阿尔忒弥斯计划更进一步：NASA新合作将带来得天独厚的绕月轨道

最近，美国航空航天局（NASA）已经与位于科罗拉多州博尔德市的高级航天公司（Advanced Space）签订了一份价值1,370万美元（约9770万人民币）的商业合同，用于开发和运行一项月球轨道立方体卫星（CubeSat）任务，其运行轨道将与“门户”（Gateway）相同。“门户”是一个轨道前哨站，在NASA阿尔忒弥斯计划（Artemis program）的登录系统降落月球表面之前，宇航员将会首先访问“门户”。

月地空间自主定位系统技术操作与导航实验（Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment，CAPSTONE）有望成为首个在月球周围的近直线晕轮轨道（near rectilinear halo orbit，NRHO）中运行的航天器。在这个独特的轨道中，立方体卫星将随月球的自转绕月运行，同时和月球一起绕地球运行，运行期间，立方体卫星距离月球表面最近为1,000英里（约1600千米），最远为43,500英里（约70000千米）。

近直线晕轮轨道（NRHO）是一种围绕月球的高椭圆轨道（Highly Elliptical Orbit），利用了地球和月球引力中精确的平衡位置，创造出了非常适合像“门户”这种长期任务的轨道稳定性。
图片来源：高级航天公司

这项探路者般的任务代表着一次快速绕月飞行演示，最早可于2020年12月发射。CAPSTONE将演示进入近直线晕轮轨道并正常在轨运行的方式，同时还将测试新导航的性能。这些信息将有助于减少“门户”的后勤不确定性，因为NASA与国际合作伙伴正在努力确保登月的安全性，即宇航员能够安全地到达月球表面。除此之外，这项任务还将提供科学技术的示范平台。

“这是一次激动人心的合作机会，NASA将与几家美国小型企业一同进军月球，并以此作为阿尔忒弥斯计划的开路先锋，推进近地轨道之外人类的持续探索任务，”NASA空间技术任务部的副部长吉姆•路特（Jim Reuter）说道，“无论是在成本上还是在进度上，这项任务都雄心勃勃，因为它将会带来月地空间导航技术的飞速发展、验证轨道轨迹假设，以及给未来的任务排除未知疑虑的新机会。因此，慎重考虑并承担其中的风险也是该任务的目标之一。”

立方体卫星是一类使用标准尺寸和形状因子的纳米卫星（nanosatellite），12个单位（12-unit）的立方体卫星大约只有一个小型微波炉那么大。立方体卫星上的通信系统能够确定CAPSTONE与NASA月球勘测轨道飞行器（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO）之间的相对距离，以及两个航天器之间距离变化的速度。航天器与航天器之间的信息将用于测试自主导航软件，让未来任务的导航不再受限于来自地球的位置追踪。

月地空间自主定位系统技术操作与导航实验（CAPSTONE）的示意图
图片来源：泰瓦克纳米卫星系统公司

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CAPSTONE将给NASA和其他的合作伙伴带来重要的信息，进一步支持人类对月球和火星的探索，这些信息将来自：
•航天器与航天器之间导航服务的演示
•未来航天器近直线晕轮轨道特性的证实
•进入轨道后能高效进行月球转移的经验
•共享发射或小型登月专用发射的经验
•商业方面的经验，能为地球轨道之外的立方体卫星提供任务计划和运营支持服务
•在地球轨道之外对立方体卫星任务的快速商业交付

“ CAPSTONE的体型虽小，但功能超凡，” 高级航天公司的首席执行官布拉德利•切特汉姆（Bradley Cheetham）说道，“CAPSTONE将不仅是阿尔忒弥斯计划的探路先锋，它还会展示出支持探索的关键商业功能。我们的团队将率先利用最为先进的工具，来进行任务的规划和运行，让未来前往月球、火星和乃至整个太阳系的探索任务数量更上一层楼。”

CAPSTONE任务有多种不同的发射选择，其中一种是作为主要载荷搭乘小型航天器运载火箭进行发射。发射后，CAPSTONE大约需要3个月的时间进入目标轨道，并开始为期6个月的初步演示阶段，目的是测试这种独特轨道运行方式的实际情况。

通过第III阶段小型企业创新研究（Small Business Innovation Research，SBIR）的合同（早期SBIR奖金的后续合同），高级航天公司获得了本次任务研究和开发的资金。CAPSTONE自主定位与导航系统实验的开发就是在早期SBIR早期奖项中完成的。

CAPSTONE的研发团队包括位于科罗拉多州博尔德市的高级航天公司（Advanced Space），以及位于加利福尼亚州欧文市的泰瓦克纳米卫星系统公司（Tyvak Nano-Satellite Systems）；该项目由NASA空间技术任务部的小型航天器技术（Small Spacecraft Technology，SST）计划负责管理。SST的总部位于加利福尼亚州硅谷的NASA艾姆斯研究中心（Ames Research Center），通过对小型航天器在空间探索、科学和商业航天领域适用能力的快速开发和技术演示，SST极大地扩展了美国执行独特空间任务的能力。NASA人类探索与运营任务部（Human Exploration and Operations Mission Directorate）的高级探索系统（Advanced Exploration Systems，AES）将为任务的发射和运营支持提供资金。AES参与的内容侧重于高级设计、开发以及探索能力，以降低安全风险、降低生命周期成本，并进一步验证未来人类任务的操作概念。

参考链接：
[1]https://www.nasa.gov/press-release/nasa-funds-cubesat-pathfinder-mission-to-unique-lunar-orbit
[2]https://www.nasa.gov/content/what-are-smallsats-and-cubesats