【视频】人类登月已近50年，详解NASA如何带领一票小弟重返月球，剑指火星！-航天爱好者
引言
还有一个月就到人类登月49周年的纪念日了，但NASA已经早早开启了登月50周年纪念的准备活动，并公开了庆祝LOGO（题头图）。但看看现在的美国载人航天，国际空间站在轨已近20年，设备老化，垂垂老矣，加上成员国各有算盘，未来美、俄分家甚至再入解体都有可能西蜀人家。再考虑美国自航天飞机退役历时7年仍未恢复载人航天能力，如此看来美帝真是一副“吃枣药丸”的架势。但事实并非如此，且不论美正在积极为国际空间站引入商业运营为其拓展续命，就说以美国为首正在规划设计中的环月轨道空间站“深空之门”，就值得我们深入剖析和警惕。这座空间站一旦建成，不但可使美帝轻松重返月球，甚至能支撑远期载人登火任务，而最可怕的是有可能使其余参与成员国载人登月“白菜化”，对全月面进行无（有）人探索乃至中短期驻留。
本文分三期，共两万字左右，第一期将以2017年底技术状态为准，叙述“深空之门”的特色、组装过程和各舱段设计；第二期将针对其特殊设计的月球近直线轨道（NRHO），解析该轨道设计的优劣目的和对未来月面探索带来的影响；第三期将分析该项目对商业运载火箭、深空载人以及政治方面的影响，和2018年来该计划的最新改动和进展。
本文作者：跆拳道大灰狼、不会游泳的鱼
环球影业发布了《登月第一人》的预告片，顾名思义，这部讲述尼尔·阿姆斯特朗生平故事的传记类型片将于10月12日在美公映，从预告来看值得期待，可惜国内暂无引进计划
2017年12月11日，是“阿波罗”17号任务结束45周年纪念日，美国总统特朗普正式签署了其就任后的首项航天政策指令，正式宣布美国将载人重返月球，并将以月球为跳板，为后续的载人登陆火星任务奠定基础。相比上世纪60年代的“阿波罗”登月计划，特朗普政府下的新重返月球计划的主要变化是针对地外天体轨道上的长期驻留提出了更高的要求。作为特朗普政府重返月球计划的重要举措，“深空之门”（Deep Space Gateway，简称DSG）环月轨道空间站受到了广泛关注，该空间站现已更名为Lunar Orbital Platform-Gateway，简称LOP-G，该空间站暂无中文官方译名，所以文中依旧称为DSG或者“深空之门”。
“深空之门”艺术概念图
第一部分：深空之门=环月的阿波罗飞船+缩小的国际空间站
“深空之门”环月轨道空间站的主要作用是为未来各成员国载人深空任务提供中转服务。建成后不仅可以作为载人月球观测站，同时也是多国载人登月任务中往返于地球和月球表面的中转站，更是未来载人登陆火星任务的重要组成部分，是未来美国载人深空探索的核心组成部分。
“深空之门”目前规划运行在经过特殊设计的月球近直线轨道（Near-Rectilinear Orbit，NRO）上（也被称为NRHO，Near-Rectilinear Halo Orbit），预计于2023年开始部署首个舱段，设计寿命15年。截至2017年10月的公开方案中，“深空之门”主要由以下几个国家负责各自的舱段：由美国负责研制的电源和推进舱（包含部分欧供设备）；欧洲和日本负责的居住舱，俄罗斯负责气闸舱，加拿大则延续国际空间站的经验，继续负责可折叠机械臂文熔光，而补给舱（亦可称货运补给飞船）由于有多种过渡方案，因此归属方尚未敲定。图1给出了“深空之门”的总体布局。
目前“深空之门”的具体技术方案仍在不断讨论和迭代当中，参与项目的多个国家和组织正通过国际空间探索协调组（International Space Exploration Coordination Group章吉仁 ，ISECG）等国际协调组织，基于最新发布的“全球探索路线图”，结合各成员国的研发能力，逐步细化和完善“深空之门”的技术细节。
图1 2016年中仅包含“深空之门”的总体设计
其中由日、欧分别负责的居住舱现已合并（2018年又有变动，我们第三期再说）
相对于目前仍在运行的国际空间站，目前“深空之门”环月轨道空间站在设计上有以下特点：
（1）任务规模大幅缩小
受限于轨道和任务规模，“深空之门”的舱段数量和可居留空间较国际空间站明显缩小。根据目前的设计版本，仅有一个专属居住舱，内部加压空间仅为76立方米（相当于一间38平米面积，2米层高的房子），而截至2016年，国际空间站的内部加压空间高达932立方米。
（2）采用特殊的绕月轨道
