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图解NASA月球轨道空间站Gateway

2021-09-11 16:56 浏览:

美国宇航局(NASA)的下个载人空间站将建在月球附近。计划中的月球轨道空间站Gateway将允许宇航员驻留一到三个月,这样他们就可以执行一系列雄心勃勃的任务:长期在距离地球更远的地方进行科学实验、支持登月任务甚至可能操作机器人等远程遥控工作。目前,NASA计划在未来十年的某个时候将宇航员送到Gateway上,可能是为了支持“阿尔特弥斯”(Artemis)重返月球计划。该计划的目标是在2024年登月,尽管NASA监察长办公室2021年8月发布报告称,由于宇航服开发延迟,这个目标“不再可行”。那么,Gateway到底由哪些组件组成,未来还有哪些用途。

01.NASA几十年来始终希望能够建设月球空间站,而Gateway的概念至少可以追溯到2012年。当时,NASA公开讨论了在月球背面建立月球空间站的想法,被称为“深空栖息地”(Deep Space Habitat)。大约在2014年和2015年,NASA开始公开讨论“环月栖息地”计划,以便在十年内让人类执行更长时间的太空任务。Gateway的名称也更改了几次。NASA在2017年的文件提到了绕月运行的Deep Space Gateway空间站。2018年,在NASA提出的2019年预算中,空间站更名为月球轨道平台-Gateway(LOP-G)。现在,该机构更喜欢使用更简单的术语Gateway称呼它。

02.2019年,NASA委托诺斯罗普·格鲁曼公司(Northrop Grumman)建造“居住和后勤前哨”(Halo)。其中,居住舱的设计以“天鹅座”(Cygnus)货运飞船为基础,该飞船定期向国际空间站(ISS)运送设备和补给。NASA之所以选择诺斯罗普·格鲁曼公司,也是因为该公司在为居住舱改装“天鹅座”方面取得了进展,而且“天鹅座”足够小,可以利用现有的商业运载火箭发射,这简化了Gateway的开发过程。诺斯罗普·格鲁曼公司说,这个居住舱“最多可以支持4名宇航员在开始和返回月球表面的探险过程中维持30天”。该公司在2020年6月又获得了1.87亿美元拨款用于设计居住舱,为应对初步设计审查做准备,该审查于同年11月完成。诺斯罗普·格鲁曼公司随后在2021年7月收到了NASA价值9.35亿美元的合同,以完成Halo的设计和开发。该模块计划于2024年搭载SpaceX猎鹰重型火箭发射到月球附近。

03.Gateway的动力和推进模块基于NASA小行星重定向任务相关的推进研究设计,该任务于2017年被取消。2019年5月,NASA选择了Maxar来建造Gateway的动力和推进元件。该元件将是个太阳能电力推进装置,可以围绕月球运行,也可以适应火星旅行。Maxar在空间技术领域最出名的地方在于地球成像卫星技术。Maxar在2019年完成了对该模块的系统需求审查,并于2021年初通过了另外两次关键审查。与Halo一起,动力和推进舱预计将在2024年搭乘SpaceX猎鹰重型火箭向月球发射。

04. 加拿大航天局于2019年5月宣布,将在为航天飞机和国际空间站项目提供的前几代机械臂的基础上,向Gateway提供名为Canadarm3的新式机械臂。Canadarm3被设计成具有机器学习的模式,这样该机械臂就可以在宇航员任务之间的Gateway上进行维护和监视,因为月球空间站不会始终被占用。作为交换,NASA在2020年承诺让一名加拿大宇航员执行阿尔特弥斯的首次绕月飞行任务,延续了长期以来奖励加拿大空间机器人贡献的传统,奖励宇航员座位和轨道科学时间。加拿大承诺在24年内在Canadarm3和月球探测加速器计划(LEAP)上花费20.5亿加元(约为15.6亿美元)。LEAP项目旨在鼓励企业研究月球任务,将其应用于机器人、健康和人工智能。加拿大MDA公司(负责管理Canadarm和Canadarm2)收到了一系列与Canadarm3相关的合同,最近一次是在2021年7月,价值3530万美元,用于初步和详细设计外部机器人接口,使Canadarm3能够正常运行。

