深空計劃劍指何方？

深空計劃劍指何方？

據中新社報道，美國總統特朗普12月11日在白宮簽署命令，指示美國航空航天局(NASA)啟動太空探索項目，送美國宇航員重返月球，並為登陸火星打基礎。“愚者千慮必有一得”，這個決策特郎普總算是做對了。

美國的阿波羅登月任務結束在上世紀七十年代初，在過去的半個世紀中，美國的航天界左顧右盼、瞻前顧後，失去了前進的目標。究竟是重返月球，還是遠征火星，或者登陸近地小行星？但一切隻停留在辯論和文字上，然後消失在太空裏，幾乎沒有一點實質性的行動和進展。美國的航天之路映射出了美國這半個世紀以來國運之坎坷。

 

最近，受新總統“讓美國再次偉大”的感召，美國的航天界出現了一些值得關注的新動向。

首先，美國有計劃重新啟動《國家空間委員會》，這個由副總統邁克·潘斯領銜的委員會將為美國航空航天局（NASA）和美國的一些私人火箭公司（SpaceX，Blue Origin，波音，洛克希德·馬丁等）設定新的發展空間。

接著，第48屆月球和行星科學會議（LPSC）隆重舉行。會議上，科學家發表了關於地球、月球、火星、小行星、彗星和無數其他宇宙物體的一些最新發現，並對未來深空探索計劃進行了深入認真地討論。與會的大多數科學家都認為下一個目標應該是重返月球，主要理由可歸納為以下幾個方麵。

目的地—月球

“行星科學將會徹底改變，當我們把宇航員送出近地軌道之後。”月球和行星研究所資深科學家大衛·克林（David Kring）說：“探索月球的最好方法還是依靠訓練有素的宇航員，他們做起來可以得心應手。阿波羅計劃已經證明了這一點。”

克林說，他渴望在美國航空航天局的勘探任務中看到首次使用該機構的超重型運載火箭SLS（Space Launch System），該係統目前正在與獵戶星座飛船一起進行研製開發。但是SLS和獵戶星座計劃進展不順又一再延遲，在特朗普政府的堅持下，美國航空航天局正在評估在2019年中期送兩位宇航員繞月的可能性。“我更加急於想看到宇航員將機器人部署到月球表麵，最終機器人可以在那裏自行落地。”克林補充說： “我們需要回到月球表麵。我們需要收集樣品。我們需要把它們帶回地球。”

科學探索的金山銀礦

克林說，月球是科學探索的金山銀礦，因為它為研究地球和其他行星的起源和演變提供了重要的線索：了解它們是如何從小塊物體通過增聚和分化形成的;在它們曆史早期又如何承受轟炸般的撞擊;又是如何在圍繞太陽的軌道上遷移。”解決這些問題的最佳地點就在月球上。“他解釋說，由於它的沒有氣體保護的表麵上留下了45億年太陽係曆史變遷的原始印記。

克林說，地球上的破壞性地質過程扭曲和遮蓋了太陽係曆史變遷留下的印記。即使在今日火星——這個比地球更加惰性的星球——我們尋求太陽係最深奧的秘密的許多謎底也已經被緩慢的地質運動所抹除。

克林也認為月亮是通往火星的門戶。 “我們必須在我們前往火星的道路上擁有合理的有意義的裏程碑，”他解釋說。 “我們都想讓人類到達火星上，問題是你如何到達那裏？我不認為我們將在2035年或2045年之前開發出具有奇跡般到達火星的能力。我們需要開發出走向深空的技術和工程隊伍，這隻可能發生在月球軌道和月球上。”

每個火星人首先得是一個月球人

巴黎聖母院大學的月球科學家克萊夫•尼爾（Clive Neal）說，任何有關先去月球還是火星的爭論必然導致無所作為。他說，“這不是一個非此即彼的論題”他說，因為通過挖掘開發月球資源有益於火星研究，並支持人類可持續地進入深空開展對太陽係的探索。

“你不能成為一名火星人而不是一名月球人，”尼爾說。 “如果你隻想現在去火星'展開旗幟和留下腳印'。但是你永遠不會再回去，因為那就是阿波羅計劃—一個夢幻般的計劃，但它是不可持續的。”

對於尼爾來說，地球的衛星——月球——首先是一個可以而且應該被利用的資源豐富的世界。例如，他指出了月球極地的陽光缺失的隕石坑，在那裏幾乎永恒的黑暗保存了豐富的水冰，它們可以轉化為氧氣，水和火箭推進劑。 尼爾認為“我們必須做一些基本的地質勘查，如果月球的資源顯示出實質性意義的話，那麽你就可以把月球帶入我們的經濟活動圈，我認為月球上的資源有助於實現這一目標。”

在LPSC會議正式開始之前的座談會上，阿波羅17號月球步行者、地質學家傑克·施密特（Jack Schmitt）闡述了人類探索月球的價值。施密特的講話提到了許多觀眾熟悉的一個議題。幾十年來，他一直倡導氦3(He-3)氣體的月球采礦經濟學，這種同位素可能對於某些形式的核聚變是至關重要的。施米特解釋說，月球表麵已經從太陽風的數十億年的噴射轟擊中吸收了大量的氦氣3，依靠該資源月球定居就可以持續。

他說，氦3采礦過程將收獲包括水、氫、碳和氮在內的副產品。雖然這些有用的物質在月球土壤中含量極為微弱，但是為了收獲氦3必須處理巨量的月球表麵土壤，這些副產品會在該過程中大量積聚。施密特解釋說，來自低重力月球的水可以用來作為探索火星的飛船結構中的抗輻射的防護層。 “宇宙飛船周圍幾英寸的水重量很大，從地球帶上去太昂貴了，我們可以在月球的任何地方生產水，供應給去火星的飛船。”

