美国未来载人航天的艰难抉择-解读《探索途径：载人空间探索的理由与方法》.docx

美国未来载人航天的艰难抉择
解读《探索途径
载人空间探索的理由与方法》

上海航天技术基础研究所 王燕 孙亦丰
2014年6月4日，美国国家研究委员会(NRC)发布了载人空间探索报告《探索途径：载人空间探索的理由与方法》。该报告正文280页，历时18个月，耗资320万美元。报告主要回答了“为什么要发展载人航天” (Rationales)和“下一步应该如何发展” (Approaches)的问题，阐述了发展载人航天的理由和价值定位，调查并分析了公众和利益相关方对当前美国载人航天的态度，探讨了未来载人航天的发展方向，并按不同途径进行了技术分析和经济可承受能力评估。
报告从经济效益、国家安全、国家地位和国际关系等角度，阐述了载人航天的必然价值。报告指出，任何载人航天计划都必须在得到相匹配的投入和持续承诺的条件下才能成功，不能因为任何不可抗力（如政府的更替）而改变方向。在当前预算水平下，单纯地依靠“能力驱动”策略难以实现载人火星探测的最终目标，需要以“过渡目的地”为跳板推动关键技术的发展，从而逐步实现载人火星探测。而如何选择科学的、符合逻辑的“途径”，即如何选择过渡性的目的地，则成为未来发展的重点。
一、背景
该研究源于2010年《国家航空航天局(NASA)授权法案》第204条款。该条款要求开展载人空间探索的独立研究。美国国家学院受NASA委托，由其下属的国家研究委员会对“载人航天的目标、核心能力及发展方向”进行审议，为美国载人航天项目的可持续发展提供建议。国家研究委员会下辖航空航天工程委员会(ASEB)和空间研究委员会(SSB)，由这两个分委会成员组成工作组，历时18个月，完成了此项研究。
一、主要内容及观点
1．明确了发展载人航天符合国家战略利益
长期以来，为什么要发展载人航天的问题一直困扰着政策的制定者和利益相关方。冷战时期，美苏载人航天活动的最大驱动力是政治因素，即证明国家体制的优越性。如今，这一政治因素不复存在，载人航天发展的内在驱动力究竟何在？报告从经济利益、国家安全、国家地位和国际关系、教育和启发、科学探索和观测、拓展人类生存的疆域、人类共同的命运和愿望等7个方面阐述了发展载人航天的理由。报告指出，载人航天需符合国家战略利益的需要，其存在和发展是集成了以上所有要素，没有任何单独理由可以证明它存在的合理性和必要性。
2．重申载人登陆火星是未来可预见的终极目标
可持续地发展载人航天需要一个“终极目标”，且该目标不应受到政治、经济等不确定因素的影响，确保美国在未来载人航天中的领先地位。在当前可预见的技术范围内，人类能够到达近地轨道以远的地方只有有限的几个，其中最具探测价值的地方仅有两个：月球和火星。2010年奥巴马政府责成奥古斯汀对“重返月球”计划进行重新评估时，就在这两个目标之中选择了挑战难度更高的目标——火星。美国业已完成对月球的初步探测、国际空间站(ISS)逐渐成熟并在无人火星探测方面取得重要成果，这些在很大程度上支持着载人登陆火星的梦想。美国载人火星探测的研究可追溯到上世纪八、九十年代，包括NASA案例研究（1988～1999年）、90天研究（1990年）、合成工作组研究（1991年）。最著名的是90年代初“设计参考构型” (DRA)系列：1993年发布了DRA l.0；从1998年底开始，每年对“设计参考构型”进行修订，对“设计参考构型1.0”的若干部分作了改进，形成“设计参考构型3.0”；2009年发布了DRA 5.0，代表了当前载人火星探测最先进的方案。此外，国际太空探索协调组(ISECG)分别于201 1年和2013年发布了两版《全球探索路线图》，均将火星作为未来载人探索的终极目标。
