科學應用領域進展
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ESA深空門戶專刊

時間:2018-09-11  來源: 文本大小:【 |  | 】  【打印

1.    概述

國際空間站的主要合作航天機構早在二十年前就開始研究空間站退役后的載人航天空間設施,地球軌道以遠BEO(Beyond Earth Orbit)的任務,瞄準了地月空間的月球軌道站,并進行了多年合作研討和概念研究。2017年特朗普政府取消了奧巴政府時期的小行星定向任務ARM(Asteroid Redirect Mission)NASA與俄羅斯宣布決定聯合建造DSG(Deep Space Gate),稱為“DSG”或“太空港”,之后在NASA提出的美國2019年聯邦預算建議中改為了“月球軌道平臺-門戶”LOP-G(Lunar Orbital Platform-Gateway) (本文將使用此新名稱),并準備重返月球,以載人火星探測為最終目標。該計劃主要分三個階段,第一階段于2026年前建設月球軌道空間站LOP-G,第二階段于2030年前建設深空運輸系統DST(Deep Space Transport)2030年代中期實施載人火星探測任務。

LOP-G是美國主導的下一代載人航天計劃項目,將通過國際合作的形式聯合建造,同時得到多個航天商業公司的支持。如果克服政治、經濟和技術困難,LOP-G將成為人類載人深空探測的一項壯舉,是繼國際空間站之后的又一大型國際合作項目,將成為國際空間站的“接班人”,也有利于小行星探測,最終實現載人登陸火星。LOP-G將利用美國的超重型運載火箭“太空發射系統”SLS(Space Launch System)和“獵戶座”飛船(Orion)發射大型空間設施和航天員,利用居住艙開展中長期載人飛行任務和地月空間科學實驗。

目前LOP-G項目正處于方案設計階段,開始征集基于LOP-G的空間科學與應用項目,并召開了多次科學概念研討會,形成了初步的科學與應用研究方向。

本文將分析月球空間站早期和LOP-G的發展歷程與現狀、國際形勢、戰略意義、主要技術方案和未來發展路線規劃等,以及基于LOP-G適合開展的空間科學與應用研究等。

2.     發展歷程與現狀

2.1 發展歷程

2.1.1 月球空間站概念

200711月,在位于俄羅斯星城(Star City)的加加林航天員訓練中心GCTC(Gagarin Cosmonaut Training Center)主辦的第七屆載人航天科學會議上,提出了月球和火星的長期探索計劃。赫魯尼契夫(Khrunichev)提出的月球基礎設施包括月球基地和月球軌道站LOS(Lunar orbital station)LOS包括六個停靠點、高功率通信天線、機動和姿態控制引擎、太陽帆板和機械臂等,可以用于航天員臨時或永久駐留、月球科學探索、地月中繼等。月球軌道站將用于轉移和儲存貨物與推進劑,可以作為航天員的臨時或緊急住所,也是一個月球科學研究平臺,例如地球觀測研究。同時,月球軌道站還有助于地球和月面之間的中繼通信。月球基地設施和月球軌道站都將由超重型安加拉(Angara)火箭運載至太空,具有一百噸近地軌道貨物運載能力。

2.1 月球著陸器停靠在月球軌道站(航天員從LOS上出發并降落至月球)

2009年國際空間站的工業承包商聯合探索了空間站退役后,預計2020年代中期可能開展的后續載人航天任務,這一組織包括涉及載人航天的龍頭企業:美國的波音(Boeing)和洛克希德馬丁(Lockheed Martin)、俄羅斯的安吉亞太空公司(RKK Energia)、歐洲的宇航防務集團阿斯特里姆公司(EADS Astrium)和泰雷茲阿萊尼亞宇航公司(Thales Alenia)、加拿大的衛星通信信息公司MDA(MacDonald Dettwiler & Associates)和日本的三菱重工MHI(Mitsubishi Heavy Industries)等。

2010年后國際空間站合作機構,美國、俄羅斯、歐洲、日本和加拿大及其行業公司,開始研究地球軌道以遠的載人任務,提出在月球軌道(地月空間)建立一個可載人居住的前哨站。航天員可以周期性訪問,為深空探測做準備,可以遠距離研究月球,或者將機器人和載人探測器放置到月面上。2011ISS合作者基于國際專家工作組IEWG形成了研究團隊。下圖為地月空間前哨站概念之一。

2.2  美國波音和俄羅斯安吉亞太空公司聯合研究的地月空間前哨站概念之一

2011年在國際專家工作組IEWG建立第四工作組,研究地球軌道以遠未來空間站的多種選擇。20133月和4月,IEWG成員擬定協議,建議將月球空間載人平臺作為國際合作的第一步。但后續幾年這一想法一直處于不穩定狀態,在資助國際空間站的各國政府之間沒有形成正式的國際協議。

2.1.2 近年月球空間站初步研究

在第二地月拉格朗日點EML2上建立空間站的想法由來已久,早在1999-2000年間,地月和日地拉格朗日點就受到NASA的關注。在20122013年間,大部分地月空間概念研究集中在地月系統拉格朗日點,尤其EML-2點,作為前哨站的主要目的地。20122月,NASA報道將在月球背面軌道建立一個永久空間站,作為深空探測的前哨站,并建議放置在地月EML-2點附近,距離月球65000 km。由于受太陽引力干擾,希望利用的軌道比較復雜,是圍繞地月EML-2的暈軌道(halo orbit)。部署在地月EML-2點的空間站能夠發揮中轉站的作用,對于探索月球、小行星、火星等能夠節約成本。地月EML-2點空間站還能作為維修大型空間天文望遠鏡的平臺,對月球上的勘探機器人等設備進行遙控。

月球空間站需要支持長期載人飛行,一次持續一至六個月,航天員將在自行推進的月球附近的前哨站上往返。月球站可以進行載人月球探測(大部分航天局支持),也可以進入深空探測(NASA堅持的方向)

201411ISS項目合作航天局決定聯合深入研究可能的深空載人航天任務,12月形成專家組對各種技術挑戰進行頭腦風暴。國際空間站探索能力研究組IECST(ISS Exploration Capabilities Study Team)的五個航天局,研究如何利用ISS經驗建造地月空間設施,決定可能的建造設施,并起草飛行計劃和可能任務。這一載人前哨站可以作為登陸月面的空間站,已可以作為太陽系探測的跳板,包括小行星、火星及其衛星,其本身可以旅行到深空目的地。新的組織國際航天器工作組ISWG(International Spacecraft Working Group)開始收集關于地月空間站概念研究的建議,包括艙段和系統的詳細概念,稱為概念設計文件CDD,并研究各成員之間的通用標準。到2016年底國際航天器工作組ISCWG進行了三次會面,與原始ISCWG工作組成員聯合召開會議,其間各成員航天局代表針對項目各方面逐一談判。各航天局對早期月球空間站概念研究的貢獻如下表所示。

2.1月球空間站概念研究主要航天機構的貢獻

機構

概念研究貢獻

NASA

SLSOrion,建設地月空間站艙段,升級ISS補給運載工具用于深空任務

Roskosmos

Proton到新一代Angara火箭、超重型火箭、太陽能空間拖船、貨運飛船、科學與動力艙(NEM)、節點艙(UM,Uzlovoi Modul)OKA-T自由飛行平臺、氣閘艙

ESA

Orion飛船的深空ATV服務艙,Airbus提出2噸月球著陸器(攜帶60kg小型探測車,將著陸在月球南極附近),重型貨物著陸器(Ariane-5 ME火箭發射,可以向月面運送1.7噸貨物,包括射電望遠鏡和材料處理單元等)

