“獵戶座”飛船。美國宇航局還發(fā)布了“門戶”月球空間站的貨物補給合同，SpaceX公司以“重型獵鷹”火箭發(fā)射的“龍”XL飛船搶到了合同，未來門戶站補給合同金額最高可達70億美元之多。

支撐人類持續(xù)載人深空探索

“門戶”月球空間站是美歐日等西方國家未來載人航天的新重心，它將主要用于支持載人登月活動。具體地說，美國宇航局計劃使用大型商業(yè)運載火箭發(fā)射登月艙，在月球門戶站匯合組裝后，執(zhí)行載人登月任務(wù)?！伴T戶”月球空間站的存在，不僅作為中轉(zhuǎn)站為航天員提供了更長的駐留時間和更多的登月窗口，大大提高了載人登月任務(wù)的靈活性和安全性，還也為使用多枚大型火箭分別發(fā)射登月艙的各個組成部分提供了可能，有利于提高登月任務(wù)的靈活性，降低載人登月的總體成本。

美國藍色起源公司為首的登陸艙團隊，將登月艙分為轉(zhuǎn)移段、下降段和上升段三個部分，分別使用商業(yè)大型火箭發(fā)射，其中轉(zhuǎn)移段和上升段還能加注后重復使用。眾所周知，載人登月計劃耗資極其巨大，其中重型運載火箭的研制和使用是其中最大的一塊，比如“阿波羅”登月計劃的190多億美元花費中，“土星五號”火箭占了約60億美元之多，而依托“門戶”月球空間站作為組裝站，使用商業(yè)大型火箭分別發(fā)射登月艙組件，可以擺脫對重型火箭的依賴。藍色起源公司計劃使用新格倫或是火神商業(yè)運載火箭發(fā)射登月艙，這兩種火箭都不是為登月計劃專門研制，它們首先用于近地軌道和靜止軌道航天器的發(fā)射任務(wù)，用于登月發(fā)射不僅無需支付研制費用，還能和常規(guī)發(fā)射任務(wù)共同分攤運營成本，極大地降低載人登月的成本。

“重型獵鷹”火箭也將“門戶”月球空間站建設(shè)中發(fā)揮作用。

另一方面，“門戶”月球空間站位于月球近直線暈軌道上，也降低了對載人飛船機動能力的要求。傳統(tǒng)的阿波羅飛船需要獨立進出近月軌道，需要超過2000米/秒的速度改變能力，而有了月球空間站作為中轉(zhuǎn)，載人飛船即使只1300米/秒左右的速度增量，也能作為班車執(zhí)行天地往返任務(wù)，把航天員運往門戶站執(zhí)行載人登月任務(wù)。同樣，從遠月點70000公里的月球暈軌道出發(fā)，前往近地小行星或是火星都不需要多大的速度改變能力，美國宇航局計劃發(fā)射超大功率（電推功率300千瓦+）的太陽能電推飛船，從月球空間站出發(fā)載人前往火星。如果超大功率電推載人飛船從近地軌道出發(fā)，爬出地球引力井不僅需要漫長的時間，還要反復穿越范艾倫輻射帶，對航天器的電子設(shè)備以及航天員的身體健康是極為不利的。此外，近地軌道上的空間站受到地球磁場的保護，而位于深空之中的月球空間站，輻射環(huán)境更接近行星際環(huán)境，在上面可以進行一年或更長的長時間駐留試驗，更好的積累長時期行星際航行的經(jīng)驗，為長時間的載人登火任務(wù)打好基礎(chǔ)。

總而言之，隨著人類探索的腳步逐漸深入深空，為了支持規(guī)模跟大、時間更長的載人飛行任務(wù)，載人空間站也在向深空發(fā)展。深空中的空間站將成為人類探索深空的中轉(zhuǎn)站和前哨站，讓人類的深空活動更具經(jīng)濟性和可持續(xù)性，為人類未來實施大規(guī)模的載人登月任務(wù)，建造月球基地開發(fā)月球，以及踏足火星提供有力的支撐。