NASA横向比较了多种过渡的轨道方案清补凉配方，在综合评估各方面因素后选定NRO轨道作为“深空之门”的工作轨道。该轨道不同于“阿波罗”登月时期选择的绕月轨道和之前呼声较高的地月拉格朗日点方案，具备自由进出所需△V小、稳定性好、通信和光照条件好等特点，下期我们将详细介绍该轨道。
（3）可支持有人及无人登月任务
“深空之门”在建成后，将“猎户座”飞船（Orion）作为航天员在地球和“深空之门”之间的转运飞船，可同时支持4名航天员最长达42天的深空任务。作为地月之间的转移节点，仅需研制往返“深空之门”和月球表面的登月舱，即可实现载人登月。已对载人登月舱研发表现出明确意愿。
（4）高生保系统循环率
受限于运行轨道和火箭运载能力，“深空之门”的无人货运补给难度和成本将高于近地轨道的国际空间站普资华企，加之长达100余天的远期地火转移周期，因此血妃，“深空之门”的空气、水和废物循环率必须得到提升。根据在国际空间站时期获得的经验，“深空之门”的生命支持系统初期将引入一套类似的开放式循环系统，但后期将引入闭环生保和废物循环系统，用于回收利用生活废水和呼吸废气，目标将液体循环率提高至90%以上好孕临门 ，氧气循环率提升至60%。
（5）大规模采用电推进
“深空之门”将采用多套由NASA和ESA分别提供的大功率电推进器来维持轨道，利用其高比冲优势减小燃料消耗，同时预留在轨补给能力。此外还将使用电推进器在地月轨道和火星转移轨道间进行转移，同时仍备有化学推进系统作为备份，增强可靠性，这也将是美、欧首次在载人空间站系统上采用大功率电推进器。
（6）潜在可扩展性
根据国际空间站经验，“深空之门”将继续强化开放式架构设计请别非礼我，预留多个对接口和可扩展结构，留待新的舱段或组件对接空间站，以应对国际或商业合作伙伴的加入和后期升级改进。
第二部分：不靠谱的SLS挑大梁，说说深空之门的搭建之路
目前，“深空之门”的整个任务组建计划分为三个阶段。主要过程如下：
第一阶段（2018-2026）——月球前哨站
第一阶段为月球前哨站阶段，将在NRO轨道建造“深空之门”的核心组成部分，并为载人登月任务提供支持，详见图2。
在第一阶段的组装过程中，由尚在研发的太空发射系统（Space Launch System，SLS）重型运载火箭和“猎户座”载人飞船联合完成。根据2017年3月在NASA顾问委员会会议上公开的资料显示，组装“深空之门”原定需要SLS发射4次，每次发射都将包含“猎户座”载人飞船和相应舱段，预计耗时约3-5年时间。在整个组建过程中，还将根据具体情况适时安排货运飞船实施补给任务，由各成员国和组织结合自身情况安排发射。
“深空之门”的组建目前定于2023年正式开始卧底军婚。但在此之前，SLS需先顺利完成首飞验证，命名为“探索任务-1”（Exploration Mission-1，简称EM-1）的首飞任务原定于2018年，现已推迟至2020年中期，且仍不排除继续推迟的可能。在该任务中，SLS Block 1型火箭将搭载不载人的全状态“猎户座”飞船升空，进入绕月飞行的大幅值逆行轨道（Distant Retrograde Orbit，DRO），并于26-40天后返回地球，以测试SLS火箭的运载能力和“猎户座”飞船各系统可靠性。在2023年的EM-2任务中，原计划将由SLS Block 1B型火箭将发射载人的“猎户座”飞船和“深空之门”首个舱段——电源和推进舱。但由于SLS近年来肆无忌惮的推迟和经费超支，NASA已有意将该舱段的运载火箭更换为商业运载火箭倾城弃妃，例如SpaceX的重型猎鹰，我们在第三期中再详聊SLS因为自己“作死”而丢掉任务的故事。
接下来，SLS火箭在2026年前还将进行EM-3、EM-4两次发射任务，分别把居住舱（Habitation Module）和后勤补给舱（Logistics Module）送入NRO轨道，并与EM-2任务中电源和推进舱对接构成“深空之门”空间站的主体。EM-3和EM-4任务中发射的两艘“猎户座”飞船也将与“深空之门”空间站对接，参与空间站建造。
从2026年开始，SLS火箭将执行EM-5发射任务，发射“猎户座”载人飞船的同时，把俄罗斯设计制造的气闸舱送入NRO轨道，并对接空间站。至此，“深空之门”空间站的第一阶段建造完成，在不包含“猎户座”飞船的条件下总重约40t。
图2 “深空之门”任务第一阶段示意图