JAXA

MHI提出基于HTV貨運飛船的9噸深空艙運輸器(可載7噸貨物)低溫火箭、基于SELENE系列的機器人月球著陸器

2.1.3 針對目的地達成一致

軌道目的地是月球空間站的一個關鍵問題,對月面感興趣的國家和航天局將傾向于近月100千米軌道,而NASA需要更遠位置,適合包括火星在內的深空探測。201611月,俄羅斯航天局載人航天執行主任甚至提出建設兩個前哨,以滿足兩個需求,但這顯然不是一個經濟的做法。經過多次商討,針對基于月球空間站的月球與火星探測最終達成妥協,NASA表示其SLS火箭可以將月球著陸器運送至NRHO軌道(Near-Rectilinear Halo Orbit,圍繞地月拉格朗日點2的暈軌道)。

2017LOP-G月球空間站獲得了實質性發展,針對LOP-G的在軌位置最終達成一致,并使該項目逐漸進入公眾視野。兩個國際組織IECSTISWG多次會面討論決定LOP-G艙段等事宜。在20171月的筑波會議,參與LOP-G項目的航天局針對不同任務達成妥協,ISS合作者同意NRHO軌道,是地月空間基地最好的目的地。2017年歐洲、加拿大、日本同意考慮基于NRHO地月空間站的機器人和載人月球著陸器,其后,Coskosmos也傾向于采用該位置。

2.1.4 最新動態

NASA2019財年最新預算中將深空門戶DSG替換成了“月球軌道平臺-門戶”LOP-G(Lunar Orbital Platform-Gateway),據說是因為更具有描述性,并且還計劃改為更好的名稱。有人認為是政治因素,為了拋棄奧巴馬政府時期提出的概念。

預算中LOP-G有了獨立條目,建議20195.04億美元,接下來五年27億美元,這意味著LOP-G項目正式啟動。該項目設計包括動力與推進艙PPE、居住艙、貨運艙和氣閘艙等,以及機械臂和想象的玻璃圓頂(可以獲得地球和月球最佳的全局視野)等。按此配置航天員最多在LOP-G駐留一個月,除非增加配置。NASA計劃本財年末(930日)資助PPE合同,2022年發射。NASA將使用商業運載火箭發射PPE,而不是發射獵戶座飛船的SLS

PPE之后將發射居住艙,目前正由NextSTEP計劃的六個公司研發地面原型,以便NASA決定采用哪個最終設計,最終合同將于2019年財年開始資助。NASA預算也說又讓國際合作機構參與貢獻居住艙的想法。

2018NASA取消了美國唯一的探月項目,資源勘探者月球車,其部分載荷用于未來探月項目,未來基于LOP-G中轉站將開展更大規模的月球探索與開發。

2019年探索系統和居住X-Hab學術創新挑戰支持NASA開發未來的太陽系載人探測任務技術和能力。NASA為具有競爭力的遴選項目提供1.5萬美元到5萬美元資助,進行研究、功能產品和解決方案的開發。

2018524日,NASA發表了一份備忘錄,概述了合作建造LOP-G的計劃。

2.2發展現狀

2.2.1 正式宣布

20179月,在澳大利亞阿德萊德舉行的第68屆國際宇航大會IAC上,NASA與俄羅斯聯邦航天機構簽署了一份聯合聲明,雙方將在月球軌道上建造月球軌道空間站LOP-G(深空門戶空間站),準備從2020年開始。俄美雙方將合作制定LOP-G的國際技術標準,并已經就有關對接裝置的標準達成協議。俄羅斯航天國家集團公司負責人伊戈爾·科馬羅夫表示,俄美近月空間站建設項目將為俄羅斯航天工業帶來新機遇。201710月,美國副總統彭斯在一個重要空間政策聲明中支持該項目。

2.3 波音Boeing設想的LOP-G概念圖

20171211日,阿波羅17號飛船成功著陸月球表面同一天,美國總統特朗普簽署了國家太空委員會NSC)一號指令,即太空政策一號指令(SPD-1),明確美國航天員要重返月球,并為載人登陸火星奠定基礎。

2.2.2 發展現狀

第一階段將建造LOP-G,第二階段建造DST,之后實現最終目標載人飛往火星。目前針對LOP-G,美國和俄羅斯已經提出初步計劃,但具體時間安排幾度修訂,示意圖如下圖所示。

居住艙設計為一個,但美國、俄羅斯、歐洲、日本等國的航天局之間仍然存在分歧,后續可能還會有變化。

居住艙和推進艙已經通過下一代空間探索技術NextSTEP-2遴選商業公司進行原型預研。

LOP-G將運行于月球附近的近直線暈軌道NRHO上。

首先發射電力和推進艙PPB,和獵戶座飛船一起,由SLS運載火箭發射至NRHO

基于LOP-G的空間科學與應用計劃目前尚未公開征集。

2.4 獵戶座在軌接近LOP-G示意圖(NASA)

LOP-G可以作為月球表面探測器的通信中繼,月面探測器不需要安裝大功率天線,通過LOP-G中繼實現與地球快速且穩定的通信。

月面采樣后可以運送至LOP-G,并實現多次往返,降低了運輸和使用成本。

與三十多個艙段組成的國際空間站相比,LOP-G空間站僅由四個艙段構成。居住艙是核心部分,支持航天員長期在繞月軌道上的工作和生活。貨運艙為空間站提供貨運補給,并進行空間科學實驗。

NASA2019財年預算中分配了載人深空探測與運行的經費,包括LOP-G、先進的地月空間與月面探測能力ACSC、探索高級系統,共計8.89億美元,其中LOP-G2019財年預算為5.042億美元,如下表所列。

2.3 NASA2019財年載人深空探測與運行經費預算

2019財年預算

請求

概念

預算(百萬)

FY2019

FY2020

FY2021

FY2022

FY2023

LOP-G

504.2

662.0

540.0

558.9

459.1

ACSC

116.5

146.0

163.7

300.0

320.3

探索高級系統

268.2

260.7

240.6

186.1

144.7

總預算

889.0

1068.6

944.3

1045.0

924.1

2.2.3 環月軌道站LOP-G的優勢

環月軌道站LOP-G的主要優勢包括:

從地球到達目的地軌道并返回相對容易

需要較少推進劑需求來維持軌道

實現地月空間航天員中長期駐留

支持月面航天員探測和返回LOP-G駐留,利用NHRO軌道實現載人登月,比較容易進入近月軌道LLO(Low Lunar Orbit)和月面并返回,及時進入和返回對于載人任務非常重要

對于地球不可見的月面區域具有可視性,支持載人和/或遙操作機器人探測

利用NHRO軌道實現地月空間的科學探測,支持釋放小衛星或立方星等,進行集群衛星科學探測

能夠升降軌道,完成不同性質的任務,支持月球表面的機器人探測任務,在月球高軌可以從前哨站分離,支持到太陽系其它目的地的探測任務,這不僅是載人任務到達深空目的地的重點,也有利于機器人采集大量樣品返回可到達的軌道,以便進行科學研究

利用SLS的貨運能力和獵戶座飛船的深空載人探測能力

利用、研發并測試由組裝國際空間站時發展起來的新技術

利用航天商業公司的優勢資源,研制所需裝備和技術

NASARoscosmosESAJAXACSA等航天機構繼續國際合作,發揮各自的技術優勢

 

2.3環月軌道站和深空運輸系統

2.3.1 環月軌道站

LOP-G屬于該計劃的第一個階段,將于2020年建設,2024年至2026年完成第一個艙。LOP-G是月球附近第一個具備航天員中長期駐留的地月空間空間站,預計將容納4名航天員,進行30~360天的長期載人深空飛行任務。LOP-G的規模比國際空間站小,重約40噸,使用壽命數十年。LOP-G是深空探測的前哨基地,能夠執行多種任務,將有利于重返月球、造訪小行星、探索火星等。

