美國的重返月球計(jì)劃

蘭順正

8月29日、9月4日，美國宇航局（NASA）登月項(xiàng)目“阿爾忒彌斯”（Artemis）計(jì)劃第一階段首次無人試飛飛船“阿爾忒彌斯”發(fā)射升空的安排連續(xù)兩次因技術(shù)和天氣原因推遲，令關(guān)注人類外空探索的航天迷們甚感失望。不過，發(fā)射延遲也使“阿爾忒彌斯”這一規(guī)模宏大的重返月球計(jì)劃受到更多關(guān)注。

美國的“重返月球”計(jì)劃

早在小布什執(zhí)政時(shí)期，美國就打算“重返月球”。2005年9月14日，美國航空航天局向白宮提交了旨在重返月球的“星座”計(jì)劃。奧巴馬上臺以后，一度放棄了“重返月球”計(jì)劃。2017年12月，時(shí)任美國總統(tǒng)特朗普簽署“1號太空政策指令”，宣布美國宇航員將重返月球并最終前往火星，該指令也催生了NASA的“阿爾忒彌斯”計(jì)劃。

這個(gè)項(xiàng)目由NASA主導(dǎo)，美國多家商業(yè)航天企業(yè)以及國際合作伙伴參與，國際伙伴包括歐洲、日本、加拿大、意大利、澳大利亞、英國、阿聯(lián)酋等國家和地區(qū)的航天機(jī)構(gòu)。

“阿爾忒彌斯”計(jì)劃分兩個(gè)階段實(shí)施。第一階段從2019年到2024年，科學(xué)目標(biāo)是通過登月飛船試驗(yàn)和對月球的無人探測等準(zhǔn)備工作，在2024年實(shí)現(xiàn)載人飛船在月球南極著陸。第二階段從2025年到2030年，完善建設(shè)月球軌道空間站和月球基地，實(shí)現(xiàn)人在月球上長期駐留，并完成一系列科學(xué)考察和試驗(yàn)任務(wù)。美國還希望以“阿爾忒彌斯”計(jì)劃為基礎(chǔ)，于2035年前后在月球上建造一個(gè)可長期有人照料的大型基地，并以該基地為跳板，實(shí)現(xiàn)將人類送上火星的總目標(biāo)。

登月發(fā)射又分為“阿爾忒彌斯”1號、2號、3號任務(wù)。1號任務(wù)為無人實(shí)驗(yàn)飛船，2號任務(wù)為載人環(huán)月飛行，3號任務(wù)為在月球南極載人登陸。2020年NASA發(fā)布了計(jì)劃大綱，定于2021年執(zhí)行1號任務(wù)，2023年執(zhí)行2號任務(wù)，2024年實(shí)施3號任務(wù)。但由于新冠疫情等多方面原因，1號任務(wù)推遲到今年才執(zhí)行，這樣2號、3號任務(wù)也會(huì)相應(yīng)推遲，載人登陸月球南極要到2025年以后才能實(shí)現(xiàn)。

“阿爾忒彌斯”的船與箭

“阿爾忒彌斯”計(jì)劃的關(guān)鍵，是“太空發(fā)射系統(tǒng)”（Space Launch System，SLS）火箭和“獵戶座”（Orion）飛船。

SLS是NASA在2011年推出的新型重型運(yùn)載器。在“阿爾忒彌斯”計(jì)劃中，該型太空發(fā)射系統(tǒng)號稱“史上最強(qiáng)運(yùn)載火箭系統(tǒng)”。SLS火箭為深空任務(wù)而設(shè)計(jì)，可以一次性將Orion飛船及其航天員和大型貨物送上月球，還可以飛往月球、火星、土星和木星等地執(zhí)行無人科學(xué)任務(wù)。SLS火箭可推動(dòng)Orion達(dá)到前往月球所需的至少約每小時(shí)40000公里的速度。每型SLS火箭芯級都配置4個(gè)RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)。

首枚SLS火箭，即Block1構(gòu)型，將用于執(zhí)行“阿爾忒彌斯” 1號任務(wù)，低軌運(yùn)力95t，可運(yùn)送超過26t載荷到達(dá)月球軌道。它帶有兩個(gè)五段固體火箭助推器，進(jìn)入太空后臨時(shí)低溫推進(jìn)級（ICPS）負(fù)責(zé)將Orion送往月球。SLSB lock1火箭下一個(gè)構(gòu)型是Block1B載人火箭，將使用更強(qiáng)大的探索上面級（EUS），低軌運(yùn)力105t，可運(yùn)送約37t載荷前往月球。

