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时隔50年,人类即将重返月球

经纬创投 2022-11-16 16:17

引入商业竞合,有可持续性才能等到实现火星梦想

编者按:本文来自微信公众号经纬创投,创业邦经授权发布。

一鸽再鸽的阿尔忒弥斯计划,只是人类进一步探索其他星球的首站。

今天下午2点47分 ,随着NASA新一代登月火箭太空发射系统(SLS)载着猎户座飞船点火升空,“一鸽再鸽”的阿尔忒弥斯1号任务终于正式发射,开始为期4到6周的月球往返之旅。

自1972年12月19日“阿波罗17号”结束任务返回地球后,迄今为止还未有宇航员再踏足月球土壤。时隔50年,人类将再向38万公里开外的月球发起载人登月任务。与此同时,中国、俄罗斯等国家的载人登月计划亦在进展中。人类实现重返月球,进入倒计时阶段。

作为阿尔忒弥斯计划(Artemis Program)的首次飞行,本次飞行为一次无人试验,其中将搭乘3个装有仪器的人体模型。这将是NASA对猎户座飞船(Orion)、太空发射系统(SLS)火箭、肯尼迪航天中心的地面系统的第一次综合测试。根据规划,在后续的任务中,NASA还将陆续验证绕月、着陆、返回技术,最终建立起一个名为“门户”(Gateway)的月球轨道空间站,为长期、可持续的月球任务存在铺平道路,并为未来宇航员的火星任务提供跳板。

阿尔忒弥斯计划具体是如何规划的?与五十多年前的阿波罗计划相比,阿尔忒弥斯计划有何区别?我国的载人探月及深空探索又有何新进展?以下,Enjoy:

1、四次飞行,如何一步步实现重返月球?

阿尔忒弥斯计划的名字,与阿波罗计划一样,都取自希腊神话,为太阳神阿波罗的孪生姐妹、月亮女神之名。53年前,以阿波罗命名的月球探测计划实现了人类在月球上的“一小步”;如今,阿尔忒弥斯将在月球乃至宇宙探索中迈出“下一步”。

阿尔忒弥斯(来源:www.thinglink.com)

阿尔忒弥斯计划由一系列发射任务组成,其目标是让人类重返月球表面,建立长期的月面基地,并实现未来的载人火星登陆。

作为先锋行动,本次阿尔忒弥斯1号的成败决定了后续一系列复杂任务的进展情况。在这次无人飞行中,猎户座飞船将乘坐太空发射系统(SLS)升空,后者是NASA自土星五号以来最强大的运载火箭,飞行约28万英里后,在距离月球数千英里的轨道执行4到6周的任务,不着陆,仅进行演练与测试。它不仅将刷新人类建造的宇宙飞船所飞行的最远距离纪录,也将刷新飞行器在太空的最长停留时间。

图源:NASA

若1号任务完成顺利,NASA将在2024年左右展开阿尔忒弥斯2号任务。那将是一次载人绕月飞行,使用与第一次发射时相同的SLS火箭,将飞船送到稍有不同的绕月轨道,不过飞船依旧不进行着陆,仅在载人情况下测试关键系统。

再之后便是关键的阿尔忒弥斯3号任务,包含一套正常的绕月、着陆、返回流程,届时NASA将让首位女性和首位有色人种航天员登陆月球。

待到阿尔忒弥斯4号时,NASA计划建立其一个名为“门户”(Gateway)的月球轨道空间站,为后续登上其他星球进行准备。

由此可见,面对登月并建造空间站这个尚未完成的庞大目标,NASA还是选择逐步进行阿尔忒弥斯计划,在控制风险的情况下重返月球。

图源:NASA

为执行这个庞大的重返月球计划,NASA研制了全新一代的火箭系统与飞行器。其中,太空发射系统(SLS)作为主力运载火箭,高约98米,是自土星五号以来运载能力最强大的火箭。SLS专为深空任务设计,整合了航天飞机的主要部件,并运用新的工具和制造技术进行了硬件升级,足以和阿波罗计划的“土星五号”相媲美,将人货运送到月球甚至更远的地方。

图源:NASA

而阿尔忒弥斯号的主力载人航天器则为猎户座载人飞船,由乘员舱、服务舱、发射逃逸系统等组成。其中,乘员舱可以在不与其他航天器对接的情况下,为4名宇航员提供长达21天的生活空间。乘员舱下面是欧洲航天局(ESA)提供的欧洲服务舱,主要由空客公司制造,服务舱将为航天器提供电力、推进、热控制、空气和水。

