艾彦｜美国“超级鸽王”火箭终升空 重启奔月背后有何盘算

点击：  作者：艾彦    来源：“华语智库”微信公众号  发布时间:2022-11-18 17:54:16

 

 

美国东部时间2022年11月16日凌晨1时47分44秒（北京时间14时47分44秒），承担美国新登月工程“阿尔忒弥斯”一号任务的SLS火箭，在经历了81天的两轮延期后，终于在肯尼迪航天中心39B号发射架升空。

在这次任务中，重达2000吨的SLS火箭将把26.5吨的“猎户座-2”号飞船送到地月转移轨道，此次宇航任务长达26天，并预计在12月11日上午返回地球。此次飞行不搭载人类宇航员，而使用三个装备传感器的人体模型模拟宇航员。

因为两次发射延宕，地月位置不断发生变化，此次任务的航线规划已经发生重大变化，燃料消耗更加迅速。因此，此次任务也从之前的常规轨道设计，调整为远逆行轨道（DRO），不再进行传统的绕月飞行，而是利用月球引力在六天内两次近掠月球。这一航线设计在人类历史上还是首次被实际应用，对于航行控制的精确性有着极高的要求。

按目前飞行计划，猎户座-2号飞船进入远逆行轨道的时间是6天后的11月22日。而在飞船返回时，仍将以第二宇宙速度（≥11.2千米/秒）再入地球大气层，这也是人类历史上再入速度最快的飞船，对再入轨道的设计和飞船的防热设计也提出了极高的挑战。

“阿尔忒弥斯”一号任务航线设计（是不是像一只施瓦本碱水面包？）

这次探月任务引起了美国国内的高度关注。

对美国社会而言，曾经的“阿波罗”登月工程，是美国的技术、国力与探索精神的象征，甚至有一些美国学者将登月竞赛的胜利，作为取得冷战胜利的关键一步。

对于曾被特朗普“让美国重新伟大”的口号召唤起的很多美国人而言，这次发射似乎也将成为一个里程碑。

但时代终究已经发生了变化，“阿尔忒弥斯”登月工程实际进展如何？美国能否重现“阿波罗”登月工程时的辉煌？这次任务又将对国际太空探索造成怎样的影响？

本文将为大家一一解读。

 

特朗普最重要的政治遗产

 

美国是个大航海时代的移民建立的国家，又在漫长的历史上进行了持续的西部开拓，一直以“新世界”自诩。

这种文化传统，被美国政界与科学界巧妙地嫁接到了航天事业上，将太空探索称为“高边疆”，以此继承美国历史上的“新边疆”传统。

肯尼迪在莱斯大学发表《我们选择登月》演讲的现场

从“阿波罗”登月项目开始，航天事业也就成为美国政府争取民意的一个重要手段。

这种做法的始作俑者，就是曾以《我们选择登月》演讲而在航天史上留下浓重一笔的肯尼迪。

事实上，“阿波罗”工程的立项是由艾森豪威尔领导的共和党政府在1960年做出的，但肯尼迪上台后在1961年5月25日将该项目立为美国在60年代的国家目标，并在1962年9月12日在莱斯大学的著名演讲中做出在1969年之前登月的承诺。

很多人都将这次演讲视作美国登月项目的奠基事件，但在当时，美国航空航天局的专家们已经进行了长时间的工作。

完成首次登月的“阿波罗11号”任务发射画面

而特朗普打着“让美国重新伟大”的旗号赢得大选，自然也将启动航天探索作为其争取民意的重点，不仅在刚上任时就宣布要建立太空军，重塑在太空高边疆的优势地位，更一改奥巴马政府在太空事业上的保守姿态。

其中最重要的一步，就是重启登月计划，也即“阿尔忒弥斯”项目。

特朗普宣布成立美国太空军时的画面

“阿尔忒弥斯”项目最早起源自美国航空航天局的“星座”项目。

“星座”项目立项于2005年，期间进行了“战神”重型运载火箭、“猎户座”载人飞船与月球全地形车等项目的开发，在2010年被奥巴马政府因预算问题关闭。

2017年12月11日，时任美国总统的特朗普签署了《太空政策指令-1》文件，这是美国国家太空政策的重大改变，规定了由美国政府部门与私营部门合作伙伴共同实施的综合计划，以实现人类重返月球，随后执行火星及其他任务。

