【原创文章】NASA将要建造的月球轨道空间站(LOP-G)到底有什么意义?

NASA将要建造的月球轨道空间站(LOP-G)到底有什么意义?
前言

后天就是登月49周年的纪念日了,突然发现人类竟然还困在近地轨道上。其实人类并非不想重返月球,国际空间站退役后也并非后继无人,之前我们曾专门撰文: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!,详解美国规划中的“深空之门”空间站(缩写DSG,现已改名LOP-G),但后来有很多读者怀疑这个项目的真实性和可行性,以为还是以往的PPT登月套路,而不会成真,今天我们就分析一下这个项目的意义和目的,从而解答一下这些疑问。

本文译者:Flying Pencil,原作者Eric R. Hedman(ehedman@ldcglobal.com) is the chief technology officer of Logic Design Corporation.

NASA将要建造的月球轨道空间站(LOP-G)到底有什么意义?

新图一张,NASA航天员和设计人员正在LOP-G的生活舱模型中进行试验

 

为了对LOP-G有个简单介绍,先给大家来段讲解视频,译者微博“给虫”或B站账号(G4Y8u9)

NASA的月球轨道站计划已经酝酿了多年,其间从深空门户(DSG)一直改名到到现在的月球轨道门户(LOP-G, Lunar Orbital Platform-Gateway),都是很奇怪的名字。伴随着名字的变更,最新的项目框架和之前的也已经大不一样。项目的铁杆支持者们通常认为,LOP-G是下个十年人类登月和登火的重要跳板可是不要忘了,我们在阿波罗时代的伟大登月壮举中,并没有借助过这么一个中间站;还有,目前的好几个登火可行性方案都是在近地轨道集结并直接出发,同样不需要LOP-G。 

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LOP-G官方渲染图

抛开政治上的推手,LOP-G的技术价值在于其项目本身,从某种层面上来说,这比进行重返月球表面的星座计划,更有价值。

但是,如果我们继续推进LOP-G项目,不出意外将只能在SLS,猎户座和国际空间站这三巨头的夹缝中生存。遗憾的是,这三家巨型烧钱就业项目中哪一个都不会马上结束。目前看来,参议院支持2024年结束运营或是商业化国际空间站,而不少航天产业大州的国会议员们却仍想苟延残喘一把,过早结束这些巨型就业项目对他们而言无异于政治自杀。而毕竟一年也就那些钱,这些项目的存在直接威胁着LOP-G的项目资金保障。

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国际空间站的退役或商业化需要提上日程

关于如何延续LOP-G项目的发展,我们已经听到了足够多的争论,下面我分几点说说我的看法。

 


遗产

LOP-G的诞生注定着会受限于其他大量的技术遗产。比如,作为运输利器的猎户座飞船乘员舱和服务舱质量和大小已经被此前星座计划的战神1火箭运力所限死,而质量决定了其推进剂的携带量,此时的猎户座只能够呛满足新项目要求。在星座计划中,猎户座飞船在低地球轨道上与牵牛星月球着陆器组合体对接,然后由半人马上面级火箭点火整体送入奔月轨道后,再由牵牛星负责月球轨道插入的点火。而现在,没有了牵牛星,猎户座服务舱不仅需要负责地球返回轨道的点火,也需要担负起月球轨道插入(Trans-lunar injection,简称TLI)的重任。此时,即便不搭载空间站模块,飞船的推进剂储备和轨道选择也需要斤斤计较一下。换言之,只要国会坚持使用SLS和猎户座来建设LOP-G,可使用的月球轨道就寥寥无几。

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SLS EUS上面级将猎户座送入LTO


轨道

目前,LOP-G的运行轨道是NRHO(Near Rectilinear Halo Orbit),之所以选择这个轨道, NASA是经过深思熟虑的,具体可见人类登月已近50年,详解NASA如何带领一票小弟重返月球,剑指火星!的下一期 。简单说来,猎户座飞船的推进剂携带能力和轨道稳定程度是其中最重要的因素之一。假如仅考虑全月球表面着陆能力和最省推进剂的着陆方案,那么月球极地轨道将会是更好的选择。但是只要计划中仍然规定使用猎户座飞船来运输模块,受其本身能提供的Delta-V所限,NRHO是目前唯一可行的停留轨道选择。 

