奧巴馬 *** 中止了重返月球的載人航天計劃以后，其提出的載人登火星構(gòu)想給美國載人航天出了大難題。雖然咬住了低地球軌道以遠的大方向未曾放松，但遙遠的火星如何去，美國經(jīng)歷了關(guān)于未來載人航天的爭論和艱難抉擇?，F(xiàn)在，以載人登火星為背景的小行星探索計劃又遇到了新問題——2016年4月提出的“太空復(fù)興”法案對該計劃提出了質(zhì)疑，特朗普 *** 的決策仍很艱難。
1 “靈活性途徑”顯示美國低地球軌道以遠載人航天的無奈過渡
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隨著“阿波羅計劃”（The Apollo Program）的結(jié)束，美國一直在構(gòu)想外層空間載人探索的下一步。1984年，美國 *** 批準空間站作為下一步計劃。1993年，美國與俄羅斯等其他國家合作建設(shè)“國際空間站”（ISS）。但美國人總覺得這樣做偏離了未來載人太空探索的路線，決定航天飛機和空間站分別于2011年和2016年退役。由于國際合作伙伴的堅持，“國際空間站”仍在持續(xù)運行。
布什 *** 將載人太空探索的新構(gòu)想確定為重返月球的星座計劃，將“國際空間站”和航天飛機的投資轉(zhuǎn)入該星座，但沒有得到國會支持?！鞍⒉_計劃”以及由此衍生的重返月球計劃給美國國家航空航天局（NASA）造成很大負擔，而且從經(jīng)濟和技術(shù)層面來看，實施這種計劃的黃金時代已經(jīng)過去。
2010年4月15日，奧巴馬總統(tǒng)在肯尼迪航天中心做就任總統(tǒng)后的之一次航天政策講演，宣布取消布什 *** 重返月球的星座計劃，并提出載人登火星、為“國際空間站”商業(yè)乘員運輸?shù)陌l(fā)展投資、進行新型空間技術(shù)開發(fā)，以及將“國際空間站”延長至2020年。隨之而來的問題是載人登火星將如何實現(xiàn)？
“靈活性途徑”策略出臺的背景
載人登火星遇到了技術(shù)與經(jīng)費等諸多問題，為此奧巴馬 *** 指定奧古斯丁委員會（Augustine Commission）對載人航天進行專門研究。該委員會在“探尋與大國相稱的載人航天計劃”的報告中，提出了載人太空探索的“靈活性途徑”，即基于能力驅(qū)動的新戰(zhàn)略。該途徑提出以發(fā)展基礎(chǔ)技術(shù)為重點，通過地月空間、小行星等一系列探索的曲折方式，或選擇先到月球再到火星等線性方式，待能力具備時再選擇目標而不是過早地確定目標，更不是直接去載人登火星。
提出多目的地的過渡性迂回策略
載人航天作為長周期的發(fā)展領(lǐng)域，沒有確定的未來目的地和長遠的目標終究是個大問題。2012年6月，“NASA太空技術(shù)路線圖和優(yōu)先級”報告發(fā)布，提出“重振NASA的技術(shù)優(yōu)勢，為新時代的太空探索鋪平道路”的口號，明確了多目的地的載人探索戰(zhàn)略。今后幾十年，NASA努力將航天員送到低地球軌道以遠的多個可能的目的地，最終目的地是火星。這些可能的目的地包括地月空間、近地小行星(NEAs)、月球、火星及其衛(wèi)星。
2 用技術(shù)開發(fā)和能力驅(qū)動掩蓋目的地論證的徘徊
多目的地不可能同時進發(fā)，需要深入研究待選擇目的地的先后順序和相應(yīng)的開發(fā)任務(wù)。技術(shù)開發(fā)路線的確定，要建立在多目標選擇背景下，培育安全、可靠、可提供、可持續(xù)并具有靈活性的太空計劃。NASA的載人太空探索戰(zhàn)略，主要特點是集中于發(fā)展適應(yīng)多目的地的核心能力，而不是開發(fā)只能專用的、針對具體目的地的硬件。技術(shù)和能力的根本目的是解決低地球軌道以遠乘員和物品的運輸問題，是從低地球軌道到火星探索的關(guān)鍵，意味著NASA能應(yīng)對日益復(fù)雜的任務(wù)。