在每次任务结束后,乘员舱将是唯一返回地球的部分。不过,在前几次飞行任务中,一些高价值的机组组件都将会被重复使用,NASA也计划在之后任务中复用更多组件以降低成本。

图源:NASA

当SLS和猎户座飞船完成”双剑合璧“后,由两个固体火箭助推器和4个强大的发动机提供动力,从肯尼迪航天中心的39B发射场升空。SLS在发射和升空期间将产生880万磅的推力,将重近600万磅的猎户座飞行器送入轨道。点火两分半钟后,两个固推被耗尽后分离。发射8分钟后,芯级也被耗尽分离。上层级短暂点火,让飞船进入地球停泊轨道。

之后,猎户座飞船绕地轨飞行时,将完成包括部署太阳能电池阵列在内的一系列任务。在阿尔忒弥斯1-3号任务中,临时低温推进段(ICPS)将为猎户座提供离开地球轨道、飞向月球所需的巨大推力。从那里,猎户座将在发射后约两小时内与ICPS分离。然后,ICPS将部署一些小卫星,即立方体卫星,来进行几项实验和技术演示。假设部署成功,其中两颗立方体卫星将以不同的方式绘制月球表面的水冰(water ice)。水冰是由水或融水在低温下固结而成的冰,或许可以作为未来人类探险的资源。

当猎户座飞船继续沿着地球到月球的轨道前进时,它将由欧洲服务舱推进。猎户座将穿过范艾伦辐射带,飞越全球定位系统(GPS)卫星星座,并飞越地球轨道上的通信卫星。为了与休斯顿的任务控制中心进行对话,猎户座将从NASA的跟踪和数据中继卫星系统切换到通过深空网络进行通信。

猎户座飞船月球之旅期间,工程师将评估航天器的系统,并根据需要修正其轨道。航天器将在该轨道上停留大约6天,以收集数据,并让任务控制人员评估航天器的性能。在这段时间里,猎户座将以月球绕地球运行的方向逆行。

虽为一次无人飞行,但猎户座飞船中也搭载了三位假的“宇航员”,其中“指挥官”坎波斯(Moonikin Campos),名字来自于阿图罗·坎波斯(Arturo Campos),是NASA的一名电气工程师,曾帮助阿波罗13号安全返航。飞船的座椅和宇航服等上面都布满了传感器,用来检测任务中的震动、加速度和辐射,帮助NASA了解如何在接下来的任务中更好地保护宇航员。

图源:NASA

除了假人宇航员外,本次任务还搭载了小羊肖恩和象征着安全飞行的史努比,作为零重力指示器。

图源:ESA

在返回地球的途中,猎户座再进行一次近距离飞越,使飞船在距离月球表面约60英里的范围内,飞船将利用服务舱的另一个精确定时发动机,在月球引力的作用下加速返回地球。飞船进入地球大气层后,猎户座底部的温度将达到太阳表面一半的温度。最后,飞船将在加州下巴岛海岸附近的回收船视线范围内精确着陆,溅落回收的流程与之前SpaceX龙飞船的大致相同。

阿尔忒弥斯1号的发射,是对猎户座、SLS和肯尼迪航天中心的地面系统的一次综合测试,为的是最终满足深太空中最具挑战性的人员和货物任务需求,实现“Moon to Mars”,剑指火星以及其他未曾探索的太阳系深空。

2、与阿波罗计划相比,阿尔忒弥斯计划的硬件有何升级?

与阿波罗计划不同,按照这一新的登月计划,宇航员在月球上将不是短暂停留,而是准备打造一个生活长达一个星期的月球基地。计划中的月球空间站不仅是人类再次登月的转运站,而且将作为前往更遥远的行星进发的基地。

若一切顺利,人类实现真正载人登月、重返月球表面或最早在2025年实现,不过以NASA的“鸽王”风格,倒也不必对这个时间过分期待。

仅是阿尔忒弥斯1号,NASA就已经在全球的关注下“一鸽再鸽”,整个发射计划不断受飓风、燃料泄露等各种内外部因素影响,从8月底延期四次到了现在,命途多舛。

尽管如此,阿尔忒弥斯计划至少给出了上世纪60年代阿波罗计划以来,最雄心勃勃的载人登月时间表。

当然,所有有关阿尔忒弥斯的疑问,自然少不了与阿波罗计划的比较。

▌火箭:SLS vs 土星五号

单从近地轨道(LEO)的运载能力数据看,SLS的LEO运载能力为95吨,较土星5号最高可达到的140吨并无明显优势。

但SLS还在进一步升级中,预计到阿尔忒弥斯4号计划时,升级后的Block 1B版本有更为强大的上层级(EUS),从而提高地月转移轨道(TLI,即从加速离开地球到近月制动为止的轨道段)的能力。升级版的EUS将向月球发射83000磅的载荷,比早期阿尔忒弥斯任务中使用的ICPS多40%,比现有的任何火箭多70%。

