NASA想在月球軌道建長期基地 但國家預算只有0.5%

時隔五十年之後,美國國家航空航天局(NASA)想要再次將人類送上月球,並要在月球軌道上建立一個長期性的基地,這就是Gateway空間站項目。可以說月球是一個非常有耐心的地方。這裡曾經也是一個非常繁忙的地方。在距今久遠的形成早期,太空中各種碎片的不斷轟擊使月球表面留下了巨大的熔岩流,形成了所謂的海洋,並在其上留下了數千個存在至今的隕石坑。

撞擊最終停止,月球安靜下來,數十億年來它幾乎什麼也沒有發生。而隔壁的藍白色地球世界開始開始繁衍生息。

NASA想在月球軌道建長期基地 但國家預算只有0.5%

然後,在很短的時間內,月球上也出現了生命的足跡。從1968年12月到1972年12月,在短短四年的時間裡,九名來自地球的宇航人員繞著月球表面飛行,甚至在月球的古老地表上行走。在當時,這對於35億人身處地球的人來說,是偉大而又不可思議的壯舉。但對月球的探索戛然而止,他們突然停了下來。人類離開了,月球恢復了往日的安寧。

然而,這一切可能很快就會改變。這是美國五十年來的第一次——與私營企業和國際合作夥伴一道,承諾重返月球,並要在規定的時間內實現這一目標。 2017年12月,美國總統特朗普簽署了三項太空政策令中的第一項,將載人月球探測重新置於美國國家航空航天局議程的首位。有了這些政策,長期以來一直處於發展規劃階段的計劃有了新的緊迫性。而且這些計劃與美國人第一次登上月球的方式完全不同。

在之前的登月活動中,美國開展的是所謂的月球探測“旗幟和足跡模型”——宇航員乘坐一次性登月車在月球表面著陸,最多工作幾天,然後直接返回地球。而美國現在希望在月球表面和繞月軌道上建立長期的基地。新系統的核心部分將是美國國家航空航天局所稱的月球軌道平臺——Gateway,這個名字也包含了一個相對簡單的概念。正如美國國家航空航天局所想的那樣,Gateway將成為月球軌道上的一種小型空間站。

就像重達450噸的巨型國際空間站一樣,這個空間站也將在十幾個國家的合作下建成。現有的國際空間站由15個可居住模塊和大量太陽能電池板組成。相比之下,Gateway相對較小,重量約為75噸,僅由一個或兩個可居住的模塊組成,每個模塊的大小與校車相當。此外,Gateway還有一個用於動力和推進的可拆卸模塊、一個用於宇航員進行太空行走的氣鎖模塊以及一個用於航天器等設備的對接端口。

宇航員會乘坐美國國家航空航天局目前正在開發的獵戶座飛船抵達Gateway空間站。獵戶座飛船類似於此前的阿波羅宇宙飛船,但體積更大,功能也更強大。宇航員最多可以在Gateway空間站生活六個星期,這時的空間站會在距月面1200英里到47000英里的繞月軌道上運行。而在此期間,宇航員可以通過登月艙往返於月球表面,這類似於阿波羅時代的登月艙。然而,與舊的登月艙不同的是,新式設備可重複使用,因此,隨著時間的推移,它們的成本開支會更低廉。

當然,穩固的基地代價相當高昂。而且美國國家航空航天局的資金已經停止增長多年——每年不到200億美元,僅佔國家預算的0.5%。相比之下,在阿波羅時代的大部分時間裡,美國國家航空航天局的撥款都達到了總預算的4%。雖然私營企業在21世紀的太空探索中扮演著從未有過的重要角色,但硬件設施開發初始部分的成本依舊來自美國國家航空航天局的口袋。

根據目前的時間表,第一批空間站設備將在2022年通過無人火箭運往月球軌道——人類在2023年就可以在月球背面的軌道上進行獵戶座飛船的試飛,同年就可以入駐Gateway空間站。不久之後,這些宇航員就可以通過Gateway空間站往返月球表面。

“我們正在努力讓宇航員在2020年中期登陸月球——大概是在2025到2026年間,” 美國國家航空航天局人類探索和行動部門副署長比爾·格斯登梅爾(Bill Gerstenmaier)說。

如果美國國家航空航天局順利實現了在月球建立穩固基地的目標,也就意味著向下一個目標邁出了一大步:登陸火星。月球本身仍然是科學研究的豐富對象,但它也可以成為人類在火星站穩腳跟所需系統的關鍵試驗檯:火星車,棲息地,動力系統以及長期定居所必需的系統。

