重返月球,世界最强火箭成功发射!

2022年11月16日,肯尼迪航天中心,太空发射系统(SLS)登月火箭首次发射。

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北京时间今天14:47:44,首枚SLS登月火箭点火升空 | NASA

距离上一款登月火箭——土星五号于1967年11月9日同样在肯尼迪航天中心的首飞,已经过去了55年之久。

作为人类历史上唯二投入实用的登月火箭,它们有个共同的目标——将人类送往月球

曾经,是以古希腊神话中太阳神“阿波罗”命名的登月计划;而如今,则是用月亮神“阿尔忒弥斯”命名的重返月球计划。传说中,这两位神是双胞胎,没有比用他们来命名两大计划更酷的了。

太空发射系统的前世今生

阿波罗登月计划是上世纪人类太空竞赛的巅峰,美国获得了巨大的成功:不仅有12名宇航员顺利登上月球表面,还获得了极大的国际影响力,彻底击败了苏联的登月梦。

成也萧何败也萧何,苏联最终决定放弃登月之后,阿波罗登月很快就显得性价比极低

一方面,进行到阿波罗17号任务后,已经很难再有新的发现,月球已被证明是贫瘠的星球;另一方面,项目花费太高,1967年美国国家航空航天局(NASA)甚至用掉了美国联邦预算的4.5%,是今天占比的10倍。

举例来说,仅土星五号登月火箭单次发射费用就相当于今日的20亿美元,实在太贵。

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土星五号火箭的历次发射 | NASA

因而,土星五号火箭在使用了仅6年后遗憾落幕。相关的项目、资金和人力资源,投入到了后来的航天飞机计划中,成为上世纪80年代到本世纪最初10年间NASA最大的项目。

但随后航天飞机也遇到了类似的问题,单次发射费用过高(15亿美元),在不少项目中犹如“杀鸡用牛刀”的效果,特别是在商业航天崛起后,航天飞机项目显得尤为尴尬:与商业火箭同样的运力,10倍的价格,还得让7名宇航员冒生命危险,不太值

在这种背景下,航天飞机项目最终在2011年谢幕。但为了保持深空发射和大型载荷的发射能力,同时支持未来的重返月球计划,NASA亟需一款能扛起大梁的重型运载火箭,这就是SLS出现的时代背景。

SLS的设计方案,更像是航天飞机的“火箭版”,由于不用像航天飞机一样运送巨大的“机舱”进入太空,它能运送更重的载荷,实现跟土星五号接近的运力。

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仅从外表看就能发现SLS和航天飞机有着明显的代际传承 | NASA

SLS的4台核心发动机是RS-25D,是航天飞机的主力发动机,早就验证了优异的可靠性和可复用性,几乎从未出过重大问题,是人类液氢液氧火箭发动机技术的天花板。核心级,即不带任何涂装的“大橙罐”,主要装载液氢液氧推进剂和核心发动机。

此外,它的核心推力来自两个固体助推器,也是升级版的航天飞机助推器。自重725吨,推力却高达1600吨,一个助推器就可以推起一枚长五火箭,确实是暴力怪兽。

按照核心发动机能力、上面级能力和固体助推器能力的不同组合,SLS会有3个主要型号,分别是Block-1、Block-1B和Block-2。本次发射升空的,是近地轨道运力约100吨的Block-1型。而最终版本的Block-2型同等运力超过130吨,月球转移轨道运力达到45吨以上,直抵甚至将超过曾经的土星五号登月火箭。

总体上说,SLS将会成为扛起NASA发展一个时代的“大杀器”:轻易不出马,出马就是能上特大新闻的航天项目。

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竖立在肯尼迪航天中心LC39B的首枚SLS火箭 | NASA/Joel Kowsky

重返月球计划首飞任务流程

登陆月球最需要的支撑不仅仅是SLS登月火箭,还要有猎户座深空探测载人飞船、深空门户环绕月球空间站、月球表面着陆器和上升器等项目先后上马。截至目前,各项目已耗资超过500亿美元,堪用“吞金巨兽”来形容。