LOP-G作為中轉站,運行于月球附近的NRHO軌道,可減少飛行器前往深空的速度增量,降低了載人深空任務的難度需求。LOP-G不僅是前往月球、小行星甚至火星的登陸艙,載人作為探測組合體的出發平臺,也可以作為月球車等月面設施的中繼通信平臺,以及前往其它軌道的樞紐。

LOP-G組合體的各模塊將分別在探索任務EM-2EM-5任務由SLS發射。俄羅斯Roscosmos也可能使用質子-M安加拉-A5M重型火箭運載提供貨物和航天員運輸服務,為載人登月提供月面著陸器等。LOP-G將由美國和俄羅斯等多個國家通過商業和合作者國際合作的形式進行研發、服務和利用,預計于2020年代組建完成,成為DST的停靠點,成為航天員月面任務的停泊點。

2.3.2 深空運輸系統

任務第二階段后將實現月球以遠長期載人探測任務的能力,探測包括火星在內的太陽系遙遠目的地。“深空運輸系統”DSTNASA計劃的載人星際飛船,將航天員運送至火星及其衛星附近,是利用電推進和化學推進的可重用工具,最多可承載六人。DST將利用SLS火箭發射大體積和質量的優勢,研發先進的探索技術,并在地面和利用ISS進行技術驗證。深空運輸系統將于2027年發射,利用LOP-G進行組裝,通過一系列SLS任務完成,把航天員送至目的地,并返回LOP-G前哨站,進行維護,并再次任務重新使用。

第二階段將在月球附近開展大約一年的載人探測任務,驗證地月以遠系統到火星和其它目的地的系統成熟度。通過構建深空基礎設施,將使探索者識別和開辟新的解決方案,進行深空探索和工程技術應用。

預計2033年將4名航天員送至火星,但是僅進行環繞火星探測,不進行載人登陸,該任務將持續兩年。

3.    國際形勢分析

3.1 發展形勢

NASA總體上已經具備重返月球和建設月球空間站的條件,聯合國際空間站各航天機構對LOP-GDST已經達成基本一致,可以預期未來將會迅速推進,成為載人深空探測的中轉站。

1)“阿波羅”載人登月獲得豐富經驗

從“阿波羅”登月計劃可知,研發和建造費用大于運行費用。

“阿波羅”載人登月在地月載人運輸、航天員保障、軟著陸與返回、月面科學探測、月面環境監測等方面獲得了豐富經驗。

利用登月期間采集并返回地球的大量月球樣品(“阿波羅”六次登月采集樣品381.7kg)進行了詳細研究,獲得了月面部分區域月壤、地質和環境的詳細數據。

2)小布什時代和奧巴馬時期的航天計劃為特朗普時代LOP-G奠定基礎

小布什時代的美國載人航天轉向深空,推出重返月球的星座計劃,以載人登月為重點,目標是最終實現登陸火星;NASA向重型運載火箭、載人飛船、航天測控網和發射場等投入巨資,奠定現在的基礎設施研發基礎;把一些航天任務外包給商業航天公司,為當前商業航天的蓬勃發展奠定基礎。

奧巴馬時期取消了“星座計劃”,提出小行星重定向任務,旨在利用無人探測器從小行星表面采集巨石,搬至月球附近,進行航天員登陸探測,但此時美國載人航天沒有明確目標。雖然奧巴馬時期沒有大的發展,但是太空發射系統SLS和獵戶座飛船Orion一直在研制。小布什時代的商業航天公司在這個時期得到了實質性壯大發展,例如太空探索技術公司SpaceX(獵鷹火箭和龍飛船)、藍色起源公司BlueOrigin(新格倫火箭)等。

特朗普總統上任后取消了“小行星重定向任務”,提出LOP-G(原“深空門戶”)計劃,利用ISS各成員國的技術優勢進行國際合作共同研發,商業航天公司參與LOP-G建設。

3SLSOrion研制即將完成

美國負責提供大推力重型運載火箭太空發射系統”SLS和獵戶座飛船Orion,目前,SLS正在制造首飛火箭,獵戶座飛船的研制也已接近尾聲,2020年將實現SLS火箭發射獵戶座飛船。

4)國際空間站退役后經費將轉向LOP-G項目運行

2024年后,國際空間站退役,SLSOrion已研制完成,這部分研制費用的預算將空余出來,SLS重型火箭10-15億美元一枚,獵戶座飛船的指令艙可以重復使用,保障LOP-G項目實施和運行。

5NASA預算保障研發

目前,美國載人航天預算主要用于SLS火箭和獵戶座飛船的研制,以及維持國際空間站運營。近年NASA預算仍然處于增加趨勢,2018NASA總預算為190.922億美元,載人航天探索部分預算高達86.7億美元,占總預算的45.4%

預算集中在深空探索而非以地球為中心的研究上,預計投入39億美元繼續推進獵戶座載人飛船、SLS火箭及相關地面系統的研發,用于將來執行運載航天員的深空探索任務。

6ESA提出“月球村”計劃

2015年底歐空局正式提出“月球村”計劃,將是一個多國參與、多種形式開發與利用月球的行動,將于2020年代末開始在月球背面或南極建造月球基地。“月球村”建設可以利用LOP-G計劃實現載人登月、人機聯合月面作業和月球基地的建造。

“月球村”將原位利用月壤和風化層進行3D打印,可通過安裝充氣式居住艙,由機器人打印機在基地周圍建造外墻,覆蓋整個基地,保護月球居民免受宇宙射線輻射、極端溫度、微流星和隕石撞擊等影響。目前已提出穹頂與蜂窩結構壁結構等月球基地概念設計。

歐洲目前沒有獨立載人登月的技術能力,希望吸納全球支持投入“月球村”建設,成為國際合作人類永久基地,支持科學研究、月球采礦、原位資源利用、甚至太空旅游等,可以作為載人深空探測的中轉站和探索太陽系的跳板,同時能夠獲得在其它星球建設宜居建筑的經驗。

中國和歐空局倡議共同建設“國際月球村”,在月球建立能源長期供給和自主運行的科學設施。

3.2 國際合作

LOP-G項目將由美國牽頭,國際空間站各成員航天局開展合作,歐洲、日本、俄羅斯、加拿大等共同參與(可能的主要貢獻如下表所示),以國際空間站類似的國際合作模式建造和運行LOP-G,即減輕了美國的資金壓力,又可以利用各航天強國的技術優勢。

NASA將研制SLS重型火箭,將各國航天器送往LOP-GESAJAXARoscosmos將研制居住艙、氣閘艙和登月艙等。登月艙曾在阿波羅計劃中占經費的重要部分。

3.1主要航天機構可能將對LOP-G建設的主要貢獻

貢獻

建造經驗

主要貢獻

NASA

航天飛機、國際空間站、重型火箭、載人飛船

SLS、獵戶座飛船、服務艙等

Roscosmos

重型火箭、載人飛船、國際空間站俄羅斯艙等

氣閘艙,提供質子號(Proton-M)安加拉號(Angara-A5M)運載火箭

ESA

Spacelab空間實驗室、國際空間站哥倫布艙

居住艙、電力推進系統等,

登月艙上升段,月球車

JAXA

KIBO艙及其暴露平臺

居住艙等,

登月艙下降段

CSA

航天飛機和國際空間站的機械臂

機械臂,月球車

 

