美国国家航空航天局雄伟计划设想,在本世纪末建立一个永久性月球前哨基地,在下个世纪登上火星。唯一的问题:没有钱。
作了1年研究之后,国家航空航天局新建的空间探索处已经制定了一项把航天员送回月球建立一个永久性基地的详细计划。
月球基地使人和机械能够进行各种科学活动,其活动范围远远超过阿波罗年代。而且它将作为最终由首批火星探险者使用的设备和技术的试验场地。
根据该计划,通往国家航空航天局称为第一个月球前哨基地这一中心任务的道路从小型月球轨道航天器的不载人先驱任务开始。除了为第一个月球前哨基地奠定基础外,这些小型任务还作为经济、高效和有效性的典型——具体回答曾看到众多美国空间计划气球飘进长达10年之久拥有10亿美元企业的批评者。
在月球表面遥控和远距离操作的任务随之而来。接着,在本世纪结束之前,航天员返回月球。
该计划在“量入而出”基础上发展。它接纳国际参与者。它使用现有技术,但也促进新的空间基础结构的发展。而且,它容许科学目标和任务要求演变。“每位看过此项计划的人都会说到它看起来像是一项合理的严密的计划/国家航空航天局负责探索的副局长迈克尔D. 格里芬(Michael D. Griffin)说。
可是,有一个问题。没有钱。探索处被告知,它今年可以拕500万美元,但在联邦紧缩开支过程中却被“撤消”了150万美元。
对于波音公司和马丁 · 玛丽塔(Martin Marietta)公司来说,这是特别坏的新闻。上个月他们已经赢得合同开始进行第一个小型轨道器《月球资源绘图者》的初步设计,这是1吨重的航天器,使用《德尔它》运载火箭,装有频谱仪,用以探测矿产和元素。在他们开始设计之前,钱已经花光了。
在10月1日开始的财政年度里,空间探索倡议的前景更加不妙,国家航空航天局要求3200万美元。当国会尚未完成对该局1993年财政预算审查时,白宫却已经批准只拨300万美元供月球/火星探索使用,参议院没有通过。
国家航空航天局打算明年对月球绘图者进行详细设计工作,1994年制造该航天器,1995年3月发射。顺利的话,在1994年中期该局还要开始研制第二个类似的航天器,大约1年以后发射它。此《月球大地测量者》将绘制立体地形图并测绘月球重力场。目前,所有这些至少要推迟1年。
“我感到失望”,国家航空航天局局长丹尼尔S. 戈尔丁(Daniel S. Goldin)说。“这些都只是非常小的任务。难以理解:当国家航空航天局正在起步努力去做几十年来人们一直要求我们去做的事情时,而恰好在此时落空了。”
没有一次月球轨道器任务的费用超出1.5亿美元左右,这只是行星探索的一般费用,但是,戈尔丁知道,国会里有许多人把这些任务看作众人皆知的帐篷下面的骆驼鼻子。况且,他认识到,该局必须表明它能更好地管理其它大型项目的费用、进度和性能,此后国会才会同意“精细安排”国家航空航天局的预算和计划。
格里芬说,研究月球/火星探索的工程师们——由大多数住在约翰逊空间中心60人左右组成的一个核心小组——都不气馁。他们知道,在1993年为月球绘图者寻求新的起动资金,将是一场艰辛的战斗。
相反地,他们正在把他们的精力集中在对《第一个月球前哨基地》计划增添新级别详图,并且对载人的火星任务的方案着手类似的“首次削减”。火星研究将占去明年大部分时间。
当它完成时,把第一个月球前哨基地与火星研究作比较,国家航空航天局将处理整个空间探索倡议所面临的最艰难任务之一。该局要设法确定这二个探索项目有多少依赖于共用的空间系统。拆衷是困难的,因为把人送去火星的长期许诺是如此成问题。强迫月球/火星任务具有共同性,可能使火星任务更能负担起来,但它也可能抬高月球项目的费用。
虽然把格里芬小组在其第一年提出的《第一个月球前哨基地》计划称为“基本任务”还为时过早,但是《第一个月球前哨基地》则是一项极其详尽的可供参考的任务。此外,它的主要特点中很多是不可能改变的,并且它是灵活的,足以容纳技术方面的次要变动以实现它一例如用核推进装置代替化学推进装置。