3．重新审视了以小行星和月球为跳板的路径选择
自2010年奥巴马政府取消了“重返月球”计划后，美将载人登陆小行星作为“跳板”，开展了一系列关于载人小行星探测的研究。在美国国内也形成了先登月球(Moon Next)和先登小行星(Asteroid Next)两大阵营。本报告重新审视了月球和小行星作为关键目的地的重要程度，分别提出了以各自为跳板的3种不同路径选择。虽然委员会并未要求推荐最佳路径，但它从技术分析和经济可承受能力等方面，对各条路径进行了评估。报告认为，尽管美国实现过载人登月，但这并不代表已经完全了解和利用了月球资源以及熟练掌握了月表操作的能力。相比小行星，月球是演示验证微重力环境下表面着陆、表面操作出舱活动以及宇航员生理健康研究等的最佳场所。此外，月球是大多数航天国家的探测目标，具有广泛的合作前景和商业机会。由此可见，相比载人登陆小行星，载人登月更能从技术牵引的角度推动载人登陆火星终极目标的实现。
4．表达了希望与中国开展国际合作的意愿
报告用较大篇幅回顾了中国载人航天取得的成就，并积极关注中国未来载人航天规划。报告对中国载人航天给予高度评价，认为中国载人航天一直有条不紊地谨慎前进，而且几乎不犯错误，这与早期美苏争霸时期载人航天经常发生事故形成了鲜明对比。中国载人航天的发展在一定程度上带动了亚太地区的区域竞争，中国正通过载人航天的外交软实力增强其地缘政治，以中国为首的亚太区域新兴航天中心正在形成。报告指出，考虑到中国空间能力的快速发展，对美国而言，最大利益点是使其成为未来的国际合作伙伴。然而，目前美国联邦法律阻碍了NASA与中国方面开展双边活动，妨碍了美国使中国进入国际合作领域并发挥能力。
5．强调了载人航天应得到长期稳定的投入
长期稳定的经费来源是确保载人航天可持续发展的重要保障。报告指出，任何载人探索计划都只有在得到相应投入和持续承诺的条件下才能成功，且不能因外界不可抗力因素而改变。如果预算增幅与当前通货膨胀水平一致，即保持每年增加2.5%，那么仅能维持小行星重定向和地月拉格朗日点(L2点)的任务，无法开展其它近地轨道以远任务。只有当预算增幅是当前通胀水平的2倍，即每年增加5%，才能保证满足一定飞行频率要求的近地轨道以远的载人航天计划的顺利实施。
三、发展载人航天的理由
国家研究委员会的报告从前面所述的7个方面阐述了发展载人航天的理由。
NASA的载人航天计划与其他空间计划一样，具备刺激经济发展、推动新产品和新技术研发的作用，对经济已经产生或将产生重大影响。然而，载人航天计划所产生的可量化的经济效益和投资回报是很难和其他项目作比较的。
载人航天对国家安全领域的直接贡献有限，而且将来的贡献仍然会很有限。然而积极的载人航天计划，将极大地增强国家的软实力，巩固并促进与其他国家的航天合作，从而间接地促进国家利益，维护国家安全。
载人航天将会极大地增强美国的国际地位和民族尊严，使美国始终保持载人空间探索的领导地位。另一方面，可以从国际合作中获益，从而加强地缘政治的影响力，这是重要的航天外交手段。
载人航天的挑战和成就将激励民众，尤其是国内青少年崇尚科学、崇尚探索的精神。尽管这种影响力难以衡量，但它将激励美国的载人航天事业后继有人。
与无人空间探索相比，载人航天虽然在成本和风险方面更高，但有人参与的复杂环境下的空间活动，更具有应对突发事件的能力。
