距离地球近24万英里（约38.6万公里）的月球，或将迎来人类首座月面“航天港”。NASA计划建设的月球门户空间站（Gateway）未来可能成为猎户座载人飞船、月球着陆器、货运飞行器以及宇航员往返地球、月球，并进一步前往深空的重要中转站。为确保这些航天器能够安全、高效地运行，工程师正在研发一套类似空中交通管制的太空交通管理系统。
与地球机场不同，Gateway没有跑道、滑行道，也不会通过广播宣布登机口。航天器将在一张看不见的“轨道网络”中运行，其路线受到地球、月球以及周边空间区域引力的共同影响，并由精确的数学规则决定。因此，对这些航天器进行管理，需要建立一种全新的轨道交通管制模式。
来自得克萨斯农工大学、NASA约翰逊航天中心和普渡大学的工程师，已经开发出相关算法和运行策略，用于管理Gateway附近等待中的航天器，以及在同一轨道环境中运行的多艘飞行器。他们提出了一套数学准则和轨道“交通规则”，旨在帮助多艘航天器安全、可预测地共享这一复杂区域。
研究成果发表在《航天学报》上，重点分析了如何在满足任务运行需求的同时降低燃料消耗和航天器碰撞风险。研究团队通过数千次计算机模拟，测试航天器如何在Gateway周围保持安全位置，并将导航误差、推进器性能不完美以及未来阿耳忒弥斯任务可能遇到的微小扰动等现实因素纳入分析。
得克萨斯农工大学工程学院航天工程系副教授、研究论文作者黛安·戴维斯表示，未来的月球探索能否成功，取决于交通管理的程度并不亚于火箭技术本身。
如果要在月球附近建立持续存在的人类基地，仅仅抵达月球还远远不够。航天器还需要一套基础设施，使它们能够在同一引力环境中停留和移动，同时避免彼此干扰。对于Gateway及其访问飞行器而言，这一环境的核心是近直线晕轨道，也就是NRHO。
戴维斯介绍说，Gateway所在的NRHO是一条围绕月球运行、近似稳定且高度狭长的轨道。它能够确保空间站始终与地球保持不间断的通信视线，同时只需消耗少量推进剂就能维持轨道。
不过，Gateway及其附近航天器沿这条狭长轨道运行时，仍会持续受到地球和月球不断变化的引力作用。这条轨道也不同于此前载人航天器使用过的任何轨道：Gateway运行至距离月球北极约1000英里的位置后，还会向外延伸到南极以外近4万英里的区域。
单个空间站可以通过偶尔进行推进器点火来维持航线，但当一艘猎户座载人飞船、一艘无人货运飞行器和一艘大型月球着陆器同时需要接近、对接、离开或在同一片区域等待时，情况就会变得复杂得多。戴维斯指出，如果缺乏有效管理，航天器可能发生碰撞并造成严重损坏，因此，要确保宇航员安全和任务成功，建立针对NRHO的交通管理系统至关重要。
这套系统的核心概念之一是“滞留”，即航天器在等待期间，按照特定轨道或轨迹与目标保持相对位置。戴维斯解释说，太空中的滞留，是指航天器不立即执行机动，而是相对于某条特定轨道或轨迹保持运行状态。
这一概念与机场交通管理有相似之处。飞机可能在登机口等待、在滑行道上暂停，或者在空中盘旋，直到获得继续前进的许可。接近Gateway的航天器也可能遭遇类似延迟，需要等待数小时、数天，甚至数周，直到对接端口空闲，或另一项任务完成。
但两者的关键区别在于，太空中没有固定的地面，所有航天器始终处于运动状态。戴维斯称，管理人员需要在一个“恰到好处的区域”内进行平衡：让处于等待状态的航天器彼此保持足够远的距离，以确保安全；同时又要让它们足够接近目的地，从而提高资源利用效率。
确定这一平衡点，是研究团队的重要目标。模拟结果显示，只需适度增加轨道维持机动次数，就能让航天器更加接近预定位置，而推进剂消耗只会发生小幅变化。
研究人员表示，更高的位置精度意味着任务规划人员能够更准确地预测每艘航天器的位置，从而节省宝贵燃料。掌握每个飞行器应处的位置，还有助于协调对接时间、制定交会操作方案，并降低载人和无人任务的风险。
戴维斯指出，每一次轨道机动都需要付出代价。就像地球上的空中交通管制一样，航天器也需要保持可预测的位置和运行路线，才能安全协调彼此的移动。
更高的可预测性还可以简化航天器抵达Gateway和离开Gateway时涉及的复杂流程。与其让访问飞行器各自独立等待，不如让它们在Gateway前方或后方预先计算好的位置上运行，直到获准进行对接或离开。研究人员将这种排列方式称为“珍珠串”编队。
戴维斯表示，这种编队类似项链上的珍珠，航天器会沿月球轨道、相对于Gateway自然排布。通过让等待中的航天器始终保持与Gateway的相对位置，可以形成更加紧密的编队，并降低飞行器危险漂移、彼此过度接近的风险。
这一变化看似细微，却可能为未来月球周边日益复杂的运行活动提供重要管理框架。戴维斯称，这标志着一种新型交通管制的开端，也是规划整个月球运输系统基础设施的一片令人兴奋的新领域。
戴维斯的轨道交通规划研究，建立在她多年从事任务设计和航天动力学工作的基础上。2026年加入得克萨斯农工大学航空航天工程系之前，她曾在NASA约翰逊航天中心工作十多年，担任首席工程师和Gateway任务设计负责人。
目前，戴维斯作为副教授，主要研究地月空间动力学和太空交通管理，同时培养能够应对未来复杂月球任务的学生。她表示，培养和发展未来的工程师与科学家是最令她感到兴奋的事情。未来，正是这些学生将负责规划月球任务，并管理人类走出地球后的太空交通。
如果未来往返月球成为常态，确保航天器安全有序运行，依靠的将不仅是火箭和飞船，还包括一套决定谁需要等待、谁可以移动，以及各个飞行器如何在距离地球近24万英里的太空中保持安全间隔的数学规则。