至此，“深空之门”已经基本具备了载人登月中转能力，在此基础上，参与成员国仅需要单独研发登月舱，并将其发射至NRO轨道，即可完成载人登月的所有准备工作。彭程程航天员以 “深空之门”空间站为起点，可以到达月面各个地点实施探索，包括月球极区，甚至可以支持月面短期或半永久科研站的运转。如果深空之门如期建成，在世界范围内，我们有可能会面临一个登月“白菜化”的局面，这对长征九号和我国独立载人登月的立项确实不是个好消息。
第二阶段（2027-2029）——地月转运阶段
如果计划顺利，从2027年开始将进入任务的第二阶段，详见图4和图5。NASA将继续发射SLS运载火箭，执行EM-6到EM-9任务。EM-6任务中，SLS Block 1B货运型火箭将重达41t的深空运输器（Deep Space Transport，DST）发射进入地月转移轨道TLI（Trans-lunar injection，TLI）。DST使用自身的大功率电推进系统，耗时191～221天逐渐变轨进入“深空之门”所在的NRO轨道，并与之对接。在EM-7任务中，将继续发射补给舱和载人“猎户座”飞船。
图3 “深空之门”和深空运输器示意图（NASA）
图4 “深空之门”任务第二、三阶段示意图
在2028年的EM-8任务中，SLS将发射货运飞船对DST进行推进剂在轨加注。在2029年的EM-9任务，SLS火箭将继续发射“猎户座”飞船和补给舱。之后，DST将脱离“深空之门”奥巴桑乔，单独在地月空间进行为期约300～400天的试航（shakedown），验证DST长时间深空独立飞行能力，为飞向火星的长期载人飞行做好准备。至此，第二阶段任务基本结束，通过“深空之门”的完善和DST的一系列测试，为载人火星任务提供支撑。
第三阶段（2030以后）——载人登陆火星
从2030年开始，整个任务将进入第三阶段，即载人登陆火星阶段。目前仍处于规划和设计当中，在规划的EM-10任务中，NASA将使用SLS Block 2火箭发射货运补给飞船，为深空之门空间站和DST提供补给，并在EM-11任务中发射载人“猎户座”飞船和补给舱前往“深空之门”空间站。如果一切顺利，DST则在燃料在轨补加完成后，将独立进入地火转移轨道，之后返回NRO轨道并与“深空之门”空间站重新对接。而后续载人火星登陆任务的最终实施仍有待进一步研究和确定，但“深空之门”的作用将不可或缺。
第三部分：麻雀虽小五脏俱全，详解各舱段的“独门绝学”
3.1电源与推进舱
电源与推进舱（Power and Propulsion Element，PPE）作为“深空之门”的首个舱段，发挥着电力供给、轨道机动和通信的核心作用。2016年时该舱段的设计需求首次曝光，干重约6.3t，发射重量约8.5t，原计划在EM-3任务中发射升空，详见图5。除了设计用于将科学仪器和样品暴露于空间的小型气闸之外，电源与推进舱不设有增压舱。该模块主要分为两部分，分别为太阳能电推进模块（Solar-Electric Propulsion module，SEP）和后勤通信和设备机架（Logistics Communication and Utilization Bay，LCUB）。外壁还设置了必要的EVA抓手，便于后期在轨维护。
图5 电源与推进舱示意图（2016年版）
太阳能电推进模块的推进系统由两套互为备份的推进系统组成，首先NASA和ESA各提供一套电推力器，两者共用氙储箱，可同时工作，并互为备份。此外，ESA电推力器比冲在1800-3000s之间，设置在独立吊舱内，喷管方向固定，基于ESA已有的“阿特米斯”（Advanced Data Rely and Technology Mission Satellite，Artemis）系列卫星的电推器改进而来。NASA的离子推力器则可兼任反作用控制系统（Reaction Control System，RCS）。此外还配备有8台肼基RCS发动机，两套RCS系统互为备份。该模块还设计有两块太阳能电池板，每块可提供25-30kW的电力，模块还内置4个氙储箱、电池、反作用飞轮、GNC和数据存储系统。
与国际空间站类似，电源与推进舱还设置有一个由加拿大负责设计制造的可折叠空间机械臂。此外还有一个小型的气闸与对接口联通，通过该气闸航天员可以将有效载荷和仪器放入气闸中。在气闸减压之后保定歌，载荷将直接暴露于真空，也可由机械臂取出。表1给出了2016版电源与推进舱质量分配。
表1 电源与推进舱重量分配（2016年版）
组成部分
重量/kg
太阳能电推进模块
3224