拓展人类生存的疆域是载人航天的重要目的。载人航天存在的价值之一就是看人类究竟能离开地球多远以及以何种方式在那里生存。
载人航天是激发人类探索欲望、了解未知世界的重要手段，空间探索的价值就在于可满足人类探索的本能。
四、发展载人航天的路径
1．路径选择
报告给出了3条以近地轨道为起点、以火星为终点的未来载人航天的探测路径，每条路径都有3～6个步骤，包括小行星、月球、火卫和火星的不同组合。本报告权衡了3条路径的经济可承受能力、进度、研制风险和任务频率之间的关系，旨在用由“过渡目的地牵引”取代之前提出的单纯由“能力驱动”来实现目标的“可到达”。3条路径如下：
(1)第一条路径：小行星一火星(ARM-Mars)
路径1包括3个目的地，即“小行星重定向任务” (ARM)、火卫、火星表面。 “小行星重定向任务”旨在验证“航天发射系统” (SLS)火箭和“猎户座”飞船在环月轨道的系统能力；然后，在火星邻近区域选取直奔火卫的探测路径，最后着陆火星表面。
(2)第二条路径：月球一火星(Lunar-Mars)
路径2包括3个目的地，即月球短期驻留、月球前哨站、火星表面，主要用于验证月球表面等地外天体长期驻留及表面操作的能力。在对飞行器、在轨操作以及人员健康问题进行考察和验证之后，最后着陆火星表面。
(3)第三条路径：增强型路径(EnhancedExploration)
路径3包含6个目的地，即地月L2点、近地小行星、月球表面短期驻留、月球前哨站、火卫和火星表面。增强型路径是风险小、持续时间长、能力要素提升稳定的路径。首先在地月L2点和小行星任务中，侧重提升长期在轨空间居住能力；其次在月球表面任务中，侧重提升微重力环境下月面遥操作能力；第三，在火卫任务中，侧重提升先进的空间推进系统能力。通过可持续的、稳定的技术开发和验证，逐步接近终极目标——火星。
2．能力评估
报告并没有要求给出最佳路径的结论，但对3条路径作了期望值评估。在评估前，给出了6条评价依据：1）探测目的地的重要性；2）通过中间目的地逐步推动技术进步；3）符合逻辑发展的技术带动与牵引；4）减少一次性任务要素；5）经济可承受能力及研制风险；6）确保飞行频率。
根据上述6项依据，对3条路径进行技术能力评估。在评估前，须对具备完成任务的飞行要素进行分类。对于不同的技术路径，需要具备不同的飞行能力，即研制满足任务需求的飞行器，大致可分为3类：
(1)主要任务飞行要素：即满足载人登火的飞行器，此类飞行器共有11类，主要包括重型运载火箭、先进推进系统、自主操作机器人系统、表面核电源、舱外活动(EVA)、表面增压移动系统、气动辅助系统、 “猎户座”乘员舱、深空居住舱、表面长期驻留居住舱和火星上升飞行器。
(2)过渡任务飞行要素：即不能直接满足载人登火的需要，但对于后续任务具有一定的技术牵引与带动作用，主要包括3类：低温推进系统、登月舱和月球轨道前哨站。
(3) 一次性飞行要素：即仅能满足过渡任务的需要，对后续任务无技术牵引和继承的飞行要素，比如小行星捕获飞行器、长时间深空居住舱、大容量存储舱、火星轨道转移舱和空间探索飞行器等。
最佳路径的遴选原则是评估哪一条路径对于完成最终目标更具有优势。3条路径的技术难度不同，风险不同，完成时间不同，所需经费也不同。因此，需要权衡利弊，综合评价出最佳路径。下面从技术角度对3条路径各自的优劣势进行分析。
(1)第一条路径：小行星一火星
“小行星重定向任务”需要的飞行要素有：1)-次性飞行要素：小行星捕获飞行器；2）主要任务飞行要素：重型运载、EVA和猎户座。
