地月空间运输与月面运输

拉格朗日点

　　地月空间运输与月面运输

　　建设月球前哨站、永久性月球基地或月球村，都离不开地月运输和月面运输。目前，空间运输是个成本高昂的活动，怎样实现低成本运输，是航天工程师和月球科学家共同关注的问题。

　　研制巨型火箭仍是未来地月运输系统的重要选择，尤其在月球基地建设初期，巨型火箭可能承担重要的地月运输任务。根据美国太空探索新构想路线图，美国国家航空航天局正在研制新的战神1号和战神5号重型运载火箭。

　　地月往返运输

　　建立月球基地、开发月球资源的关键，是将空间运输成本降下来。使用传统的运载火箭向月球运输人员和物资，需要克服巨大的地球引力，成本高昂。例如，巨大的土星5号运载火箭起飞质量近3000吨，

　　消耗2600多吨的推进剂，只将约16吨的登月舱送到月面，最后返回地球的指令舱仅6吨左右。那么用什么方法来降低运输成本呢？

　　我们以阿波罗飞船和土星5号运载火箭为例，分析为什么采用传统的空间运输方法成本高昂。阿波罗飞船发射时的质量约48.5吨（执行阿波罗11～17号飞行任务的各艘飞船质量略有差异），为了将飞船送往月球，土星5号火箭的第一、二级和第三级第一次点火消耗了2500多吨推进剂，将阿波罗飞船和带有60多吨推进剂的火箭第三级送到近地轨道（停泊轨道），然后第三级第二次点火，将飞船送入地月转移轨道。在阿波罗飞船中，飞船携带的推进剂占了约29.5吨，其中服务舱携带的推进剂约18.5吨，用于奔月途中的轨道修正，在月球附近“制动”和从环月轨道返回地球；登月舱携带的推进剂约11吨，用

　　于在月球着陆和上升级返回月球轨道。从这里不难看出，土星5号在执行飞行任务时，消耗的巨大能量大部分用来运输火箭推进剂，而不是“有效物资”。

　　为解决“有效运输”这个问题，科学家们提出在月球上生产推进剂并用于地月运输的新思路。如果将飞船发射到月球轨道或者位于拉格朗日点（L1）的“中转站”，然后在月球轨道上加注在月球上生产的推进剂，飞船离开地球时就不再需要携带用于月面着陆和起飞的推进剂，也不用携带用于从月球轨道返回地球的推进剂，只需要携带奔月过程中轨道修正和到达月球上空“制动”所需的少量推进剂，这部分推进剂只占飞船重量的较小比例，因此飞船的质量将成倍减轻。由于飞船质量大大减轻，用来将飞船从近地轨道推入地月转移轨道的推进剂也将成倍减少，推进系统的结构质量也将减轻，这样将大大减轻运载火箭的“负担”。航天科学家经过计算表明，如果采用这种方式，运载火箭的运载能力只需要原来的1/4～1/3。

　　拉格朗日点

　　拉格朗日点是法国数学家和力学家拉格朗日发现的空间特殊的点。在拉格朗日点，两大天体的引力相互抵消，位于这一点上的小物体可以相对保持平衡；如果给一个小的推力，就能使物体按推力方向运动。在地月系统中，理论上存在5个拉格朗日点，其中L1点位于距地球323110千米的位置上。如果以地月系统为参考系，拉格朗日点基本是静止的（由于月球沿略为椭圆的轨道公转，因此它们的位置会有一点变动）；如果以地球为参考系统，它们将随月球而移动。

　　科学家们进一步设想，如果将飞船发射到月球附近L1拉格朗日点上，并停靠在那里的“中转站”上，同时从月球上发射L1-月球往返运载器来接应飞船，将航天员或月球基地供应物资从中转站运送到月球，那么飞船就不再需要携带登月舱，飞船的质量将进一步减轻，从地球起飞的火箭质量将进一步减小。L1-月球往返运载器应是可重复使用的飞行器，不但能够携带航天员从L1点降落在月面，还应能携带航天员从月面起飞返回L1点，航天员可以转乘停靠在L1点的返回舱飞回地球。

　　美国科学家还设想采用一种能够在近地轨道L1-月球往返飞行器,运送物资或人员与L1点之间穿行的飞行器——轨道转移飞行器，将月球基地生产的推进剂从L1中转站运送到近地轨道空间站；同时，向月球基地运送物资的飞船也发射到近地轨道，并停靠在近地轨道空间站上，飞船在近地轨道上加注推进剂，随后飞往L1点。这样一来，从地球起飞的运载火箭只需将货物发射到近地轨道，再次减轻了运载火箭的“负担”。

　　采用上述空间运输方式，需要解决许多关键问题，包括在月球上实现推进剂的低成本生产，在L1点建立空间中转站或推进剂加注站，研制L1-月球往返飞行器，掌握月面和空间推进剂加注技术等。由于航天器从月球上起飞比从地球起飞容易得多，因此如果能解决这些问题，就有希望降低地月之间的运输成本。

　　一些科学家建议，位于L1点的中转站，既是推进剂的加注站，也是一个飘浮在空间的推进剂“贮罐”，同时它还起到运载器停靠“码头”的作用。L1点中转站不仅可以为地月运输系统加注推进剂，还可以为行星际飞行器加注推进剂。还有科学家提出将月球上提取的水运送到L1点中转站，由中转站上的电解设备直接生产低温推进剂。

　　各国科学家为月球基地的空间运输提出了许多方案，利用月球轨道站（或中转站）和用月球原料生产推进剂的运输方案只是其中之一。然而，在月球基地建设初期，生产火箭推进剂显然是困难的，为此一些科学家提出了多次发射、空间组装的设想。例如，先将推进舱、航天员座舱、服务舱等分别送入轨道，然后在空间“组装”成一个组合系统，组装好的系统再从轨道上点火，飞往月球或执行其他任务。用这种方法，可以根据不同的任务需要，采用不同的模块组合，执行不同的任务，如地球轨道任务、月球探测任务或星际任务。这种方法不必研制超大型火箭，但需要多次从地球上发射。波音公司提出的乘员探测飞行器的最初设想之一，就是这样一种方案。