此外,在阿尔忒弥斯计划中,也还有其他一系列的运载火箭及飞行器,包括Starship,Vulcan,New Glenn等,各自用自己的火箭发射并承担部分任务。因此,在硬件选择上,阿尔忒弥斯计划和阿波罗计划实际有着不同的考量,不需要将所有任务的压力押注在单一一个超级火箭上。

图源:Everydayastronaut

▌太空舱:猎户座 vs 阿波罗

从太空舱看,猎户座倒是“赢麻了”——猎户座太空舱宽5米,阿波罗太空舱宽3.9米,猎户座的9立方米宜居空间,比阿波罗大了近50%,最多可搭载6名宇航员。

空间变大的同时,太空舱的重量也得到了减轻,这对于深空探索意义非常。猎户座太空舱及其服务舱加满燃料后重26520公斤,而“阿波罗”太空舱及其服务舱加起来重达28800公斤。

结构分配上也极为不同,阿波罗的指挥舱非常小,有一个很大的服务舱,而猎户座则完全相反,保障了宇航员宜居性。

图源:Everydayastronaut

▌着陆器:1 to N

截然不同的月球着陆器选择,则反映了60年后商业航天的突飞猛进。

在阿波罗计划中的登月舱,由格鲁曼公司(Northrop Grumman)生产,高7米,腿伸出时宽9.4米,燃料充足时重达1.64万公斤。它可以携带两名宇航员到月球表面,并停留75小时。

图源:Everydayastronaut

而阿尔忒弥斯计划选择发起了“人类着陆系统”(Human Landing Systems)项目,由一系列商业合同组成,更类似于商业载人项目。NASA对此没有制定任何严格的指导方针,接受投标的原则重点在于评估能否在2024年这个时间内将一个着陆系统送往月球并返回,目的是为4名宇航员提供长达2周的每次任务。

并且在阿尔忒弥斯计划中,入围计划的选手们不仅要给出不同的着陆器方案,还要自行发射,不能够使用SLS。其中最有看点的自然是SpaceX、蓝色起源、Dynetics之间的竞争。

图源:Everydayastronaut

不过出人意料的是,去年4月,NASA选择仅与SpaceX签订了一份合同,提供29亿美元给SpaceX开发星际飞船。消息发布后,贝索斯的蓝色起源对此番“被截胡”表示了严重不满与抗议,甚至将NASA告上法庭。然而,起诉未能成功,倒是还被马斯克发了一条带表情包的推特嘲讽。

图源:SpaceX

今年11月,阿尔忒弥斯1号任务发射之际,NASA授予SpaceX第二份“阿尔忒弥斯”登月合同,价值约11.5亿美元,作为NASA阿尔忒弥斯4号任务的一部分,SpaceX将在2027年提供第二次载人着陆演示任务。

这也意味着,如果一切进展顺利,SpaceX将参与阿尔忒弥斯3号和阿尔忒弥斯4号任务,两次载人登月。

▌着陆点选择:首次着陆月球南极

NASA近期公布了阿尔忒弥斯3号的13个着陆点选择,全部都处在月球南极的沙克尔顿陨石坑。这些区域位于距离月球南极6度的纬度范围内,总体上具有不同的地质特征。每个具体的着陆点与发射窗口的时间紧密耦合,确保了全年发射的灵活性。

13个候选着陆区的渲染图,每个区域大约是9.3 * 9.3英里(15 * 15公里),着陆点半径约为328英尺(100米),图源:NASA

选择这些着陆点除了考虑发射窗口可用性外,科学家与工程师团队还对各地区的安全着陆能力进行了评估,包括地形坡度、与地球通讯的便利程度和照明条件等,并兼具可达性。届时宇航员将冒险进入人类此前未探索过的黑暗区域,并为未来长期驻守地外星球奠定基础。

值得期待的是,在阿尔忒弥斯3号任务中,极有可能获得更多关于月球水冰(water ice)的信息。早在上世纪60年代,科学家们就提出水冰可能存在于月球、水星和谷神星的永久阴影区域。

直到2018年,夏威夷大学和布朗大学的科学家们直接观测到了月球南极的水冰,首次在月球表面发现水冰存在的直接证据。月球南极的大部分水冰集中在月球的环形山。而北极的水冰虽广泛分布但很稀疏。人类或许可以从中提取氧气和氢气。水冰的出现可以使月球成为人类进行深度太空探索的“加油站”,甚至能帮助人类在月球上建立长期或永久基地。

3、引入商业竞合,有可持续性才能等到实现火星梦想

从硬件上看,阿尔忒弥斯计划虽有不少升级,但依旧不可动摇五六十年前阿波罗计划划时代般的地位价值。那为什么自1972年以来美国就没有再回到过月球?为什么NASA不重新建造阿波罗计划的土星5号火箭和阿波罗太空舱?

