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揭秘NASA极具野心的月球基地计划

天文online

05-19 22:28 来自北京

深度解析NASA极具野心的月球基地规划

NASA极具雄心的月球基地计划内幕

NASA的月球探测计划需要近80次发射、近75个着陆器、10辆月球车和一座核反应堆

美国国家航空航天局

某日，NASA的阿尔忒弥斯XVIII任务正在月球着陆。火箭熊熊燃烧，一座银色塔状物平稳降落到月球表面明亮的着陆垫上。完美着陆后，宇航员们走出来，白色的宇航服瞬间就被悬浮的月尘弄脏了。他们下到月球表面，跳过一堆岩石构成的防护堤，来到一辆等候着的越野车旁。

至少，这是美国国家航空航天局（NASA）代理副局长格雷格斯托弗的计划，他在马里兰州约翰斯霍普金斯大学应用物理实验室（APL）的某次会议上阐述了这一愿景。在ArtemisII月球飞越任务取得令人难以置信的成功后，NASA正准备开展一系列雄心勃勃的月球之旅，目标是到2036年建立一个月球基地。这些任务将以斯托弗设想的ArtemisXVIII等登陆任务为高潮。

斯托弗说：要参与阿尔忒弥斯十八号任务，我们还有很多事情需要考虑……当我们谈论在月球上生活和工作时，这不仅仅是一项单一的任务，而是一个生态系统。

相关知识

月球基地是人类计划或探索建立在月球表面或地下的设施，用于开展月球科学研究、资源勘探利用、深空技术试验等活动。它可作为人类深入探索太阳系的前哨站，帮助了解月球地质、宇宙辐射等环境，为未来载人火星任务积累经验，推动太空探索技术的进步与发展。

该计划部分源于美国前ZF的一份行政命令，该命令要求NASA将探索重点转向月球。根据该命令，这家航天机构的优先事项应包括在2028年前实现载人登月，并在2030年前建立永久月球基地。NASA新近任命的局长贾里德艾萨克曼在NASA总部近期举办的Ignition活动上重申了这些指令，该机构在活动中宣布了其月球基地计划。艾萨克曼在活动中告诉数十位国际合作伙伴和航天业内人士，NASA已准备好推动其进展缓慢的月球和火星探索工作。他表示，自航天飞机时代结束以来，此前的计划毫无进展，数十亿美元被浪费，数年时间流失，交付的硬件不符合要求，项目从未启动，旗舰科学任务减少，几乎没有X型飞机，太空宇航员数量也有所减少。

为加快进度，美国国家航空航天局（NASA）正借助不断发展的私人航天产业来推进其月球基地三步计划。首先，计划让宇航员登陆月球；其次，将在月球南极建造基地，并开始每六个月派遣宇航员前往；最后，该机构将建立核动力永久前哨站。这项耗资300亿美元、为期11年的计划需要79次发射、73个着陆器、10辆月球车、12架跳跃者火箭无人机、4个居住模块以及众多其他基础设施，包括一座20千瓦的核反应堆。

“这非常有野心。我们是故意这么做的，”美国国家航空航天局（NASA）月球基地的总督卡洛斯加西亚加兰表示——这是艾萨克曼在一次活动中对他的称呼。“我们想弄清楚哪些因素会阻碍月球基地的建设，”加西亚加兰补充道。在艾萨克曼要求一份更详细的计划后，该机构的科学家们整合了长期月球探测计划的各个组成部分以及为这些任务已建成的部件，以制定点火提案。

月球探索的下一个小步将随着SpaceX计划发射其巨型Starship火箭的加长版而来。新火箭的上面级理论上会作为月球着陆器的基础。此次试飞旨在首次进入近地轨道。今年晚些时候，BlueOrigin将首次尝试把NASA的挥发性物质调查极地探测车（VIPER）着陆到月球南极——这是月球基地的规划地点。

美国国家航空航天局（NASA）月球基地计划的首个100亿美元阶段。美国国家航空航天局（NASA）

挥发物

月球南极的这个目标背后，隐藏着天体几何学规律和远古灾难事件。一项发表在《科学进展》上的研究报告显示，约43。3亿年前，一颗直径162英里、带有铁芯的陨石以约2。9万英里小时的速度撞击了月球南半球的背面。这次撞击留下了一个锥形的撞击坑盆地，其宽度约1600英里，深度达5英里，是太阳系中最大的撞击坑盆地之一。被撞碎的铁芯在最初深入月球地幔后，可能弹离了月球，并在南极地区散落了磁化地形的痕迹。如果该研究计算的轨迹正确，那么如今这个盆地及其周边崎岖的极地地形上分布着许多较小的陨石坑，这些陨石坑覆盖着那次远古撞击事件留下的月球地幔样本。

