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NASA“深空之门”是人类太空殖民的关键

腾讯太空  · 公众号  · 探索  · 2018-01-19 17:55

正文

美国国家航空航天局(NASA)把即将建设的绕月轨道空间站视为登陆火星的垫脚石。




国际空间站于1998年开始建设,2011年竣工,它是一个了不起的工程技术成就,也是宇航员远离地球的家园,宇航员可以把国际空间站作为在轨前哨基地,在太空中工作和生活。


但是,按照计划,国际空间站将于2028年退役,因此,NASA正在制定更加具有雄心的计划,准备实施新一代的人类太空飞行任务。这一新的计划将号召宇航员再次进行登月任务,在登月之后还将挺进更加遥远的深空。特朗普总统于2017年12月表示,美国即将开展这些计划的第一步工作,“最终将实现登陆火星,也许有一天,还要登陆更加遥远的其他行星世界。”


NASA想实现上述计划,就必须要建设一个新的空间站。 提议建设的“深空之门”空间站不同于环绕地球轨道飞行的国际空间站,“深空之门”空间站将环绕月球轨道飞行。这个新空间站的宇航员将在惊人的、距离地球40多万千米的太空中生活和工作,这一距离是国际空间站与地球距离的1000多倍。 自从阿波罗计划于1972年结束之后,人类就再也没有派遣宇航员登上月球,目前,NASA也没有制定尽快将宇航员送上月球的计划,但是,“深空之门”空间站的建设将意味着人类于45年之后第一次在近地轨道之外开展太空探险活动。


“深空之门”空间站最初将被放置在月球周围的近直线晕圈轨道,在所有月球轨道,近直线晕圈轨道可以很容易地作为地月轨道转移的过渡,从近直线晕圈轨道进入月球极地轨道只需要730m/s的速度增量,耗时12小时左右,显著优于其他过渡轨道。


“深空之门”空间站的各种部件将通过太空发射系统搭乘猎户座宇宙飞船的第EM-2至EM-8次任务作为有效载荷发射升空。根据俄罗斯航天国家集团公司的说法,他们也可能使用“质子-M号”火箭及“安加拉-A5M”重型火箭来运载有效载荷及宇航员。


NASA还与波音公司、洛克希德·马丁公司、轨道ATK公司、内华达山脉公司和空间系统洛拉尔公司合作研发“深空之门”空间站的重要组件——电力和推进元件。这一研发计划已经被纳入了NASA的下一步空间技术探索伙伴关系。


下一步空间技术探索伙伴关系是NASA利用公私伙伴关系模式开展的一项计划,目标是寻求商业开发深空探测能力,以支持更广泛的人类太空飞行任务。 该计划在2015-2016年已经投入1515万美元的资金进行研发,2016-2018年之间的资金投入数量不清。已知获得资金支持、进入合作伙伴关系的企业有:毕格罗航天公司、波音公司、洛克希德·马丁公司、轨道ATK公司、Dynetics航空航天公司、轨道技术公司、UTC航空航天系统公司、艾德·阿斯特拉火箭公司。


可变比脉冲磁等离子体火箭设计结构图

值得重点说一下的是: 艾德·阿斯特拉火箭公司研发的可变比脉冲磁等离子体火箭,该火箭是用于航天器推进的电磁推进器, 它使用无线电波来电离和加热推进剂,通过磁场加速产生的等离子体来产生推力,是一个等离子体推进引擎。前宇航员富兰克林·张·迪亚斯最初提出了可变比脉冲磁等离子体火箭的设计概念。这种新概念火箭产生的离子在实现热分布之前立即从磁性喷嘴喷出,离子回旋波中的几乎所有能量都能够在单程回旋加速器的吸收过程中均匀地转移到电离等离子体中。


艺术概念图:飞翔于太空的可变比脉冲磁等离子体火箭

在这一过程中,离子将以非常窄的能量分布离开磁性喷嘴,并且使得发动机中的磁体布置显着简化和紧凑。可变比脉冲磁等离子体火箭不使用电极,因此,它可以对大多数硬件部件进行磁屏蔽,从而消除电极腐蚀,在最大程度上减少了离子发动机的主要磨损。传统火箭发动机存在非常复杂的管道、阀门、涡轮系统,与此相反的是,可变比脉冲磁等离子体火箭几乎没有需要活动的部件,火箭复杂性极大减小,可靠性极大提高。


艺术概念图:洛克·希德马丁公司建议的“深空之门”空间站建设草图

“深空之门”空间站建设任务是一项重大的人类太空事业,它将建成强大的新型运载火箭、新型载人太空舱,还将对很多硬件设备提出更高的标准和要求。“深空之门”空间站建设成本将毫无疑问地超过国际空间站的建设及运行费用-1250亿美元。即便国会顺利批准所需费用,“深空之门”空间站将需要NASA与国际社会及私营企业形成合作伙伴关系,共同开展建设工作。 美国国家航空航天局及俄罗斯联邦航天局于2017年9月发布了一项关于合作事宜的非正式共同声明,日本及加拿大的航空航天部门也已经表示有兴趣参与合作。


目前,上述事宜都还未正式确定,很多人还针对新的空间站及载人太空飞行发表了一些批评意见。诺贝尔奖获得者、理论物理学家史蒂夫·魏恩贝格博士就坦率地提出了批评意见。他把国际空间站批评为“轨道火鸡”,他说:“把人类送入太空并不会发挥什么有用的功能。”

具有挑战性的太空环境

“深空之门”空间站的宇航员生活将是什么样的?对最初抵达“深空之门”空间站的宇航员来说,他们的生活将会很孤独。在国际空间站工作及生活的宇航员,能够看到又大又圆的地球。到了夜间,国际空间站的宇航员能够通过空间站的窗户看到地球上明亮的大块红斑,这些红斑都是地球上的大都市。但对于“深空之门”空间站的宇航员来说,他们看到的地球,就只有一个手臂距离之外的拇指般大小了。如果“深空之门”空间站出现紧急情况需要救援时,地球发射的飞船需要数周之后才能够到达。对比来看,国际空间站仅需要数小时就能够完成撤离救援。


此外, 深空是一个具有内在危险性的太空环境,包括高能宇宙射线在内的辐射将对宇航员造成时时刻刻的危险。


从木卫二“欧罗巴”遥望红色巨人-火星。人类如何才能够在地球之外、太阳系之外、甚至是宇宙空间之外生存?