该任务最后以希腊神话中的狩猎与月亮女神阿尔忒弥斯命名。

NASA官网关于“阿尔忒弥斯”项目的海报，上书“人类重返月球”

“阿尔忒弥斯”项目是美国历史，乃至人类历史上最雄心勃勃的航天探索项目之一，其目标是在月球表面建立永久居住的有人基地，并将月球作为探索火星的中转站。

为此，“阿尔忒弥斯”项目包括以下几个主要部分：

SLS（“太空发射系统”），这是美国未来太空发射任务的“国家队”，目标是获得一种具备130吨近地轨道载荷或46吨地月转移轨道载荷的超重型运载火箭，用于解决月球轨道任务与深空探测任务的发射需求。这种火箭是不可重复使用的。

“猎户座”载人飞船，这是美国未来载人航天的“国家队”，是一种部分可重复使用的载人航天飞船，能够搭乘6名宇航员，最大任务质量26.52吨，飞船本身具备登月并返回的能力，但此时的可用载荷会非常有限。

所以，在“阿尔忒弥斯”项目中，该飞船主要作为从地球到月球轨道之间的摆渡车。

“月球门户”（Lunar Gateway）空间站，这是可容纳4人的小型月球轨道空间站，将作为登月任务的中转站，登月成员组将乘坐“猎户座”飞船抵达该空间站，并在该空间站换乘“载人着陆系统”前往月球并返回。

该空间站计划在2024年开始建造。

“载人着陆系统”（HLS），该系统将充当“月球门户”空间站与月球表面之间的“摆渡车”，经过SpaceX、蓝色起源与Dynetics三家公司之间的竞标，该系统总价值28.9亿美元的开发合同被授予SpaceX，计划在2025年首飞。

该系统实际上就是“星舰”飞船的月球单级版，能够运载超过100吨载荷在月球与“月球门户”之间往返。

SpaceX、蓝色起源与Dynetics三家公司的“载人着陆系统”方案，左侧为胜出的星舰HLS系统

“月球基地”，包括月球表面基地、大型宜居移动平台和月球全地形车等部分，供登月成员组在月球表面进行单次长达两个月的周期性部署。

NASA的月面基地构想，目前没有公布细节，只有想象图

与曾经的“阿波罗”登月项目相比，“阿尔忒弥斯”不再是简单的“美国要比对手更快把人送上月球”，而是把登月作为登陆火星的跳板，并以此刺激美国整个航天产业的发展。

同时，美国也试图通过这一项目将更多的国家捆绑到美国的航天事业中，截止2022年7月，已经有21个国家与美国就该项目签署了合作协议。

可以说，从项目立意、策划到执行上，“阿尔忒弥斯”都带有很强烈的特朗普气息，堪称是特朗普政府最重要的政治遗产之一。

 

“超级鸽王”踏上征程

 

“阿尔忒弥斯”一号任务是整个项目中首次无人试飞，也是承担这个项目的中坚力量——SLS火箭与“猎户座”飞船第一次合体发射。

这次发射任务的主要目标，是测试航天器的可靠性与安全性。具体而言，整个航线设计的前半段，包括进入地球轨道、地月转移、以及绕月飞行，对NASA而言，都已经轻车熟路，但载人飞船从月轨返回、再入、回收这些项目，则是NASA多年未曾接触的领域，也是此次发射任务重点测试的内容。

“阿尔忒弥斯”一号任务初始轨道设计略图（8月29日发射窗口）

与之前的“土星”火箭，以及正在紧锣密鼓推进的“星舰”相比，此次执行发射任务的SLS Block1型火箭的运载能力比较不足，其地月转移轨道发射载荷仅为27吨，几乎紧贴“猎户座”飞船的载人任务质量。

因此，本次任务的航线设计极为精巧（或者说局促），但即便反复优化，以降低在地球轨道与月球轨道的停留时间，但任务里程仍将高达210万千米，而返回地球时再入大气层的速度将高达34倍音速（11万米/秒），这在人类航天史上也是前所未有的。

