艾彥｜美國“超級鴿王”火箭終升空 重啟奔月背后有何盤算
點擊： 作者：艾彥 來源：“華語智庫”微信公眾號 發布時間:2022-11-18 17:54:16
美國東部時間2022年11月16日凌晨1時47分44秒（北京時間14時47分44秒），承擔美國新登月工程“阿爾忒彌斯”一號任務的SLS火箭，在經歷了81天的兩輪延期后，終于在肯尼迪航天中心39B號發射架升空。
在這次任務中，重達2000噸的SLS火箭將把26.5噸的“獵戶座-2”號飛船送到地月轉移軌道，此次宇航任務長達26天，并預計在12月11日上午返回地球。此次飛行不搭載人類宇航員，而使用三個裝備傳感器的人體模型模擬宇航員。
因為兩次發射延宕，地月位置不斷發生變化，此次任務的航線規劃已經發生重大變化，燃料消耗更加迅速。因此，此次任務也從之前的常規軌道設計，調整為遠逆行軌道（DRO），不再進行傳統的繞月飛行，而是利用月球引力在六天內兩次近掠月球。這一航線設計在人類歷史上還是首次被實際應用，對于航行控制的精確性有著極高的要求。
按目前飛行計劃，獵戶座-2號飛船進入遠逆行軌道的時間是6天后的11月22日。而在飛船返回時，仍將以第二宇宙速度（≥11.2千米/秒）再入地球大氣層，這也是人類歷史上再入速度最快的飛船，對再入軌道的設計和飛船的防熱設計也提出了極高的挑戰。
“阿爾忒彌斯”一號任務航線設計（是不是像一只施瓦本堿水面包？）
這次探月任務引起了美國國內的高度關注。
對美國社會而言，曾經的“阿波羅”登月工程，是美國的技術、國力與探索精神的象征，甚至有一些美國學者將登月競賽的勝利，作為取得冷戰勝利的關鍵一步。
對于曾被特朗普“讓美國重新偉大”的口號召喚起的很多美國人而言，這次發射似乎也將成為一個里程碑。
但時代終究已經發生了變化，“阿爾忒彌斯”登月工程實際進展如何？美國能否重現“阿波羅”登月工程時的輝煌？這次任務又將對國際太空探索造成怎樣的影響？
本文將為大家一一解讀。
美國是個大航海時代的移民建立的國家，又在漫長的歷史上進行了持續的西部開拓，一直以“新世界”自詡。
這種文化傳統，被美國政界與科學界巧妙地嫁接到了航天事業上，將太空探索稱為“高邊疆”，以此繼承美國歷史上的“新邊疆”傳統。
肯尼迪在萊斯大學發表《我們選擇登月》演講的現場
從“阿波羅”登月項目開始，航天事業也就成為美國政府爭取民意的一個重要手段。
這種做法的始作俑者，就是曾以《我們選擇登月》演講而在航天史上留下濃重一筆的肯尼迪。
事實上，“阿波羅”工程的立項是由艾森豪威爾領導的共和黨政府在1960年做出的，但肯尼迪上臺后在1961年5月25日將該項目立為美國在60年代的國家目標，并在1962年9月12日在萊斯大學的著名演講中做出在1969年之前登月的承諾。
很多人都將這次演講視作美國登月項目的奠基事件，但在當時，美國航空航天局的專家們已經進行了長時間的工作。
完成首次登月的“阿波羅11號”任務發射畫面
而特朗普打著“讓美國重新偉大”的旗號贏得大選，自然也將啟動航天探索作為其爭取民意的重點，不僅在剛上任時就宣布要建立太空軍，重塑在太空高邊疆的優勢地位，更一改奧巴馬政府在太空事業上的保守姿態。
其中最重要的一步，就是重啟登月計劃，也即“阿爾忒彌斯”項目。
特朗普宣布成立美國太空軍時的畫面
“阿爾忒彌斯”項目最早起源自美國航空航天局的“星座”項目。
“星座”項目立項于2005年，期間進行了“戰神”重型運載火箭、“獵戶座”載人飛船與月球全地形車等項目的開發，在2010年被奧巴馬政府因預算問題關閉。
2017年12月11日，時任美國總統的特朗普簽署了《太空政策指令-1》文件，這是美國國家太空政策的重大改變，規定了由美國政府部門與私營部門合作伙伴共同實施的綜合計劃，以實現人類重返月球，隨后執行火星及其他任務。