后續(xù)的SLS Block2火箭將使用改進(jìn)的助推器和發(fā)動(dòng)機(jī)，低軌運(yùn)力130t，可向月球提供超過45t的有效載荷。不過也有觀點(diǎn)認(rèn)為，SLS是保守過時(shí)的產(chǎn)物，因?yàn)樵撓到y(tǒng)是一種從航天飛機(jī)演變而來的重型運(yùn)載火箭，在初步設(shè)計(jì)中航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)和航天飛機(jī)固態(tài)助推器都會(huì)被作為計(jì)劃的一部分。8月底首飛的SLS搭載有三個(gè)裝著儀器的人體模型，另外還有10顆立方體衛(wèi)星同行，這些衛(wèi)星每顆約為一個(gè)公文包大小，可用于探測月球、小行星和深空輻射環(huán)境。

2022年6月6日，“阿爾忒彌斯1號”運(yùn)抵美國佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心發(fā)射臺。

Orion飛船每次最多可運(yùn)送4名航天員及所需物品在太空工作長達(dá)21天。飛船由乘員艙、發(fā)射中止系統(tǒng)（LAS）、服務(wù)艙等組成，發(fā)射時(shí)總質(zhì)量約35t。航天員任務(wù)期間在乘員艙里生活和工作。LAS安裝在Orion頂部，發(fā)生緊急情況時(shí)可在幾毫秒內(nèi)將乘員艙推離火箭。服務(wù)艙為乘員艙提供能量和生命支持，以及太空中推力。據(jù)悉Orion上運(yùn)行軟件的計(jì)算機(jī)每秒可以處理4.8億條指令。

登月中轉(zhuǎn)站與著陸器

在“阿爾忒彌斯”計(jì)劃中，實(shí)現(xiàn)載人登月之前，美國將先建立一個(gè)被稱作“門戶”（Gateway）的月球軌道空間站。該空間站將會(huì)設(shè)立多個(gè)與飛船連接的對接口，甚至還會(huì)設(shè)立一個(gè)可供宇航員休息與“候船”的載人艙，可被看作宇航員往返月地之間的中轉(zhuǎn)站。美國馬克薩爾科技公司已經(jīng)為“門戶”空間站建造了一座功率為50千瓦的高功率太陽能驅(qū)動(dòng)器，作為月球軌道空間站的動(dòng)力系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)裝置。

據(jù)NASA透露，“深空之門”將會(huì)在2023年開建，2026年建成。“門戶”項(xiàng)目延續(xù)了國際空間站的合作模式，依然由美國主導(dǎo)、16個(gè)國家參與，包括俄羅斯、日本、加拿大、巴西和11個(gè)歐洲航天局成員國。不過，由于俄羅斯近來與歐美國家的關(guān)系降至冰點(diǎn)，未來是否繼續(xù)參與就不得而知了。

而在登月著陸器方面，包括太空探索技術(shù)公司、藍(lán)色起源公司和航天動(dòng)力公司等民間航天企業(yè)都參與了競標(biāo)，最終太空探索技術(shù)公司中標(biāo)，獲得了價(jià)值29億美元的著陸器建造協(xié)議。有消息稱，馬斯克的太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的“龍飛船”將作為地球到月球空間站之間的“貨物公交車”，而SpaceX的巨型星艦將作為登月艙，從作為中轉(zhuǎn)站的門戶空間站接送往來月球表面的人員和貨物，這也意味著執(zhí)行將宇航員運(yùn)送上月球任務(wù)的Orion飛船，不再需要攜帶登月艙，而只需將人和貨物運(yùn)送到漂浮在月球軌道的門戶空間站即可。

有分析認(rèn)為，“阿爾忒彌斯”計(jì)劃之所以將月球南極作為重點(diǎn)，是因?yàn)樽罱鼛啄甑脑虑蛱剿靼l(fā)現(xiàn)，在月球的南、北極地區(qū)可能存儲著大約4.5億噸固態(tài)水。這一情況如果屬實(shí)的話，在附近地區(qū)建立月球基地的美國宇航員便可就近采集冰塊，解決生活用水問題，對人類長期在月球基地停留會(huì)是個(gè)重大利好因素，條件成熟后還可利用這些冰塊制造液氫和液氧，為將來更多、更宏偉的深空探索任務(wù)提供燃料。

“阿爾忒彌斯”計(jì)劃還有許多細(xì)節(jié)問題仍在研發(fā)改進(jìn)，包括艙外活動(dòng)裝置、宇航服的設(shè)計(jì)制造，等等，存在很多變數(shù)，“太空發(fā)射系統(tǒng)”火箭和“獵戶座”飛船首發(fā)試飛的暫時(shí)遇挫使得美國確保在2025年前把自己的宇航員再次送上月球的目標(biāo)進(jìn)一步受到削弱。