回顾阿波罗计划,这个在美苏军备竞赛特定时间下的产物,至今看依旧是场不到最后一刻都无法知道结局的“赌博”。

1960年,在NASA提出阿波罗计划之初,并未得到马上通过。而苏联在太空竞赛中的一系列成就还在不断传出。1961年4月12日,苏联加加林驾驶“东方1号”飞船进入太空,绕地飞行一周,成为世界上第一位“太空人”。在此刺激下,一个月后时任美国总统肯尼迪便正式宣布了“阿波罗”计划。

肯尼迪曾在国会发言时说:“我们选择在这个十年登上月球并实现其他目标,不是因为它们简单,而是因为它们艰难”。

据说在阿波罗计划开始之初,内部估算只有5%的几率成功登上月球并安全返回。这就像在悬崖边骑两轮车、在风暴内部买彩票时中奖并还能躲过一劫,阿波罗计划登月充斥着巨大风险,更像是登月竞赛下的放手一搏。1968年到1972年,NASA共发射了9次载人月球任务,其中6次成功着陆,12名宇航员登上月球表面。但同时也发生了多次诸多可怕的事故。

著名的阿波罗1号事件,在地面测试时就突发大火导致了3名宇航员遇难,这也使得纯氧环境被NASA重新考虑。阿波罗11号任务中,阿姆斯特朗迈出人类登月的第一步,却在从月球返回时遇到点火开关故障,所幸奥尔德林掏出一支毡尖笔替代故障位置,重启飞船。阿波罗12号、13号、15号等都遇到了足以引发整体失败的问题或事故。

除了巨大的风险隐患外,阿波罗计划的天文数字成本代价,也是当下难以复刻的。送12名宇航员上月球,阿波罗计划耗资255亿美元,约占当年美国GDP的0.57%,占当年美国全部科技研究开发经费的20%。

而阿尔忒弥斯则为一个相对可持续的项目。与上世纪60年代相比,能以更低的成本、更好的技术和更安全的方式到达月球,是全球科学家的共同追求。

对于如今的NASA而言,不再会有阿波罗计划那样的无限资金和支持,他们必须清楚评估每个项目的风险。尤其是在“挑战者号”“哥伦比亚号”两次巨大的惨烈事故后,不仅给参与者与家属带来巨大创伤,也影响到NASA资金与发射计划。

换言之,太空竞赛后的NASA不再有高容错率来承受巨大的风险,不得不改变了他们认证和计算风险的方式。现在NASA会计算每一个单独部件的确切故障率,并评估每个部件、子部件和系统故障所涉及的风险。

因此,与阿波罗计划相比,阿尔忒弥斯计划在安全性和性能方面有了切实的升级。

例如,太空舱由靠燃料电池运转,改为使用太阳能和120伏锂离子电池;针对机械开关的事故,阿尔忒弥斯计划的太空舱配备了高度可配置的电脑,机械开关的数量只剩60个左右;猎户座的计算机比阿波罗号的计算机强大1000倍,冗余度也更高。

猎户座在导航方面也有了极大升级,近地时可用GPS卫星,远离地球时则可使用自动的恒星跟踪设备;对接系统也采用了一个新的TRIDAR或3D激光测距和一个高度升级的相机,可实现自动停靠;在热保护系统、降落伞、辐射屏蔽材料等方面,阿尔忒弥斯也增加了更多安全的考量。

图源:NASA

根据最新估计,从2012年到2025年,NASA将为“阿尔忒弥斯”计划花费930亿美元;而2021年至2025年,这五年就需要花费530亿美元。其中SLS火箭是巨大的吞金兽,单次发射成本超过40亿美元。如果一系列任务无法按时完成,后续花费还将增加。

尤其是这一切还是在阿波罗计划留下的巨大基础设施遗产的基础上,因此就有了上文所述的NASA将运送宇航员的工作放出去给SpaceX、蓝色起源等私营公司合作的举动,由此节省下的资金用于地球轨道和地月系统以外的太空探索。这些任务也推动了太空经济下新产业和新技术的发展。