月球的几何特性使得南极地区接收到的阳光几乎是沿着其曲面平行传播的。因此，即使是小环形山的边缘也会投下长长的阴影。月球绕地球运行时，相对于其绕太阳的轨道有5。1度的轻微倾斜，这使得月球两极的光照情况奇特且不稳定，会经历数周或数月的黑暗期。一些环形山边缘足够高，能持续接收到阳光；而另一些环形山的深处则永远处于黑暗中，温度远低于零下328华氏度。这些永久阴影区的冷阱是探索者们希望找到彗星撞击遗留的水冰以及其他有助于维持月球基地的有用物质的地方。

近日，爱尔兰成为第66个签署美国国家航空航天局（NASA）《阿尔忒弥斯协定》的国家，该协定呼吁按照1967年《外层空间条约》的规定，以和平、合作的方式开展人类对月球和火星的探索。协定允许利用太空资源，例如所谓的月球水。不列颠哥伦比亚大学外层空间研究所联合主任、天文学家亚伦博利表示，协定中的这一表述引发了人们对月球南极资源争夺的担忧。推动月球基地建设背后的地缘政治因素（美国立法者曾称这是与其他国家快速发展的太空计划的竞争）引发了人们对保持月球南极科学原始性的担忧。博利说：这是一个真正特殊的地方，与早期地球的记录息息相关，而我们探索它的机会只有一次。如果搞砸了，就真的无法挽回了。

NASA的加西亚加兰认同，干扰月球上太阳系科学的记录是一个令人担忧的问题。我们不想破坏一个具有巨大科学价值的着陆区域，他说。

美国国家航空航天局（NASA）月球基地计划第二阶段的示意图。NASA

节奏

登月并非易事，尼尔阿姆斯特朗在阿波罗11号任务中那次惊险的着陆就曾广为人知地证明了这一点。月球表岩屑是火山灰、沙砾、石块和巨石的松散聚集体，覆盖月球表面的深度可能达65英尺，表层是一层薄薄的粗糙锋利的火山尘埃。月球南极布满陨石坑的高地地形，部分解释了为何六次阿波罗着陆任务转而选择了更平坦的月球月海区域和磨损严重的陨石坑作为着陆点——这些地点的条件难度较低。（这些区域更靠近月球赤道，航天器在进入着陆轨道时所需的制动也更少。）除了有意的撞击着陆外，21世纪以来尝试的无人月球着陆任务中只有一半取得了成功。其中包括成功的月球车任务以及IntuitiveMachines的一次任务，该任务在着陆时损坏了一条腿。

NASA目前尚未拥有可用的着陆器。其计划让SpaceX和蓝色起源展开竞争，交付可正常工作的着陆器，以用于阿尔忒弥斯三号任务中地球轨道对接与操作的测试。SpaceX的竞争方案是其星舰上面级火箭的月球着陆器版本，该火箭尚未进入地球轨道。蓝色起源的参赛方案是其MarkI月球着陆器的升级版，计划将一台科学探测车送往月球南极。美国国家航空航天局探索系统开发任务理事会代理副局长洛里格莱兹表示：无论哪个着陆器准备就绪，我们都会选择它。这两款着陆器在搭载宇航员前往南极之前，可能都需要在地球轨道上加油——这一安排需要未开发的技术——不过格莱兹称，航天局可能会收到各公司提交的减少加油需求的方案。

GarciaGalan表示，加速月球基地计划的一部分是重新利用NASA为现已取消的绕月轨道门户空间站所建造的模块。门户空间站是在特朗普第一任期内提出的，但被点火计划废弃。此前，Isaacman在一次国会听证会上证实，目前已交付给NASA的仅有的两个可居住门户模块（均由欧洲泰雷兹阿莱尼亚航天公司建造）的铝制外壳已被腐蚀。他告诉议员们，如果该项目没有被取消，这个问题可能会将门户的发射时间推迟到2030年以后。

月球上的腐蚀问题已备受关注，这在很大程度上是因为月球的火山尘埃。伍斯特理工学院的机器人工程师肯尼斯斯塔福德表示：事实是月球处于低重力环境，这意味着被扬起的尘埃往往会停留在空中。月球上没有风，也没有空气，所以尘埃不会被吹走，只会像雾一样悬浮在空中。带静电的尘埃会进入任何物体，包括传感器、轴承和宇航服。这种尘埃因边缘锋利且未经风化，曾让阿波罗宇航员出现眼部不适，这是众所周知的。至于驾驶月球车前往月球基地，月球上指南针无法使用，且尘埃会附着在光学设备上，因此美国国家航空航天局（NASA）已制定计划，利用地球卫星进行导航。地球的润滑剂无法承受月球的真空环境，而真空还会起到隔热作用，阻碍机械释放多余热量。许多月球前哨站的基础设施，甚至包括用于从拟议核反应堆传输电力的耐月球辐射电缆，目前都尚未就绪，专家们在最近的一次月球表面会议上指出。加西亚加兰表示，仅仅让两个模块在不平坦的月球表面对齐就会是一项挑战。