4.    LOP-G主要技術方案

4.1 主要結構組成

LOP-G主要結構包括居住艙DSH(Deep Space Habitat)動力與推進單元PPE(Power and Propulsion Element)、貨運艙、氣閘艙(Roskosmos)、獵戶座飛船Orion等,除了動力與推進艙具有動力系統可以由商業火箭發射,其它模塊將主要由SLS發射201710月俄羅斯提出的模塊還包括歐洲在軌加注和通信設施ESPRIT、機器人月面著陸器RLLPTK/Federatsiya載人飛船(Roskosmos)等。

2017年時LOP-G設計為兩個居住艙的結構(后來經過協商改為了一個居住艙),如下圖所示。

 

5.1 LOP-G主要結構示意圖(兩艙)

5.2 Boeing構想的LOP-G示意圖(2017

4.1.1 居住艙

4.1.1.1 概述

2012NASA提出了深空居住艙(DSH)的概念設計,是人類近地軌道以遠在月球附近長期生活和工作的第一個太空艙,支持4名航天員,作為LOP-G的一個艙段。獵戶座飛船將對接居住艙,在EM-3任務運送至LOP-G。將于2023年發射居住艙,并進一步增強科學、探索和合作(商業和國際)利用的能力。

4.1.1.2 早期概念

DSH早期概念包括60天和500天任務配置,由國際空間站ISS研制產生的裝備、獵戶座飛船、各種支持飛船組成,居住艙至少配置一個標準國際對接系統IDSSDSH可以使航天員在太空安全生活和工作一年時間,探索地月空間和一些近地小行星,獲得設計長期太空生存可居住艙體的經驗,用于載人火星探測和載人小行星探測等。

深空居住艙DSH早期的兩種配置模式包括:

1)      HAB/MPLM

60天任務:由低溫推進段CPSISS命運號改進實驗艙(包括航天員居住和ECLSS部分)、氣閘艙/通道組成。任務專用支持飛船FlexCraft或多任務太空探索飛行器MMSEV將停靠至氣閘艙/通道。

500天任務:與60天同樣的航天員艙和航天員數量。擴展任務期間增加多功能后勤艙MPLM,提供額外補給空間,將導致質量增加。不包括CPS的情況下長56英尺,直徑16英尺。具有CPS500HAB/MPLM如下圖所示。

5.3 具有低溫推進段的500HAB/MPLM

5.4 ISS而來的深空居住艙HAB/MPLM示意圖

2)      MPLM/Node 1

60天任務:包括CPSMPLM、通用通道/氣閘艙、節點艙 4等,可以對接不只一個FlexCraftMMSEV

500天任務:可以在飛行器前對接第二個MPLM,節點艙部分增加穹頂艙(Cupola)

4.1.1.3 艙段設計過程

經過國際空間站合作機構的數年協商,2016年底形成了居住艙概念。2017年初,官方稱為CTH(Cis-lunar Transit Habitat),設計了兩個相同艙段,Hab-1Hab-2,如下圖所示。

5.5 2017年初的兩艙設計示意圖

地月空間站LOP-G居住艙的設計比國際空間站的艙段更緊湊,主要指標如下表所示。

5.1  地月居住艙概念指標(2017年初)

屬性

指標

最大飛行器質量

7,390 千克

直徑

: 4.2米,外: 4.5

全長

5.96

壓力艙容積

63.7 立方米

對接口數量

4

乘員

4(標稱)6(兩艙最大可能)

運載工具

太空發射系統SLS

 

20173月由多邊協調委員會MCB提出的方案里取消了第二艙,因此月球空間站將失去很大一部分居住空間和后勤貨運能力,包括對接口等。NASA載人航天工程負責人Bill Gerstenmaier強調,只要一個合作伙伴能夠提供艙段,NASA將希望LOP-G具有第二個艙。20175月,加拿大召開的國際空間站合作機構會議上,日本團隊正式要求恢復第二個艙段。

為了彌補第二個艙段的取消,工程師們想了各種辦法,鑒于SLS火箭艙體的空間夠用,可以擴大剩下的一個居住艙結構空間,并考慮了各種艙體幾何形狀。在20178月諾德韋克會議,IECSTISWG工作組的第三次聯席會上,解決了艙段問題,合作機構同意增加居住艙空間。將居住艙延拉伸大約1米,使筒狀結構的長度保持在大約5米,總加壓容積76立方米,主通道區域可居住容積26立方米,核心系統容積9立方米,任務期間為設備保留的容積23.5立方米。居住艙的其它特征如下表所示。艙體的這一擴充將導致制冷系統改變,甚至影響電力供應系統等需要相應改變。工程師建議在徑向對接口上增加專用拉桿,以加強艙體結構,并為科學實驗設備增加更多的被動連接器。

5.2  居住艙其它指標201710月)

特征屬性

說明

停泊口數量

兩個徑向和兩個軸向端口

生命支持系統

開環回路

航天員支持能力

30天月球軌道

 

居住艙能夠支持航天員在月球軌道附近至少30天的生存能力,獵戶座飛船停靠時航天員進行工作的示意圖如下圖所示。

5.6 NextSTEP概念居住艙停靠獵戶座飛船示意圖(Lockheed Martin

 

日本和歐洲并行研究各自的艙段,概念比較如下表所示。鑒于ESAJAXA的重要角色,IECST建議隨后舉行見面會,研發一個國際居住艙概念。日本提出密閉生命支持的環境控制與生命保障系統ECLSS,可以支持任務超過35天,但是還沒有在國際空間站進行完整測試和驗證,只能為工程后期的深空運輸系統DST等實際使用。

5.3  LOP-G歐洲和日本艙概念比較(20178月)

屬性

日本

ESA

直徑

4.2

4.2

艙體長度

4.9

5.095

凈質量

7,793千克

7,400千克

發射()質量

8,737 千克

大約9,000千克

可居住容積

78.1立方米

大約76立方米

 

4.1.1.3 內部設計

艙內配置先進的生命支持、熱控、通信、導航、電力供應和安全防火系統,有航天員個人睡覺休息的居住區,為了節約空間,居住區可能使用充氣式設計。

由于空間太小,國際空間站的標準機柜并不適用于DSH,需要縮減質量研發新的機柜系統。目前尚未確定先完成艙內配置后再進行發射,還是在飛行中進行配置。

4.1.1.4 概念原型研究

2015NASA通過NextSTEP資助了多種類型的深空居住艙概念研究,有助于NASA決定LOP-G居住艙的最終設計方式,該合同將于2019財年授予。航天員可以一次在深空環境的居住艙工作和生活達3060天之久。20173月完成了NextSTEP 1的深空居住艙概念研發,目前正在進行NextSTEP 2,未來還將計劃進行NextSTEP 3,將結束深空居住艙和居住系統的部署及運行的相關研究。

通過NextSTEP-2 廣泛征集,NASA選擇了6家公司進行原型和概念開發,目標是應用于深空居住艙,具體說明如下表所示。

5.4  NextSTEP-2選擇的6家公司

公司

目標

示意圖

說明

畢格羅宇航公司(Bigelow Aerospace)

研發并測試可擴展畢格羅先進增強空間站XBASE原型,330m3的可擴展居住艙,將對接到ISS,作為深空探測技術的測試平臺。

XBASE停靠在ISS

波音公司(Boeing

利用15年多ISS設計、研發、在軌組裝、安全運行的經驗,研發一個模塊化居住系統。開發NASA長期深空載人探測任務的參考架構。

 

洛克希德馬丁公司 (Lockheed Martin)

升級多用途貨運艙,就像航天飛機上用來攜帶設備和補給空間站的一樣,成為一個完整的居住艙原型,包括集成電子設備和ECLSS

 

