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(fā)射升空，開始執(zhí)行人類歷史上第一次載人登月任務(wù)，然而自1972年阿波羅17號任務(wù)完成后，人類再也沒有踏上月球。轉(zhuǎn)眼之間50年過去了，美國宇航局在高調(diào)紀(jì)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(jī)的退役失去了送人上天的能力，這實在比較難堪。美國總統(tǒng)特朗普已經(jīng)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(chǔ)。現(xiàn)在美國又要重返月球，而當(dāng)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(fā)射過月球探測器，1994年發(fā)射的克萊門汀探測器強調(diào)快好省，性能指標(biāo)不高，而1998年發(fā)射的月球探勘者撞擊月球找水目標(biāo)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(fā)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(jī)分辨率可達(dá)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(wěn)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(fā)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(yè)月球載荷服務(wù)（CLPS）計劃。新計劃結(jié)合美國宇航局和商業(yè)航天公司的資源，力求多快好省地進(jìn)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(yè)月球載荷服務(wù)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(fā)射小型著陸器，將至少10千克的科學(xué)載荷送上月球表面，2022到2024年還要發(fā)射中型著陸器，遠(yuǎn)期更有研制運力5噸級的大型可重復(fù)使用著陸器的規(guī)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(xiàn)在又要求加快進(jìn)度，提出今年發(fā)射第一個著陸器的奮斗目標(biāo)。

▲SLS運載火箭和獵戶座飛船

美國宇航局認(rèn)為著陸器研制和發(fā)射越快越好，但領(lǐng)先的美國Astrobotic和月球快車等公司都對今年能否實現(xiàn)首次發(fā)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(fā)射，而Astrobotic的Peregrine著陸器更是要等到2021年一季度。雖然如此，商業(yè)月球載荷服務(wù)在美國宇航局那里有預(yù)算，在商業(yè)公司那里有技術(shù)，美國的月球著陸器發(fā)展已經(jīng)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(jìn)一步擴(kuò)展，但它們和載人登月之間有著巨大的距離。現(xiàn)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(chuàng)世紀(jì)號”

2005年美國宇航局啟動重返月球的星座計劃，開始研制戰(zhàn)神1號和戰(zhàn)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(xù)研制，2014年使用德爾塔4大型火箭發(fā)射返回艙進(jìn)行了飛行測試，現(xiàn)在返回艙和服務(wù)艙都在組裝測試，研制工作基本完成。火箭研制也沒閑著，“戰(zhàn)神1號”徹底被砍掉，戰(zhàn)神5號重型火箭改頭換面成了空間發(fā)射系統(tǒng)（SLS）。SLS重型火箭使用成熟的航天飛機(jī)主發(fā)動機(jī)，為了加快研制進(jìn)度第二級暫時使用過渡低溫推進(jìn)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(xiàn)在不僅移動發(fā)射平臺完成建造，第一個ICPS也已經(jīng)完成，第一級和固體助推器也正在制造，SLS火箭也進(jìn)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(zhuǎn)移軌道運力大于26噸，送獵戶座飛船是夠了，但像當(dāng)年“土星5號”一樣一次將飛船和登月艙送入地月轉(zhuǎn)移軌道，那運力就差太遠(yuǎn)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(fā)動機(jī)也改用四臺RL10。使用EUS上面級的SLS Block 1B火箭地月轉(zhuǎn)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(tǒng)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(fā)射第一枚SLS Block 1B火箭，它足以支持載人登月任務(wù)。然而，這并不意味著2024年美國就能載人登月。當(dāng)年登月競賽高峰期發(fā)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(fā)射成功到重返月球成功，自然也不是一蹴而就的，而且現(xiàn)在登月模式還截然不同了。

曾經(jīng)的2028年登月計劃

今年2月14日美國宇航局在華盛頓特區(qū)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(zhuǎn)節(jié)點，商業(yè)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(xiàn)載人登月的決心。

地月軌道空間站將使用商業(yè)火箭和SLS火箭發(fā)射， 2022年它的第一個艙段能源推進(jìn)單元將使用商業(yè)運載火箭發(fā)射，隨后SLS火箭發(fā)射獵戶座飛船并順帶搭乘后續(xù)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(fā)射，雖然帶來了艙段重量和尺寸的限制，但節(jié)省了發(fā)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(jù)路線圖，在地月軌道建站前就要開始載人登月的技術(shù)試驗了。

經(jīng)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(fā)射，登月艙包含下降段和上升段兩部分，現(xiàn)在的登月模式不僅人貨分運，而且登月艙分為三部分：轉(zhuǎn)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(fā)射質(zhì)量將超過50噸，超過了現(xiàn)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(zhì)量將達(dá)到32～38噸，只能用SLS Block 1B火箭發(fā)射，更便宜的商業(yè)火箭心有余而力不足，任務(wù)的發(fā)射費用必然暴漲。三級登月艙方案上升段質(zhì)量9～12噸，下降段質(zhì)量15噸，轉(zhuǎn)移飛行器質(zhì)量12～15噸，它們都可以使用商業(yè)火箭發(fā)射，也可以和獵戶座飛船一起用SLS Block 1B火箭發(fā)射，不僅增加了任務(wù)靈活性也增加了國際伙伴參與的機(jī)會。同時，上升段和轉(zhuǎn)移飛行器都將采用復(fù)用設(shè)計，有利于降低載人登月任務(wù)的綜合成本。

原本美國宇航局的載人登月參考架構(gòu)上，將通過三步走戰(zhàn)略在2028年實現(xiàn)載人登月的目標(biāo)。2024年SLS Block 1B火箭首次發(fā)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(wù)在發(fā)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(nèi)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(jìn)行短期駐留任務(wù)。與此同時，商業(yè)運載火箭還將發(fā)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(jìn)入近月軌道并進(jìn)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(fā)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(yè)運載火箭兩次發(fā)射，把下降段和軌道轉(zhuǎn)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(wù)：軌道轉(zhuǎn)移飛行器負(fù)責(zé)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(dāng)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(zhuǎn)移飛行器和上升段都進(jìn)行實際測試后，2028年將執(zhí)行重返月球發(fā)起后的第一次載人登月任務(wù)，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(yè)運載火箭了。商業(yè)火箭將分3次分別發(fā)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(zhuǎn)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(zhí)行第一次載人登月任務(wù)。

▲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(tǒng)彭斯宣布，無論采取哪種方式，美國都將在5年內(nèi)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(tǒng)特朗普表示，將向美國宇航局追加16億美元的預(yù)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(zhuǎn)移飛行器和上升段都是重復(fù)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(yè)火箭發(fā)射。重復(fù)使用的上升段和轉(zhuǎn)移段有利于降低任務(wù)成本，而三級登月艙和商業(yè)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(fā)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(jī)會。三枚獵鷹重型商業(yè)火箭要比一枚SLS Block 1B火箭更便宜，再加上獵戶座飛船發(fā)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(jīng)濟(jì)性，有利于增強載人登月的可持續(xù)性，為建立月球基地實現(xiàn)長期月面駐留奠定基礎(chǔ)。