日本如何参与美重返月球计划

文/ 李晨风

2020年7月9日，美国宇航局与日本政府签署了一项协议，日本正式加入了美国重返月球的“阿尔忒弥斯”计划。

这份名为《联合勘探意向声明》的协议是由美国宇航局局长吉姆·布里登斯汀和日本政府教育、文化、体育、科学技术大臣黑田光一在一次虚拟会议上签署的。

布里登斯汀在一份简短的声明中说：“今天签署这项意向声明是建立在美日两国在太空领域长期成功合作的基础上的……我们感谢日本对阿尔忒弥斯计划的大力支持，并期待着将我们在国际空间站上所享有的强有力的伙伴关系扩展到地月空间、月球表面等领域。”

两国政府都没有公布宣言的文本，但他们形容这份文件概述了日本在人类和机器人探索方面的作用。这将包括对月球门户和月球表面探测的贡献。

美国和日本是长期的航天合作伙伴。自从特朗普政府提出2024年载人重返月球的阿尔忒弥斯计划，日本政府就一直非常积极，反复表态打算参与其中。

▲ 2020年7月9日，美日双方举行远程签字仪式

日本感兴趣的四大领域

2019年10月，第70届国际宇航大会在美国举行。其间，布里登斯汀在六大航天局局长（中国国家航天局代表团因赴美签证问题，未能到会）会议上发表讲话称：“我们需要国际伙伴。当我们共同努力时，我们都能做得更多。”

布里登斯汀在记者招待会上说，美国宇航局希望国际空间站目前的所有合作伙伴都参与到地月轨道空间站和阿尔忒弥斯计划中。日本实际上是第二个宣布有意加入阿尔忒弥斯计划的航天大国。2019年2月，加拿大宣布将为该计划的地月轨道空间站开发一种机械臂“加拿大臂3号”，并且在未来24年内将为这个计划投入约15亿美元。

当时，欧空局和俄罗斯航天局都在考虑各自能提供些什么，例如舱段和气闸室。布里登斯汀甚至表示，澳大利亚航天局签署了一份文件，旨在研究澳大利亚对阿尔忒弥斯计划的潜在贡献，印度和阿拉伯联合酋长国也有加入阿尔忒弥斯计划的机会。

▲ 地月轨道空间站曾经的国际分工

那么，日本政府到底提议了些什么呢？就在国际宇航联大会举行前不久，日本首相安倍晋三发表声明，宣布有意加入阿尔忒弥斯计划。当时，安倍并没有明确指出，日本具体将如何参与这个计划。不过，这应该认为是一次比较及时的政治表态。在安倍发表声明前一个月，布里登斯汀就访问了日本，与日本宇宙航空研究开发机构签署了一份关于月球探测潜在合作的联合声明。

▲ 丰田公司载人月球车的设想图

披露具体合作内容的是日本宇宙航空研究开发机构负责人奥村直树。他说，日本对四个具体领域感兴趣。首先一个是为地月轨道空间站的“居住和后勤前哨站”（HALO）舱段提供组件，这将是地月轨道空间站的首批组件之一。前哨站的总承包商是美国诺斯罗普·格鲁曼公司。奥村直树说，日本可以为之提供电池和储罐等部件。

▲ 丰田公司月球车与人体的对比

第二个领域是提供月球表面的数据。日本宇宙航空研究开发机构正在开发一个名为“智能着陆器”的任务，简称SLIM。这项目的主要目的，其实是突破在月球表面精确软着陆的能力，也就是类似于“嫦娥三号”和“四号”的那种能力。这个着陆器计划在2021年年底或2022年年初发射。

第三个领域是为地月轨道空间站提供后勤支持。为此，日本提出了HTV-X飞船，它是用于国际空间站的HTV货运飞船的改进型号版本。HTV-X将用H3火箭发射。这种火箭的首飞定于2020年年底实施。

▲ 丰田公司月球车带有一面太阳电池

日本宇宙航空研究开发机构感兴趣的最后一个、也是最雄心勃勃的领域，是地月轨道空间站居住舱和载人月球车。其中后者不再是阿波罗计划中的那种敞篷车，而是有密封车舱的加压车。航天员在车内可以不穿舱外航天服。这个项目的企业合作对象，正是著名的丰田汽车公司。据称，这是日本宇宙航空研究开发机构正在寻求的几个行业合作中“最大、最具象征意义”的一项协议。

▲ 丰田公司月球车的燃料电池装在尾部

被接纳的欧洲和被拒绝的俄罗斯

看到日本如此积极主动，欧空局在第二个月举行的部长级会议上决定加入阿尔忒弥斯计划。欧空局在国际空间站合作中获得了巨大的科学收益，因此对阿尔忒弥斯计划也有很大兴趣。局长沃尔纳认为应当充分利用国际空间站的成功机制。他说，为空间站谈判最初的政府间协议花了8年时间。“我可不想等8年。”