軌道ATK公司(Orbital ATK

基于當前服務國際空間站的天鵝座(Cygnus)飛船,使最初地月空間居住艙概念的任務架構和設計逐漸成熟。

基于天鵝座(Cygnus)飛船

內華達公司路易斯維爾空間系統(Sierra Nevada Louisville)

為深空居住艙研究靈活架構并改進運行概念,利用34次商業發射,構建一個模塊化的長期居住艙。

基于追夢者(Dream Chaser)貨艙

NanoRacks

將現有運載火箭上面級或推進段改造為壓力居住空間,進行全面的可行性研究。

運載火箭上面級改造為居住艙

這六個合作公司將有大約24個月時間研發地面原型和/或進行概念研究。合同資助金額取決于協商情況,NASA估算了資助總額,涵蓋20162017年兩年工作,將達到大約6500萬美元/年,資助將持續到2018年。選定的合作公司需要至少貢獻總研發成本的30%

洛克希德馬丁公司在休斯頓成立了深空電子集成實驗室,演示驗證LOP-G與獵戶座飛船之間的指令與控制等。該實驗室將有利于降低與LOP-G部件關鍵數據接口相關的風險,為航天員提供各種任務場景的訓練環境。

4.1.2 貨運

NASA計劃至少一個發射貨運,用于月球空間站上的科學實驗和貨物運輸、補給等,安裝加拿大建造的機械臂,將在EM-4任務發射。貨運艙主要特征說明見下表。

5.5  貨運艙說明

特征

說明

發射模式

SLS火箭驗證或者由較小火箭發射

壓力艙內貨物容量

4,200千克(SLS發射)2,500千克

非壓力艙載貨量

1,175千克

任務結束模式

自行處置

 

4.1.3 氣閘艙

氣閘艙用于月球空間站進行艙外太空行走等,支持科學活動,是DST的停泊位置,將在EM-5任務發射。俄羅斯氣閘艙的特征和設計如下表所示,結構如下圖所示。

5.6  俄羅斯氣閘艙

特征

說明

架構

兩個隔離室,允許緊急進入

航天服支持

俄羅斯和美國航天服可用于備份

停泊點

一個頂向(朝向天空)一個軸向(面向空間)停泊口

航天員艙室

最低點(面向空間)隔間

5.7 國際載人平臺IMP提出的俄羅斯氣閘艙外部結構設計(2016)

4.1.4 獵戶座飛船

NASA花了近二十年時間設計和研發深空探測載人飛船,現在的獵戶座飛船Orion是基于“星座計劃”的獵戶座航天員探索飛行器發展而來,主要由洛克希德·馬丁公司負責設計和制造,面向載人火星探測和載人小行星探測。目前獵戶座飛船的指令艙正由洛克希德·馬丁公司建造,服務艙由歐空局提供。獵戶座飛船可以攜帶4名航天員,能夠承受月球或火星軌道的再入速度,將由SLS火箭發射,部分月球空間站部件將和獵戶座飛船一起搭載運至月球附近。

獵戶座飛船系統包括載人探測飛船(CEV)和貨物運載火箭(CLV),載人飛船由服務艙、乘員艙、逃逸塔和飛船適配器組成,外形如下圖所示。

5.8 獵戶座飛船Orion(NASA)

獵戶座飛船、居住艙和動力與推進艙的在軌飛行和對接示意圖如下圖所示。獵戶座飛船將居住艙停靠在動力與推進艙,然后分離。

 

5.9 獵戶座飛船和居住艙停靠在動力與推進艙(左),獵戶座飛船從居住艙分離(右)

 

4.1.5 動力與推進艙PPB

4.1.5.1 最初設計

2016年原計劃組裝前哨站時首先發射動力與推進艙PPB(Power and Propulsion Bus),考慮軌道機動,為未來的居住艙提供電力和通信功能。2016年時PPB的結構設計包括兩部分,太陽能電推進模塊SEP和通信模塊,最小化航天器內外系統之間的所有接口。

 

5.10 PPB示意圖(左圖:201610月,右圖:20175)

主要指標如下表所示。

5.7 動力與推進艙主要指標

特征

指標

太陽能電池板供電能力

任務開始65-70 kW

電推進能力

運行時26.6kW

發動機數量和功率

413.3kW, 115-20kW

氙裝載量

大約1,200 kg

肼裝載量

400 kg

 

20173月,根據多邊協調委員會MCB發布的新發射方案,將動力與推進艙的發射從獵戶座飛船的EM-3調整至EM-2任務,預計2022年發射。

4.1.5.2 分為兩艙

為保障生命支持和未來前哨站的穩定運行,需要在軌加注燃料,然而對于LOP-G來說加注燃料并非易事。前哨站依靠由氙驅動的電力推進,為防止液態氙升溫,從加注飛船到空間站的傳輸速度非常慢,抽取幾百千克氙需要數月時間。需要特殊制冷系統,但是又將對質量要求產生影響。

20175月蒙特利爾會議上,國際空間站合作機構權衡了各種拆分的利弊,討論了拆分動力與推進艙PPB艙事宜。作為在軌加注燃料的替代方案,ESA工程人員提出將動力與推進艙PPB分為兩部分,動力與推進艙和貨運通信應用艙LCUB

4.1.5.3 動力與推進單元PPE

動力與推進艙拆分的一部分為推進單元,基于NASA為小行星抓取任務ARM設計的飛船,并由歐洲霍爾效應輔助推進器eHEAT進行升級,氙推進劑最高可達2.2噸。

20178月,形成了動力與推進艙的專門工作團隊,利用小行星采樣返回任務的設計經驗,進行艙體設計和電推進系統設計。2017年底,PPB改名為動力與推進單元PPEPower and Propulsion Element),用于為LOP-G產生電力和離子推進。PPELOP-G最初的部件,計劃2022年由商業運載工具進行發射。PPE使用先進的大功率太陽能電力推進裝置,質量大約為89噸,可以產生50kW太陽能電力,用于離子推進系統進行機動控制,可以由化學推進支持。PPE將維持LOP-G的軌道位置,可以使其在月球軌道之間轉移,最大化科學與探索的運行效益。

PPE將為LOP-G提供高速率和高可靠通信,包括從太空到地球、從太空到月球的上下和下行、飛船之間交互通信、以及太空行走期間的通信,最終通過光通信驗證,利用激光比傳統射頻系統更高的速率傳輸大數據量。

4.1.5.4 貨運通信應用艙LCUB

動力與推進艙拆分的另一部分為貨運通信應用艙LCUB(Logistics Communication and Utilization Bay),將安裝加拿大制造的機械臂、用于科學實驗的氣閘艙、以及通信設備,可以對接LOP-G的居住艙。LCUB設計足夠輕,以便利用標準火箭可以發射,例如歐洲的阿里安六號運載火箭。將在EM-2任務部署調整簡化后的PPE后進行發射。

LCUB將永久性對接在地月空間站上,安裝在PPE和居住艙之間,在EM-3任務將由獵戶座飛船將居住艙運送至此。LCUB仍然作為加注燃料的飛行器,將攜帶1100kg燃料,如果證明可行,可以采取傳統方法進行推進劑轉移。為避免在兩艙之間抽送不穩定的氙燃料,可以采用可替換的“插件推進劑容器。

如果沒必要重新加注燃料,LCUB可以作為大型氣閘艙,也可以作為加壓貨艙,長3米,直徑2米,提供8立方米加壓體積,可容納1070kg物品。

4.1.5.5 概念原型研究

格倫研究中心是NASAPPE的領導研究中心,目前計劃向商業研發人員提供資金,使其能夠獨立地建造PPE,并在地月空間飛行一年進行任務演示。最初由格倫中心發布“PPE太空飛行演示”源想法概要,之后在2019年財政預算申請提交后進行了修訂。