05.2019年8月,NASA向美国公司征集建议书,要求制造能够向Gateway运送加压和非加压货物的航天器。与国际空间站的货船类似,该飞船将用商业火箭发射,并在Gateway停靠长达6个月,然后被移走进行自主处置。2020年3月,SpaceX被宣布为Gateway货运服务的供应商,使用的是其货运龙飞船的未来版本。货运龙飞船已经是国际空间站的主要补给船之一。SpaceX的代表通过Twitter表示,这艘名为Dragon XL的新飞船将向Gateway运送超过5.5吨的货物。NASA当时称,可能会选择其他公司加入SpaceX提供再补给服务,所有交易的总价值上限为70亿美元。

06.首批Gateway任务很可能将由洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)的“猎户座”(Orion)飞船执行,尽管其他载人飞船可能会在未来几年冒险前往月球空间站。猎户座的发展历史远早于阿尔特弥斯,其寿命超过了NASA自那以后取消的几项计划,包括政府将人类送上月球和火星的“星座”(Constellation)计划,以及NASA在2010年取消星座后近十年始终采用的灵活目的地方法。到目前为止,猎户座已经在2014年12月5日成功地进行了一次试飞,执行名为探索飞行测试-1(EFT-1)的高地球轨道任务。猎户座的下一次飞行Artemis 1预计在2021年底进行,但自2017年以来,由于太空发射系统(SLS)火箭的问题,它已经被多次推迟。该系统将包括太空舱和服务舱,配备重要的航天器系统,用于发电、燃料和制氧,类似于20世纪60年代和70年代绕月飞行的阿波罗指挥舱。

07.Gateway将在尚未被月球航天器使用的新轨道上运行,无论是载人航天器还是无人航天器。这条路径被称为“近直线晕轨道”(NRHO),它使航天器能够在月球南极上空低空俯冲,而在轨道上的其他点飞得很高。根据欧洲航天局的说法,NRHO将在距离月球表面3000到70000公里之间飞行,并将与月球一起旋转。这一轨道大约需要七天时间才能完成,并将通过最少的日食,使太阳在大部分时间里都能为Gateway补充能量。由多个合作伙伴组成的Capstone Cubesat任务将在不早于2021年10月发射后对轨道进行测试。

08.与自2000年以来始终被占用的国际空间站不同,Gateway不会看到宇航员在一系列不间断的轮换中始终驻留。取而代之的是,宇航员每次只会在空间站停留大约30到90天,并在其间让Gateway保持无人值守状态。这种情况很大程度上是因为,与近地轨道相比,将NASA宇航员送上月球轨道非常昂贵,需要SLS火箭和猎户座航天器的组合。这可能会让Gateway在其有生之年的大部分时间里无人驻留,除非其他供应商选择派遣工作人员到这个前哨来填补空白,因为互操作性标准将允许国际公司和工作人员与空间站对接和使用。

09.Gateway的主要功能之一可能是充当航天器和机组人员往返月球着陆途中的中转站。根据无人驾驶航天器收集的数据,NASA的愿景是在沙克尔顿陨石坑(Shackleton Crater)建立阿尔特弥斯大本营(Artemis Base Camp),那里是月球上似乎盛产水冰的地区。NASA表示,该设施最终将需要水、废物处理、登陆车、通信和辐射屏蔽等方面的供应。该设施预计还将包括宇航员移动系统和远侧射电望远镜,以及进行一系列实验。Gateway也有可能实现月球遥控机器人。宇航员可以操作月球车或可移动的飞行器来检查陨石坑或建造无线电天线进行望远镜观测。

10.Gateway的设计仍在开发中,很难预测它将如何支持月球探测,更不用说火星探测了。例如,在2020年,有媒体报道称,Gateway将从阿尔特弥斯探测的“关键路径”中移除。然而,NASA坚持认为,从阿尔特弥斯和Gateway那里学到的许多“教训”将对最终的火星探索有用,从如何从遥远的地方供应宇航员,到确保机组人员的安全,再到学会通过就地资源利用在其他星球上“生活”等。虽然Gateway与火星之间的联系仍然很遥远,而且可能会发生变化,但过去关于Gateway的提议包括将其用作测试中转站,建立着眼于为探测火星做准备的国际合作伙伴关系,以及将Gateway用作“火星模拟设施”来为殖民火星做准备。