通信架
1299
机械臂
741
霍尔效应推力器（ESA）
192
模块干重
5456
质量裕量
818
包含裕量的模块干重
6274
肼燃料和加压气体
202
氙
2024
总重
8500
在2017年3月的会议上，电源与推进舱的设计方案出现重大调整，发射计划由EM-3提前至EM-2，即随同“猎户座”飞船的首次载人任务一同升空，详见图6。
图6 电源与推进舱示意图（2017年版）
受EM-2任务火箭运载能力所限，发射重量从8.5t减至6.5t。为了减重，机械臂和ESA的电推力器被移除，改为搭载后续的货运飞船进行在轨组装。另外，氙储量也相应减少，并添加一套在轨加注接口，氙储箱的未满部分将在后续任务中进行在轨补加。此外，为了提供更多的可扩展性，该版本电源与推进舱两侧额外增加两个对接位（docking location），采用标准APAS/NDS对接口，用于临时安装非加压载荷。此外，肼基燃料储量则从200kg增加到400kg。
2017年9月，电源与推进舱设计再次发生变化，ESA负责的LCUB部分更名为ESPRIT（European System Providing Refueling Infrastructure and Telecommunications），并从EM-2任务中拆分出来独立发射。该模块添加了氙和肼推进剂储箱，可以直接与原有的电源与推进舱对接，详见图7。
此外还设置有对地和对月天线以及相关的通信装置，可提供X、Ka、S、UHF波段和激光通信，为未来的登月任务提供中继。此外，还至少设置有一个主动和一个被动对接口，主动对接口将与太阳能电推进模块对接，并可以泵送推进剂，以验证推进剂补加技术；被动对接口则与居住舱连接。
图7 2017年9月设计修改后被独立出来的ESPRIT模块
3.2 居住舱
“深空之门”在2016年曝光时设计有两个居住舱（Habitation Module），详见图8。两个居住舱分别由JAXA和ESA设计和制造，功能上交叉互补，结构上串联布置。不过，都将配备完整的环控生保系统（Environmental Control and Life Support System，ECLSS），还有热控、通信、导航、供电和消防安全系统，并规划有私人密闭空间，拟在内部隔间引入充气式设计以节省空间。JAXA原计划引入一套高循环率的封闭式生保环控系统，该系统可在超过35天的载人深空任务中大幅减小货物补给需求，但该系统尚未在国际空间站上得到充分测试和验证，目前已改为在任务架构第三阶段的DST中进行实际测试，证明其可靠性后再引入。
图8 居住舱示意图
为节省空间，居住舱的厨房区域目前设计有可展开餐桌及加热设备。还包括一台冰箱，用于贮存食物和样品；还设置有包含回收设备的厕所。一号居住舱还设计有可折叠的健身器材，以支持必要的生理实验和体育锻炼，此外还在规划有3D打印机的工作区域。居住舱还专门设置有贮存区，用于贮存食物，淡水，服装和其它补给。由于“深空之门”的运行轨道远离地球，因此居住舱的辐射防护系统至关重要，不过目前尚未开始详细设计，但倾向于在居住舱周围设置有柔性储水层，并引入一些额外的内部辐射屏蔽设备。在舱内设备上犀浦实验学校，因为“深空之门”舱段之间的对接口尺寸限制，qq飞车漂移目前在国际空间站上使用的标准机柜架不适用于“深空之门”，因此各项目方已经计划重新开发一套轻量化的通用机柜系统。
2017年3月，居住舱发生重大设计变更，在“深空之门”的多边协调委员会会议上，居住舱从原定JAXA、ESA分别负责的2个被缩减为共同负责的1个（此举可以缩减组装所需发射次数，毕竟一次SLS发射已经10亿美金往上了）。在2017年5月的国际空间站合作伙伴会议上，JAXA要求保留“深空之门”的第二个居住舱，但目前未获通过。为弥补被取消的居住舱带来的影响，设计方考虑了各种方案。得益于发射居住舱所使用的SLS火箭的运力裕量，2017年8月，设计方决定将居住舱拉长近1m，形成长约5m的圆柱形结构。该变更将导致冷却系统随之改变，进而影响电源系统设计，因此又拟定在径向对接端口上增加特殊的拉杆（tie rods）来补强居住舱结构。此外，还将为科学实验增加更多的被动连接器。还有，仿照国际空间站航天员通过圆顶舱段的全景窗户观察地球，“深空之门”拟增设360°的球面观察窗，使未来的宇航员可以享受月球景观。
国际空间站上的观景窗，很多壮美的对地照片都出自这里，未来深空之门的观景窗外就是月球了