俄罗斯当时也倾向于加入美国的载人登月计划，包括加入地月轨道空间站建设。俄罗斯宇航局载人航天执行主任谢尔盖·克里卡列夫说：“我们正计划参与这个空间站。”

克里卡列夫在随后的记者招待会上说，俄罗斯所能做出的贡献可能涉及某些运输系统，比如俄罗斯宇航局几年来一直在研发的载人航天器，它可以为美国宇航局的猎户座飞船提供一种备份方案。他说：“我们认为备用运输系统和空间站舱段将是俄罗斯可以参与的内容。”

▲ 丰田公司月球车将具有很好的越野能力

▲ 地月轨道空间站是日本的参与目标之一

但是很显然，美国此后的政治气氛已经无法让俄罗斯继续参与这项国际合作了。2020年7月中旬，俄罗斯航天局局长、俄罗斯副总理罗戈津宣布，打算和中国共同建设月球基地。

那么，布里登斯汀考虑中国了吗?当时就有记者提出了这个敏感的问题，不过这位局长避而不谈，他指出，现行法律禁止美国宇航局和中国在未经国会批准的情况下进行双边合作。他甚至说：“要改变这种情况的话，我可没挣那份工资。”

日本航天员何时能登月

不过地月轨道居住舱和加压月球车都不是很快就能研制出来的。根据日方的说法，它们很可能要到2025年后才能研制出来，对接到地月轨道空间站上。而月球车要到2029年或2030年才能研制出来。

▲ 美日航天局长和丰田公司负责人展示月球车

▲ H3的固体助推器运往试验场

作为对阿尔忒弥斯计划这些贡献的交换，日方有可能得到机会，让日本航天员参与以后的飞行任务，包括登月。奥村直树说：“我们希望派遣一些日本航天员到月球表面，这将由两国政府协商。”

无论最终协议的条款是什么，日本宇宙航空研究开发机构又能够从自己的政府那里获得什么样的财政资源，他们都很看重这次合作机会。奥村直树强调说：“日本有很强的动力，利用我们的核心竞争力去开拓新的领域，并加强美日之间的合作。”

丰田公司的月球车

那么，日本将为美国的月球探索计划提供的加压月球车到底长什么样呢?

在美国宇航局探索科学论坛的一次会议上，美国宇航局高级探测系统部代理主任、前美国宇航局猎户座项目经理马克·基拉西奇说：“它和空间站的居住舱差不多，可以支持两个人生活14天，只不过它是带轮子的。我们可以把它理解为一种月球上的房车。”

▲ H2与H3火箭的对比

▲ H3火箭的基本结构

他说，美国宇航局认为让日本宇宙航空研究开发机构参与一个“主要的月球表面元素”工作是很重要的，因此日方将主导这种月球房车的开发。美国宇航局之所以认为日方的参与“很重要”，是因为日本在这方面已经有了很好的技术基础。

2019年7月16日， 日本宇宙航空研究开发机构和丰田汽车公司宣布，签署了一项为期3年的联合研究协议，从2019财年到2021财年研究使用燃料电池电动汽车技术的载人加压月球车，制造、测试和评估原型车，以此作为参与美国载人探月活动的一部分工作。

丰田是世界上最大的地面车辆制造商之一，丰田汽车在人们生活中很常见。“有路必有丰田车”也是人们熟悉的广告词，但月球上没有路，还会有丰田车吗？

考虑到美国本次重返月球并不是“阿波罗”计划那种待一会儿就走的任务，而是多天考察、为后续月球基地奠定基础，所以月球车的研制面临着许多挑战。月球重力是地球重力的六分之一，月球地形复杂，有火山口、悬崖和山丘，而且月球车暴露在比地球更严酷的辐射、温度条件以及超高真空环境中，所以丰田提出了“太空机动车”的概念，来设法适应上述环境条件。

目前丰田公司还没有公布设计细节。但是根据已经透露出来的一些信息，丰田设计的火星车长约6米、宽5.1米、高3.6米，是一种非常“方”的车辆。它的内部容积达到近13立方米，可以为两名乘员提供足够的生活和居住空间。丰田公司还表示，“在紧急情况下可以乘坐4个人”。

▲ H3火箭的固体助推器在点火试验中

▲ H3火箭的构想

丰田月球车最大的特点，是使用燃料电池系统。日本企业在民用车辆燃料电池技术上居于世界领先地位，丰田Mirai等型号上已经开始采用这种技术。长期以来，丰田一直试图开发混动汽车和燃料电池汽车，来改变世界汽车产业格局。对日本宇宙航空研究开发机构来说，燃料电池技术的 “负排放”也符合太空探索的需求。

丰田执行副总裁长谷伸一曾经这样表示：“使用清洁发电方法的燃料电池只排放水，而且可以提供大量的能源。”

