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NASA将如何重返月球?  

2009-11-17 04:20:57|  分类: 海外文摘 |  标签: |举报 |字号 订阅

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NASA将如何重返月球?

James Oberg 文 Shea 编译

(本文删减版已刊载于《科学画报》杂志2009年第10期)

在人类登月40年之后,新一轮冒险正在酝酿之中……

  历史记录下了1969年7月20日,在这一天尼尔·阿姆斯特朗(Neil Armstrong)把人类的足迹第一次带到了月亮之上。但历史似乎忽视了1972年12月14日,在这一天吉恩·塞尔南(Gene Cernan)抬步走回了“阿波罗”17号的登月舱,结束了第一波载人探月的历程,临走前他说:“我们会回来的。”

  四十年后的今天,新的载人空间探测正在缓缓地来开它的帷幕。尽管这其中必定充满了曲折和苦难,但如果一切计划都以最乐观的情况推进的话,那么到2020年左右——也就是“阿波罗”登月50年之后——兴许人类可能会再一次造访这颗距离我们最近的自然天体。

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[图片说明]:美国宇航局(NASA)星座计划中用于发射载人航天器“猎户座”的“战神”Ⅰ型火箭。近地轨道上它会和登月舱“牛郎星”会合。版权:NASA/MSFC。

并非老爷月球船

  美国将使用和“阿波罗”计划非常相似的航天器来重返月球。虽然这些设计久经考验,但表面上的相似性却掩盖了美国宇航局在其背后所做出的巨大改进。最显著的一点变化是大小。许多观察家把新的登月系统称为是“升级版的‘阿波罗’”。被命名为“牛郎星”的新登月舱将会把四名宇航员送上月球,而不是“阿波罗”计划中的两人。此外,新的指令舱“猎户座”会以自动驾驶的方式停留在月球轨道上,而不像“阿波罗”计划中还需要一名宇航员留守。

  这些新的设计反映出了40年来所取得的经验教训以及技术上的全面进步。相应的战略计划也发生了改变。新的登月并不是终结,而是更高远目标的开始。

  没错,新的登月的大框架确实没有什么本质的变化,但这绝对不是因为没有其他选择而造成的。事实上在过去的两年中,美国宇航局的工程师们提出了各种各样的方案,其中不乏极具想象力的。

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[图片说明]:“战神”Ⅴ型火箭将会是美国宇航局最新型的重型运载火箭。它会把“牛郎星”登月舱和45,000千克的货物送往月球。版权:NASA/MSFC。

  这些方案中甚至还包括了从月球的拉格朗日点着陆的想法。在月球的拉格朗日点上地球和月球的引力可以互相平衡。这一方案的优点是它可以使得着陆月球和从月球起飞在任何时间进行,而不像在“阿波罗”计划中必须精确地局限在发射窗口中。不过最后还是“传统”方案胜出,即用来返回地球的舱体停泊在近月轨道,使用专门的登月舱下降着陆。

  但美国宇航局会使用什么样的新型登月舱呢?“阿波罗”计划中的登月舱只能运送两名宇航员和极少量的设备到月球表面。此外,它还只能降落在月球对着地球一侧的低纬度地区,在月面停留的时间最长也就只有几天。宇航员的吃住都在登月舱的密封舱中,而具有研磨作用的月球尘很快就会污染它。按照“阿波罗”计划宇航服设计者的说法,几天之后宇航服的关节处以及有缝连接的徽章就会被磨损。

  美国宇航局建造的“阿波罗”登月舱是专门为了用来执行“短、频、快”式任务的。为此新的登月舱必须从零开始重新来过。它的载重可以达到45,000千克,是“阿波罗”的三倍。同时它还将使用新一代的船员系统,包括下降段中一个分离的密封舱。

  为了保证可靠性,上升段的推进剂仍将采用双组分火箭燃料——可以在室温下储存并且在两种或两种以上的不同物质相互接触时即能自燃。不过着陆段将会使用高能低温燃料,而这些燃料还可以做为延长一次月面任务的重要资源。