对于“小行星重定向任务”而言，小行星捕获飞行器可以带动电推进技术的发展，然而电推进不是最终载人登火需要发展的关键技术，取而代之的是核热推进。因此，对于该“小行星重定向任务”而言，属于一次性飞行要素，在推动载人登火关键技术方面不具有优势。
火卫任务需要的飞行要素有：1）一次性飞行要素：长时间深空居住舱、火星轨道转移舱和空间探索飞行器；2）主要任务飞行要素：重型运载、先进推进系统、EVA和“猎户座”。
对于火卫任务而言，由于地火转移时间较长，因此可以推动空间居住系统的发展，此外还能推动核热推进技术的发展。但由于无法进行地外天体驻留，因此无法推动表面居住及表面操作技术的发展。
对于路径1的总体评价：首先，技术跨越大、难度大，遗留给后续任务发展的关键技术多，如进入、下降和着陆(EDL)、火星表面居住系统、表面移动系统、机器人系统、火星上升飞行器和EVA等6大关键技术。第二，在到达火星前，实现的目标仅有小行星和火卫，可向公众展示的成果少，民众意见比较大。第三，一次性飞行要素居多，对后续任务的牵引作用不大。
(2)第二条路径：月球一火星
月球短期驻留任务需要的飞行要素有：1）一次性飞行要素：大容量存储舱；2）过渡任务飞行要素：低温推进系统、登月舱和月球轨道前哨站；3）主要任务飞行要素：重型运载、EVA、表面增压移动系统和“猎户座”。
对于月球短期驻留任务而言，优势在于可以验证稀薄大气环境下地外天体的着陆技术，这是在地球轨道上无法验证且着陆火星必需的关键技术。此外，尽管低温推进技术不能直接推动核热推进的发展，但低温推进剂的在轨存储与管理将对其有所裨益。
月球前哨站任务需要的飞行要素有：1）一次性飞行要素：大容量存储舱；2）过渡任务飞行要素：低温推进系统、登月舱和月球轨道前哨站；3）主要任务飞行要素：重型运载、机器人、表面核电源、EVA、表面增压移动系统、“猎户座”和长期表面居住舱。
对于月球前哨站任务而言，其特点是增加了在月表的活动范围和时间。除具有上述优势之外，还能验证微重力环境下表面操作技术和机器人技术，以及地外平台的长期生存技术。然而，路径2的缺陷在于均无法带动核热推进技术。
对于路径2的总体评价：首先相对于路径1，其技术跨度相对较小，在实现载人登火之前，可以完成大部分载人登火所需的关键技术，仅剩EDL和核热推进技术。对于未来技术攻关难度小、压力小。第二，一次性飞行要素少，只需研制大容量存储舱，对后续技术发展的支撑力度较大。第三，可实现月面长时间驻留，更大程度地获取科学价值，验证登陆火星所必需的行星表面操作能力。第四，不足之处在于缺乏核热推进技术的验证。
(3)第三条路径：增强型路径
对于增强型路线，包含了拉格朗日点、小行星、月球、火卫和火星等几个步骤，旨在全面验证到达火星所需的关键技术。其中包括，地月L2点和载人小行星任务，可验证长时间空间居住能力；月球表面驻留和前哨站，可验证行星表面探测能力；火卫任务可验证核热推进技术和长期空间居住能力。
增强型路线的优势在于：首先相对于前两种路径，技术跨越最小，能完成载人登火所需的大部分技术，遗留攻关的技术最少(EDL)，研制风险小。第二，目的地多样化，覆盖近地轨道、小行星、月球、火卫和火星。该路径开辟了更广阔的人类空间活动范围，可带来更为丰富的阶段性成果，能够使投资者看到空间探测的卓有成效并且对未来发展具有信心。第三，飞行频率明显增加，可以满足对飞行频率的要求。
增强型路线的劣势在于：由于目的地数量明显增加，完成任务的时间相对滞后，最早实现登陆火星的时间约在2039年。国际空间站2024年退役之后，载人航天至少存在长达10年的断档期。