月球的低重力（仅为地球的六分之一）使得漫游车难以获得足够牵引力来移动岩石，以建造设想中环绕着陆垫和栖息地的土堤，或挖掘宇航员所需的矿物。Stafford表示，你不能直接将重型推土机运到月球并启动它。两端均可铲石的漫游车似乎具有更好的牵引力。对他而言，压实着陆垫听起来比建造土堤更容易，因为月壤很容易压缩——至少在模拟中是如此。不过，Ignition计划目前要求SpaceX和BlueOrigin在未来某个时间展示其载人着陆器的成功无人着陆，而届时准备好的着陆垫似乎不太可能存在。此前，IM1航天器在一次着陆任务中折断了一条腿，某日本着陆器也在着陆时坠毁，这让人们对此感到担忧。

过去二十年来，NASA的工程师们设计出了能够在低牵引力的陡坡上行驶并越过巨石的火星车。点火计划要求制造更简单的火星车，这些火星车在报废前能完成短期任务，而非持续工作数十年。所有工程设计都是权衡取舍的结果，斯塔福德表示，NASA过去往往会错误地倾向于对某些东西进行过度精雕细琢，而实际上更简单、更容易制造的产品可能就能胜任这项工作。

最大的挑战将是及时把所有这些物资运到月球——换句话说，就是掌握节奏，月球基地总督加西亚加兰表示。要完成这项任务所需的资产、发射任务和着陆器数量，我认为我们需要专注于这一点。

美国国家航空航天局（NASA）月球基地计划最后阶段的示意图。美国国家航空航天局（NASA）

刘易斯和克拉克

太空政策专家对NASA能否按新计划实现其登月目标表示相当程度的怀疑。阿尔忒弥斯计划最初提出时，原计划在某个年份实现载人登月，而现在讨论的目标时间则延后了几年，温迪惠特曼科布说，她是马克斯韦尔空军基地高级空天研究学院（SAASS）的战略与安全研究教授，她强调仅代表个人观点。我认为这是可能的，但存在一个很大的不确定因素，那就是商业公司以及着陆系统的可用性。紧张的时间安排给阿尔忒弥斯三号着陆器测试任务以及SpaceX和蓝色起源提出的无人测试带来了很大压力，其中蓝色起源的测试资金来自公司自身。根据NASA监察长的说法，月球宇航服的开发——这项工作由NASA委托给私营公司公理太空（AxiomSpace）——也已落后于计划。这里面有很多不确定因素，科布说，而且时间总是不够用。

Ignition计划至少通过取消Gateway项目以及为该机构超大型、长期超支的太空发射系统火箭提议的昂贵上面级助推器，简化了设想中的月球基地方案。但这种简化是否能让私营航天公司获得足够的时间和燃料节省，以在计划的时间内完成着陆任务，NASA将在未来几个月内从各公司对其提案的回应中找到答案。在我看来：局长阐述了我们想要实现的宏大愿景，也就是我们在月球的目标，Glaze表示。Ignition计划实际上是市场调研。我们希望获取反馈数据。

俄亥俄州立大学尼尔阿姆斯特朗航空航天政策讲席教授、工程学教授约翰霍拉克表示，NASA的计划并非最终方案，而可能只是人类重返月球的初步尝试。他将点火计划比作探险家梅里韦瑟刘易斯和威廉克拉克为探索队制定的最初计划——该计划旨在绘制美国西部地图。探险队在寻找通往太平洋的路线时，适应了新的环境、更高的山脉和更湍急的水域。这是一段旅程的开始，霍拉克说，如果非要我保证什么的话，我想我可以保证，事情不会完全按照这个（计划）进行。

一个令人鼓舞的迹象是，金融家们对月球空间企业的兴趣正日益浓厚，专注于太空领域的风险投资公司E2MCVentures的创始合伙人拉斐尔勒特根表示。例如，包括一些历史更悠久、风格更保守的地球采矿企业在内的各类公司，都对月球资源表现出兴趣。阿尔忒弥斯协定的推进让太空探索似乎将有章可循。勒特根说：人们需要一个持续的经济理由才能前往月球。月球南极相关兴趣背后的地缘政治因素让这一切显得更不可避免。勒特根表示，各方在月球领域的布局和竞争使得相关行动更具必然性。