“牛郎星”登月

  美国宇航局期希望大大拓展宇航员在月球上的探测任务。它在2008年中给出了一个设计参考表,其中指定了登月舱“牛郎星”必须具备的功能。

  第一,“月球突击队”营地。新的载人登月可能会在月球上的任何一个地点着陆,并且在那里呆上大约一周。“牛郎星”着陆器必须要能携带宇航员所需的一切。

  为此美国宇航局会精心设计“猎户座”的轨道使得“牛郎星”可以在更大的范围内着陆。和“阿波罗”计划不同,这些着陆地点可以在月球朝向地球的一侧也可以是在背向地球的一侧、从月球赤道到月球两极的任何一个地方。对于前往一些困难较大的地点,例如月球的极区,这需要精确地把握从地球发射的时机,而且还需要在月面任务开展前后在月球轨道上飞行数天。

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[图片说明]:“牛郎星”登月舱降落在月球表面,宇航员开始在月球表面的探测任务。这一“月球突击队”最早会在2020年成行。比较之下“牛郎星”会使得“阿波罗”计划中的登月舱相形见绌,它可以运送四名宇航员到月球上的任何地点。版权:NASA/MSFC。

  第二,新的登月任务将需要一个无人驾驶的货运着陆器。按照这份参考表,这些登月任务将服务于一个月球前哨站,为其建造运送物资。这一运载工具要可以在月球上的任何一个地方着陆,并且可以搭载14,000-17,000千克的仪器或者其他补给。

  第三和第四种任务则是把访客(任务三)或者长期居住者(任务四)送往月球前哨站。在这两种任务中,机组成员要能够利用前哨站内的物资而不是着陆器上的资源来延长他们的停留时间。

  “长期居住者”任务将会是美国空间计划的一个顶峰——人类在月球上的持续存在。这和在国际空间站上驻留非常相似,考察队员可能会在月球前哨站逗留6个月,随后当另一组队员到达时返回地球。尽管美国宇航局并没有给在月球上建立连续的存在制定时间表,但是他们希望能在第一个月球突击队发射之后能尽快做到这一点。

  另一个任务设计的新元素是国际合作。这一举措在“阿波罗”时代是被控制在最小范围内的,但对于国际空间站来说却变得至关重要。现在美国宇航局计划发展自己独立的空间飞行基础设施,但其他国际合作者的参与将有助于在月球上开展研究、定居以及其他活动。欧洲、日本、印度和中国都对此表示出了兴趣。

  此外,其他国家可能也会研发自己的载人登月计划。这些计划之间可以相互补充,如果需要还可以在紧急情况下相互救援。

更好的飞行器

  新任务的需求直接影响了新硬件的设计制造。为此需要考虑自动货运飞船和工程上的限制。

  美国宇航局会使用正在研发中的和“土星”Ⅴ型火箭类似的“战神”Ⅴ型火箭来发射“牛郎星”着陆舱。“牛郎星”会在近地轨道上和载人的“猎户座”指令舱会合对接,然后一起飞往月球。

  由于“牛郎星”就位于整流罩下,因此它的体积不会像“阿波罗”的登月舱那样受到限制。这同时也使得“牛郎星”可以使用液氢做为燃料,它的效率比“阿波罗”所使用的肼燃料高出了50%。但由于液氢的密度比肼低,因此它的体积较大,盛放它的燃料箱也会要大数倍。不过对于发射“牛郎星”来说这不是问题。

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[图片说明]:当宇航员在月球表面进行一周的探测任务时,“猎户座”指令舱会在无人驾驶的情况下环绕月球飞行。版权:NASA/MSFC 。

  无论是货运飞船还是载人飞船,一旦在月面着陆,上升段和分离的密封舱这些大型的舱体就会给操作人员带来麻烦。由于额外的体积使得这些载荷会高出月球表面很多。对于宇航员来说,这所要求的扶梯长度将会是“阿波罗”的三倍。而对于货物来说,这就需要一台起重机来卸货。幸运的是,由于月球的引力较小,物体在月球上的重量只有地球上的六分之一。