“月球作為登陸火星的試驗地具有很大的實踐意義,”喬治華盛頓大學太空政策研究所創始人約翰·洛格斯登(John Logsdon)說,“登陸火星之前,在距離地球只有三天路程的地方去體驗一下如何生活是一個好主意。畢竟前往火星至少需要八個月的時間。”

Gateway可以為登陸火星提供的不僅僅是技術,它也可以提供資源。月球是水、空氣和火箭燃料的現成來源,這要歸功於月球兩極沉積的冰,以及它的表層——或稱風化層——只是覆蓋著灰塵。宇航員可以輕而易舉地採集冰塊並將其運送到Gateway,其中一些可以作為水儲存,而另一部分水則可以分解成氫和氧。前往火星的宇航員可以在此停下來,為他們的長途旅行補充所需的物資,從而節省了將這些必需品從地球上運出的巨大成本。第二個居住模塊也可以停靠在Gateway上,火星宇航員也可以在往返火星的途中在空間站進行調整。

但是,即便大家一致認為重返月球是一個好主意,但並不是每個人都同意打造Gateway空間站這種方式。對於批評者來說,這個計劃聽起來就像是一個就業計劃和一筆融資——這種情況經常發生在新一屆政府剛剛上臺時,想要在太空發展上留下屬於自己的印記,僅僅因為它是新事物而夢想著新的東西。

“我們往往根據形勢做出這些決定,”前宇航員、Gateway空間站批評者特里·維爾茨(Terry Virts)說道,“我們將建造這樣一個東西,然後我們會覺得我們必須使用它。我們短期內的目標是登陸月球,長期目標是登陸火星。但我們不需要一個Gateway來完成這兩件事。”

更重要的是,Gateway空間站遠比阿波羅登月計劃更為複雜,後者僅涉及三個關鍵部分:土星五號火箭,阿波羅軌道飛行器和登月艙。近幾十年來,美國國家航空航天局甚至還沒有能夠完成人類在深空探測中所做的基本工作。獵戶座宇宙飛船和太空發射系統(SLS)自2004年以來一直在艱難前行,首次發射日期也一再被推遲。即使新的航天器和太空火箭投入使用,美國國家航空航天局計劃的僅僅是每隔一年發射一次。相比之下,阿波羅飛船和土星五號在1968年至1972年間就進行了10次載人飛行。

洛格斯登表示,按照目前太空計劃的緩慢進度而言, “我們能夠如期完成Gateway空間站將是一個很大的挑戰。”

美國國家航空航天局之前就已經聽過這一切,並堅持認為這次的情況確實有所不同。“你已經可以親手感覺到第一個準備飛行的獵戶座宇宙飛船上,” 格斯登梅爾說。他補充道,太空發射系統SLS也“已經準備好了。所有的設備都已經準備就緒。”

然而,設備間裡的硬件設備並不是發射臺的硬件設備——更不用說月球軌道了。在穿越長距離的深空之前,必須克服許多障礙。

起初的Gateway空間站項目並沒有考慮到月球。當美國前總統奧巴馬就職時,他接手的是一個資金不足、進度落後的登月計劃,這一計劃是前總統喬治·W·布什(George W. Bush)在2004年發起的,更像是老的阿波羅計劃(Apollo program)。在總統競選期間就對太空政策沒什麼興趣的奧巴馬取消了布什計劃,包括開發獵戶座宇宙飛船和太空發射系統SLS。 (火箭當時被命名為Ares V.)但是這兩個項目與佛羅里達州和德克薩斯州兩個美國太空界主力州的利益交叉,,有可能會影響到奧巴馬的立法願望和連任計劃,因此最終在國會的壓力下做出讓步,保留了太空計劃。

然而,月球將不再是目標。相反,美國國家航空航天局將嘗試使用無人宇宙飛船尋找一顆小型小行星,將其重新安置到到高月球軌道,在附近建造一個小型空間站,並將宇航員送到空間站,然後降落到小行星上研究它。這個不可思議的想法——被稱為小行星重定向任務——從未通過論證。在奧巴馬的第二個任期,美國政府悄悄放棄了該計劃,指示美國國家航空航天局在2030年之前將注意力集中在如何把宇航員送上火星。Gateway仍然是登陸火星新計劃的一部分。

2017年,特朗普擱置了登陸火星的計劃,並用登月取而代之。然而,Gateway是一個已經開始實施的計劃,依舊保持運行。美國國家航空航天局和美國政府堅持認為它適合新的登月計劃,但這並不是一個簡單的案例。一艘駛往火星的宇宙飛船可以在月球上停下來尋找天然氣和物資,但其接下來的航程仍超過99%。相比之下,在Gateway停留的登月艙已經完成了99%的旅程。