因此，对NASA而言，再入段才是最考验人的时刻。

整个发射组合唯一可复用的部分—“猎户座”飞船的返回舱

承担这次发射任务的SLS Block 1型超重型运载火箭，是SLS运载火箭的初级型号。

SLS火箭在2011年正式立项，目标是为21世纪二十年代美国的深空探测提供运载工具。该项目计划分三步实现，分别是Block 1、Block 1B与Block 2三个型号，载荷能力不断递增，从近地轨道载荷95吨级提升到130吨，地月转移轨道载荷也将从27吨提升到46吨。

SLS火箭的发展构想

最初，美国政府计划在2016年12月进行SLS的首飞，预留了五年的研发、建造与测试的时间。毕竟传奇般的“土星5号”火箭从立项到首飞也只用了5年（1962-1967）。

而SLS使用来自航天飞机的RS-25型发动机与SRB固体助推器壳体等成熟部件，还有计算机设计等辅助工具加成，按说进度应当不至于比“土星5号”还低。

然而，与“土星5号”火箭相比，SLS证明了，组织和人的因素在航天事业中更加重要。

航天史上的传奇——“土星5号”火箭

SLS火箭为二级超重型运载火箭，全箭均不可重复使用。

芯一级装备4台RS-25D型氢氧火箭发动机，单台发动机真空推力2.279兆牛，海平面推力1.86兆牛，真空比冲452.3秒，海平面比冲366秒。

芯一级上面的是“上面级”（Upper），装备一台RL-10型氢氧发动机，真空推力110.1千牛，真空比冲465.5秒。

在芯级两侧，火箭安装两台SRB固体火箭助推器，与RS-25发动机一样，都是航天飞机项目留下的原装固定资产，NASA计划在“阿尔忒弥斯”项目中将其消耗掉，其Block 1与Block 1B型火箭都将使用这些三十年前留下的设备，但因为存货有限，只能供NASA进行8次发射，也就是说，NASA必须在8次飞行中完成Block 2型火箭之前的所有登月技术测试与前期准备工作。

从2011年9月开始，SLS的首飞时间就不断被推迟，在2022年8月15日确认本次发射时机之前，该火箭首飞时间至少推迟了16次。总计延期6年时间。

而在这11年的开发之中，该型火箭的研发预算从15.36亿美元一路上升至25.55亿美元。而预计的单次发射成本也从5.76亿美元一路上升到22亿美元。

随着SLS的不断推延，“阿尔忒弥斯”一号任务也从2016年12月一直推迟到了现在，这也使该次任务成为美国，乃至世界航天史上最昂贵的一次航天任务。

2022年3月17日，SLS与“猎户座”飞船完成组装后，第一次推出肯尼迪航天发射中心的载具装配大楼，在世人面前正式亮相，并在4月3日进行第一次燃料加注试验，这次彩排因故障提前结束，此后直到6月20日，先后进行四次加注试验，都出现了各种故障，但NASA的项目管理人员仍然宣布加注试验完成。7月2日，火箭被推回载具装配大楼维修氢气泄漏故障。

负责发射“阿尔忒弥斯”一号任务的肯尼迪航天发射中心是当今世界上最大的航天发射场，占地580平方公里，拥有11000多名工作人员，其第39号航天发射场是美国6次载人登月任务与135次航天飞机任务的出发地。

其中39A发射架目前主要用于美国军事太空任务的发射，也是SpaceX公司未来进行“超重鹰-星舰”组合的发射基地。

而39B发射架将是未来SLS大火箭的升空之地。发射架周围设有多座塔架式避雷针，在8月28日的雷暴中，该发射架就曾保护SLS火箭免遭雷击。

LC-39发射场，近处为A发射架，架上火箭为SpaceX的“猎鹰”-9型运载火箭，远处B发射架上的火箭为待发的SLS-1

根据8月15日公布的“阿尔忒弥斯”一号任务的飞行时序，这次发射拥有3个时间窗口可供选择，分别是8月29日、9月2日与9月5日，但这个时间窗口的机动仅与大气状况、指挥与控制系统的因素有关，如果火箭自身发生严重故障，发射准备就需要回滚到上一环节，以上三个发射窗口就会全部错过。

但在发射前三小时，因为氢燃料罐泄漏问题始终无法解决，可能威胁任务安全。随后NASA官方在社交平台上宣布，取消了8月29日及之后几天的发射安排。SLS-1火箭被运回载具装配大楼进行维修。

