关于“月球门户”：详解 NASA 未来的月球轨道空间站

人类的第一个月球轨道空间站将为探索太空和进行科学研究提供全新的方式，但它也将带来前所未有的健康和安全风险。

上图：想象中的完全组装后的月球门户。

美国国家航空航天局（NASA）连同一系列国际和私人合作伙伴，制定了建造一个小型空间站的宏伟计划。这个被称为“月球门户（Lunar Gateway）”的前哨基地将支持月球及其周围的任务，并为开展科学研究提供一个独特的平台。下面我将为大家介绍这个即将到来的空间站的方方面面，以及它将如何实现太空探索的下一个巨大飞跃。

现在，我们已经将人类送上月球表面，在近地轨道上建立了空间站，在火星上着陆了漫游者，甚至向太阳系外发射了宇宙飞船。毫无疑问，这些成就都令人印象深刻、引以自豪。但是，我们仍有很多事情要做，尤其是绕月空间站的建设。我们还没有这样做似乎是一个明显的遗漏，但这正是我们今天所发现的。

为什么我们需要一个月球空间站？

即将到来的阿尔忒弥斯（Artemis）时代，给了NASA一个建造这个东西的借口。当然，“借口”这个词可能不太合适，考虑到美国国家航空航天局（NASA）宣称的目标是在月球及其周围建立持久的人类存在，因此，建设月球空间站更有必要。NASA正寻求在2025年之前让一男一女登陆月球表面，但这次的阿尔忒弥斯3号任务只是冰山一角。

阿耳特弥斯基地（Artemis base camp）的计划正在进行中，将包括一个表面栖息地、一个加压漫游车和一个灵活的月球地形车。随后的基础设施将进一步使我们的月球探索成为可能，但在这些任务中获得的经验和技术将使人类实现下一个巨大的飞跃：载人火星任务。然而，如果没有月球空间站，这一切都是不可能的。

上图：NASA 的猎户座宇宙飞船正在接近完整的月球门户（概念图）。

正如美国宇航局在2018年的备忘录中解释的那样，月球门户“对推进和维持人类太空探索目标至关重要，是我们的人类地月行动（地月指地球和月球之间的区域）、月球表面访问和火星任务的架构中统一的单一起点。”一旦进入月球轨道，这个大小只有国际空间站六分之一的多功能门户将为载人任务提供支持，提供执行科学的平台，以及将任务部署到太空深处的中转点，包括用于研究附近小行星和彗星的机器人探测器。

“月球门户”将位于何处？

目前的计划是将月球门户送入近直线光环轨道，简称：NRHO。这一“节能”的轨道利用了地球和月球产生的中性重力点。除了引力稳定外，NRHO 还将为轨道前哨站提供对地球的连续视线，使月球门户上的机组人员与地球上的地面站之间的通信畅通无阻。

根据欧洲航天局的说法，NRHO 是高度椭圆的，所以空间站在最接近月球的时候会在距离月球大约185英里（3000公里）的范围内，然后在再次返回之前会飞行到43500英里（7万公里）的距离。沿完整的轨道运行一次应该需要大约一周的时间。

CAPSTONE 探测器已于6月28日发射，目前正在前往月球的途中。这颗小型卫星将于11月13日进入NRHO 轨道，成为第一个这样做的人造物体。CAPSTONE 将测试这种光环轨道对月球门户的适用性，此外还将测试一种新的航天器对航天器之间的通信能力。

“月球门户”将如何建造？

实际上，NASA和太空探索技术公司（SpaceX）都拥有强大的火箭，但没有任何火箭可以发射一个完全（或部分）建成的空间站。因此，就像任何空间站一样，它将不得不分几个阶段在太空中建造。

第一个组件可能在2024年到达月球轨道，为阿耳特弥斯3号奠定了基础，这是自1972年12月阿波罗17号以来的第一次载人登月任务（也就是说，阿耳特弥斯3号不依赖于月球门户，因为美国宇航局的猎户座飞船可以与人类着陆系统对接，后者目前计划是 SpaceX 的星际飞船）。空间站将在月球附近进一步组装，并对轨道进行轻微调整，以适应特定任务。NASA 正在与国际和私人合作伙伴合作，使“月球门户”项目成为可能，并已在2023年的预算中为该项目拨款7.79亿美元。

