重返月球 美国计划建立永久性月球基地

2007-11-23 15:44:39 
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重返月球

美国计划建立永久性月球基地

本刊记者 彦铭

美国航空航天局(NASA)于2006年12月4日正式宣布,计划2020年在月球南极建立一座永久性的宇航员长驻基地,以做为未来载人探测太阳系任务的前进平台。这也是继1969-1972年“阿波罗”计划(注1)进行6次载人登月任务之后,美国第一次“重返月球”。

国际合作探月

其实早在2004年1月14日,美国总统乔治·布什(George W.Bush)就发表了一项声明,宣布正式启动人类登陆火星、重返月球和建立永久性月球基地的新太空发展计划。在该声名发表后,美国的重返月球计划便如火如荼般展开了。

由于已经长期没有进行过载人登月活动,再加上该项目实在过去庞大,从资金和技术角度来看都让NASA感到比较吃力。因此这次美国人计划以国际合作的方式来完成重返月球的“壮举”。NASA局长迈克尔·格里芬(Michael Griffin)在2006年7月19日,于英国范堡罗航展举行的记者会上就曾邀请各国航天机构一同加入其新的太空计划。格里芬认为,考虑到目前国际空间站的情况,各国将会认真考虑NASA的建议。因为如果其他国家不加入该项目,则各方在完成国际空间站(ISS)组装后合作使用的空间也将会很少,因为ISS是执行载人月球、火星探测任务的最佳中继站。

在格里芬于大西洋彼岸发出上述邀请6个月后,NASA月球探测项目主管斯科特·霍罗威茨(Scott Horowitz)于2006年12月4日在休斯顿的约翰逊宇航中心(JSC)通过视频记者会对美国媒体表示,美国将在月球上建造一座永久性基地。不过有关该基地的外观,及宇航员将从事的任务内容都尚未敲定。同样的,NASA也尚未确定出该基地正式投入运行的时间表。NASA副署长夏娜·戴尔(Shana Dale)则透漏出该计划的可能参与者。她表示,其包括了欧洲航天总署(ESA)及全世界14个国家的太空机构,近千名科学家,将耗费16年筹备及共同策划,潜在合作对象包括澳大利亚、英国、加拿大、中国、法国、德国、印度、意大利、俄罗斯、韩国和乌克兰等。

NASA之所以寻求国际合作探月,最首要的目的当然是希望与合作伙伴共同分担重返月球的庞大开支。按照2005年的估计,仅载人重返月球就需要1040亿美元。而NASA表示,现在美国政府愿意投入到航天领域的钱不会超过NASA每年160亿美元的预算额度。ISS将在2010年竣工,而自1981年开始执行任务的航天飞机也将从此停飞。因此,NASA预定自2011年起把原本投入到其他太空任务上的预算转移到重返月球上来。

戴尔进一步表示,至于“国际航天事业的新势力”——中国国家航天局(CNSA),NASA虽曾派员初步与其接洽合作,但是否能共同进行载人太空任务与建月球基地,尚言之过早。而参与ISS的14个伙伴国中,有些国家也对所谓的“美国优先使用权”抱有怨言。戴尔说,NASA希望在寻找伙伴国参与兴建月球基地的过程中,在计划初期就能将各方合作的内容与权利确定清楚。

月球基地建在哪?

NASA在规划重返月球的计划时,曾内部讨论过是先确定载人宇宙飞船往返地球与月球之间的“航班”路线,以在月球建立永久性基地;还是先在月球上建立一个可用做人类深空(超越地球重力范围的太空)探测前哨站的临时性基地,未来再进一步将月球发展成“殖民地”。最后的结论是永久性基地最合乎现阶段太空科学研究的目标,而永久性基地在扮演深空探测中继站的角色方面也肯定比临时基地更出色。

与赤道地带相比,月球的两极地区温度更加适宜人类活动,日照时间也比较长,因而得到了NASA的探月计划青睐。目前热门的月球基地部署地点是以英国南极探险家欧内斯特·沙克尔顿(Ernest Shackleton)的名字命名的,位于月球南极持续被阳光照射到的沙克尔顿陨石坑附近。而对计划中发展的太阳能发电系统来说,日照时间的长短肯定非常重要。当然,最终仍可能会利用核能发电设备来补充电力,甚至完全取代太阳能发电系统。

除了部署基地的客观条件限制外,霍罗威茨还指出,月球南极附近的陨石坑蕴含极具商业价值的挥发性气体,包括在地球上罕见、可用作核燃料的同位素氦-3,这显然也是美国看中月球南极的重要原因。2004年,当美国总统布什提出新的太空计划时,除了让美国宇航员重返月球并建立永久性基地外,也直接提到了月球能源开发的目的,着眼点之一很可能就是开采月球的氦-3。这种物质较一般的氦元素多1个中子,很适合搭配氘(又称重氢)作为核聚变燃料,其连锁反应速率非常快,而产生的剩余幅射却很少,可以说是最高效、清洁的未来能源。

氦-3在地球上非常罕见,月球上却由于来自太阳风的长年积累非常多。太空地质学家估计月球地表至少蕴藏了100万吨氦-3,因此一旦月球矿物开采技术开发成功的话,很可能将为地球带来取之不尽的能源,甚至取代现今石油的地位。氦-3的能量比非常高,举个例子来说,如果用1艘宇宙飞船将30吨氦-3运回美国,就足可供应全美1年的用电量。