如果第一个月球前哨基地用的飞行器、系统和方法中很多看起来是熟悉的话,格里芬说:“那是来自这一基本事实:我们已经知道怎样前往月球”。
然而,比起阿波罗所使用的,第一个月球前哨基地用的是一套更耐久的空间技术。而且,尽管自觉不去扩展技术状态,但是新制定的月球计划与20年前美国月球计划相比所作的某些变动则是令人惊讶的。
第一个月球前哨基地计划最惊人之处或许是放弃在月球轨道上会合。阿波罗所用的和在第一个月球前哨基地之前大多数研究中被认为是最佳的任务剖面,要求乘员返回地球所用的飞行器要留在环绕月球的轨道上,而航天员则在月面上工作。优点是:使可被运到月面的载荷达到最大值。
不过,主要缺点是:限制住乘员离开中纬度月球着陆场的能力。轨道力学指出:在某些日子里,毫无机会与轨道航天器会合。阿波罗着陆场过去就是在月球赤道附近。
第一个月球前哨基地计划不采用在地球轨道上装配月球飞行器部件的技术,这是经常提出的一项技术,因为它降低对大型运载火箭的要求。国家航空航天局探索小组明白,在取消对运载火箭并行处理与使多个最有利发射时机同步进行的任何要求方面,在减少在轨道上存放低温推进剂方面,尤其在避免对一月一次进入月球过渡轨道的最有利发射时机的限制方面,有众多的好处。
所以,每次第一个月球前哨基地的飞行都需要单独的发射。首先,一次单程货物飞行,载着装有住宅与消耗品的着陆器,作为初始任务,抵达在小型月球轨道器任务之后选定的而且随后具有遥控先驱任务特点的地点。不要求建造和装配航天员的住宅。相反地,航天员的住宅则留在它的着陆器顶部,而且它“自行张开\扩展其太阳电池板和散热器,自动检查自身各个系统。在乘员离开地球之前,它的操作可靠程度便被确定了。
首次任务将由4位乘员组执行,在月面上停留45天。他们将乘坐一艘类似于《阿波罗》指令舱但扩大了5%以容纳较多乘员和航天员的飞行器飞到月球。该飞行器,估计干质量为6370公斤,要把乘员和200公斤货物运回地面。
所有任务,有人驾驶的或者只是载货的,将使用4腿普通着陆器,重量不超过60吨。液态的氢和氧推进系统将使用4台RL-10改型发动机,其节流改为4:1。
目前的想法是:返回级将使用可储存的化学推进装置,因为在紧急情况下可以使用这种推进装置产生的速度离开月球。
尽管实际着陆地点和科学活动均由包含各种学科科学家和国家航空航天局外界许多人士的委员会选定,但是第一个月球前哨基地的“假想的人”都是可能要进行的项目的混合状态和天然状态的代表。
第一个月球前哨基地设计用于提供比阿波罗好得。多的月球地质和月球物理的探测区,领先的天文学能力,以及有关行星生命保障与人类特性的基本的新的资料。
穿着航天服的航天员在月面上将部署和起动种种实验,并且在生命科学、月球地质学、月球物理学和月球化学方面进行调查研究。在住宅里,乘员将进行生命科学实验,对地质的和生物的标本进行分析、分类和包装以便运回地球。
遥控和远距离操作系统将协助调度与操作载荷以及收集、分析和运回标本的工作。
在第一个月球前哨基地的研究中选定的初期着陆地点是Mare Smythii,在东方边缘赤道附近。设计师拟定9条环形路线,供航天员坐越野车漫游,最远离基地大约25公里,设计这些路线是为了访问所有重要地形和提供直径为50公里圆形区域的详细地质资料。每次载人任务可行驶5-6条路线,其中每条路线都分成S小时作一次车外行走。
需要先进的航天服,改善其灵活性,维护工作量要比今日系统少。这种航天服不必要求航天员“预先呼吸”以避免弯曲,这便于在轻微中断任务进度情况下能够经常作偶然车外行走。
第一个月球前哨基地的第一个车外行走实验包含有3吨设备:月球物理监测仪器包,太阳系物理仪器包,月球物理仪器包,月球地质成套工具,月球经纬仪望远镜,小型探测望远镜,小型太阳望远镜,越野车的遥控仪器包,生命科学仪器包,以及月球土壤利用验证仪器包,这种验证仪器包将提取氧气、制造砖块和试验气动筛选分类方法。