低地球軌道以遠乘員和貨物的運送
研制“獵戶座多用途乘員飛行器”（Orion MPCV）和演進型重型發(fā)射飛行器“航天發(fā)射系統(tǒng)”。“獵戶座多用途乘員飛行器”由乘員艙、服務(wù)艙和發(fā)射救生系統(tǒng)組成。乘員艙在發(fā)射、登陸和回收期間為航天員提供安全的居住條件，也是完成任務(wù)以后返回地球的唯一的飛行器。演進型重型發(fā)射飛行器設(shè)計為可承載上述飛行器、貨物、設(shè)備和科學實驗的發(fā)射飛行器，到達低地球軌道以遠的目的地，初期運載能力70t，升級后運載能力達130t。
太空推進
NASA目前先進的太空推進技術(shù)包括太陽能電推進(SEP)、核反應(yīng)堆加熱推進劑的核熱推進(NTP)和利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生電能再使推進劑電離的核電推進(NEP)。太陽能電推進是到達火星和近地小行星的高效率技術(shù)，利用大面積（達670m2）的太陽電池帆板將太陽能變成電能，形成比化學推進更高效率的電推進系統(tǒng)。核熱推進利用液氫、水等過熱液體推進劑，一般比太陽能電推進和核電推進有較高的推力，但同樣的里程需要更多推進劑。
現(xiàn)在太空使用的太陽能電推進，基本在4～5kW的水平，適用于飛行器的位置保持。NASA希望新的載人飛行器達到10～15kW，為此軌道ATK公司正在研制10m直徑的圓形太陽電池陣，能產(chǎn)生35kW的電力，可作為今天小型電姿態(tài)控制系統(tǒng)和明天大型空間拖拉系統(tǒng)之間的過渡供電系統(tǒng)，首飛試驗預(yù)計在2016—2019年之間進行。
長期太空居住
未來的火星探索任務(wù)將對航天員帶來許多挑戰(zhàn)，包括長期的太空旅行、極端的溫度和塵埃等，為此要研制長期居住系統(tǒng)，必須具備許多工程、生物學、后勤以及可實施處置方案等能力，包括高可靠的環(huán)境控制和生命支持系統(tǒng)(ECLSS)、視頻存儲、準備和制作、輻射防護以及乘員身體和心理健康保障等方面。
移動探索艙
乘員到達目的地后，無論是在太空還是在目的地表面，他們必須安全地離開舒適的居住艙去探索和觀察目的地、處理實驗、采集樣品等。移動探索艙方案增加了可操縱漫游的加壓駕駛室，乘員可以全面、安全和舒適地探索，一次離開主居住艙時間可達數(shù)周。
先驅(qū)機器人
NASA使用過的面向月球的月球勘察軌道器（LRO）和面向小行星的“黎明”（Dawn）先驅(qū)機器人，主要用于目的地成像和繪圖，而未來先驅(qū)機器人要有能力采集更復(fù)雜的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。
乘員與機器人接口
人與機器人接口能力包括手段、程序和實現(xiàn)人與機器人之間無縫交互作用的技術(shù)。具體的接口有手動輸入裝置、預(yù)編程的手勢和命令、生物電子接口等。
目的地系統(tǒng)
能力是NASA新途徑和未來載人太空探索的基礎(chǔ)。面對不同目的地，NASA確定了各種能力，包括目的地運送、在太空和在目的地操作、以及居住和具體目的地系統(tǒng)等。其他如地面操作、太空操作、艙外活動（EVA）系統(tǒng)等也需要大量技術(shù)開發(fā)。