先遣兵:“月球侦察者”号

按照计划,在执行载人登月任务之前,NASA将先派遣1艘由洛克希德-马丁公司太空部门研制的“月球侦察者”号(LRO)探测船,于2008年10月31日之后的一个最佳发射窗口(即卫星或太空飞行器进入轨道的方位与角度),由401构型(整流罩4米,无捆绑式固体火箭助推器)的“宇宙神-V”型运载火箭搭载,从位于佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地的第41号综合发射场升空。这项月球先期探测任务主要是为NASA未来的载人月球探测活动预作准备。

LRO将花费约1年时间在距月面50公里高的极轨道(PO)运作,测量与拍摄月表情况。其载荷包括:用于探测可能的冰堆积物、并准确确定其位置的月球中子感测仪(LEND);用来测量月球表面幅射强度的幅射计;用来探测位于月球阴影中大型陨石坑的紫外线探测仪;用来绘制月球极区地图、并探测可能着陆点的月球轨道激光高度计(LOLA);以及用来拍摄月球表面照片的轨道相机(LROC)。

这次任务还将携带1具被称为月球陨坑遥感仪(CRaTER)的设备,用于确认月球南极是否存在冰层。在计划分工方面,位于马里兰州的戈达德宇航飞行中心负责“月球侦察者”号的操控,而位于加利弗尼亚州的艾姆斯研究中心则负责处理探测船所传回的月球遥感资料。

全新的载人登月模式

NASA重返月球计划中最重要的载具系统——宇航员搭乘的宇宙飞船、登月载具(LM)、在月面操作的车辆等系统,其项目招标与研制工作也都在紧锣密鼓地进行。其中乘员发射载具——“战神-I”型(注2)运载火箭——预计在2009年首次试射,该火箭由波音公司研制,全高56米;而由宇航员驾驶,原名为“乘员探险载具”(CEV)的“猎户座”飞船首次试飞时间被安排在了2014年,其由洛-马公司研制并在2006年8月中标重返月球计划,飞船直径5.5米,舱内空间可视任务需求容纳4-6名宇航员,使用太阳能电池版提供能量;登月设备的发射载具是“战神-V”型火箭,该火箭全高达106.7米,“战神”系列火箭的主体发展自上世纪80年代航天飞机使用的超轻量燃料箱(SLWT)、主推进器(SSME)及固体燃料火箭辅助推进器(SRB)等早已成熟的技术,以求降低计划成本。

宇航员亲自上阵进行月面勘探之前,NASA将会在2010年先发射一系列无人机械探测设备到月球,执行先遣探测工作。载人登月任务从2020年开始。具体程序是:先派遣4名宇航员搭乘“猎户座”飞船,由“战神-I”型火箭搭载升空;“战神-V”型火箭则运送登月载具及相关设备至轨道上,这个过程和1972年“阿波罗”登月计划明显不同。进入地球-月球过渡轨道之前,“猎户座”飞船在绕行地球的轨道上与登月载具对接,再一同前往月球执行任务。

“猎户座”太空船与登月载具一同抵达绕月轨道后,4名宇航员转乘登月载具踏上月球表面,而太空船则启动自动驾驶系统在绕月轨道飞行。宇航员到达月面后将依靠自备的太阳能发电设备,以登月载具为中心建立宇航员生活区与工作区,这个过程大约为7天。为了让登月宇航员能轻松地执行任务,NASA提出了新型月球“漫游载具”(LRV)的设计要求,规定中标厂商在2027年前需研发出具备加压舱和生命保障系统的大型4*4驱动LRV,让宇航员不必穿着笨重的宇航服就能驾车在月面各处“漫游”数天(数百公里路程)。而配合使用的小型6*6驱动LRV,其载重量、机动性也都要比“阿波罗”计划时期的LRV更好,该型车的使用范围主要是在登月载具降落区附近数公里内活动。

当宇航员结束月面勘探任务后,将点燃登月载具的升空发动机,使返航舱与下半部的着陆舱脱离,再于绕月轨道上与“猎户座”飞船会合一同返航。留在月球表面的登月载具着陆舱的部份空间可储存补给物资,以供未来的探月任务使用。返回地球时的程序与“阿波罗”计划基本相同,宇航员将从登月载具携带回来的月面地质标本等物资送进“猎户座”飞船的指挥舱(CM),指挥舱在轨道上依序抛弃登月载具及勤务舱(SM),开始返回地球的航程。在穿过浓密的大气后,指挥舱的自动飞行系统依设定首先开启减速伞,然后将缓冲气垫充气以软着陆(注3)方式降落在陆地上,这与“阿波罗”计划的指挥舱降落在大海中的方式又有所不同。

深空探测的跳板

从2025年开始,在已经进行了几次成功的载人登月后,NASA计划将逐次延长宇航员在月面的停留时间,以进行基地的建设。直到居住区、电力和生活保障设施都完成组装定位并试运行后,永久性基地即宣告竣工。以后宇航员再次登陆月球即可进行长达180天的长期月球勘探。载人长期探月任务开始执行的同时,NASA就将同步展开载人火星探测计划的前期作业。

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