該任務最后以希臘神話中的狩獵與月亮女神阿爾忒彌斯命名。
NASA官網關于“阿爾忒彌斯”項目的海報，上書“人類重返月球”
“阿爾忒彌斯”項目是美國歷史，乃至人類歷史上最雄心勃勃的航天探索項目之一，其目標是在月球表面建立永久居住的有人基地，并將月球作為探索火星的中轉站。
為此，“阿爾忒彌斯”項目包括以下幾個主要部分：
SLS（“太空發射系統”），這是美國未來太空發射任務的“國家隊”，目標是獲得一種具備130噸近地軌道載荷或46噸地月轉移軌道載荷的超重型運載火箭，用于解決月球軌道任務與深空探測任務的發射需求。這種火箭是不可重復使用的。
“獵戶座”載人飛船，這是美國未來載人航天的“國家隊”，是一種部分可重復使用的載人航天飛船，能夠搭乘6名宇航員，最大任務質量26.52噸，飛船本身具備登月并返回的能力，但此時的可用載荷會非常有限。
所以，在“阿爾忒彌斯”項目中，該飛船主要作為從地球到月球軌道之間的擺渡車。
“月球門戶”（Lunar Gateway）空間站，這是可容納4人的小型月球軌道空間站，將作為登月任務的中轉站，登月成員組將乘坐“獵戶座”飛船抵達該空間站，并在該空間站換乘“載人著陸系統”前往月球并返回。
該空間站計劃在2024年開始建造。
“載人著陸系統”（HLS），該系統將充當“月球門戶”空間站與月球表面之間的“擺渡車”，經過SpaceX、藍色起源與Dynetics三家公司之間的競標，該系統總價值28.9億美元的開發合同被授予SpaceX，計劃在2025年首飛。
該系統實際上就是“星艦”飛船的月球單級版，能夠運載超過100噸載荷在月球與“月球門戶”之間往返。
SpaceX、藍色起源與Dynetics三家公司的“載人著陸系統”方案，左側為勝出的星艦HLS系統
“月球基地”，包括月球表面基地、大型宜居移動平臺和月球全地形車等部分，供登月成員組在月球表面進行單次長達兩個月的周期性部署。
NASA的月面基地構想，目前沒有公布細節，只有想象圖
與曾經的“阿波羅”登月項目相比，“阿爾忒彌斯”不再是簡單的“美國要比對手更快把人送上月球”，而是把登月作為登陸火星的跳板，并以此刺激美國整個航天產業的發展。
同時，美國也試圖通過這一項目將更多的國家捆綁到美國的航天事業中，截止2022年7月，已經有21個國家與美國就該項目簽署了合作協議。
可以說，從項目立意、策劃到執行上，“阿爾忒彌斯”都帶有很強烈的特朗普氣息，堪稱是特朗普政府最重要的政治遺產之一。
“阿爾忒彌斯”一號任務是整個項目中首次無人試飛，也是承擔這個項目的中堅力量——SLS火箭與“獵戶座”飛船第一次合體發射。
這次發射任務的主要目標，是測試航天器的可靠性與安全性。具體而言，整個航線設計的前半段，包括進入地球軌道、地月轉移、以及繞月飛行，對NASA而言，都已經輕車熟路，但載人飛船從月軌返回、再入、回收這些項目，則是NASA多年未曾接觸的領域，也是此次發射任務重點測試的內容。
“阿爾忒彌斯”一號任務初始軌道設計略圖（8月29日發射窗口）
與之前的“土星”火箭，以及正在緊鑼密鼓推進的“星艦”相比，此次執行發射任務的SLS Block1型火箭的運載能力比較不足，其地月轉移軌道發射載荷僅為27噸，幾乎緊貼“獵戶座”飛船的載人任務質量。
因此，本次任務的航線設計極為精巧（或者說局促），但即便反復優化，以降低在地球軌道與月球軌道的停留時間，但任務里程仍將高達210萬千米，而返回地球時再入大氣層的速度將高達34倍音速（11萬米/秒），這在人類航天史上也是前所未有的。
因此，對NASA而言，再入段才是最考驗人的時刻。
整個發射組合唯一可復用的部分—“獵戶座”飛船的返回艙
承擔這次發射任務的SLS Block 1型超重型運載火箭，是SLS運載火箭的初級型號。