“毫无疑问,深空环境具有无比的挑战性和危险性,”亚利桑那大学天文学家克里斯·英庇博士说。克里斯·英庇博士曾经出版了著作《超越:未来的太空人类》。他说:“深空之门空间站将会比国际空间站狭窄的多,我认为,在深空之门空间站工作的宇航员将会承受更大的精神压力。”


其实,仅是飞往“深空之门”空间站的路途,都是一项非常具有挑战性的工作。人类需要研发一种称为太空发射系统的新型重型运载火箭。目前已经在研发过程中的太空发射系统将会是人类制造过的最为强大的运载火箭,该火箭将能够产生比阿波罗计划所使用的土星五号火箭还要强大的推力。另一个宇航器-猎户座载人太空舱也已经列入计划,太空发射系统将与猎户座载人太空舱一起,将宇航员送入地球轨道,然后再送入月球轨道。

艺术概念图:NASA的太空发射系统被视为世界上最强大的运载火箭。

有人已经充分论证说明,月球及其附近太空区域,是人类太空飞行的下一个合理目标。“这样想是非常自然,”英庇博士说:“ 人类最终将对地球之外的深空进行探测,这一理想是否能够实现,取决于人类是否能够成功实现长期在太空中生活及工作,取决于人类是否能够在太空中保持健康、养活自己、实现空间站物资的重复补给。 ”人类已经在国际空间站中认真地做出着努力,人类将在建议实施的“深空之门”空间站中继续这一努力。


英庇博士说,“深空之门”空间站的低引力环境将把人类解放出来,以便实现对太阳系进行探索的梦想。

登陆火星的垫脚石

在进入月球轨道之后,“深空之门”空间站宇航员的下一个明显目标将会是月球表面,人类最后一次登陆月球是阿波罗17号登月任务宇航员尤金·塞尔南及哈里森·施密特于1972年12月完成的。下一步计划,也是最终目标,将会是火星。


“深空之门空间站将会成为人类进入更深太空的大门,”NASA人类探索和行动任务理事会发言人谢丽尔·沃纳通过电子邮件对美国全国广播公司新闻频道数字及创新作品平台News MACH编辑部说。谢丽尔·沃纳还补充说:“被称为地月轨道空间的月球附近太空区域能够为人类提供真实的深空环境,我们可以从该区域获得工作经验,以便在更加遥远的太阳系空间领域实施人类探索任务,其中就包括了火星登陆计划。”


沃纳强调说,“深空之门”空间站的具体设计方案还未最终敲定,但目前已经确定,该空间站的建设计划将包括一个新的推进系统及新的宇航员居住舱。

NASA早已开始了部分关键组件的研发工作。 按照计划,太空发射系统将于2019年12月进行一次无人测试飞行,该次飞行任务的代号为NASA探测任务1号。本次任务将把一个猎户座载人太空舱送入月球轨道,还要完成大约6颗卫星的部署任务。 NASA探测任务2号预计将于2022年进行,这次任务将是该类任务的第一次载人飞行。在这两次任务完成之后,NASA计划按照每年一次的节奏进行接下来的发射任务。

NASA的宇航员于2017年在墨西哥湾进行“猎户座号”载人太空舱紧急逃生演练。

NASA于2017年春季发表的一个声明称:“到了二十一世纪二十年代末,NASA计划进行一次为期一年的载人太空飞行任务,对这个系统的安全性、可用性进行测试,以便最终将新的太空发射系统用于将人类的宇航员送出地月系统、送达其他遥远的目的地。”


在接下来的50年时间里,“深空之门”空间站的研发和建设工作不仅能够帮助人类将宇航员送到地球之外的遥远太空及行星,该空间站还将促进人类研发一系列的尖端科技。2017年秋季,NASA号召科学界及产业界提出基于“深空之门”空间站的试验计划建议,下个月将在丹佛市召开的一次工作会议将以此为主题进行研究讨论。 NASA希望得到的试验计划建议将涵盖如下内容:行星科学、天体物理学、地球观测、太阳物理学、基础空间生物学、人类健康学、人类行为学等。

人类必须对太空进行探索

很多太空飞行专家认为,无论“深空之门”空间站能够完成多少科学试验、取得多少科学成就,如果仅就科学研究而言,并不能够完全证明“深空之门”空间站研发及建设工作的正当性及必要性。


“我们认为,人类确实能够通过深空之门空间站取得大量的科学成就,但是,在所有重要的事情中,科研工作还不是重中之重,科研工作并不是研发建设深空之门空间站的最重要动机及因素,”麻省理工学院行星科学家理查德·宾采尔博士说,研发建设“深空之门”空间站将是一项无比浩大的人类工程,如果仅仅是为了搞一点科研工作就投入如此巨大的人力物力,这是无论如何都说不过去的,人类必须以登陆火星为目标,只有这个目标,才值得耗资巨亿建设“深空之门”空间站,才值得投入大量的人力物力,因为,“深空之门”空间站最终将成为人类登陆火星的垫脚石。







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