從月球和行星科學會議上科學家的發言和會議紀錄可以清楚地看到重返月球是人們的共識，當然把共識轉換成計劃則又是另一回事，而認真實施計劃則更為困難了。

載人登月的關鍵技術是超重型運載火箭和高效可靠的登月飛船，從目前態勢來看，美國宇航局已經著手稱為EM-1（Exploration Mission 1）的探索任務，計劃在2018年的年底用超重型運載火箭（SLS）搭載航天飛船-獵戶座艙（Orion）作無人繞月飛行並返回地球，而中國的超重型運載火箭至今還沒有立項，中國載人登月的能力與美國有著明顯的差距。

如果因循守舊、墨守成規沿襲阿波羅計劃的老路，那麽中國載人登月隻能落在美國的後邊，估計未來15年內都不會有戲。中國在載人登月方麵要實施超越和有所作為，必須要有創新意識實現技術突破。中國重型運載火箭長征五號的首飛成功，讓我看到了中國實施載人登月的新機遇。

讓我們簡單回顧一下美國的阿波羅登月計劃。“阿波羅”號宇宙飛船由指揮艙、服務艙和登月艙3個部分組成。

指揮艙
宇航員在地月間飛行時的生活和工作座艙，也是全飛船的控製中心。指揮艙高3.2米，重約6噸。指揮艙又分前艙、宇航員艙和後艙3部分。宇航員艙為密封艙，存有供宇航員生活14天的必需品和救生設備。

服務艙
前端與指揮艙對接，後端有推進係統主發動機噴管。艙體為圓筒形，高6.7米，直徑4米，重約25噸。主發動機用於軌道轉移和變軌機動。

登月艙
由下降級和上升級組成，地麵起飛時重14.7噸，寬 4.3米，最大高度約7米。
①下降級：由著陸發動機、4條著陸腿和4個儀器艙組成。
②上升級：為登月艙主體。宇航員完成月麵活動後駕駛上升級返回環月軌道與指揮艙會合。

在阿波羅計劃中，這三個功能艙組成的飛船總重約46噸，由超重型火箭土星五號一次送入太空。由此可知，使用近地軌道運力25噸的長征五號火箭兩枚來完成任務是有可能的。具體步驟可以分解如下：

1）由一枚長5火箭把近25噸的服務艙送到中國太空站；
 第二枚長5火箭把近25噸的指揮艙和登月艙送到太空站；
 在太空站把服務艙、指揮艙和登月艙裝配成登月飛船，等待宇航員的到達。

2）由長征2F把三位宇航員送入中國太空站，神舟飛船停泊太空站；
 待宇航員稍事休息調整狀態後，對飛船作全麵檢查並添加食品、水和燃料；
 三位宇航員進入登月飛船飛向月球。

3）登月飛船進入月球軌道，二名宇航員進入登月艙；
 登月艙分離實施月球登陸，指揮艙和任務艙繞月飛行；
 二名中國宇航員登陸月球，設置機器人，實施科學研究，建設月球永久建築。

4）宇航員帶著月岩樣品進入登月艙上升級，上升級帶著二位宇航員飛返指揮艙；
 三名宇航員匯合，拋棄登月艙上升級，乘坐飛船返回近地空間站；
 宇航員在空間站稍事休息，然後帶著月岩樣品進入神舟飛船，神舟安全降落在內蒙四王子旗著陸區。

二枚長征五號和一枚長二F的近地軌道運載總能力大約可達60噸，這能力比阿波羅計劃土星五號運載火箭還略輸一籌。雖然土星五號的總負載大約也隻有50多噸，但土星五號不隻是把50多噸的負載送入地球軌道，它的第三級火箭再啟動後把負載進一步推向月球軌道。這個差距就體現在更多的推進燃料。所以本方案中特別安排由空間站向月球飛船補充燃料、水和宇航員的食物。通過此項補充，又加上地月軌道設計優化和各種減重新材料的使用，相信完全有可能依靠中國已有的運載火箭實現載人登月。

這個方案的優點主要有三個方麵：
1）盡可能保證載人登月的人身安全。整個計劃中宇航員飛離和返回地球是非常危險的過程，本方案仍讓久經考驗的長二f和神舟飛船來完成，這是本方案的點睛神筆。方案使用長征五號重型火箭分兩次運送登月飛船，長征五號運載能力強，但是還在試用改進期，安全性仍待考驗。不過不用它來載人，運送設備出點問題也無大礙，最多重發備份或取消計劃，不會有人身傷害。
2）盡量發揮中國在地球軌道上設備對接的技術優勢。整個登月飛船作功能模塊化設計，分開送入近地軌道並在軌組裝。這也為將來深空探索作好準備，這些功能模塊可以靈活擴充組合以適應不同的任務要求。
3）大大加速載人登月進程。本方案繞開了長征九號超重型火箭，長9火箭還沒有立項，即使馬上立項，從立項、試驗、首飛再到載人飛行，估計至少要等到2030年以後了。本方案與長9研製不衝突，登月飛船功能模塊的研製可以同步進行，設計時對使用長5和長9應作全盤考慮。在長9完工前使用長5實施載人登月。

本文提出的隻是一種初步的設想，權作拋磚引玉吧，具體的計劃應由專家組作更詳細更深入的研究後逐步製定。實現載人登月不是麵子工程，這一點本文的上半部已經作了詳細的介紹，登月對於開展科學研究和發展國民經濟有著不可替代的現實意義，登月也是人類走向深空不可繞開的重要一環。建設空間站—載人登月—建設月球基地—走向深空，這才是一條正確穩妥的航天之路。