美国大学及咨询机构对载人航天未来发展的研究

王景泉（北京空间科技信息研究所）

□□从2004年美国政府“太空探索新构想”的提出到可具体实施的星座计划的出台，美国上下不断对航天飞机、“国际空间站”（ISS）的使用期限和重返月球、飞往火星战略目标等问题发表各自的见解。目前，“太空探索新构想”和星座计划进退维谷，奥巴马政府组织高层评审委员会进行研究，对诸多问题重新梳理和认识，以确认载人航天发展方向，提出解决方案，但该委员会提出的报告并未得出明确的结论，让奥巴马政府左右为难。本文整理了美国大学和咨询机构几种不同的观点，这些观点反映出美国载人航天决策的艰难。

1 支持既定的载人航天发展方向，但提出必须突破若干重大问题

目前美国载人航天未来的发展已处在关键时期。美国一些咨询机构提出了对未来发展影响较大的、必须解决的关键问题。

1.1 美国需要发展飞往月球及以远目标的下一代空间运输系统

现在是发展航天飞机退役后新型空间运输系统的一个好机会，下一次机会不知要等多少年。美国自身需要验证如何保持太空探索领先地位，同时美国也是国际航天事业的重要合作伙伴。为此，美国必须在其已经发展的领域之外，确定更明确的发展意图。美国如果要拥有以前未曾有过的能力，还必须明确从月球以远到深空目标的探测范围。一旦实现这些目标，就能证明美国载人航天的发展超越了美国航空航天局（NASA）前40年所取得的成就。近地行星或太阳-地球平衡点等探测任务应在发展重返月球及其支持硬件之前实施，任何新的航天运输系统都应具有飞往月球以远目标的能力。最终的目标应是在下一个50年的某个时间把人送上火星。

1.2 “太空探索新构想”中提出的时间表无法按期实现

为了实现原定的目标，NASA需要在很多方面作出牺牲。在工程方面有3个可控制的变量：成本、计划、性能。如果计划流程和机构预算固定，在技术挑战使成本不可避免地增加时，继续发展的选择要么是折中技术性能，要么是牺牲其他项目的调用资金。为了实现2020年重返月球的目标，当不能从管理和预算办公室获取需要的资金时，上述两种办法NASA都采用过。为了以与可利用预算相称的步调实现目标，2020年这一重返月球的期限就必须解除。

未来的月球基地设想图

1.3 规定具体的探测目标将限制运输系统飞向其他目的地的能力

美国前总统布什确定2020年重返月球目标产生的另一个结果是，对NASA把月球作为目的地产生了争议，星座计划的驱动因素几乎全部来自于月球，而很少关注其他目的地。关于星座计划，目前符合规定要求的设计就是重返月球，这是高成本适应既定目标的方案，对于其他探测目标有必要重新构想。因此，除了实现重返月球的最终期限需要解除外，还要解决将月球作为唯一目标的问题。

1.4 预算成本必须放在首要考虑的地位

对于阿波罗计划来说，成本不是问题。“开始研制就有钱”的思维定式延续到航天飞机和空间站，也殃及到当今重返月球的星座计划。但从有限成本的角度看，今天的NASA似乎无法在现有投入下确定载人航天的途径。NASA主要集中于满足星座计划的工程要求，而较少关注于研制和运行成本，从而成为计划向前推进的障碍。如果按目前NASA有限的预算，以及对星座计划研制成本和2015年以后支持ISS的模糊要求，2020年重返月球的目标是无法实现的。事实证明，实现低成本和持续发展的最佳途径是最大限度地利用现有航天运输基础设施。

1.5 下一代的深空载人任务应该作为国际合作项目实施

太空不再是美国和俄罗斯的专有领域，已经日益国际化；太空也不再是国家骄傲的唯一标志，而成为外交和国际合作的手段。美国不应在该领域再因为虚荣心而孤立自己，必须欢迎新的国际合作伙伴，实现互惠互利，构建太空探索事业的联合能力。事实上，包括美国在内的任何一个国家要想拥有这种探索太空的能力都会感到困难重重，或者说一个国家独立实施载人深空探索是不可能的。由于需要进行多次大型发射任务，ISS已经开创了国际合作、伙伴分担的先例。尽管美国和俄罗斯都有过各自独立的载人航天计划，但最后真正的工程实施，还是以合作形式实现了ISS计划。ISS计划为地球轨道以远目标的国际合作进一步发展奠定了基础，可以将ISS国际合作的模式加以延伸，作为工程技术和新时代国际合作的起点。