  但是在宇航员完成了这些任务之后,燃料箱巨大的体积将会从一个障碍魔术般地变成了一件宝贝。首先,燃料箱中还会剩下许多的推进剂。液氢和液氧不但能在火箭引擎中燃烧,它们还能做为月球表面电厂或者是月球车的能源。其次,在宇航员用完其中的燃料之后,这些绝缘性能良好的箱体可以用于居住(毕竟它们从来没有盛放过有毒的物质)或者是用来做为储存提取自月球表面挥发物的容器。

更好的宇航服

  除了“牛郎星”的上升段之外,月球上最重要的装备可能就是宇航服了。在“阿波罗”任务期间,严酷的月球环境——尤其是预料之外具有研磨作用的月球尘——“摧残”着宇航员身穿着的宇航服,在一些危险的情况下甚至差点酿成失败的后果。

  新的宇航服将会使用更先进的材料来制造。它们会更轻便、更结实、更耐用,同时还具有更先进的命令、控制、显示和自我测试功能。

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[图片说明]:整个“星座”计划需要两种宇航服。一种是用于发射、着陆和舱内特殊或紧急情况的(左),另一种是用于月面作业的(右)。版权:NASA。

  但它们最重要的特性还是它们的设计。从一开始,它们就是用来为月球探测服务的。它并不仅仅关乎更换电池或者是调整一下机械装置,工程师们从国际空间站获得了很多宝贵的经验。它们会把需要的工具数量和组成部件减少到最低的程度。它们的内部部件将会很牢固,即使脱落也会易于寻找。模块化的设计也将使得宇航服具有更大的通用性。于是尽管宇航服会逐渐磨损,但是不会一次所有部件同时发生。

  在“阿波罗”时代,没有人知道怎么制造这样的宇航服。阿姆斯特朗所穿的宇航服仅适合在月球着陆器之外进行短暂的活动。在学习了“阿波罗”计划和美苏空间站的经验之后,几乎所有的工程师都对此达成了一致。显然新的设计彰显的并不仅仅是硬件上的进步。

回家之路

  至少在一开始来看,新计划中从月球到地球的返家之路和“阿波罗”的基本相同。但是表面的相似性下隐藏着重大的差异。由于宇航员已经在月球上经历了数周或者数月的探测任务,他们必须重新接受关键的飞行操作训练。因为他们之前在地球上学习的技巧可能已经变得生疏。

  他们回家的船票会在近月轨道上等候它们——“猎户座”指令舱。由于指令舱是无人驾驶的,因此地球上的任务控制人员必须在宇航员抵达之前通过远程控制确保它运转状况良好。如果对于飞船的可使用性没有疑问,那么就可以上船。另外,如果需要还可以从地球发射小型的火箭来进行额外的补给。

  这就是未来月球探测在理念上的重大变化——被困在月球上不再意味着必死无疑。相反,在返回地球的航天器尚存在问题的时候,呆在月球上是更好的选择。

  任务的设计者将其称为“月面优先”理念。在着陆的最初阶段或者是发射前往“猎户座”指令舱的时候,硬件问题都会造成危险。

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[图片说明]:2009年10月2日对“猎户座”降落伞着陆系统进行的测试。版权:U.S. Army。

  但是,当宇航员在月面上建造了足够的基础设施之后,在这种情况下如果他们能转移到安全的设施里的话将会是更好的选择。此时,月球仍然是一个危险的地方。但寻找紧急避难所绝对是值得的。

  当美国宇航局在研发下一个载人探月系统的时候,月球不再是一个遥远的新大陆,而是家之外的另一个家。“阿波罗”仅仅是第一步,还有更多的脚印会出现在月球乃至其他的天体之上。

[Astronomy 2009年08月]


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