對於洛格斯登來說,保留Gateway是一種事後推理。它在現有的計劃中,即使我們不需要它,我們也要利用它。“問題是,如果以前登陸火星不是目標,你還會有Gateway嗎?”他問道。

美國國家航空航天局對此的回答是肯定的,並特別指出,Gateway使得登月的選擇性遠比阿波羅要大得多。在登月艙分離並朝下飛行之前,阿波羅飛船在離月球表面約60英里的地方繞著月球盤旋。Gateway將在太空中以接近直線的方式飛行,稱為近直線光環軌道(NRHO)。這意味著一個大的蛋形軌道,大致從北到南繞著月球飛行。

這種不規則的形狀和定位使軌道具有特殊的性能。由於地球和月球在太空中的那個點之間存在一種重力平衡,所以只需要一點點燃料即可將軌道調整到幾乎任何角度。在Gateway的幫助下,宇航員只需確定想要降落的位置,定位飛行軌道就可以飛過那個地方,然後將登月艙降下去。通過這種方式,宇航員甚至可以探索月球的遠端和兩極,這是阿波羅計劃沒有去過的地方。

“Gateway讓我們可以造訪月球的更多地方,”布里登斯廷說。 “在阿波羅時代,所有六次登陸月球都發生在赤道地區。想象一下,你想要探索地球,所以嚮明尼蘇達州發射了一個登陸艙。這會告訴你撒哈拉以南的非洲有什麼嗎?”

美國國家航空航天局人類探索與行動委員會主席,前宇航員肯·鮑爾索克斯(Ken Bowersox)則認為,一個像Gateway一樣靈活的出發點不僅可以實現更雄心勃勃的任務,還可以鼓勵他們。 “這就像是登山的大本營,”他說,“當你建造它時,人們會想要走得更高,而且他們會去更高的地方。”

然後,一些更高的目標涉及新技術的發展。需要讓Gateway在軌道上自由移動的輕觸式火箭推力意味著減少對傳統化學發動機的依賴,因為化學發動機會消耗大量燃料,增加大量重量,並花費大量金錢。相反,美國國家航空航天局將加速發展所謂的太陽能電力推進系統(SEP)——一種利用太陽能為氙氣充電的系統,然後氙氣並不是在轟鳴的火焰燃燒,而是以精細、無聲的氣流離開飛船推進系統。其產生的推力很小,能夠使飛船穩定但逐漸加速,這意味著可能需要數週甚至數月時間才能完成調整軌道並飛越您想要降落的地方。但是對於宇航員來說,探索月球的新區域還需要幾個月的準備時間,所以當宇航員正在訓練並且登月艙準備就緒的過程中,Gateway空間站有時間可以慢慢調整。

今年春天,美國國家航空航天局邀請包括大型工業企業洛克希德馬丁公司和波音公司在內的五家公司提交了Gateway空間站的太陽能推進模塊計劃,並希望在今年年底前簽訂合同。該模塊將於2022年首先升空,隨後是2023年的居住模塊——其重量較輕,其技術要歸功於建造國際空間站15個模塊所積累的經驗。當然,Gateway在成為月球探索大本營之前需要更多的設備。除了對接端口和將要連接到居住模塊的宇航員太空行走空氣鎖之外,它還需要機器人和載人登月艙,以及用於處理和轉換從月球採集的水之類的艦載系統。

這些設備中的一部分功能現在只是設想,甚至美國國家航空航天局也承認了這一點。將水分解為氫氣和氧氣很容易,但如果你想以經濟實惠的方式進行大批量轉換,那麼就有待商榷了。例如,月球上的冰可能與表面的土壤混合在一起,沒有人知道冰裡面到底有多少雜質。

“或許月球上的冰會像黃金一樣罕見,然後你必須移動大量的風化層來獲取水,” 格斯登梅爾承認道。

儘管如此,如果Gateway有比阿波羅更多的設備部件,它也有一個阿波羅計劃所沒有的很大優勢:合作伙伴。美國國家航空航天局早期的宇宙飛鏟是完全定製化的機器。該機構對它們進行構思,擬定它們的草圖,然後向公司發起投標,讓它們按照規格建造。現代太空市場更像是一個市集,私人公司設計和建造他們自己的助推器和太空船,並將他們的服務賣給政府和企業客戶。