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NRHO轨道示意图(图中的NRO轨道,是同一条轨道,只不过少了一个H,代表的是Halo,晕轨道的意思)

令人安慰的是,目前的LOP-G框架内有一个电推进模块PPE,使用PPE,我们可以将LOP-G从NRHO转移到其他的月球运行轨道上,用以适应多样化的月球任务。

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从EUS上分离下来的PPE和猎户座

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PPE电推力器火力全开


SLS和猎户座

随着好几款巨型发射系统的同时开发,许多人开始质疑SLS和猎户座的需求。但是显而易见的是,在这几款发射系统真正投入使用之前,SLS项目会继续向前推进。SLS和猎户座项目拥有强大的政治力量支持,他们带来了大量的就业岗位。而尽管SpaceX和蓝色起源已经取得了不小的成就,不少决策者仍然不相信他们可以兑现那些承诺。 

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商业航天百花齐放

同时,国会一直在加大对SLS的支持力度,其中最重要的是增加2号移动发射平台的建造资金。从目前的论证来看,拥有更强大上面级的SLS Block 1B型需要建造新的2号移动发射平台来支持发射任务。因此,加快建设2号移动发射平台可以尽可能的减少SLS Block 1B型的首飞延误。另外,在SLS的第八次飞行之后,老版本SRB(Solid rocket booster)的备件库存将被用完,此时我们需要制造先进SRB(即SLS Block 2)来使用。

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SLS EM-2 Block 1B首飞

而当SLS Block 2首飞之时,SpaceX的BFR,蓝色起源的新格伦和ULA Vulcan/ACES不出意外都已经开始运营。这就会产生一种有趣的情况,当其他发射商们可以用更低的价格来承包更高的运载能力时,SLS就会面临淘汰的风险。(主页君重申一下,这是作者的观点

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新格伦火箭可以用于月球项目

 


着陆器

无论LOP-G项目是否会真正付诸实际,人类重返月球表面是大势所趋。而LOP-G的存在,会极大的影响登月任务的技术路线,尤其是登月着陆器的相关技术参数,其中包括推进剂储备,最大起飞重量,续航能力及是否能可重复使用。

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星座计划中的牵牛星登月舱

除非我们在登陆月球极地之前已经有无人登月任务可以就地制造推进剂,否则无论何种登月任务中,登月舱下降级都是一次性使用后抛弃在月球表面的。而如果没有月球轨道站,登月任务中的上升级也将是一次性使用。当我们有了LOP-G后,可重复使用的上升即将成为标配,此时我们需要在每次登月前为LOP-G补给一个完整下降级和上升级推进剂。从长远考虑,完全可重复使用的登月舱在执行较密集登月任务时比较经济;而对于单次登月,一次性登月舱显然是更好的选择。

 


推进剂补给点

在月球轨道设立一个推进剂补给点是一个不错的方案,可以为未来ULA的往返ACES上面级渡船和SpaceX的BFR补给推进剂。这个补给点不一定作为LOP-G的一部分,而是在一个安全距离上跟随LOP-G,从而方便补给和维护。设立补给站将可以极大的增加LOP-G项目的生命力,来为登月舱和其他航天器甚至是其它月球轨道站提供重复使用的续航能力。

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LOP-G可以为BFR补给推进剂

 


安全港

假如宇航员在执行登月任务中发现猎户座飞船或者是登月舱发生了一些故障而难以支持返回地球,此时必须要发射另一枚SLS和猎户座飞船执行紧急救援任务,分秒必争,否则在有限补给下宇航员的生命安全将会受到严重威胁。而当我们拥有LOP-G后,宇航员可以安心在轨道避风港中等待救援,为救援行动留出尽可能长的准备时间。

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LOP-G的最基本单元

 


替代方案

任何计划都应该有一个替代方案,登月计划也一样。假如抛开LOP-G的话,我们可以使用BFR经几次太空加油后直飞月球表面。NASA也可以开发一款新牵牛星登月舱,搭配猎户座飞船来完成轨道插入和月表着陆。甚至,NASA可以购买ULA的ACES太空摆渡车服务,由他将猎户座飞船送往月球轨道上。遗憾的是,考虑到国会对SLS的态度,这些替代方案都难以成行。(看到没,这才叫亲儿子待遇,SpaceX算哪根葱,主页君注

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ULA的火神火箭和他的ACES上面级

 