丰田表示，该车的“月球表面续航能力”将近1万公里。月球车还要装备一个折叠式的太阳能电池板来提供电力。

按照计划，2019财年内，要确定在月球表面驾驶所需开发的技术要素；起草月球车原型的规格；2020财年内，要为每个技术元素制造测试零件，并制造一辆月球车原型；2021财年，要测试和评估制造的零部件和月球车原型，然后将原型车改装为正式的量产型。

为此，在2019年7月1日，丰田公司成立了一个专门的月球探测车辆工厂，计划在2020年年底前将该部门的员工人数扩大到大约30人。

日本宇宙航空研究开发机构打算通过这个月球车项目，获取与月面驾驶技术相关的数据。而且这种月球车的主要用途，是前往探测月球极地地区，调查使用月球资源（如水冰）的可能性，并为今后的大型天体表面探测技术打下基础。

上述3年期研制工作完成后，日本宇宙航空研究开发机构和丰田将从2022年开始启动1:1比例原型月球车的制造和评估，开展月球极地探测所需驱动系统数据的获取和验证测试；从2024年开始实施月球车工程模型的设计、制造和评估，以及飞行样机的设计；从2027年开始实施飞行样机的制造、性能和质量测试，到2029年发射。

▲ 在实验中的H3火箭固体助推器

用来登月的H3火箭

在日本参与美国登月的活动中，丰田公司其实还要排在后面，排在第一位的，是负责研制火箭的三菱重工。安倍在2019年10月表态之后，三菱重工很快发表声明，称2021年要对H3火箭做进一步升级，确保它在2025年能向月球运送货物。

H3火箭的开发目标之一，是降低日本火箭的成本，以便在全球商业卫星发射市场上占据更大的份额，同时也满足日本的军事和民用发射需求。

H3是一种两级火箭。第一级使用液氧和液氢推进剂，有不携带固体助推器、携带两个或四个固体助推器这三种配置，固体燃料为聚丁二烯。第一级采用两台或三台LE-9发动机提供动力，它与H2火箭的LE-5B发动机有所类似。一级火箭携带225吨燃料。二级采用改进型LE-5B发动机，携带23吨推进剂。

H3火箭的变型比较多，因此需要在名称上加以区分。它采用“H3”+两位数+字母的命名方式。两位数中的第一个数字表示芯级的LE-9发动机数量，可以是“2”或“3”。第二位数字表示固体火箭助推器数量，可以是“0”“2”或“4”。固体助推器的所有布局都是对称的。末尾的英文字母表示有效载荷整流罩的长度，短罩为“S”，长罩为“L”。例如，H3-24L表示有两台LE-9发动机，四个固体火箭助推器，采用长整流罩，而H3-30S表示3台LE-9发动机，没有固体火箭助推器、采用短整流罩。

▲ H3火箭主发动机

▲H3火箭主发动机点火测试

截至2018年11月，日本宇宙航空研究开发机构提出了3种具体配置：H3-30、H3-22和H3-24。显然，都没有给出整流罩规格。

此前日本宇宙航空研究开发机构曾经提出H3-32，但在2018年年底被取消，改为H3-22。H3-32的性能显然更好，但日本宇宙航空研究开发机构从猎鹰9号火箭的经验认识到，卫星运营商往往倾向于利用卫星本身的远地点发动机来进入静止轨道，过于强大的火箭是没有必要的，H3-22火箭足够满足需求了。

但是载人登月需要的火箭运力越大越好。2019年10月，三菱重工负责人在第70届国际宇航大会上发表演讲时说，为了支持美国宇航局未来的月球飞行，三菱重工正在考虑H3的两种变型，分别是基本型和重型。

▲ 在测试中的H3火箭燃料罐

H3基本型可以将7.9吨的载荷运送到地球同步转移轨道上。如果对第二级进行改进，就可以把3.4吨多的加压货物和1吨多的非加压货物运送到地月轨道空间站上。他说，将一艘HTV-X货船发射到地月轨道空间站需要两次H3基本型发射。第一次发射将把HTV-X送入环绕地球的轨道。第二次发射将发射一个带有附加燃料箱的上面级，与HTV-X对接，一起飞向地月轨道空间站。三菱重工可能在2025年或2026年执行这样的任务。很显然，这个时间晚于美国宇航局首次载人重返月球的时间表。

三菱重工打算把H3火箭改造出一种重型版，就是把三个第一级捆绑在一起，构型和美国联合发射联盟公司的德尔塔 4火箭重型版或太空探索技术公司的重型猎鹰火箭类似。它可以把载荷送入地月转移轨道或者直接飞到环月轨道。

日本共同社说，H3重型版可以把11.9吨载荷送入奔月轨道，地球同步转移轨道运载能力达到14.8吨，近地轨道运载能力达到28.3吨。按照有关报道，H3重型版适合于把加压月球车、月球居住舱和大量建筑材料直接送到月球表面。按照三菱重工的计划，重型版H3要到2030年才能投入使用。★