上图：加拿大航天局 Canada arm3 的概念图。

第一阶段将看到两个至关重要的元素的结合：一个提供动力和推进力的模块，以及一个支持人类活动的模块。 对于月球门户，这些组件被称为“动力和推进组件 (PPE)” 以及“居住和后勤前哨 (HALO)”。 美国宇航局希望在不早于 2024 年 5 月的 SpaceX 猎鹰重型火箭的一次发射中，同时发射 PPE 和 HALO，成本为 3.318 亿美元。 未来的发布将继续支持月球门户，无论是添加新组件还是交付货物。

“月球门户”有多大？

前五个组成部分将包括动力和推进组件（PPE）、居住和后勤前哨（HALO）、一个通信和连接模块、一个科学与气闸模块、一个后勤模块（用于储存食物和物资）以及一个机械臂。这些组件加起来重达40吨。这将是一个简陋的开始，但随着时间的推移，这些核心组件将成为一个更大的空间站的基础。

上图：月球门户拟议中的配置组件。

欧洲航天局（ESA）表示，月球门户将为四名宇航员提供为期90天的停留。单一的 HALO 模块无法为宇航员提供足够的空间，需要由欧洲航天局建造额外的可居住模块。一旦锁在一起，这两个模块将提供4414立方英尺（125立方米）的空间，大约相当于一辆双层巴士的体积。

月球空间站的组成部分是什么？

动力和推进组件（PPE）将是一个50千瓦的太阳能电力推进航天器，能够提供动力、高速通信和机动能力，比如，姿态控制和轨道转移。2019年，科罗拉多州的 Maxar 技术公司与NASA签署了一份3.75亿美元的非固定合同，以开发和建造PPE。该模块将使用太阳能电池板来产生为前哨基地供电所需的电能。

上图：动力和推进组件（PPE）概念图。

NASA委托诺斯罗普·格鲁曼公司建造一个可居住的加压舱“居住和后勤前哨（HALO）”。这家总部位于弗吉尼亚州的公司于2021年7月与美国航天局敲定了一份9.35亿美元的固定价格合同。HALO是仿照诺斯罗普·格鲁曼公司现有的天鹅座货物运输载具设计的。HALO的直径与天鹅座号相同，但它的长度为20英尺（6.1米），为了容纳机组人员，它将增加约3英尺（1米）。

HALO 将为宇航员提供一个生活、工作、研究和睡眠的地方。工作人员将在这里进行科学实验，派遣地勤人员到地面，并与地球上的地面站通信。可居住舱是指挥和控制站的所在地，也将提供对接端口，以支持载人航天器（尤其是猎户座）、月球着陆器和补给任务的到达和离开。基本的生命维持将包括循环利用氧气和生产饮用水。当然，HALO将允许连接更多的栖息地，因为计划在未来几年甚至几十年内扩大月球门户。

上图：居住和后勤前哨（HALO）概念图。

日本宇宙航空研究开发机构（JAXA），正在提供在部署PPE太阳能电池阵列之前和日食期间为 HALO 供电所需的电池。而 Canadarm3 将是加拿大航天局对月球门户的贡献。智能机器人系统将包括一个28英尺长（8.5米）的手臂，一个更小、更灵活的手臂和一套可拆卸的工具。

欧空局正在提供高数据速率通信能力，将轨道基地与在地面工作的团队连接起来。该模块被称为 ESPRIT （提供加油、基础设施和电信的欧洲系统），还将为科学有效载荷提供额外的燃料和气闸。ESPRIT 将有一个窗口，类似于国际空间站上的圆顶天文台。

上图：“I-Hab”国际居住模块概念图。

ESA 和 JAXA 还负责第二个可居住模块，称为“I-Hab”，或称：国际居住模块。该舱将为宇航员提供更多的生活、工作和进行科学研究的空间。该舱由泰勒斯·阿莱尼亚太空公司（Thales Alenia Space）建造，作为阿耳特弥斯4号任务的一部分，它可能会在2026年到达月球门户。

我们将怎么支持这么远的空间站？

月球与地球的平均距离为23.92万英里（38.5万公里），并不是很近。后勤将是支持宇航员执行任务的关键 —— 月球门户的建造者们当然不会忽视这一点。更重要的是，为深空提供供应链的经验，可以为未来的火星任务提供重要的信息。