今天的发射,即“阿尔忒弥斯1号”任务,就是这些大型项目的首次全系统检验。按照计划,这次任务将持续4-6周,在月球附近释放猎户座飞船和一系列小卫星。在完成既定任务后,猎户座将重返地球并溅落大洋回收。

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“阿尔忒弥斯1”任务的全系统流程 | NASA

在具体实施阶段,这次任务包括了17个核心节点,基本会把火箭和飞船的所有核心指标测试一遍

在离开地球时,需要测试升级过的LC39火箭发射平台全系统能力。这里曾经是阿波罗登月计划的起点,但时隔50年已经是截然不同的火箭,这个平台能否“老当益壮”,决定了任务的成败。

在离开地球阶段,需要经过复杂的双助推器/整流罩/逃逸塔分离、核心级分离、机动变轨、离开环绕地球轨道并切入月球转移轨道等一系列操作。这基本是当年土星五号火箭的固定业务流程,需要精准复现出来。在此之后,猎户座飞船会从火箭上面级分离出去,后者将在随后部署10颗小卫星

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阿尔忒弥斯1号非官方任务简报 | Tony Bela

在飞往月球的途中,猎户座需要进行长时间机动,以确保能准确与月球相遇。不同于其他的月球探测任务,飞船主体在本次任务中并不会环绕月球,而是借力月球进入一种叫做“远距逆行轨道”(DRO)的特殊轨道。

这是一种地月系统内极其稳定的轨道家族,在这里维持运行所需的推进剂消耗极少,因而成为未来地月空间探测乃至载人空间站的不二之选,是近些年月球研究的一大热点。我国在嫦娥五号任务和中科院新一批“先导专项”中,都把DRO轨道研究作为重点突破,意义可见一斑。

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阿尔忒弥斯1号任务相对地月系统的飞行轨道 | Tony Dunn

阿尔忒弥斯首飞任务,将通过对DRO轨道的实际飞行,为未来任务积累宝贵的飞行经验。预计猎户座会在这里飞行不低于6天,在充分获取数据后,自主离开,最终返回地球大气并溅落海上。

需要注意的是,从月球附近返回的航天器抵达地球的速度会接近第二宇宙速度(11.2千米/秒),远超从环绕地球轨道返回的第一宇宙速度(7.9千米/秒),与大气摩擦产生的热量差距有近3倍,对航天器防热和结构强度的要求大幅提高,这也是猎户座飞船“最艰难”的时刻

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时隔50年后,Arturo Campos获得了“飞行”去月球的机会 | NASA

SLS是一枚载人登月火箭,自然最核心的测试是猎户座载人飞船的载人能力。首次任务带真实宇航员冒险不现实,取而代之的是真人比例模型

这次发射携带了一个叫作“Campos船长”的假人,该模型以曾经解决了阿波罗13号任务重大问题的工程师Arturo Campos命名。相应的,还有一个假人与之伴飞。它们一个会被严格防护,一个则会尽可能暴露,以测试空间辐射等对人体的影响。两个模型上搭载了各种复杂的传感器,用以检验飞行过程中的各项指标。

此外,它们还有NASA载人航天象征的“史努比”玩偶和欧空局载人航天象征的“小羊肖恩”玩偶陪同。

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阿波罗10号指令长Tom Stafford出征时,拍了拍史努比的鼻子 | NASA