1.6 确定一项高风险计划必须关注公众舆论

从探索委员会首次会议开始，公众评论家就提出了中肯的质询，这些质询可简单概括为“NASA只关注工程和飞行器问题，而没有说明去干什么，什么时候达到目的，计划是什么，是否要到达月球以远的目标”。要赢得公众的支持，应该让公众了解这些目标及其发展目的。NASA已经证明了自身具备能胜任的技术能力，尽管机构内外进行了许多研究，已经阐述了探索太空的必要性，但还是需要增强公众的舆论支持力。

1.7 NASA应该向公众公布包括实施里程碑的长期深空探索计划

2009年11月25日航天飞机拍摄的ISS

对于任何长期太空探索事业，必然会经历多届政府的决策，各届政府也必须确定带有具体里程碑的投资策略，像阿波罗计划那样（尽管更多的是将该计划作为策略），要使公众了解计划的具体情况，获得公众支持，步调一致地奔向目标。这一过程之所以必要，不仅仅是由于公众支持的需要，而且也由于每一届新政府对于新计划必要性认识的需要。NASA的太空探索计划将使国家的年轻一代受到鼓舞，对未来充满希望，是向时代挑战的美国梦想。国家必须向公众表明立场，此次探索对美国意义重大，而不仅仅是40年前阿波罗登月计划的简单重复。

1.8 必须支持机器人探索这种辅助手段

NASA载人和机器人探索事业已经形成了独立的文化，事实上每一项计划都和其他计划有某种关联。现在，由于载人航天经费不足，机器人科学事业得到了促进，高性能的机器人技术也对载人航天形成了威胁，导致对载人航天了解不深刻的科学家的评论抹杀了载人航天的美好前景。载人航天和机器人技术对航天机构都异常重要，也难以分离，因此机器人探索和载人探索应该有相同的优先级，并能够有效地相互支持。

2 建议美国载人航天更长时间停留在近地轨道，重点解决地球上的现实问题

美国莱斯大学的研究报告试图为NASA提供新的参考性发展方案，并根据现有能力和现实预算提出建议。该报告提出，奥巴马政府给NASA发展提供了难得的新机会，但需要调整策略。在载人航天领域，最好不要继续走尝试缩小载人航天断档期的弯路，也不要在目前的载人航天构想上继续耗费关键资源。在新政府的第一任期内，NASA要努力对冷战后的世界发展作出中肯、清醒的判断，并重构载人航天的目标。

2009年1月奥巴马就职典礼以后，美国进入新的改革时代，但目前美国航天计划面临许多难题。尽管在ISS大型硬件的组装方面已经取得了巨大的成功，但在航天飞机运行中发生的悲剧和遇到的难题，使NASA在非常艰难的情况下被迫自我发展。

目前美国载人航天未来的发展已处在关键时期。美国一些咨询机构提出了对未来发展影响较大的、必须解决的关键问题。

美国新型月球车在2009年总统就职典礼上展示

布什政府集中于“太空探索新构想”产生的更严重后果是：2010年以后美国要依赖俄罗斯进行载人航天运输，每一次运输都要支付大量资金；不重视科学，特别是削减在ISS上的科学研究项目，这给国际合作伙伴的参与热情泼了冷水。另外，星座计划预算超支、研制时间推迟，且只能形成有限的能力。特别是，全部聚焦于重返月球的理由没有很强的说服力，难以形成国家的一致意愿。

航天飞机飞往空间站

莱斯大学的研究报告认为，在短期内，NASA的外层空间载人飞行应从以月球和火星为目标快速转向与能源和环境有关的技术领域，应该更多地强调对地球和在近地轨道进行研究，包括大力拓展和提高地球观测系统能力。对于地球轨道以远的太空探索计划，NASA应和国际合作伙伴进行长期研究与规划。

地球上能源安全和对环境的威胁，特别是气候变化及其对地球生态、陆地表面、海洋和全球人类生活的影响，将是人类在今后50年乃至更长时间所面临的最具挑战性的问题。能否解决好国家安全、外交政策、经济和社会平等问题将更多地取决于国家对上述挑战的反应能力。NASA拥有三大资源，能对这些挑战作出更大贡献。

第一，NASA具有航空和航天运行方面的独特能力，具有观测地球环境的极大优势。自20世纪70年代美国发射了第一颗“陆地卫星”（Landsat）以后，NASA就承担了这一领域的关键任务。遗憾的是，NASA没有持续扩大这一成果，这是由于一定程度上受限于围绕全球变暖和气候变化引起的政治争论。这一障碍可以通过加强对全球气候变暖科学依据的研究和扩大新一届政府制定的应对政策的开放度来消除。

