50年后，美國要重返月球

文/張雪松

▲SLS重型火箭

1969年7月20日美國阿波羅11號飛船發射升空，開始執行人類歷史上第一次載人登月任務，然而自1972年阿波羅17號任務完成后，人類再也沒有踏上月球。轉眼之間50年過去了，美國宇航局在高調紀念阿波羅登月50周年，但載人航天活動反而局限在近地軌道，美國更是隨著航天飛機的退役失去了送人上天的能力，這實在比較難堪。美國總統特朗普已經簽署命令指示美國宇航局重返月球。隨著SLS火箭和獵戶座飛船的研制接近尾聲，美國把重返月球的時間定在2024年。

無人探測器先行

阿波羅載人登月計劃廣為人知，但了解美國宇航局無人探月計劃的人就少多了。美國宇航局還先后實施了徘徊者號、勘測者號和月球軌道器三個無人探月項目，加深了對月球的了解，為載人登月的成功奠定了堅實的基礎。現在美國又要重返月球，而當年探測器的資料早就是古董了，自然仍要無人探測計劃先行。

阿波羅計劃后美國也發射過月球探測器，1994年發射的克萊門汀探測器強調快好省，性能指標不高，而1998年發射的月球探勘者撞擊月球找水目標也太單一。隨著小布什時代重返月球的星座計劃啟動，美國宇航局研制并在2009年發射了月球勘測軌道器（LRO），為星座計劃載人登月打前站，它攜帶了多種探測儀器，其中相機分辨率可達0.5米，拍攝了大量高清月面照片。值得一提的是，它還拍攝了我國嫦娥三號和嫦娥四號探測器著陸后的照片。LRO探測器超期服役值得稱贊，但沒有著陸器做驗證，載人重返月球還是不太穩妥。美國宇航局也啟動了月面探測的項目，這就是資源勘探者號月球車，它原計劃使用獵鷹9號火箭發射，著陸器部分由臺灣研制，不過去年4月底這個項目就被取消了，取而代之的是商業月球載荷服務（CLPS）計劃。新計劃結合美國宇航局和商業航天公司的資源，力求多快好省地進行月球著陸探測。

▲月球快車公司的MX-1著陸器

▲布里登斯汀

去年12月美國宇航局公布了入圍商業月球載荷服務的9家公司，這里面既有洛·馬這樣的軍工航天巨頭，也有新興的“馬斯騰”和“螢火蟲”這樣的新秀，還有“Astrobotic”、“月球快車”等谷歌月球大獎賽的參賽選手。美國宇航局最初要求2021年年底前發射小型著陸器，將至少10千克的科學載荷送上月球表面，2022到2024年還要發射中型著陸器，遠期更有研制運力5噸級的大型可重復使用著陸器的規劃。或許是受到我國“嫦娥四號”著陸成功的刺激，美國宇航局現在又要求加快進度，提出今年發射第一個著陸器的奮斗目標。

▲SLS運載火箭和獵戶座飛船

美國宇航局認為著陸器研制和發射越快越好，但領先的美國Astrobotic和月球快車等公司都對今年能否實現首次發射表示懷疑。月球快車公司表示MX-1著陸器要到2020年年底才能發射，而Astrobotic的Peregrine著陸器更是要等到2021年一季度。雖然如此，商業月球載荷服務在美國宇航局那里有預算，在商業公司那里有技術，美國的月球著陸器發展已經走上了快車道。

載人火箭飛船齊備

月球快車公司的MX-1著陸器作為“偵察兵”級別的探測器，只能將30千克的載荷送上月球，雖然他們還有更大的MX-5和MX-9探測器平臺，但最大的MX-9“邊疆”級探測器，也只能將500千克載荷送上月球。洛·馬公司的McCandless探測器基于洞察號火星探測器平臺，載荷運送能力250千克并可進一步擴展，但它們和載人登月之間有著巨大的距離。現在不是國會搶著塞錢的航天競賽時代了，美國宇航局哪來的信心2024年就登月呢？原來載人登月的重型火箭和載人飛船都快完成研制了。

▲SpaceIL公司的“創世紀號”

2005年美國宇航局啟動重返月球的星座計劃，開始研制戰神1號和戰神5號火箭，以及獵戶座載人飛船。雖然2011年這些項目名義上都被取消，但獵戶座飛船改名多用途載人飛船（MPCV）繼續研制，2014年使用德爾塔4大型火箭發射返回艙進行了飛行測試，現在返回艙和服務艙都在組裝測試，研制工作基本完成。火箭研制也沒閑著，“戰神1號”徹底被砍掉，戰神5號重型火箭改頭換面成了空間發射系統（SLS）。SLS重型火箭使用成熟的航天飛機主發動機，為了加快研制進度第二級暫時使用過渡低溫推進上面級（ICPS）。這個ICPS聽著莫名其妙，實際上就是德爾塔4火箭的第二級。現在不僅移動發射平臺完成建造，第一個ICPS也已經完成，第一級和固體助推器也正在制造，SLS火箭也進入最后的沖刺階段，即使原定2020年首飛再推遲，也就是推遲到2021年。

