门户

上图展示了猎户座飞船与被称作“门户”的月球哨站的对接过程，在国际空间站之后，多国航天机构将合作发射下一个空间站，那就是“门户”。 图片来源：ESA 在地球上空，国际空间站就像是宇航员们太空之游的“飞船旅舍”，而在不久的未来，前往月球旅行的太空人也将拥有一个特别的空中基地：门户。 月球轨道平台门户（Lunar Orbital Platform-Gateway，LOP-G，又称“深空之门”）将以一种小型宇宙飞船的形式绕月球轨道飞行，但它将不止于在登月任务中作为中转站，在更进一步人类火星探索中，门户也会发光发热。门户将在月球附近组装成型，应任务的需求会在不同轨道之间移动，帮我们实现有史以来最遥远的人类太空飞行任务。 在前往月球和火星前，宇航员可以在门户中进行远离地球的各种训练；利用门户独特、可调整的空间位置，对于那些在地球和国际空间站上难以满足条件的科学实验，研究人员会有更多的探索可能；它甚至可以是一个“太空机场”，让飞往月球和火星的航天器在不返回地球的情况下也能增添燃料、更换零件…… 在充满谜团与未知的太空中，门户将带给我们更多解释与探索的可能。 目前，欧洲空间局（ESA）和美国航空航天局（NASA）已经选定了门户上将要进行的第一批科学实验，其中欧洲的主要精力将集中在对辐射的监测上。太空辐射对于航天器运行和宇航员安全都极为重要，在月球身边组装门户时，我们必须对宇宙射线和太阳辐射有一个全面的认识，特别是在那些人类探索从未涉足的区域。 门户第一个舱，即动力和推进元件（Power and Propulsion Element）的概念图。门户的组装工作计划在接下来的十年中完成，运行的绕月轨道将会是一个长轴很长的“偏心”椭圆，近月点距离月球表面约3000公里，远月点则距离月表70 000公里。相比直接从地球出发前往月球的载人航天任务，从地球到门户所需的能量要少得多，宇航员可以利用基于门户的航天器前往月球进行更多的探索。动力和推进元件的组装将在阿尔忒弥斯2号（Artemis II）任务中启动，同时将承载两项舱外科学研究。 图片来源：NASA ESA建造的硬件将持续、主动监测辐射，测得的数据则会提供给参与国的科学家进行查阅。 在飞向绕月轨道的途中，门户的舱体元件将会穿过范艾伦辐射带（Van Allen radiation belt）。范艾伦辐射带位于地球附近，是近层宇宙空间中包围着地球的高能粒子辐射带。这些微粒能对人体造成严重的辐射伤害，而门户的舱体硬件将能提供一系列重要的信息，让研究人员制定出保护宇航员安全通过辐射带的方案。 这张合成图像展示了太阳日冕和太阳风的形貌，以及地球磁层的艺术概念图。 图片来源：ESA/NASA 到达既定的目标轨道后，门户将围绕月球飞行，近月点距离月球表面约3000公里，远月点则距离月表70 000公里。辐射研究也会持续进行，监测质子、电子、重离子和中子撞击到测量仪时的强度和浓度变化。 对于不同绕月轨道的利弊，NASA和欧洲空间运行中心（European Space Operations Center，ESOC）的任务策划人员花了好几个月的时间来讨论，如今已经敲定了最终的绕月轨道：“近直线晕轨道”（near-rectilinear halo orbit，NRHO）。 不同于阿波罗任务所采用的近月轨道，门户将会在一个高度“偏心”的轨道上运行：最靠近时距离月球表面为3000公里，而最远时将距离月表70 000公里；并且，随着月球的旋转，这条轨道也会有相应的角度变化，因此从地球上看，它会有点像是月晕。 作为绕月轨道上的一个永久基地，门户将会成为一个重要的中转站，只需适度的操作就能让来访的航天器减速、对接，航天器可以在此停歇，更换零件、组装部件。 视频来源：ESA ESA人类与机器探索（Human and Robotic Exploration）科学团队负责人詹妮弗•恩戈•安赫（Jennifer Ngo-Anh）说：“重中子对我们尤为重要，一些宇宙射线在撞击月球并与月球相互作用后，会反射成对人体危害极大的重中子。我们需要更多地了解这些粒子的形成位置和形成机理，以保护宇航员的身体安全。” NASA将在门户上进行的首次研究则是一项朝向太阳的太空天气实验，目的是观察太阳粒子和太阳风。由于太阳上的大爆发是无法预测的，还可能导致强劲的辐射爆发和太阳风，出到地球的保护性大气之外时，宇航员会面临种种这些因素的威胁。 月球轨道上的门户 门户整体重约40吨，包括一个服务舱、一个通信舱、一个连接舱、一个用于太空行走的气密过渡舱、一个供宇航员居住的空间，以及一个操作站，用于远程指挥位于月球上的机械臂或漫游车。宇航员在门户上最多可以一次性连续待上90天。 ESA的人类与机器探索主管大卫•帕克（David Parker）解释说：“（ESA和NASA的）这两项实验将协同合作，为我们提供急需的信息，用以预测辐射事件，并设计出能为前往月球的宇航员提供更好保护的的航天器。” “在我们为下一代欧洲宇航员做好准备，让他们与NASA的同事们一起参与阿尔忒弥斯计划时，这项研究至关重要，在我们迈向月球的过程中，它展示了科学和探索是如何协同并进的。” 门户构造概念图。 图片来源：NASA/ESA 未来，更多的科学实验将会登上门户，充分利用月球轨道上独特的环境，毕竟这种环境在地球或国际空间站上是无法复制的。 门户将在接下来的十年内进行构建和组装，作为深空之中探索、科研和商业活动的平台。门户的运行将能提供宝贵的航天经验，验证关键的空间技术，为未来的人类火星探索任务提供支持。根据Space19+的决定，ESA将为门户构建一个居住舱（Habitation module）、通信系统和加油舱。加拿大航天局（Canadian Space Agency，CSA）则将为这一月球前哨站提供先进的机器人技术；日本宇宙航空研究开发机构（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）也在讨论相关的元件支持。 参考来源： http://www.esa.int/Science_Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/European_Gateway_experiment_will_monitor_radiation_in_deep_space

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 [rml_read_more] 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