3．关键技术
经过技术能力评定，报告给出了10项关键技术，这10项关键技术与2012年颁布的《NASA空间技术发展路线图与优先级》基本一致（重型运载除外），主要包括以下几个方面：EDL技术、防辐射技术、空间推进及电源技术（同位素电源、核热推进、核电推进、太阳能电推进、低温推进）、重型运载技术、行星表面上升技术、生命保障系统(ECLSS)、居住舱技术、EVA、宇航员健康和就地资源利用系统(ISRU)。
按照技术挑战、能力差距、受控挑战和成本／进度挑战，分别对以上10项技术进行了技术难度等级评定（见图6）。评定结果认为，EDL技术、防辐射技术和空间推进及电源技术在成本、进度、技术风险和现有差距等方面最具挑战性。

五、对我国载人航天的启示与建议
1．制定符合国家战略需求的载人航天战略规划
在长达半个多世纪的载人航天活动中，美国在某种程度上始终扮演着领导者的角色。国际空间站即将于2024年退役，如何以可持续的方式开展近地轨道以远的载人空间探索成为首要问题。然而，与冷战时期政治驱动不同，当前载人航天内驱力不足，其军事效应和经济效应均不如军用卫星和商业卫星，社会和公众对其期望逐渐趋于理性。这对于主要收益是国际声望和影响力的载人航天而言，未来发展进退两难。中国载人航天在经历“三步走”之后也将面临同样的难题，因此，应及早启动中国载人航天战略规划研究，从国家战略需求出发，立足国情、服务全局，制定科学理性的载人航天战略规划。
2．月球仍是我国未来载人航天发展的首选目标
尽管美国载人航天规划出现多次调整，但就目前技术能力而言，月球仍是绝大多数航天国家的首选目标。中国探月工程的成功实施，掀起了亚太地区新一轮探月高潮，日本、印度也不失时机地抛出各自载人登月的设想，新的区域航天中心正在形成。我国应充分利用探月工程和载人航天工程的经验和研制基础，为开展载人登月做好准备。
3．可持续的载人航天需要经济保障和技术支持
纵观美国载人航天飞行史，重大飞行事故在不同程度上是由于经费不足造成的。早在2010年奥古斯汀向奥巴马提交的报告中就明确指出，目标与资源相匹配是载人航天可持续发展的前提条件。此外，技术创新也是制约其发展的重要因素。美国开展了空间技术投资规划研究，先后颁布了《NASA空间技术路线图与优先级》和《NASA战略投资规划》，梳理了未来亟需发展的核心技术体系。由此可见，经费和技术是确保载人航天可持续发展的两项重要条件。
4．在自主创新的基础上开展国际合作，以提升综合实力
在当前经济形势下，空间探索高昂的成本已经超出大多数国家的可承受能力，国际合作可以有效地缓解当前经济压力。因此，对于参与空间探索的国家而言，国际合作已经成为空间政策的重要部分，绝大多数国家很少会在没有外国参与的条件下开展重大航天计划。美国期望开展更广泛的国际合作，尤其是考虑将中国纳入其合作伙伴关系中。在注重自主创新的基础上，扩大国际合作可以加速我国载人航天的技术进步，有利于实现跨越式发展。
5．加大载人航天衍生产品的研究，使其惠及于民
过去20年里，中国载人航天取得了辉煌成就，但我们过多地关注了航天科技本身的成就，却忽视了其衍生领域的研究，忽视了航天产品及服务的社会认知度的普及与提高，造成了在载人航天技术高速发展的同时，社会公众认知度却未能随之跟进。在这一点上，要充分吸取国外的先进经验。一方面，要加大航天产业投资对经济带动效应的研究，促进载人航天产品技术成果转化，使其能够真正地惠及于民。另一方面，面向社会公众尤其是青少年普及航天知识，提高影响力与社会认知度。

-全文完-