5.11  PPE與停泊到LOP-GOrion(Credit: Nathan Koga for NSF/L2)

201711月,NASA安排了5項研究,持續4個月,研發動力與推進單元PPE,按照私人公司計劃,預算240萬美元。這些商業私人公司包括波音、洛克希德馬丁、軌道ATK公司、內華達山脈和勞拉空間系統公司。這些資助是2016NextSTEP-2資助項目的延續,研發居住艙的地面原型,可以用于LOP-G和其它商業應用。LOP-G也可能包含NextSTEP研發的部件。NASA將利用商業衛星公司的能力和計劃,建造下一代電推進飛船。

在現有商業PPE的研究完成后不久,該計劃將發布對PPE及其演示驗證任務的征集。后續幾個月,NASA將為PPE研發和太空飛行驗證尋求建議。除了啟動和自主LOP-G項目, 2019財年預算申請也提出了PPE專門的商業發射。之前計劃利用EM-2SLS發射,在預算提交國會一周后,進行修改,資助獲得者將有權選擇PPE發射供應商。目前,將于2022年發射PPE,最快20228月發射準備就緒,同時,NASA接下來幾個月計劃提出PPE及其演示任務提案征集,仲夏時節獲得提案建議。從EM-2清單中移除PPE后,NASA重新評估,EM-2保留獵戶座的首次載人飛行,正在考慮將LOP-G居住艙移至EM-22019財年預算概圖中已經顯示為“EM-2 (EUS, LOP-G Hab)”。任務剖面圖上移并取代目前EM-2測試飛行,相應獵戶座飛行也需要前移。

獵戶座對接至居住艙,啟動引擎進入與PPE同樣的月球暈軌道,飛船和航天員與PPE進行交會對接,然后將居住艙留在空間站作為第二個單元,駐留一定時間后,獵戶座和航天員將離開月球軌道返回地球。

4.1.6 ESPRIT

2017年中旬LCUB重新命名為歐洲在軌加注和通信艙ESPRIT,攜帶氙和肼儲存箱,直接連接到動力與推進艙的推進系統。利用ESPRIT可以測試給對接的航天器在軌加注的能力,這是后期載人火星探測的DST所需要的。

ESPRIT概念是20178月諾德韋克會議公開的,ESANASA公布了ESPRIT艙的近期配置,及其相關氣閘概念,JAXA響應了HTV-X服務艙早期想法,在阿里安六號運載火箭(Ariane-6)發射后將ESPRIT運至目的地。諾德韋克會議上,合作者同意從PPB上取消科學氣閘艙,移至ESPRIT艙上,該氣閘艙用于將實驗和其它載荷從空間站內部運到暴露的外太空真空環境。ESPRIT艙的最初概念如下圖所示,發射說明見下表。

5.12 20179ESPRIT艙的最初概念

 

5.8 2017年中期ESPRIT(亦稱LCUB)說明

屬性

說明

在軌質量

大約4

發射質量Ariane-64/HTV-X服務艙

7.4

發射質量Atlas-5/商業服務艙

6

研發

ESA

 

ESPRIT艙在面向推進艙的一面有一個“主動”接口,通過IDSS對接機構與PPE對接,可以抽運推進劑,加注燃料,為PPE提供額外推進。面向居住艙的一側具有“被動”接口。艙體上可以有存儲臨時貨物的第三個對接口,但不能為其加注燃料。設計工程師考慮了在其艙外安裝專門的載荷適配器,包括相機和其它載荷儀器。

ESPRIT艙安裝了通信天線,用于與月面設備保持聯系,以及S波段接收機,用于與飛船之前間通信。還安裝了與地球之間的高數據率通信鏈路,可以利用ESPRIT作為地球與月面設備之間的中繼站。

ESPRIT將和基于日本HTV的拖船或者私人公司承包商提供的飛行器一起發射,發射質量在60007400kg之間,需要利用Atlas-5Ariane-6火箭。ESPRIT可以在居住艙發射前或發射后在軌飛行(原計劃地月空間居住艙利用2023年或2024EM-3任務的獵戶座飛船),如果EM-3任務發射ESPRIT,將利用獵戶座飛船在月球軌道從推進艙上移開居住艙,使ESPRIT停泊在其位置,ESPRIT的太空拖船不再使用后,獵戶座飛船將使居住艙重新對接至ESPRIT

4.1.7 新一代月球著陸器

俄羅斯根據2016年開始的10年太空計劃,研發新一代登月飛行器,可以將4名航天員送至月面并返回,并且可以作為月球軌道上的可重用飛船。2016年制定的月球著陸器幾個概念之一是如下表所示,外形如下圖所示。

5.13俄羅斯登月艙概念示意圖(2016

5.9 月球著陸器說明

特征

最初版本

重型版本

月球軌道飛船質量

20

27

航天員

2

4

運到月球表面的貨物

100 kg

達到 625 kg

無人模式飛行時間

190

190

航天員駐留月表時間

3

14

支持人數/艙外活動

4

21

直徑

5.5

5.5

長度

11

11

 

同時,NASA再一次聚焦月面返回,發布了信息需求征集RFI,從私人/商業空間組織征尋興趣,構建美國月球著陸器,指出了概念演進、培育載人級別工具開發之前利用小型著陸器驗證技術。在星座計劃時代,NASA計劃建造自己的載人著陸器,成為“牽牛星Altair(200712NASA將月面著陸器正式取名為“牽牛星號”),由戰神五號運載火箭(Ares V)發射,后來變成了太空發射系統SLS。星座計劃取消后,探索系統開發ESD概念繼續在架構設計參考任務DRM下將重返月球與主要近地小行星任務一起列出。

商業月球載荷服務CLPS將支持小型巡視器和儀器開發滿足月球科學與探索需求。NASA計劃2018年中期針對CLPS發布項目建議書征集,希望資助短期商業登陸月球的載荷機會。分階段將導致一系列日益復雜的月面任務,先從機器人任務開始。NASA增加這一方案將與科學月球探索合作,并于SLSOrion以及LOP-G單元的研發和飛行并行。

RFI還提到了NASA月球貨物運輸和軟著陸系統CATALYST,致力于促進增強商業月球登陸的能力。

5.14 AltairOrionAres V上飛往月球

NASA將研發月面機器人,并開始了載人登陸器的概念研發,將實現載人返回科學與探索目標。NASA探索任務與合作伙伴也支持將人類送到太陽系更遠的地方。最新信息表明,在500-5000kg范圍帶有載荷的一系列中大型著陸器正在進行需求開發,并在未來十年研究載人著陸器的方法。

NASA假設在接下來4-7年里將資助有兩個演示驗證的著陸器,運送大約500kg載荷。另外這些著陸器將計劃許多小著陸任務。這些演示驗證任務將為載人著陸器驗證關鍵需求,例如著陸精度、長期生存能力、制導和導航。關于載人重返月球的時間安排,NASA有一個目標,到2020年代末完成這些載人著陸器的能力初步演示。

4.2 運行于NRHO軌道

LOP-G月球空間站將運行于直線軌道NRHO軌道。NRHO軌道是拉格朗日點halo軌道族中的一員,是一種特殊的暈軌道,軌道周期68天,繞拉格朗日點做大橢圓運動,近點距離2000km左右,遠點距離75000km左右,軌道面幾乎垂直于地月系平面。如下圖所示。

5.15 地月L1L2點的NRHO軌道

NRHO軌道在地月空間探測方面具有一些獨特優勢,包括:

NRHO可以很容易作為地月轉移的過渡軌道,從NRHO進入月球極地軌道只需要730m/s的速度增量,耗時12小時左右,明顯優于其它過渡軌道,而保持軌道所需的速度增量每年小于10m/s

NRHO軌道上的載人飛船與地球間的通信不受月球屏蔽干擾。

NRHO軌道對飛船熱控系統的要求相對要少。

NRHO軌道作為月球與深空探測的中轉,比地月L2點更有優勢。將各種地月軌道之間的轉移限制在200天,推進劑需求如下表所示。假定不載人時計算軌道轉移的推進劑需求,利用太陽能推進系統SEP,空間站維持按每年30天載人,其它時間無航天員,同樣利用SEP推進系統。假如維持空間站15年運行,需要900kg推進劑。

5.10  地月空間ΔV和推進劑估計需求

 

NRHOL2 Halo

NRHO

DRO

DRONRHO

DROL2

Halo

轉移ΔV

145 m/s

150 m/s

150 m/s

80 m/s

單程飛行時間

85 days

200 days

200 days

200 days

SEP轉移推進劑

150 kg

150 kg

150 kg

80 kg

在目的地軌道每年空間站優化閑置維持的ΔV

6-60 m/s

0 m/s

5-30 m/s

6-60 m/s

SEP空間站每年在目的地軌道維持的推進劑

10-60 kg

~0 kg

10-30 kg

10-60 kg

獵戶座飛船第一次載人飛行的任務剖面如下圖所示。

5.16  獵戶座飛船第一次載人飛行任務剖面圖

5.    未來發展路線規劃

在月球附近建立靈活、可重用、可持續的基礎設施將分多個階段,持續數十年,支持復雜性不斷增加的任務。前幾次任務,在月球軌道建立航天員維護的太空站,作為門戶為深空和月球表面任務提供服務。經過ISS測試和驗證具備載人深空探測的能力后,將分別實施月球附近LOP-G月球空間站和“深空運輸系統”DST任務,進一步載人飛向火星,實現火星環繞探測和載人登陸。LOP-G將作為載人深空探測的中轉和前哨站,對飛船進行在軌維護和補給等。

5.1 未來發展路線圖

近年,NASA提出多個從近地國際空間站到未來載人火星探測的載人航天戰略發展規劃,已經取消的小行星重定向計劃和現在特朗普政府的LOP-G項目都是以載人火星探測為目標。2020年代后將在月球附近建設并運行LOP-G和深空運輸系統DST,實現載人月球探測,2030年代后將離開地月系統,到達火星軌道,實現載人火星探測。下圖為NASA分階段探索的示意圖。

5.7 NASA分階段探索示意圖[22]

Phase 0階段利用國際空間站進行近地軌道以遠的載人航天探索測試,Phase 12階段在月球附近進行地月空間探測任務,組裝LOP-GDST,驗證DST的火星探測技術,Phase 34階段將利用前期階段獲得的經驗,開展火星附近及火星表面探測任務。

具體將在2020年進行月球附近LOP-G系統首次集成,2023年實施載人任務,利用盡可能的公/私合作伙伴關系,利用太空制造技術等,提取和處理從月球或火星過程資源,進行原位資源利用。各階段發展的路線圖如下圖所示。

6.1  載人深空探測發展路線規劃

JAXA針對LOP-G提出了15年后的愿景和概念,研發載人月球著陸器,利用美國和俄羅斯的重型火箭與載人飛船,將LOP-G作為月表探測任務的中轉站,計劃于2030年實現月球著陸與返回,概念示意圖如下圖所示。

4.2 JAXA針對LOP-G提出的概念示意圖

5.2 第一階段

太空發射系統SLS對于未來深空探測具有不可替代的重要作用,在EM-1以后將進行載人飛行,并將LOP-G部件運送至月球附近。SLS可以根據芯級、助推器、上面級等部分的不同組合,實現不同的火箭構型,3個基準構型分別是SLS 1型、SLS 1B型和SLS 2型,分階段提高運載能力。在SLSBlock 1完成EM-1配置發射后,2018–2019年,將設計Block 1B,發射木衛二快舟(Europa Clipper)機器人飛行器,之后陸續進行EM-2EM-8任務。Block 1B使SLS可以攜帶航天員或41噸多的貨物配置,具備向月球附近運送10噸左右CMP(co-manifested payloads)載荷的能力。LOP-G在軌示意圖如下圖所示。

6.2 LOP-G第一階段在軌示意圖

第一階段(Phase 1)主要包括EM-2EM-5任務,完成人類在地月空間生存和往返的任務驗證。將于2023年由EM-2將向月球附近運送LOP-G的第一個大型部件,40kW太陽能電推進艙。之后每年一至兩次SLS發射,向LOP-G運送居住艙和支持模塊,將該設施逐漸組裝成為有能力支持火星任務的前哨站。第一階段LOP-G組裝過程如下圖所示,前哨站支持各種月球軌道之間轉移,并支持月面著陸。

6.3 20173MCB提出的月球空間站組裝過程示意圖

20175月加拿大蒙特利爾會議上,IECSTISWG再次會面,與會人員批評MCB計劃在承載量、貨運與任務持續時間上與合作機構草擬的安排不匹配,此時蒙特利爾會議時深空門戶的組裝序列如下圖所示。

6.4 蒙特利爾會議時深空門戶的組裝序列

5.3 第二和第三階段

第二階段(Phase 2)包括EM-6EM-9任務,將主要執行載人登月活動,在軌示意圖如下圖所示。

6.5 LOP-G和深空運輸系統DSTPhase 2在軌示意圖

第三階段(Phase 3)將主要執行火星探測任務。2029年將進行到火星的驗證飛行,航天員在月球附近駐留大約一年,模擬飛往火星的旅程。EM-10EM-11任務將進行火星往返和火星探測,并返回HRHO軌道的LOP-G進行補給。

EM-6任務及其后的第二和第三階段的任務計劃如下圖所示。

6.6 第二和第三階段計劃[12]

5.4 第四階段

第四階段(Phase 4)將實現載人登陸火星和火星表面探測,實施火星表面居住艙支持500天駐留,供電能力達到40kW,配置EVA/航天員移動系統(100千米)。如果進展順利,航天員將于2030年代中期飛往火星,該任務將持續三年,借助金星引力飛往火星系統。

5.5 EM任務序列

20173MCB設想的OrionSLSLOP-G項目飛行序列如下表所示。可以看出LOP-G項目從EM-2任務開始組裝,EM-2EM-3EM-4EM-5EM-7EM-9EM-11將實施載人飛行。EM-1任務發射SLS,驗證低溫推進段ICPSEM-2進行多次地月轉移入軌MTLI。在EM任務序列中間穿插執行五次近月支持飛行CSF LM任務,支持EM任務貨運。

6.1  OrionSLSLOP-G項目的飛行序列

任務

發射時間

持續時間*

載荷/目的地/任務

發射

EM-1

2018.11

26-40

測試不載人飛行至月球,DRO軌道

SLS/ICPS

Europa Clipper

2021(?)