国家航空航天局设想,航天员用的非增压越野车类似于阿波罗所用的,但具有更好的性能。它必须是能乘坐4个人或在不载人情况下能运载1000公斤货物。在不载人情况下,操纵越野车1年往返4次,能把探索距离延伸到离基地100公里处。
到达第一个月球前哨基地执行第二次任务的乘员,可以部署射电望远镜最初部件,对遥控装置收集的标本进行分析和分类,用现有设备进行附加的生命科学实验,以及执行钻到10米深的详细计划。
第一个月球前哨基地的研究使国家航空航天局断定,建立和维护永久性月、球前哨基地需要能运载1.5倍于土星5号的载荷的运载火箭,格里芬说。所谓的“综合小组”已经得出了相似的结论。
第一个月球前哨基地的月球航天器的质量约为96吨,即从低地轨道进入月球过渡轨道时的质量为95公吨。在马歇尔空间中心,设计了两种基本型重型运载火箭,用以完成此项任务,这两种运载火箭至少都使用了若干台来自土星5号的被认为是先进类型的F-1发动机。
一种大部分直接从土星5号演变而来的运载火箭,高408英尺(约124米),由3级组成。它有一个装有5台发动机的核心第一级和二个各装2台发动机的助推器。所有这些发动机都是F-1A型先进的液氧/RP推进剂发动机。第2级和第3级均使用J-2S氧/氢发动机。
另一种运载火箭是从国家航空航天局和国防部正在研究的运载火箭系列“新的/国家的运载系统”演变而来。从该运载系统演变而来的月球运载火箭由2级和4个助推器组成,高348英尺(约106米)。每个助推器都有2台F-1A发动机,而核心第1级和第2级将分别使用4台和1台液态氧/氢空间运输主发动机。
设计师认为火星探索所必需的核推进装置,对于月球项目来说仍然是有可能选用的方案。研制核推进的月球过渡级或许比化学系统要多花20亿美元,不过,除了提供火星所需的先进技术的好处外,核热火箭推进的月球过渡飞行器可以是重复使用的——这会给正在制定的月球计划增加益处,使核热火箭总的成本-效益更好些。
在国家航空航天局刘易斯研究中心核推进装置处提出的最新设计中,运载第一个月球前哨基地的月球航天器的系统在其月球过渡级上将使用2台50,000英磅(约22,700公斤)推力核热火箭发动机。
在美国核推进项目中(涉及到能源部和承包商),国家航空航天局打算促进研制复合的碳化铀/碳化锆燃料,它能把燃料元件温度从2550 K提高到2700 K,从而使核热火箭系统的性能有所提高。
国家航空航天局对把价格标笺贴在第一个月球前哨基地上犹豫不决,因为至今尚未使它进展到足够详细的工程水平。但是,格里芬说,该局不可能把可信的月球计划放在一起,月球计划每年费用均在几十亿美元以下。
显然,国际合作是被看作削减空间探索费用的一种途径,尤其是目前“冷战”已经结束。“如果有一项计划的话,我们就要使它成为一项国际计划”,格里芬说。他很快地补充,“不过,除非美国居首位,否则就不会有计划”。
在此期间,承包商仍然对月球/火星项目感兴趣,尽管近期得到资金的前景暗淡。
波音公司“月球资源绘图者”投标人戴维 · 赖安(Dave Ryan)说,“我们继续感兴趣,因为我们感到这是国家航空航天局的一个重要步骤”。
马丁 · 玛丽塔公司民用空间与通讯部门负责人小威廉F. 鲍尔豪斯(William F. Ballhaus,Jr)说,他的公司仍然感兴趣,因为空间探索倡议有可能是“对世界有实际好处”。他列举必然成为国际计划的一致力量和空间探索鼓舞青年人从而在教育中促进科学与工程发展的能力。
鲍尔豪斯从哲学观点考虑了最新的令人失望的情况,补充说“这只是个时间问题,我们会站住脚”。
[Aviation Week & Space Technology 1992年8月31日]