火星计划

众所周知,开发LOP-G的一个重要用途就是用于未来的火星任务。LOP-G可以作为人类载人登火的起点站,先进电推进模块PPE可将空间站整体推进到火星轨道上。只要加上一个新的居住舱和气闸舱,使用更好的辐射屏蔽技术,几乎不用太多的修改,LOP-G就能完美的运行在火星轨道上。LOP-G的所有这一切,都将使未来火星任务变得更舒适和安全。 

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超大功率电推模块为火星任务服务

 


国际合作

当前,国际合作伙伴们表达了对重返月球项目浓厚的兴趣,而与此同时,欧空局局长 Jan Wörner也不止一次的宣传过他的月球村构想。目前,国际伙伴们都在等待NASA重返月球的明确信号,可以说,登月的问题仅仅是在于方案和时间。即使说欧空局目前参与设计制造了猎户座飞船的服务舱,但是他们仍同其他国际伙伴一样,没有做出重返月球的明确承诺。

NASA目前正在考虑采用类似空间站商业货运项目COTS的模式来进行重返月球前期的无人月球探测任务,考虑到目前商业航天翻天覆地的大发展,他们认为这种方式更经济实惠。COTS已经极大的降低了国际空间站运营成本,而要使我们的合作伙伴去接受这种方式,恐怕还有很长的路要走。

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采用商业运输服务的LOP-G与天鹅座

对于LOP-G,很显然老牌合作伙伴日本,欧洲和欧罗斯将会深度参与到这个项目中去,并负担起可观的预算,而目前国际空间站的持续运营带来的巨大花费直接导致了LOP-G项目的前途未卜。特朗普政府想要在2024年将国际空间站进行商业化运营,而几位参议院对此却表示反对。国际空间站每年花费了NASA超过30亿美元的预算,其中大部分是货物和人员运输成本;欧空局每年花费超过10亿美元;而俄罗斯将其大部分预算花在了空间站的运营上面。遗憾的是,对于国际空间站的商业化日期,目前仍然没有一个统一的定论,这导致了国际伙伴们无法对LOP-G留出可观的项目资金。此外,NASA最近在国际空间站的商业化报告中对其盈利能力提出了怀疑

在国际空间站的生死决定之前,LOP-G只能算是一个美国太空项目,大部分的国际伙伴都只能对其表达观望态度。

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LOP-G的第一个居住舱模块(由猎户座顶着,图中可见加拿大的机械臂,上期文章中我们介绍过)

 


结论

总而言之,NASA现行的重返月球路线受到了技术遗产,资金,政治阻力等多方面因素的限制。如果彻底放开手脚去干,NASA的重返月球计划会和现在非常不同,而把上述因素考虑在内的话,现在的计划应该是一个最优解。

考虑到国会的强力支持,除非SpaceX的BFR能按时首飞使用,否则NASA的SLS LOP-G项目肯定是继续稳如泰山。而在这个大前提不变的情况下,NASA也在考虑一些新想法,比如使用商业火箭来发射LOP-G的模块(由于首个模块PPE自备动力, 不需要猎户座顶着飞,所以目前重型猎鹰和火神都是替代SLS的热门选项,主页君注),采用商业运输服务来运输LOP-G的补给物资。

而从多方面来看,使用LOP-G来完成未来火星登陆的壮举并不是最理想的方案,但只要NASA能够坚定的按这个计划走下去,火星登陆终将可以实现。登火大忌在于优柔寡断,假如NASA只是热衷于登火方案探讨而没有实际行动,那么我们永远无法向火星前进一步。

时代正在变化,决策头脑们不能墨守陈规,在必要时可以将商业公司加入到这个LOP-G项目中去。而国际伙伴们同样不能纠结蝇头小利而放弃了长远的眼光,只有多方合作才能真正推动这个庞大计划。

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对接充气空间站的LOP-G想象图

建设LOP-G的目的是支持我们太空探索的继续前进,到达月球,登陆火星,最终成为太阳系探索的起点站。LOP-G最终将会成为月球轨道通往太阳系的大门,此时他可以叫做LOGSS(Lunar Orbit Gateway Space Station),假如有足够的国际伙伴参与进来,那么他就是ILOGSS(International Lunar Orbit Gateway Space Station),这些名字在我看来,比拗口的LOP-G更容易让人记住。

 

(全文完)


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