第二，NASA有独特的手段建立新的模型，管理大规模工程和计划。这些独特的手段包括完成工作所要求的计算机建模、大规模计算，以及飞机、卫星和通信等手段。NASA与对气象和气候预报负有主要责任的国家海洋与大气局（NOAA）、美国地质调查局（USGS）和大气研究国家中心（NCAR）之间加强合作，再通过国家基金会的支持，将是提高未来美国气象预报和气候预测的关键。但只有NASA具有设计和发射地球观测所需要的卫星的科学、工程和技术能力。

第三，由于任务的独特性，NASA积累了与可选择的能源系统有关的广泛工程经验，如风力涡轮机、太阳电池阵、燃料电池等。NASA也是具有改进所有类型飞机燃料效率经验的主要机构，而这些能力又是NASA任务成功的关键。

基于上述分析，莱斯大学的研究报告提出如下建议。

2.1 重构载人航天发展计划

这是到目前为止最具挑战性的建议。进行重构的一个途径是将早期聚焦于月球和火星的目标转向增强对ISS的支持。支持ISS的理由很充分，继续太空和平利用的国际合作，特别是通过ISS进行科学研究，这些都将十分重要。将航天飞机飞行时间延长到2015年以后，可以减少ISS对俄罗斯航天运输系统的依赖，并能满足所有ISS用户往返的要求。

对于星座计划，建议通过取消战神－1（Ares－1）火箭来实现计划重构，即使Ares－1成功，也无法具备比其他运载器更多的优势，主要问题是研制时间太长、资金太紧缺。另外，也建议取消其他与月球表面有关的工作，包括月球着陆器、月球航天服、漫游车及其他月球表面系统的研制。对NASA来说，载人重返月球所遇到的这些问题关键来自于技术和经济的直接挑战，这些活动在未来的适当时候可以重新开始。关于取消载人登火星的问题应在国家层面加以描述，必须承认火星任务存在难以置信的挑战。由于需要漫游车进行大面积的探索，专门飞往火星的机器人任务至少要等到下一个10年。

“猎户座”飞船停靠在空间站示意图

“猎户座”飞船的模拟乘员舱

目前的“猎户座”（Orion）项目也应重构，缩小这种新载人飞船的尺寸，变为乘坐3名乘员的具有陆地着陆能力的类似“阿波罗”尺寸大小的飞船，或类似X－38型的升力体飞行器。小尺寸的飞船可利用阿里安－5或德尔他－4火箭发射，估计能够在2014年或2015年发射到ISS。美国应该邀请欧洲和日本参加Orion项目，为了保证国际参与是有意义的和有效的，应该采纳国家研究委员会的报告《美国堡垒之外》中的建议。如果不再投资唯一的Ares－1火箭，2015－2020年在新型商业地球轨道运输业务领域NASA就会处于全面优势地位。

对于重构的发展途径，提出近期重点从月球转向空间站，转到基于Ares－5重型火箭上。Ares－5发射能力对任何未来的深空探索都是关键，而远期重点则转向深空小行星或彗星拦截能力。对实现Ares－5发射能力的多种方案进行研究，包括液体助推器、液体返回助推器和国际合作方案，还包括NASA运载火箭方案指南中所提出的使用现有大多数航天飞机的硬件，包括2个固体火箭助推器和外部燃料贮箱。唯一的关键性修改是像“阿波罗”飞船舱底部发动机那样改进航天飞机外部燃料贮箱。Ares－5火箭尽管也使用了航天飞机部件，但在本质上是全新的火箭。飞往小行星的能力将为提供美国飞向月球能力奠定基础，是未来需要的一种能力。载人小行星或彗星拦截等深空任务的实施能反映出美国在太空的领先地位，也是面对可能的中国登月计划竞争应该开拓的领域。

在太空探索中，推进问题是较大的限制因素。从长期看，集中于创新型推进研究的大胆计划是非常必要的。重构载人航天计划需要一个前提，美国重返月球，甚至飞往火星的任何一项未来计划，都需要获得国家的顶层优先级，这将涉及到许多美国联邦机构、大学和工业界，而且可能延伸到国际范围。通过重构载人航天计划，资源利用优势将使NASA集中力量对其他的重大短期或长期国家优先级项目作出贡献。