為增強能力，NASA計劃與私營公司合作進行名為“探索合作伙伴的下一代太空技術(shù)”（Next STEP）的技術(shù)開發(fā)，12項研究合同中有7項是深空居住系統(tǒng)或太空推進等相關(guān)分系統(tǒng)。深空居住系統(tǒng)主要研制新的模塊化居住艙，使其具備深空載人拓展能力。正在研制的“航天發(fā)射系統(tǒng)”-“獵戶座乘員探索飛行器”（SLS/Orion）2021年將首次載人飛行到月球軌道的重定向小行星，具備搭載4名航天員執(zhí)行21天任務(wù)的能力。但環(huán)月軌道的重定向任務(wù)要求至少60天的載人飛行，未來載人登火星至少在深空要生存9個月，需要私營公司研制新型模塊化居住系統(tǒng)。目前NASA的太陽能電推進能力是5kW以下，但2020年小行星重定向任務(wù)的電推進需求至少為40kW，這就要求私營公司研制50～300kW的太陽能電推進系統(tǒng)。除專項技術(shù)外，還有載人航天的機器人飛行器融合，如在2021年飛行器飛向拖到月球軌道的小行星時，還要搭載2顆立方體衛(wèi)星，以降低風險，提高效費比。重定向任務(wù)在月球附近載人攀登小行星時需要物資補給，因此，NASA在2014年初就提出了“月球貨物運輸與軟著陸”（Lunar CATA *** ST）計劃，在深空載人探索中引入私營企業(yè)參與。
2015年5月，NASA再次發(fā)布新的技術(shù)路線圖，主要面向調(diào)整后的14項太空關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，旨在推動太空探索漸進式的核心能力構(gòu)建，沿著飛向月球空間和火星軌道、最后載人登陸火星的發(fā)展思路，進行長時間跨度的技術(shù)開發(fā)。
3 低地球軌道以遠載人航天戰(zhàn)略目標的初步選擇
確定多目的地和能力驅(qū)動戰(zhàn)略的靈活性過渡策略，使美國載人航天既能遵從奧巴馬總統(tǒng)的要求，又能為具體目標選擇留出論證時間。美國較早地確定了小行星重新定向任務(wù)作為近期目標，默認了探索小行星為跳板、火星為最終目標的戰(zhàn)略選擇。
近地小行星何以成為實現(xiàn)目標的跳板
(1)探索小行星對人類認識和保護地球的重要性
(2)較大難度的技術(shù)開發(fā)可為未來火星探索夯實基礎(chǔ)
美國載人探索火星的時間表浮出水面
2015年4月初，奧巴馬 *** 關(guān)于載人登火星的最新研究報告指出，在當前的經(jīng)費支持力度下，美國有望在2030年實現(xiàn)載人火星任務(wù)，其中2033年實現(xiàn)載人的火星軌道飛行，2039年載人登火星。
(1)獲得火星和地球最新科學知識
(2)支持人類技術(shù)和經(jīng)濟增長
(3)激發(fā)全球的火星開發(fā)熱情
(4)探索火星需要克服的挑戰(zhàn)相當復(fù)雜
(5)機器人火星探測已有的基礎(chǔ)
(6)支持火星任務(wù)需要多種開發(fā)活動
4 5年艱難論證的初步選擇結(jié)果
奧巴馬 *** 提出的載人登陸火星計劃已跨過艱難的多目標階段，確定地球軌道以遠的小行星重新定向作為最后登陸火星關(guān)鍵一步，也越過技術(shù)驅(qū)動的艱難階段，進入到有目標的太陽能電推進和長期生命支持系統(tǒng)等有目的地的技術(shù)開發(fā)日程。奧巴馬宣布計劃5年以后，雖然還沒有詳細計劃，但時間表已有輪廓。
5 載人登火星的可能途徑仍需長期反復(fù)論證
據(jù)美國媒體報道，NASA正在“悄悄”重新評估在執(zhí)行火星任務(wù)前“重返月球”的可行性。但NASA官員對此予以否認，表示只是考慮利用月球附近的太空作為探索火星的支撐，包括如何在月地空間中生活、工作和學習，但載人登陸月球不是美國火星計劃的一部分。