SLS火箭在2011年正式立項，目標是為21世紀二十年代美國的深空探測提供運載工具。該項目計劃分三步實現，分別是Block 1、Block 1B與Block 2三個型號，載荷能力不斷遞增，從近地軌道載荷95噸級提升到130噸，地月轉移軌道載荷也將從27噸提升到46噸。
SLS火箭的發展構想
最初，美國政府計劃在2016年12月進行SLS的首飛，預留了五年的研發、建造與測試的時間。畢竟傳奇般的“土星5號”火箭從立項到首飛也只用了5年（1962-1967）。
而SLS使用來自航天飛機的RS-25型發動機與SRB固體助推器殼體等成熟部件，還有計算機設計等輔助工具加成，按說進度應當不至于比“土星5號”還低。
然而，與“土星5號”火箭相比，SLS證明了，組織和人的因素在航天事業中更加重要。
航天史上的傳奇——“土星5號”火箭
SLS火箭為二級超重型運載火箭，全箭均不可重復使用。
芯一級裝備4臺RS-25D型氫氧火箭發動機，單臺發動機真空推力2.279兆牛，海平面推力1.86兆牛，真空比沖452.3秒，海平面比沖366秒。
芯一級上面的是“上面級”（Upper），裝備一臺RL-10型氫氧發動機，真空推力110.1千牛，真空比沖465.5秒。
在芯級兩側，火箭安裝兩臺SRB固體火箭助推器，與RS-25發動機一樣，都是航天飛機項目留下的原裝固定資產，NASA計劃在“阿爾忒彌斯”項目中將其消耗掉，其Block 1與Block 1B型火箭都將使用這些三十年前留下的設備，但因為存貨有限，只能供NASA進行8次發射，也就是說，NASA必須在8次飛行中完成Block 2型火箭之前的所有登月技術測試與前期準備工作。
從2011年9月開始，SLS的首飛時間就不斷被推遲，在2022年8月15日確認本次發射時機之前，該火箭首飛時間至少推遲了16次。總計延期6年時間。
而在這11年的開發之中，該型火箭的研發預算從15.36億美元一路上升至25.55億美元。而預計的單次發射成本也從5.76億美元一路上升到22億美元。
隨著SLS的不斷推延，“阿爾忒彌斯”一號任務也從2016年12月一直推遲到了現在，這也使該次任務成為美國，乃至世界航天史上最昂貴的一次航天任務。
2022年3月17日，SLS與“獵戶座”飛船完成組裝后，第一次推出肯尼迪航天發射中心的載具裝配大樓，在世人面前正式亮相，并在4月3日進行第一次燃料加注試驗，這次彩排因故障提前結束，此后直到6月20日，先后進行四次加注試驗，都出現了各種故障，但NASA的項目管理人員仍然宣布加注試驗完成。7月2日，火箭被推回載具裝配大樓維修氫氣泄漏故障。
負責發射“阿爾忒彌斯”一號任務的肯尼迪航天發射中心是當今世界上最大的航天發射場，占地580平方公里，擁有11000多名工作人員，其第39號航天發射場是美國6次載人登月任務與135次航天飛機任務的出發地。
其中39A發射架目前主要用于美國軍事太空任務的發射，也是SpaceX公司未來進行“超重鷹-星艦”組合的發射基地。
而39B發射架將是未來SLS大火箭的升空之地。發射架周圍設有多座塔架式避雷針，在8月28日的雷暴中，該發射架就曾保護SLS火箭免遭雷擊。
LC-39發射場，近處為A發射架，架上火箭為SpaceX的“獵鷹”-9型運載火箭，遠處B發射架上的火箭為待發的SLS-1
根據8月15日公布的“阿爾忒彌斯”一號任務的飛行時序，這次發射擁有3個時間窗口可供選擇，分別是8月29日、9月2日與9月5日，但這個時間窗口的機動僅與大氣狀況、指揮與控制系統的因素有關，如果火箭自身發生嚴重故障，發射準備就需要回滾到上一環節，以上三個發射窗口就會全部錯過。
但在發射前三小時，因為氫燃料罐泄漏問題始終無法解決，可能威脅任務安全。隨后NASA官方在社交平臺上宣布，取消了8月29日及之后幾天的發射安排。SLS-1火箭被運回載具裝配大樓進行維修。