即使發明了像SEP電源模塊或登月艙這樣的東西,美國國家航空航天局也只是泛泛地描述了機器需要做什麼,然後讓私人公司來做有競爭力的設計工作,並以具有競爭力的價格進行競標。獲得合同的公司可以像任何企業一樣免費使用自己所構建的產品並將其推銷給其他客戶。在阿波羅計劃結束後,沒有人會把登月設備出售給下一個想要飛向月球的客戶,在利潤方面很難有潛力可挖。

“現在的不同之處在於,” 洛格斯登說,“就是私人公司的財力雄厚,而且對月球和太空探索感興趣,這樣以來不僅僅是美國國家航空航天局,包括它們自己也可以成為自己產品的客戶。”

同樣,美國國家航空航天局的非私人合作伙伴也很重要。當里根總統於1984年首次提出國際空間站時,它被稱為“自由空間站”,並沒有任何國際意義。像所有其他的美國國家航空航天局項目一樣,這也是一個美國單獨立項的計劃。但“自由空間站”在執行過程中飄忽不定,部分原因在於缺乏足夠的資金。 1993年,美國副總統阿爾·戈爾(Al Gore)和俄羅斯總理維克托·切爾諾梅爾丁(Viktor Chernomyrdin)啟動了一項協議,該協議最終將“自由空間站”項目改造成一個由許多國家組成的聯合體,所有這些國家都將提供資金、模塊和其他硬件。國際空間站建成之後,為世界各國的宇航員提供了在太空中進行研究的場所。

對於長期在美國和俄羅斯陰影下苦苦掙扎的太空項目來說,這是一筆非常甜蜜的交易,對各國宇航員來說尤為如此。隨著時間的推移,包括加拿大、日本和歐洲航天局在內的15個機構加入了該項目,美國和俄羅斯是該項目的高級合作伙伴。

隨著國際空間站的持續運行,該聯盟也完好無損。目前,美國正在邀請其合作伙伴共同開展登月和火星項目。2017年在日本東京、加拿大蒙特利爾和澳大利亞阿德萊德舉行的一系列會議上,該聯盟成員同意了Gateway項目的基本時間表,以NRHO作為其初始軌道,並就各自承擔哪些組件的設計和構造達成了初步協議。例如,俄羅斯或將提供氣閘艙;日本提供用於輔助動力、推進系統和通信的額外模塊,並提供一個專門用於科學實驗的氣鎖;加拿大將提供用於空間站外作業的機器人手臂,目前國際空間站上的機器人手臂對於宇航員在站外工作至關重要。

作為項目統籌者的布里登斯廷表示,不同的國家想要Gateway項目非常突出和可見部分,“這是一個很好的現象。”

但Gateway項目仍存在相當大的障礙,其中就包括美國國家航空航天局持續的資金短缺。在其不到200億美元的年度預算中,只有一半用於載人太空探索,其中又只有一半可以用於Gateway項目,其餘的則用於支持國際空間站的正常運行。杯水車薪的資金也是獵戶座和太空發射系統SLS發展緩慢的主要原因,雖然目前的Gateway時間表有望加快,但沒有人會認為登月項目會得到井噴般的資金支持,就像美國在20世紀60年代所做的那樣。

也許是在不經意間,美國國家航空航天局的新聞稿也反映了Gateway項目的不確定性,常常描述Gateway項目“將”做——而非確定的事情。比如說,發射最早可能會在“既定日期”進行,這與肯尼迪總統(President Kennedy)在上世紀60年代末之前登月的目標非常不同。然而,這種有條件的規劃可能已經是現代太空計劃中所能做的最好的。

“希望我們能獲得類似阿波羅計劃的太空探索預算的想法完全是錯誤的,”太空政策研究所的洛格斯登說,“問題是我們是否能夠獲得足夠的增量資金,以便於行動能夠更快。”

此外,政府的更替仍在持續,甚至可能會破壞強大的資助計劃。從1958年美國國家航空航天局的創建到1972年的最後一次登月,中間經歷了四位不同的總統——每個黨派各有2位——以及8個不同的國會。儘管他們經常就人類太空探索的速度和代價爭論不休,但總體上登月的目標是不變的。而現在,整個美國政府連維持政府運行的短期預算延期都無法達成一致,很難想象其能夠在太空探索中取得成功。

但月球仍然有耐心,星辰大海仍然有耐心。肯尼迪在1962年發表的著名演講中有句話: “我們選擇登月。” 這句話中最有力的詞就是“選擇”。我們選擇。我們可以再次選擇。這完全取決於我們。


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