上图：月球门户与SpaceX Dragon XL物流模块对接的概念图。

2020年，美国国家航空航天局（NASA）宣布，SpaceX公司是第一家获得月球门户物流服务合同的美国商业供应商，根据该合同，埃隆·马斯克（Elon musk）领导的公司将向月球空间站运送货物和其他物资。

SpaceX将需要将加压和非加压货物运输到前哨。NASA估计，每一次载人阿耳特弥斯任务就将需要一次运载。为此，SpaceX将在猎鹰重型火箭上发射其 Dragon XL 航天器。Dragon XL将是Dragon的更大版本，每次停靠在月球门户上6到12个月。根据SpaceX的说法，一艘 Dragon XL 将能够运送超过5吨的货物。

JAXA 也希望参与后勤支持。美国航天局目前正在研究改进方案，使其 HTV-X 货运飞船适合执行门户补给任务。有趣的是，SpaceX 即将推出的星际飞船火箭（Starship rocket）也可能被用于物流目的。

在“月球门户”上将会进行什么样的科学研究？

会有很多。 月球和行星科学是最明显的，但月球门户的有利位置也将允许开展地球科学、太阳物理学和天体物理学研究。 正如美国国家航空航天局所说，“基础物理研究”将凭借“从地球表面或地球轨道上无法看到的地球、太阳、月球和太空的扩展视野”成为可能。

月球门户的合作伙伴已经选择了三种科学仪器。美国宇航局的 HERMES（太阳物理环境与辐射测量实验套件）和欧洲航天局的 ERSA（欧洲辐射传感器阵列）将驻留在空间站外，监测太阳辐射和空间天气。据NASA介绍，第三种仪器 IDA（内部剂量计阵列）正在由 ESA 和 JAXA 开发，它将“允许研究辐射屏蔽效应，并改进癌症、心血管和中枢神经系统影响的辐射物理模型，帮助评估探索任务中的机组人员风险”。

“月球门户”任务对宇航员来说会有危险吗？

就像任何太空任务一样，也会有危险。月球门户的位置在近地轨道和地球磁层之外，这意味着，门户里的宇航员会比国际空间站上的宇航员更容易受到有害的太阳和宇宙辐射的影响。

根据《国际分子科学杂志》（International Journal of Molecular Sciences）发表的一项2021年的研究，“除了其他压力源（例如微重力）之外，离开低地球轨道提供的保护将不可避免地使宇航员暴露在更高累积剂量的太空辐射中”。 “众所周知，免疫调节会受到辐射和太空飞行的影响，在深空遇到的长期影响是否会对健康产生不利影响还有待观察。”根据这项研究，低地球轨道以外的预期辐射可能会损害细胞的线粒体，并对 DNA 修复产生长期影响。正如 NASA 所描述的：

在执行月球或火星任务时，辐射对人体的影响要大得多，在这些任务中，暴露于高能带电粒子会导致不利的健康影响，包括癌症风险增加、运动功能和行为改变以及组织退化。其他风险包括对宇航员在太空中安全生活和旅行所依赖的交通工具和设备的潜在损坏。

然而，平心而论，我们不知道宇航员在“月球门户”上长时间停留会在多大程度上受到太空的影响。阿波罗任务同样将宇航员暴露在太空辐射中，但这些任务持续时间不超过11天。长时间的门户任务可能会持续90天以上，这段时间更有可能引发长期的健康影响。因此，科学家们将密切关注返回的月球门户宇航员，以评估潜在的危害。这项研究将为未来减少有害影响的努力提供依据。

未来几十年，月球门户会是什么样子？

美国宇航局的目标是到达月球并停留在那里。这将需要一个完全强大和功能齐全的月球空间站，所以我们应该会看到月球门户随着时间的推移而扩展。令人兴奋的是，月球门户还可以作为美国宇航局提出的深空运输的中转站，从那里可以发射到火星的任务。门户还可以用来跟踪有威胁的近地天体。

总之，潜力是巨大的，只有时间才能告诉我们如何最好地利用月球门户来满足我们的需求，并将我们的触角扩展到太阳系 —— 甚至更远。

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