在排除燃料系統故障后，NASA最初決定在9月27日進行發射，但因為熱帶風暴“伊恩”登陸而被迫取消。
隨后，SLS-1火箭被送上LC-39B發射架，并在那里渡過了熱帶風暴“妮可”的登陸。
因為11月9日的持續風速與瞬時風速都超過了SLS火箭的設計指標，風暴過后，NASA又對SLS-1進行了六天的安全檢查，直到11月15日才啟動發射準備工作，當地時間當天15時30分，SLS-1的燃料加注正式開始。
隨后發生的事情，就是最近24小時我們看到的。
一次久違的太空之旅
無論如何，這仍是一次久違的太空任務，不僅僅是因為人類已經50年未曾抵達過月球軌道，更是因為SLS火箭的首飛自2016年12月獲得美國國會發射授權后，已經在6年中延期16次，堪稱“絕世鴿王”。
而這次發射任務本身也不包含登月，美國航空航天局的計劃表，最終的登月時間安排在2025年的“阿爾忒彌斯”三號任務，屆時，距離人類上一次登上月球已經過去了53年。
“阿波羅17號”任務的登月艙與月球車
半個世紀前，“阿波羅”項目時代的計算機還使用電子管，登月飛船基本要靠手動操作，飛船任務計算機的數據計算能力不到現代智能手機的千分之一，導航控制指令程序只有14萬行代碼。
憑借著這樣的工具，人類完成了地月之間38萬公里的征程，并在期間進行了數百次精確的姿態調整。
其中的難度，曾有人這樣比喻，就像是“駕駛著洗衣機橫渡大西洋”。完成“阿波羅”項目的航天科學家們，幾乎都可以被請入航天事業的“眾神殿”。
“阿波羅”任務航線設計
與其前輩相比，NASA與美國航天工業界在SLS火箭開發與“阿爾忒彌斯”項目的執行過程中，暴露出了巨大的差距。
SLS火箭設計概念的本意，是迅速利用航天飛機項目留下的成熟產品與技術，快速組裝出一種能用且成本低廉的火箭，但這種行為卻讓整個項目陷入了持續的混亂，新一代的工程師們被迫用上一代人的設備去完成未來的項目，對陳舊設備的維護與重啟工作，其任務量與成本幾乎與重新開發無異。
而美國航天產業界的壟斷模式，更是加劇了這種狀況。
與新一代的商業航天公司相比，波音公司主導的美國太空發射聯盟幾乎將無能與低效發揮到了極致，但即便如此，仍能獲得NASA的巨額訂單。
SLS火箭的首飛升空，背后所留下的這個如黑洞般的項目，仍將繼續存在，并不會消失在SLS耀眼的尾焰之中。
在1972年“阿波羅”17號任務之后的50年里，人類在微電子技術、信息通訊技術上取得了巨大的成就，卻再也沒有一名宇航員離開過地球軌道，這不能不說是人類航天史上的遺憾。
在過去的幾十年里，持續不斷推進航天事業發展，不斷努力培養新生代航天人的國家之中，中國無疑是最耀眼的一個，在很多國家都關閉深空載人探索項目的時候，只有中國仍然堅持推進“嫦娥”工程。
而隨著“天宮”空間站在今年年末的竣工，明年，中國探月工程將重新踏上征程，后續的“嫦娥”工程任務將在深空踏下中國航天人的足跡。
“夢天”、“問天”、“巡天”這一系列中國空間站艙段的代號，也顯示著中國人心中的夢想與未來的腳步。
科幻作家劉慈欣最近的一部小說《黃金原野》中曾描繪過這樣一個令人不安的未來，電子技術越來越發達，人類越來越沉浸在虛擬的世界中，在地球這個逼仄的家園之中自娛自樂，不愿再抬頭望向星空。
這種趨向，在這半個世紀中表現得非常明顯，絕不是作家的杞人憂天。
這是人類最危險的未來，而任何一個民族落入這種境地，也將導致危險的未來。
在茫茫星海之中，只有前進，才能掙扎著找到未來的希望。在大航海時代如是，在當下，亦如是。
（來源：“華語智庫”微信公眾號轉編自“鳳凰網軍事頻道”，修訂發布；圖片來自網絡，侵刪）
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