美國NASA 阿爾忒彌斯載人探月任務規劃與進展

■張綠云 楊開（北京航天長征科技信息研究所）

2022 年10 月31 日，美國國家航空航天中心（NASA）咨詢委員會（NAC）召開會議，發布了“阿爾忒彌斯（Artemis）1-4 任務規劃與進展”報告，明確了2031 年前的阿爾忒彌斯載人重返月球任務規劃，并介紹了該計劃下前4 次載人發射任務的方案與進展情況。11 月8 日，NASA 官網發布了相關的報告和詳細信息。

1 阿爾忒彌斯載人探月任務規劃

美國的阿爾忒彌斯載人探月框架主要由太空發射系統（SLS）重型運載火箭、獵戶座載人飛船、探索地面系統（EGS）、深空中轉站以及月球著陸器組成，未來分別由SLS 火箭和商業火箭將獵戶座載人飛船以及月球著陸器送入深空中轉站，部分航天員可在中轉站上繼續開展科學研究，另一部分航天員搭乘著陸器進入月球表面，在完成月面任務后航天員由著陸器返回深空中轉站，之后搭乘獵戶座飛船返回地球。

在“阿爾忒彌斯（Artemis）1-4 任務規劃與進展”報告中，NASA 明確了2031 年之前的阿爾忒彌斯探月任務規劃。在載人能力方面，NASA 計劃在2022 年、2024 年和2027 年相繼完成SLS1/獵戶座無人飛船系統、SLS1/ 獵戶座載人飛船系統以及SLS1B/ 獵戶座載人飛船系統飛行試驗，驗證SLS1 和SLS1B 火箭以及獵戶座載人飛船的性能。在載人登月能力方面，NASA 計劃在2024 年末完成首個星艦著陸器的無人驗證，并在2025 年完成阿爾忒彌斯3 首次載人登月任務。在深空中轉能力方面，NASA 計劃在2024 年依靠美國太空探索技術公司（SpaceX）的“獵鷹重型”火箭完成月球門戶（Gateway）的電力與推進艙段（PPE）和居住與后勤前哨站（HALO）的發射，建成簡版深空中轉站，從2027 年開始依靠SLS1B 火箭陸續完成其他主要艙段的發射，在2030 年建成完整的深空中轉站，為可持續月球探索活動以及載人火星探索任務奠定基礎。另外，NASA 還推進商業月球有效載荷服務項目（CLPS），依靠商業火箭開展月球原位資源利用、核熱推進技術等方面的研究。

阿爾忒彌斯探月任務規劃

2 阿爾忒彌斯1-4 任務方案與進展

阿爾忒彌斯1 任務

阿爾忒彌斯1 是SLS1 重型火箭和獵戶座載人飛船（搭載兩名女性航天員模型）的首次無人繞月飛行試驗，11 月16 日從肯尼迪航天中心發射。經地月轉移飛行和軌道修正后，獵戶座飛船到達遠距逆行軌道（DRO），之后變軌進入地球軌道，返回地球后在太平洋濺落。本次任務中，還搭載了10 顆立方星，在獵戶座飛船分離后由過渡型低溫上面級（ICPS）完成部署。

阿爾忒彌斯1 無人繞月飛行試驗

本次任務原計劃在2022 年8 月29 日執行，但因SLS 火箭芯級一臺發動機傳感器故障無法實現發動機預冷而終止，之后在9 月3 日又因芯級液氫加注與泄出管路泄漏率超限而再次終止。在發射工位完成芯級液氫加注與泄出管路以及排放管路密封件更換，更改加注流程，并完成低溫試驗后，該首飛系統因為臺風被迫推回垂直總裝大樓。11 月4 日，該系統再次被推至39B 發射工位，因颶風推遲發射。

11 月16 日，SLS1 重型火箭從39B 發射工位點火發射，飛行8min 后，過渡型低溫上面級開始工作，攜帶獵戶座飛船飛行44min 后完成近地點軌道抬升，隨后繼續飛行37min 后開始地月轉移軌道射入點火，持續18min。進入地月轉移軌道后，獵戶座飛船與上面級共同飛行約10min，之后分離，前往月球。12 月11 日，在完成近26 天的飛行后，獵戶座飛船返回地球，在太平洋成功濺落！在飛船分離后，過渡型低溫上面級與飛船適配器的組合體繼續飛行，在8h 內將10 顆立方星部署至日心軌道、地月拉格朗日L2 點、環月軌道、環繞月球南極高橢圓地近月點軌道以及遠地點飛越月球附近的大橢圓軌道。

阿爾忒彌斯2 任務

阿爾忒彌斯2 為SLS1 火箭和獵戶座載人飛船的首次載人繞月飛行試驗，計劃搭載4 名航天員，最長任務周期為21 天。本次任務中，在過渡型低溫上面級/獵戶座飛船到達地球高軌道后，除了進行航天器檢查外，還將利用過渡型低溫上面級完成獵戶座飛船的空間交會對接演示驗證，為之后載人登月任務中獵戶座飛船與星艦著陸器在月球軌道的交會對接奠定基礎。演示驗證結束后，上面級分離，獵戶座飛船繼續飛行，在其再次達到近地點后，飛船主發動機完成地月轉移軌道射入點火，隨后進入地月轉移軌道飛行階段。在完成繞月飛行后，獵戶座飛船返回地球。