目前有超过3800家供应商为猎户座、SLS火箭和肯尼迪航天港提供服务,包括Aerojet Rocketdyne、波音、雅各布斯、洛克希德·马丁和诺斯罗普·格鲁曼等公司。与此同时,阿尔忒弥斯计划的合作范围也延伸到了国际,欧洲等多地的供应商,也在为这项计划而工作。

因此,虽然阿尔忒弥斯计划目前在成本上和研发周期上并未有明显优势,但引入商业竞合模式或能够给其一次巨大的翻牌机会。与成本几乎不可能降低的阿波罗计划相比,在技术的创新发展、重用复用之下,阿尔忒弥斯计划有着更可靠的持续发展性,项目持续时间越长,成本也就将相应降低。而SpaceX、蓝色起源等“鲶鱼”的入局,或许可以让NASA在节约大量成本的同时,真正实现这场冒险的最终目的——Moon to Mars。

4、“能去的时候一定要去”,中国载人探月时间表已出炉

在阿尔忒弥斯计划进行的同时,各国的登月探索计划也在陆续开展中:澳大利亚、加拿大、意大利、日本、卢森堡、阿联酋和英国已经加入“阿尔忒弥斯”计划,并希望能确认开采月球矿产资源的所有权;中国、俄罗斯与印度等国家则期望通过独立研制,实现载人登月。

自2007年10月嫦娥一号成功发射以来,中国已经向月球发射了5次探测器,并实现了人类探测器首次月背软着陆、带回人类全新的月壤样品等巨大成果,这些成功试验为后续载人登月奠定了基础。

在北京航天飞行控制中心拍摄的落月后的嫦娥五号探测器,图源:新华网

据最新消息,我国已正在论证载人登月方案。探月工程四期经过多年论证,已于2021年底正式立项,进入实施阶段。在不远的将来,中国航天员将有望登陆月球,后续还将建造国际月球科研站 。

而为了满足未来航天任务的需求,我国新一代载人运载火箭的研制也处于关键技术攻关及方案深化论证阶段。在本次珠海航展上,我国新一代运载火箭家族的模型集体亮相,其中就包括备受瞩目的载人登月“专车”。预计在20 30年左右,通过两次发射任务,实现我们自己真正的“嫦娥奔月”。

在关注不多的角落,中国火星探测都开官方微博了

航天科研耗价高昂,为何各国都要执着于载人登月?这其实是一场“高投入高风险高回报”的探索。作为人类史上最复杂的系统工程,航天技术不仅是国家经济与技术实力的体现,还可以推动多个高新技术和基础科学领域的创新,对国家乃至人类发展有着重大意义。

阿波罗计划虽花费了天价的经费,却也实实在在催生了美国液体燃料火箭、微波雷达、无线电制导、合成材料、计算机等高科技工业,并留下了丰厚的航天基础设施遗产。俄罗斯曾通过和平号空间站发现十余个金属矿和百余个油脉,价值远超空间站的投入费用。

更何况对于月球、火星等深空探索计划而言,未知的发现必定远超想象。嫦娥一号卫星系统总指挥兼总设计师叶培建曾说:“联合国月球公约上说‘月球是全人类的’,这很好,但后面还有一句话叫‘谁开发谁利用’。如果今天不去,将来想去都去不了,所以在能去的时候一定要去,所以中国一定要去。”随着北斗、嫦娥、祝融、中国空间站等航天工程的顺利推进,中国的航天能力正在一步步被认可,载人登月目标不再遥不可及。

今年4月1日祝融号中分辨率相机拍摄的火星水手谷局部地貌,图源:国家航天局

在这场全球大国参与的太空探索竞赛中,重返月球只是人类进一步探索其他星球的首站。在全球气候危机的背景下,人类在保护地球的同时,也不得不向地外探索更多解法,拓展生存空间。

我们没有更多的退路,只有探索与再探索。

References:

1)NASA官网及Artemis计划宣传片

2)ESA官网

3)《耗资230亿美元,新一代鸽王登月火箭今现身》,作者/太空精酿,BY 果壳(ID:Guokr42)

4)《从激进、落幕再到追逐:美俄中的载人登月战争》,作者/燕良,BY 脑极体(ID:unity007)

5)《美“阿尔忒弥斯”计划重返月球,全球载人登月热潮再起》,记者/晨阳,BY 环球时报

6)Artemis VS Apollo – Will Artemis actually be sustainable?,BY Andy Law,Everydayastronaut

本文(含图片)为合作媒体授权创业邦转载,不代表创业邦立场,转载请联系原作者。如有任何疑问,请联系editor@cyzone.cn。

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