SLS Block 1火箭地月轉移軌道運力大于26噸，送獵戶座飛船是夠了，但像當年“土星5號”一樣一次將飛船和登月艙送入地月轉移軌道，那運力就差太遠了。美國宇航局還在研制性能更強的SLS火箭，首先是研制探索上面級，它是SLS火箭專用的大型低溫上面級，直徑增加到芯一級的8.4米不說，發動機也改用四臺RL10。使用EUS上面級的SLS Block 1B火箭地月轉移軌道運力提高到34~37噸，如果只用于運貨還能省去飛船逃逸系統以及一個載荷適配器，運力能提高到37~40噸。美國宇航局計劃2024年發射第一枚SLS Block 1B火箭，它足以支持載人登月任務。然而，這并不意味著2024年美國就能載人登月。當年登月競賽高峰期發射第一枚土星5號重型火箭是在1967年，而首次載人登月卻是1969年。從重型火箭發射成功到重返月球成功，自然也不是一蹴而就的，而且現在登月模式還截然不同了。

曾經的2028年登月計劃

今年2月14日美國宇航局在華盛頓特區舉辦的媒體圓桌會議上公布了新的重返月球路線圖，計劃2028年重返月球。該計劃不出意料仍然以地月軌道空間站作為中轉節點，商業航天將在載人登月中起到更重要的作用，反映了美國宇航局以公私合作方式多快好省實現載人登月的決心。

地月軌道空間站將使用商業火箭和SLS火箭發射， 2022年它的第一個艙段能源推進單元將使用商業運載火箭發射，隨后SLS火箭發射獵戶座飛船并順帶搭乘后續艙段，逐步完成地月軌道空間站的建造。空間站艙段搭乘獵戶座飛船的便車發射，雖然帶來了艙段重量和尺寸的限制，但節省了發射成本，讓俄羅斯、日本和歐空局都能參與合作。該計劃到2026年完成地月軌道空間站的組裝，而根據路線圖，在地月軌道建站前就要開始載人登月的技術試驗了。

經過最近一年來的論證，逐漸成形的載人登月模式看起來令人眼花繚亂。不同于阿波羅登月艙和飛船一次發射，登月艙包含下降段和上升段兩部分，現在的登月模式不僅人貨分運，而且登月艙分為三部分：轉移飛行器、下降段和上升段。美國宇航局解釋說下降上升段合二為一單級方案，發射質量將超過50噸，超過了現有任何一種火箭的運載能力。阿波羅時代下降段和上升段分置的二級方案，下降段質量將達到32～38噸，只能用SLS Block 1B火箭發射，更便宜的商業火箭心有余而力不足，任務的發射費用必然暴漲。三級登月艙方案上升段質量9～12噸，下降段質量15噸，轉移飛行器質量12～15噸，它們都可以使用商業火箭發射，也可以和獵戶座飛船一起用SLS Block 1B火箭發射，不僅增加了任務靈活性也增加了國際伙伴參與的機會。同時，上升段和轉移飛行器都將采用復用設計，有利于降低載人登月任務的綜合成本。

原本美國宇航局的載人登月參考架構上，將通過三步走戰略在2028年實現載人登月的目標。2024年SLS Block 1B火箭首次發射，EUS上面級首次投入使用，提高了SLS火箭的運載能力，這個編號EM-3的任務在發射獵戶座飛船的同時，還要捎帶歐空局的ESPRIT艙段和美國的功能艙，美國功能艙內部增壓提供了基本的居住空間，可供乘坐獵戶座飛船而來的4名航天員進行短期駐留任務。與此同時，商業運載火箭還將發射一個月球著陸艙前往地月軌道空間站匯合，然后著陸艙分離進入近月軌道并進行實際的著陸試驗。2026年載人登月開始第二階段試驗，SLS Block 1B火箭發射獵戶座飛船和登月艙上升段前往地月軌道空間站，同時商業運載火箭兩次發射，把下降段和軌道轉移飛行器送往地月軌道空間站，三個部分在空間站完成組裝后，開始模擬載人登月任務：軌道轉移飛行器負責把下降段和上升段送到近月軌道，然后自主返回地月軌道空間站；下降段和上升段組合體像當年阿波羅登月艙一樣著陸并返回軌道，不同的是上升段還將飛回地月軌道空間站。在對下降段、轉移飛行器和上升段都進行實際測試后，2028年將執行重返月球發起后的第一次載人登月任務，SLS Block 1B火箭將把獵戶座飛船和4名航天員送往地月軌道空間站，但這回挑大梁的可就是商業運載火箭了。商業火箭將分3次分別發射登月艙下降段以及兩艘補給飛船，補給飛船帶來加滿上升段和轉移飛行器的燃料，隨后三級登月艙再次組裝完成，航天員乘坐登月艙執行第一次載人登月任務。

▲美國宇航局2028年的三步走登月計劃

然而到了3月27日，美國副總統彭斯宣布，無論采取哪種方式，美國都將在5年內重返月球。這也就意味著美國將在2024年再次登上月球。這比美國宇航局原來的計劃整整提前了4年。雖然隨后5月13日總統特朗普表示，將向美國宇航局追加16億美元的預算用以加速重返月球計劃，但美國宇航局的壓力依然不小。

新登月模式評估

美國最新載人登月模式下，登月艙的轉移飛行器和上升段都是重復使用的，只有下降段不得不一次性使用，登月艙的三個部分以及補給燃料的貨運飛船都使用商業火箭發射。重復使用的上升段和轉移段有利于降低任務成本，而三級登月艙和商業火箭降價更是立竿見影——如果選擇阿波羅式的大型二級登月艙模式，每次登月都得增加一枚SLS Block 1B火箭發射一個大型著陸段，而給上升段補加燃料還得占用一次獵戶座飛船的搭載機會。三枚獵鷹重型商業火箭要比一枚SLS Block 1B火箭更便宜，再加上獵戶座飛船發射時富余搭載的10噸運力，新方案將顯著提高載人登月的經濟性，有利于增強載人登月的可持續性，為建立月球基地實現長期月面駐留奠定基礎。