將長期載人的太空飛行目標定為登陸火星，支持的聲音日漸增強，但NASA就如何實現(xiàn)這一目標的具體途徑尚未達成一致。對于2020年中期小行星重新定向月球軌道任務(wù)極其具體發(fā)展，NASA尚未制定明確計劃。國會對NASA這種缺乏具體計劃的做法提出異議，眾議院科學委員會要求NASA提出和正式修訂載人登火星的路線圖。
NASA噴氣推進實驗室的太陽系探索部門負責人闡述了初步的工程設(shè)想，在2033年載人飛行到達火星的衛(wèi)星“福布斯”（Forbes），2039年載人登陸火星。這一方案需利用“航天發(fā)射系統(tǒng)”至少進行4次發(fā)射，而且需要跨越幾年的時間。
之一次“航天發(fā)射系統(tǒng)”將發(fā)射一艘拖船，使用太陽能電推進系統(tǒng)推進，運送轉(zhuǎn)移級飛行器并在火星軌道飛行多年；第二次發(fā)射系統(tǒng)將攜帶太陽能電推進系統(tǒng)拖船，運送將在“福布斯”表面登陸的居住艙；第三次將向地球軌道發(fā)射一個居住艙和火星軌道插入級飛行器；第四次在地球軌道居住艙發(fā)射不久后，由發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射攜帶載有4名乘員和上面級的“獵戶座”飛行器。此后“獵戶座”和地球軌道的居住艙對接，上面級攜帶該飛行器組合（含火星軌道插入級）飛向火星。一旦進入火星軌道，“獵戶座”便與地球軌道居住艙分離，并與轉(zhuǎn)移級飛行器對接后飛往“福布斯”，到達后與“福布斯”居住艙對接。乘員在“福布斯”逗留300天后，“獵戶座”與火星軌道的轉(zhuǎn)移級飛行器對接，返回地球。
短期逗留的火星登陸任務(wù)也采用相似的途徑，初步設(shè)想是2名乘員在火星表面逗留3周。該方案需要“航天發(fā)射系統(tǒng)”至少進行6次發(fā)射，以運送登陸器和轉(zhuǎn)移級飛行器。
載人登火星終究是太復(fù)雜的問題。有專家指出，每一個火星任務(wù)都涉及到全面開發(fā)和幾十年的制造過程，在2035年實施之一次載人火星任務(wù)總成本不會低于2300億美元。如果將9個人發(fā)射到火星，大概需要15000億美元。近年來NASA每年的預(yù)算在180億美元浮動，包括40億美元的載人航天預(yù)算，如果按這樣投資規(guī)模，運送9個人上火星，使用NASA全部預(yù)算需要80年，若利用全部載人航天預(yù)算，則需要375年。另外，即使載人登火星不涉及建造巨大的行星際飛船，也需要3個基本部分，包括地球返回飛行器(ERV)、火星上升飛行器(MAV)和有居住能力的飛行器，這至少需要100t，包括30t有效載荷，70t跨火星推進系統(tǒng)，其中每一部分運送到軌道需要2次“獵鷹重型”（Falcon Heavy）火箭和一次“航天發(fā)射系統(tǒng)”發(fā)射。
美國太空復(fù)興法案提出了NASA優(yōu)先級的基本政策轉(zhuǎn)移，認為載人登火星任務(wù)已成為需要專門解決的復(fù)雜問題，過去10年這一領(lǐng)域的發(fā)展不盡如人意，包括載人登小行星等任務(wù)出現(xiàn)了更大的不確定性。
特朗普 *** 仍然對載人航天基礎(chǔ)項目予以保護。2018年NASA航天預(yù)算提出“小行星開發(fā)”計劃并撥款37億美元，保持了原有的發(fā)展支持力度。雖然中止了原來的“小行星重定向任務(wù)”，但21世紀30年代載人抵達火星表面或附近的時間和整體構(gòu)思尚在研究中。