强大的运力不能浪费,SLS给不少科研机构留下了搭载空间,用以完成各种月球探测任务。

如前文所述,它的上面级将搭载并释放来自美国、意大利和日本的10颗小卫星,这是探月历史上前所未有的新纪录。

这些小卫星功能各不相同,包括空间天气、月球遥感、地球观测和新技术验证等诸多方面,可谓是一支庞大的月球探测舰队

SLS登月火箭的未来

在首次任务之后,阿尔忒弥斯计划将继续使用SLS火箭的Block-1型号执飞两次任务。

第二次任务,就会直接进行载人环绕月球的飞掠探索,预计将于2024年进行。

预计于2025年进行的第三次任务,将携带4名宇航员飞往月球,其中两人登陆月球,真正实现“重返月球”的探测目标。

而最终选定的月球表面着陆器方案,由于有SpaceX等商业公司的参与,完全不同于曾经“国家队”主导的航天发展环境,也让人充满期待。

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阿尔忒弥斯3号将用SpaceX的登月版星舰把宇航员送上月表 | SpaceX

在后续的任务中,月球“空间门户”空间站会逐步建造完毕。它将稳定运营在地月空间内,一方面保持与地球客运航班的稳定交流以实现长期驻人,另一方面按需登陆月球表面并维护稳定的月球基地。

而在更长远的打算中,这里也会成为最佳“跳板”,为火星探测、小行星探测和其他深空探测任务提供稳定的平台。毫无疑问,这意味着一个庞大的国际合作框架,有20余个国家参与其中。

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“月球门户”月球空间站艺术构想图 | NASA

不过,几乎不出意外,SLS又成了一款“火箭刺客”。目前,它的单次发射价格预计不低于40亿美元,甚至超过了土星五号的水平。虽然出发伊始就是为了干重大项目的,但这价格也实在是太过离谱。

仅以核心发动机RS25-D为例,根据洛克达因公司为SLS火箭供应发动机的合同,单台发动机的费用就高达约1亿美元,然而SLS一次发射就要扔掉4台。要知道,当年昂贵的航天飞机可是3台反复使用啊。

而且由于研发大幅超过预期,导致SLS的首次发射连续推迟了近20次,延迟超过5年之久。相应的,整体研发费用进一步飙升,量产速度也不如预期,后续的发射排期反而紧张起来,导致它未来基本只计划用于阿尔忒弥斯计划

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星舰已进行过推进剂加注和发动机静点测试,预计年内首飞 | SpaceX

与此同时,与SLS同等级别近地轨道运力的星舰也在摩拳擦掌等待测试。SpaceX已在星舰项目投入了巨大资源,先后炸掉了近20台原型机,终于要等来首飞时刻。

如果星舰真的能实现全舰复用和单次千万美元发射费用,那SLS就更显尴尬了。

二者能力相当,价格差40倍,谁会更香呢?

月球探测迎来新一轮高潮

与美国的重返月球计划并行的,还有中国的长远月球开发规划。

作为最核心的基础,中国的重型登月火箭现已进入大型发动机等关键技术突破阶段,新一代载人飞船(可深空探测用)试验船也早在2020年5月就进行了成功测试,大型的中国空间站也即将在2022年完成建设。

在国务院新闻办发布的《2021中国的航天》白皮书中,也明确提到了未来中国将要“深化载人登月方案论证,组织开展关键技术攻关,研制新一代载人飞船,夯实载人探索开发地月空间基础。”

未来5年,中国将继续实施月球探测工程:发射嫦娥六号探测器,完成月球背面采样返回;发射嫦娥七号探测器,完成月球极区高精度着陆和阴影坑飞跃探测;完成嫦娥八号任务关键技术攻关;与相关国家、国际组织和国际合作伙伴共同开展国际月球科研站建设。

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我国参与规划的国际月球科研站概念图,预计2035年后支持人类月球探测任务 | CNSA / ROSCOSMOS

这意味着,从现在起,月球将成为人类航天的主舞台,以中国和美国为代表的航天大国,在以前所未有的投入和力量探测月球。更重要的是,在这新一波月球探测高潮中,在探测未知之外,开发和利用月球将逐渐成为焦点。

人类已经跨越了对月球的初步认知阶段,下一步该让这个地球的唯一天然卫星造福人类了。

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