在排除燃料系统故障后，NASA最初决定在9月27日进行发射，但因为热带风暴“伊恩”登陆而被迫取消。

随后，SLS-1火箭被送上LC-39B发射架，并在那里渡过了热带风暴“妮可”的登陆。

因为11月9日的持续风速与瞬时风速都超过了SLS火箭的设计指标，风暴过后，NASA又对SLS-1进行了六天的安全检查，直到11月15日才启动发射准备工作，当地时间当天15时30分，SLS-1的燃料加注正式开始。

随后发生的事情，就是最近24小时我们看到的。

一次久违的太空之旅

无论如何，这仍是一次久违的太空任务，不仅仅是因为人类已经50年未曾抵达过月球轨道，更是因为SLS火箭的首飞自2016年12月获得美国国会发射授权后，已经在6年中延期16次，堪称“绝世鸽王”。

而这次发射任务本身也不包含登月，美国航空航天局的计划表，最终的登月时间安排在2025年的“阿尔忒弥斯”三号任务，届时，距离人类上一次登上月球已经过去了53年。

“阿波罗17号”任务的登月舱与月球车

半个世纪前，“阿波罗”项目时代的计算机还使用电子管，登月飞船基本要靠手动操作，飞船任务计算机的数据计算能力不到现代智能手机的千分之一，导航控制指令程序只有14万行代码。

凭借着这样的工具，人类完成了地月之间38万公里的征程，并在期间进行了数百次精确的姿态调整。

其中的难度，曾有人这样比喻，就像是“驾驶着洗衣机横渡大西洋”。完成“阿波罗”项目的航天科学家们，几乎都可以被请入航天事业的“众神殿”。

“阿波罗”任务航线设计

与其前辈相比，NASA与美国航天工业界在SLS火箭开发与“阿尔忒弥斯”项目的执行过程中，暴露出了巨大的差距。

SLS火箭设计概念的本意，是迅速利用航天飞机项目留下的成熟产品与技术，快速组装出一种能用且成本低廉的火箭，但这种行为却让整个项目陷入了持续的混乱，新一代的工程师们被迫用上一代人的设备去完成未来的项目，对陈旧设备的维护与重启工作，其任务量与成本几乎与重新开发无异。

而美国航天产业界的垄断模式，更是加剧了这种状况。

与新一代的商业航天公司相比，波音公司主导的美国太空发射联盟几乎将无能与低效发挥到了极致，但即便如此，仍能获得NASA的巨额订单。

SLS火箭的首飞升空，背后所留下的这个如黑洞般的项目，仍将继续存在，并不会消失在SLS耀眼的尾焰之中。

在1972年“阿波罗”17号任务之后的50年里，人类在微电子技术、信息通讯技术上取得了巨大的成就，却再也没有一名宇航员离开过地球轨道，这不能不说是人类航天史上的遗憾。

在过去的几十年里，持续不断推进航天事业发展，不断努力培养新生代航天人的国家之中，中国无疑是最耀眼的一个，在很多国家都关闭深空载人探索项目的时候，只有中国仍然坚持推进“嫦娥”工程。

而随着“天宫”空间站在今年年末的竣工，明年，中国探月工程将重新踏上征程，后续的“嫦娥”工程任务将在深空踏下中国航天人的足迹。

“梦天”、“问天”、“巡天”这一系列中国空间站舱段的代号，也显示着中国人心中的梦想与未来的脚步。

科幻作家刘慈欣最近的一部小说《黄金原野》中曾描绘过这样一个令人不安的未来，电子技术越来越发达，人类越来越沉浸在虚拟的世界中，在地球这个逼仄的家园之中自娱自乐，不愿再抬头望向星空。

这种趋向，在这半个世纪中表现得非常明显，绝不是作家的杞人忧天。

这是人类最危险的未来，而任何一个民族落入这种境地，也将导致危险的未来。

在茫茫星海之中，只有前进，才能挣扎着找到未来的希望。在大航海时代如是，在当下，亦如是。

（来源：“华语智库”微信公众号转编自“凤凰网军事频道”，修订发布；图片来自网络，侵删）   

 

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