观景窗外观，被称之为“Cupola”，在意大利语中意为“圆顶”
目前该舱段的发射暂定采用SLS，但NASA也在评估采用SpaceX的“猎鹰”重型火箭和联合发射联盟（United Launch Alliance，ULA）的“火神”运载火箭来执行居住舱发射，以降低项目成本并支持新一代商业运载火箭的研发。表2给出了生活舱参数指标。
表2 生活舱空间分配表
空间分配项目
参数/m3
总加压空间
76
主要生活区空间
26
核心系统空间
9
任务中的装备占用空间
23.5
舱壁、货物和柔性储水层间的空间（间隙空间）
17.5
3.3 气闸舱
目前“深空之门”仅设计一个气闸舱（Airlock module），由俄罗斯负责设计制造，同时也是目前唯一确定由俄方负责的舱段（怒刷存在感）。
2016年10月，俄方首次提出气闸舱的设计思路，气闸舱由两部分组成，主球室和备用的圆柱形延伸段。内部容积为16m3（国际空间站为12 m3）的球形舱室设有两个EVA舱口（Extravehicular activity，舱外活动）。而气闸的圆柱形舱室用于舱外航天服贮存，并保持加压状态，但在紧急情况下也可以用作备用气闸。即航天员仍使用主球室舱口离开，但圆柱形舱的所有系统都可在真空下运行。“和平号”空间站的“量子-2”（Kvant-2）舱曾采用过类似的备用气闸设计方案。图9给出了气闸舱示意图，表3是气闸舱指标参数。
图9 气闸舱示意图
由于俄罗斯气闸舱干重较小，在使用SLS发射气闸舱时将在内部布置增压货物。此外美、俄双方还在评估另一种发射方案，即采用俄罗斯的“安加拉-A5”运载火箭单独发射气闸舱，但由于没有“猎户座”飞船的配合，需要额外配套深空推进舱枳实导滞汤，用于与“深空之门”自动交会与对接。
表3 气闸舱参数
指标
参数
起飞重量（含货物）/t
9
主球室直径/m
3.3
主球室内部容积/ m3
16
EVA把手长度/ m
1
圆柱形舱室内部容积/ m3
9
圆柱形舱室长度/ m
2.2
工作电压/ V
28
无人状态下电耗/ W
160
平均电耗（有人）/ W
330
最大电耗（有人）/ W
900
受限于“深空之门”的规模，目前俄罗斯的气闸舱将成为“深空之门”的唯一“出口”，这与国际空间站上美、俄分别设置气闸舱不同。因此，NASA正在评估美系舱外航天服与该气闸舱设计的适用性，并不排除未来进一步修改设计的可能性。
小结
除了以上提到的舱段之外，俄罗斯还规划有一个专门的登月支持舱段，但目前属于“剃头挑子一头热阶段”，未获得美欧等成员支持。说起登月，事实上在深空之门建成后，有意登月的成员国仅需要设计制造一款登月舱，就能以深空之门为跳板达到载人登月，乃至月面中期驻留的目标，相对于白手起家独立登月的难度简直就像开了“外挂”，所以不具备载人航天能力的日本和欧洲对此项目都比较积极。
当然想做登月跳板绝不是随便找个环月轨道，然后几个舱室简单一拼就搞得定的，还需要复杂的轨道规划和任务设计，究竟如何实现全月面到达和登月的白菜化，且听下回分解。
（未完待续）
主要参考资料：
Options for Staging Orbits in Cis-LunarSpace, Ryan Whitley疼你但怯步, Roland Martinez, 2015
Deep Space Gateway (DSG) Concept Power and Propulsion Element (PPE) Request for Information, 2017
Power Propulsion Element For Deep Space Gateway Concept,Request for Information & Synopsis Virtual Industry Forum, 2017
GER Human Exploration Moon GLEX2017 Presentation, 2017
NASA Advisory Council, 2017
Space Launch System(SLS) Mission Planner‘s Guide, NASA, 2017
ＪＡＸＡの国際宇宙探査シナリオ検討と 宇宙探査における技術開発の取組みについて，2017
RussionSpaceWeb网站相关介绍
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