-

SLS不載人發射,飛往木星

SLS/Block-1B

EM-2

2022-2023

8-21

Orion飛越月球,4名乘員,執行MTLI14-21天飛行自由返回,將PPE運至NRHO

SLS/Block-1B

EM-3

2024

16-26 (5)

Orion4名乘員,將居住艙運至NRHO,對接PPE

SLS/Block-1B

CSF LM-1

2024

-

非加壓貨運與加油運載工具,支持EM-3任務

TBD

CSF LM-2

2025

-

貨運飛行器攜帶2500kg加壓貨物,支持EM-4任務

TBD

EM-4

2025

26-41(30)

Orion4名乘員,一個10噸貨運艙,5.4貨物

SLS/Block-1B

EM-5

2026

26-41(30)

Orion4名乘員,氣閘艙NRHO軌道2.5貨物

SLS/Block-1B

EM-6

2027

-

DST運送至月球門戶

SLS/Block-1B cargo

EM-7

2027

191-221(180-210)

Orion4名乘員,SLS貨運艙,5400kg貨物,NRHO軌道的DST任務驗證

SLS

CSF LM-3

2027

-

2500 kg貨物支持EM-7任務

TBD

EM-8

2028/2029

-

DST飛行器貨運和補充燃料,將41噸送至TLI

SLS/Block-1B cargo

EM-9

2028/2029

300-400

Orion4名乘員,貨運艙停靠LOP-G,地月空間DST試驗航行

SLS/Block 2

CSF LM-4

2028/2029

-

支持EM-9任務貨運

TBD

EM-10

2030/2030以后

-

DST飛行器貨運和補充燃料,將45噸送至TLI

SLS/Block 2

EM-11

2030以后/2033

?

Orion4名乘員,貨運艙13噸貨物,進入火星軌道并返回NRHO

SLS/Block 2

CFS LM-5

2030以后

-

支持地月空間飛行

 

*括號里是在目的地的任務持續時間 

 

6.   基于LOP-G空間科學與應用

美國和歐洲分別召開研討會研究了基于LOP-G可以開展的高水平科學與應用研究項目,分析LOP-G資源需求,并開始征集LOP-G空間科學與應用的概念想法。

6.1適合開展的科學與應用領域

LOP-G的近月位置不一定是所有科學研究的理想位置,但航天員的有人參與和相關設施為十年際相關科學研究提供了機會。國際科學界提出科學白皮書SWP [7],涉及的學科主題包括:行星科學、空間科學、生命科學、天體生物學、天文、物理科學等。2018年底報告將提交NAS進行評審。

基于LOP-G的空間科學與應用可以使用居住艙、貨運艙、甚至動力與推進器等安裝科學載荷,結合LOP-G特點適合開展的主要研究領域包括:

天文觀測

采集行星際物質

太陽物理學

地球大氣

基礎物理

其它研究方向或能夠支持的技術領域包括:

LOP-G作為通信中繼站

利用遙控機器人開展月面科學探測,通過低延遲遙控機器人可以進入具有挑戰性的區域(例如,被永久遮擋的環形坑底部),進行月面巡視或安裝科學儀器

航天員輔助開展月球采樣返回,只需將樣品送到深空居住艙DSH,不需要將所有樣品送回地球,只部分樣品隨獵戶座載人飛船返回

為載人任務/機器人任務做準備,提供可重復利用的著陸器,作為燃料/維護站點

理解宇宙輻射/低重力的綜合效應

6.2 NASA LOP-G研討會

2018227日至31日,NASA在科羅拉多州的丹佛,主辦了為期三天的研討會,吸引科學界在概念研究階段研討如何利用LOP-G促進各領域產出新的科學發現,將促進在地月空間利用深空門戶進行各種科學研究。

研討的科學領域包括:地球觀測、太陽物理、天體物理與基礎物理、月球與行星科學,以及人體生理學、空間生物學、人類健康和表現等。

NASALOP-G研討會的指導委員會由執行委員會和科學顧問小組組成,包括來自NASA各中心的首席科學家和學科專家、科學界和ESA代表等。

6.3 ESA LOP-G研討會

20178月,歐空局發布了“深空門戶研究項目征集”,8月到10月在歐洲科學界進行國際地月空間站平臺門戶概念研究建議征集,125日和6日在荷蘭諾德韋克的歐洲空間研究與技術中心ESTEC進行了研討[26],主要學科領域包括:生命科學,太陽系、月球與地球科學,物理科學與天文,技術等,也接受教育和公眾參與項目。

通過咨詢研討,有助于ESA確定LOP-G的主要研究領域,將得到一個概念想法、調查結果、建議的綱要,說明實現所建議科學任務需要哪些支持。ESA將與國際合作伙伴和相關方討論利用機會,為設計和研發制定技術要求,指導未來研究機會發布(AO, Announcements of Opportunity)和研究征集。

6.4 地月拉格朗日點軌道站

6.4.1 地月拉格朗日點不同位置比較

將月球空間站放在不同的地月拉格朗日點將具有不同的優勢,如下表所示。

7.2 地月拉格朗日點在空間探測方面的意義

地月

位置

屬性

應用、角色

L1 (EML)

距月球58,000千米,

距地球325,000千米

不穩定,需要推進劑維持月球空間站的軌道穩定

將艙運送到月球

L2

月亮背面64,514千米

不穩定,需要推進劑維持月球空間站的軌道穩定

支持月面全球通信

L3

地月線上地球后面

不穩定,需要推進劑維持月球空間站的軌道穩定

-

L4

月球軌道上月球正面60

穩定,不需要軌道校正

-

L5

月球軌道上月球后面60

穩定,不需要軌道校正

-

 

*將月球空間站放置在地月拉格朗日L2點和近月軌道具有不同約束條件和探測優勢。

日地拉格朗日 (ESL) L1L2點位于日地連線上,距地球約150萬千米,對于科學探測具有不同優勢,L1點的主要應用方向是太陽天文學和地球觀測,L2點的主要應用方向是空間天文。

將空間站放置在近月軌道與地月拉格朗日L2點的比較,如下表所示。

7.3 近月軌道與拉格朗日點任務比較

特征

近月軌道LLO空間站

L2點空間站

從近地軌道到月球位置

受約束

受約束

從近地軌道到地球停泊軌道進動

受約束

受約束

從受月球軌道方向約束的近地軌道到地月線

受約束

不受約束

從地球軌道的飛行時間

更短

更長

月球遙感

更有效(?)

不太有效(?)

軌道穩定性、軌道維持

成本更高

成本更低

與月面通信

需要中繼系統

直接看到月球背面

與地球直接聯系

非常受限

無限制*

*放置在L2點附近暈軌道

 

2011年波音公司提出將"門戶"放置在L1L2點的一些合理理由,包括:

  • 近地以遠先期飛行的主要目的地

o    為獵戶座(Orion)聯盟號(Soyuz)飛船提供中期居住地

o    對輻射帶以外的環境特征進行早期分析

  • 對月球機器人進行"本地"控制

o    可以使用遠程機器人

o    研發對火星探測至關重要的ISRU遠程控制能力

  • 近地小行星探測的門戶通道

o    在啟程前對小行星飛船進行組裝、測試、檢測

o    使飛船質量最低,縮短到小行星往返航行的時間

  • 可重復利用月球著陸器的基地

o    重復使用昂貴的月球著陸器

o    使進入月球或隨時往返的任務更加靈活

  • 人類火星探測的門戶

o    在啟程前對火星飛船進行組裝、測試、檢驗等

o    使飛船質量最低,縮短與NEA之間往返航行的時間

o    核推進飛船安全軌道

 

7.    結論

NASAESARoscosmos等機構針對月球空間站進行了長期討論,目前已達成一致,共同建造LOP-G,作為國際空間站的后續任務,深空探測的前哨站,將引領世界載人深空探測發展。國際形勢復雜,受政治經濟影響,LOP-G的設計方案仍然存在變數,建造周期仍然難以確定。綜合分析雖然已經具備雄厚的技術積累和基礎,但仍然存在巨大挑戰。

由于LOP-GNASA主導,我國難以成為LOP-G主要參與成員。但未來地月空間的開發利用和探索也將是我國建造載人空間站以后載人航天發展的必然方向。

參考文獻

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