战神－5火箭的“地球出发级”运送“猎户座”飞船和月球着陆器飞往月球

2.2 瞄准能源和环境的短期（4年以内）投资

这一建议会使每一个NASA中心有获得独特能力和训练员工的机会。各个NASA中心的研究重点需要重新调整，并承担与专业技术特点相一致的责任。短期投资将涉及到全面了解和最优化的大尺寸风涡轮发电机相关的空气动力学、结构和机构技术；全面了解和最优化高效率太阳电池阵和小尺寸燃料电池技术的应用；还将全面利用NASA监视、建模和预测长期气候的能力，以及NASA的仪器、飞机、卫星、计算机和通信等设施来实现另一类计划。这类计划包括增强ISS监视地球的利用和扩展目前的地球观测系统，并要求和NOAA、USGS及NCAR紧密合作。另外，为了将地球与其他星球进行比较，还将采用机器人探索。这样将实现对地球行星科学更好的了解。所有这些领域的突破，太阳能电池和燃料电池的快速发展，环境和行星学知识的进一步了解，都将对未来的行星探测活动十分关键。

2.3 瞄准地球能源和环境的长期（4～8年）投资

作为长期能源发展，这期间主要任务是进行验证，利用航天飞机和ISS进行小规模初期研究，进行从轨道到地球的无线电能传输试验。天基太阳能电站系统的全面实施，要求具有比目前可利用的更大规模和更低成本的设施发射能力。在没有实现发射成本大幅度降低以前，这种系统是不可行的，然而基于航天飞机和ISS的近地轨道的验证，可以使美国了解其中存在的问题和要求的效率。如果初期在中地球轨道能实现小型和更高效率的太阳能电池采集系统，就会迈出一大步，有可能提供与大型、更高轨道航天器相同的能力。通过这种小规模的试验，并依靠NASA监视、建模和大规模复合体系统工程能力，还将开始验证探索行星可能的技术。

“猎户座”飞船与“牵牛星”月球着陆器进入月球轨道

2.4 确保正在进行的和高效的机器人空间科学计划

NASA正在进行的、高效的机器人空间科学计划应该扩展，特别是强调大学的研究，并加强国际合作。NASA“太空探索新构想”的负面作用是，使美国在很长的时间内没有能力继续运行载人航天系统，基本上使NASA聚焦于一项单一的任务，失去了各项任务的平衡，损害了那些曾贡献于国家、具有领先地位的科学、工程、研究和技术任务。这项建议的目的是使NASA转向于对未来美国人民乃至全人类都有重要贡献的方向，即转向能源和环境2个重大领域，特别要重视气候变化。如果按照这种设想，NASA不但将继续在太空进行载人飞行，完成ISS建造，实现对国际合作伙伴的承诺，而且将重新建立起NASA科学、工程、研究和技术等多种活动的平衡，为载人太空探索计划打下基础。

3 支持“太空探索新构想”确定的目标，但建议其作为国际合作项目

美国麻省理工大学的研究人员重新思考了政府投资开展载人航天活动的理由，并依据这些理由提出了解决目前困境的思路。

麻省理工大学的研究人员把载人航天的主要目标定义为：那些只能通过人类实际到达才能实现的、所产生的效益超过机会成本，因而值得冒很大人员生命安全风险的目标，包括探索、民族自豪感、国际威望和领先地位。只有当载人航天能显示人类经验的扩展时，才有意义去实现其目标，并吸引最广大的民众。次要目标是指，那些能因为人类实际到达太空而产生效益，但本身并不足以证明所花成本或所冒风险的合理性目标。这类目标包括科学、经济发展、新技术和教育等。

研究人员认为新的美国载人航天政策应该根据这些目标来进行投资、期望值和可接受的人员生命安全风险等的权衡，国会和白宫应该减轻“用太少的资源干太大的任务”的压力，因为这种压力曾导致了灾难的发生，并导致了NASA今天的困境。具体建议包括：

NASA应该继续航天飞机飞行，直至其完成当前任务，然后退役。

美国应该制定一项将ISS的使用期延长到2020年（原计划运行到2015年）的大范围的、有资金支持的计划，以支持探索的主要目标。

新政策应在未来探索的月球、火星及其他有希望的目的地的权衡选择中发挥指导性作用。

NASA应该在能支持这些探索的新技术中重新开展基础性研究。

美国应该重申其在载人航天领域国际领导地位的长期既定政策，并继续致力于与现有国际伙伴的合作。

美国应继续保持ISS计划中的现有国际合作伙伴关系，包括与俄罗斯的持久性合作关系，并应开始与中国、印度和其他积极发展航天力量的国家开展合作。

未来载人登火星设想