阿爾忒彌斯2 載人繞月飛行試驗

本次任務計劃2024 年5 月進行，主要進展如下：①獵戶座飛船方面，乘員艙70% 左右的硬件已經安裝完成，服務艙也已經進行了一次通電試驗，目前正處于功能性試驗中。②SLS 火箭方面，芯級制造工作正在米丘德組裝廠有序推進，有望在2023 年3月完成總裝與試驗；芯級4 臺RS-25 主發動機已經交付至米丘德組裝廠，計劃2023 年12 月與芯級總裝；固體助推器所有發動機部段都已經制造完成，目前存儲在猶他州；過渡型低溫上面級已經完成制造，目前位于卡納維拉爾角聯合發射聯盟公司（ULA）的制造設施中。③地面系統方面，位于肯尼迪航天中心39B 發射工位的140 萬加侖的新液氫儲罐已經基本建成。

阿爾忒彌斯3 任務

阿爾忒彌斯3 是阿爾忒彌斯計劃下的首次載人登月任務，也將是SpaceX 公司星艦（Starship）月球著陸器的首次載人登月飛行，計劃搭載4 名航天員。按計劃，獵戶座飛船與星艦著陸器將在近直線暈軌道（NHRO）交會對接，2 名航天員進入著陸器，啟程前往月球南極區域并著陸，完成為期一周的月面探索任務以及艙外活動。之后，著陸器搭載航天員返回NHRO 軌道，與獵戶座飛船對接。飛船隨后返回地球，而星艦月球著陸器進入日心軌道。

阿爾忒彌斯3 載人登月任務

本次任務采用SLS1 重型火箭和獵戶座載人飛船，在2025 年發射。進展方面，SLS1 火箭過渡型低溫上面級發動機已經交付至聯合發射聯盟公司，固體助推器發動機部段已經全部制造完成，芯級RS-25 主發動機準備交付至米丘德組裝廠；完成了獵戶座載人飛船乘員艙適配器內壁以及壓力容器的交付；在著陸器方面，完成了著陸軟件和傳感器性能驗證、軟件架構評估、海平面猛禽（Raptor）發動機冷啟動驗證試驗，實現了一周7 臺猛禽發動機的生產效率，推進在軌低溫推進劑輸送與長期存儲飛行試驗，準備開展首次軌道飛行試驗。

阿爾忒彌斯4 任務

阿爾忒彌斯4 載人登月任務

阿爾忒彌斯4 為阿爾忒彌斯計劃下的第二次載人登月任務，計劃搭載4 名航天員。本次任務的主要目標是驗證SLS1B 重型火箭的性能，并完成歐日聯合研制的國際居住艙（I-Hab）的在軌交付，將其與簡版深空中轉站對接。獵戶座飛船到達中轉站后，2 名航天員將登上提前停靠在中轉站上的星艦著陸器，下降到月面，完成為期一周的月球探索任務。任務結束后，航天員由著陸器送回門戶，之后搭乘獵戶座飛船返回地球。

本次任務計劃采用SLS1B 重型火箭發射獵戶座載人飛船。SLS1B 是SLS1 的演進型，采用相同的芯級和固體助推級，但改用直徑8.4m、由4 臺RL-10 發動機提供推力的性能更強的探索上面級(EUS)，月球軌道運載能力可由SLS1 的27t 增加至38t，在載人任務中可同時搭載10t 次要有效載荷。EUS 上面級的精確制導、低溫管理、實時通信與控制能力將可確保飛船在深空的精準定位、停留與對接機動。目前，波音公司已經完成了上面級的關鍵設計評審，并開始為生產制造做準備，計劃在2022年完成SLS1B 火箭的關鍵設計評審。此外，米丘德組裝廠也已經做好設施與人員方面的準備，支持該火箭的全面生產。

SLS1B 火箭將由全新的2 號活動發射平臺組裝、轉運與發射。目前，該平臺的設計工作已經基本完成，達到90%，但鋼結構總體質量的降低與材料供應問題導致設計方案延期。不過，主承包商已經進行了重大改進以適應質量需求，且改變管理方法以提升效率。

3 小結

美國拜登政府著力推進由其領導的國際伙伴和私營公司共同參與的阿爾忒彌斯計劃，通過以SLS重型運載火箭、獵戶座載人飛船、探索地面系統、深空中轉站和載人著陸系統為主要組成部分的探索框架，在2025 年實現載人重返月球目標，并在2030年左右具備可持續載人月球探索能力，為未來的載人火星探索奠定基礎。在進展方面，NASA 已經成功完成了SLS 重型火箭和獵戶座載人飛船的飛行試驗，同時也在積極推進后續任務所需火箭與飛船的硬件制造與試驗、地面設施的升級改進、著陸技術開發與產品制造等工作，并吸取經驗教訓改進項目管理方法，保障探月計劃的順利進行。