黄志澄：试评美国重返月球计划

今年是美国布什总统提出了重返月球的20周年。今年1月9日下午，NASA举行媒体电话会议，讨论阿耳特弥斯（Artemis）载人任务。美国NASA局长比尔·尼尔森（Bill Nelson）表示，按照“乘员安全”的首要要求，NASA的阿耳特弥斯2号和3号任务都将推迟一年发射。尼尔森宣布了最新阿耳特弥斯任务时间表：2025年9月，阿耳忒弥斯2号（Artemis II）乘组绕月飞行任务。2026年9月，阿耳忒弥斯3号（Artemis III）载人登月任务，2名航天员乘坐SpaceX的“星舰（Starship）”着陆器着陆月面。阿耳忒弥斯4号（Artemis IV）载人任务时间不变，2028年9月将首次使用升级版“太空发射系统（SLS）”火箭发射“猎户座（Orion）”飞船，并将对接“月球门户（Gateway）”，2名航天员将搭乘“星舰”完成第2次登月。

阿耳特弥斯任计划的原定进度

美国重返月球计划20年

从1969年到1972年，“阿波罗”计划共成功实施了6次载人登月，先后把12名航天员送到月球表面。自从1972年“阿波罗”17号登月之后，50多年，人类再也没踏上月球表面。2004年，布什总统提出了重返月球的“星座（Constellation）”计划。奥巴马总统在2010年取消了这个计划，突出强调前往火星的重要性。奥巴马总统反对的主要理由是，重复美国多年前早已实现的任务目标，难于保持美国在太空的优势地位。特朗普总统当选后，把“重返月球”置于更加重要的位置。2017年10月，美国国家宇航局（NASA）正式公布了重返月球的“阿尔忒弥斯（Artemis）”计划，目标是航天员将重返月球并在月球建立永久基地，为载人登陆火星进行准备。

“阿尔忒弥斯”计划由“太空发射系统（SLS）”火箭、“猎户座（Orion）”载人飞船、月球探索的地面系统、“门户”月球轨道空间站、商业化的载人登月系统（主要是SpaceX的“星舰”）和月球基地组成。美东时间2022年11月16日，SLS火箭托举猎户座飞船，执行了不载人的“阿尔忒弥斯1号”任务；美东时间11日12时40分，无人绕月飞行测试任务的“猎户座”飞船返回地球。此次发射的SLS Block1型火箭高达98.3米,起飞重量达到2603吨。该型火箭采用二级半构型设计，一子级配置4台单台推力约189吨的RS-25氢氧发动机，二子级则配置1台RL10B-2氢氧发动机，真空推力约11.2吨。此外，该型火箭还有两枚3.7米直径的5分段固体火箭助推器，单枚助推器的起飞推力约1498吨。SLS Block1型火箭的起飞推力约为3752吨，虽然超过了美国用于“阿波罗”探月计划的“土星五号”火箭起飞推力3408吨，但其近地轨道的运力只有95吨，地月转移轨道的运力只有27吨，这两项指标都逊于“土星五号”火箭近地轨道118吨，地月转移轨道45吨的性能数据。

“阿尔忒弥斯2”任务原定于2024年发射，在这次飞行中航天员会搭乘“猎户座”飞船环绕月球。“阿尔忒弥斯3”计划原定于2025年发射，飞船将搭载4名航天员，其中两人搭乘SpaceX公司研制的载人着陆系统降落在月球表面（航天员中将有一名女性），实现人类重返月球的目标。“阿尔忒弥斯”计划并非完成载人登月就告结束，而是进一步要让人类能永久性地在月球和月球轨道定居。计划中起关键作用的“门户”月球轨道空间站，将不仅作为人类登月的转运站，而且将为今后的登陆火星服务。在原先的方案中，飞船运送航天员先抵达“门户”空间站，然后换乘载人着陆系统降落在月面；从月球表面返回时，同样先在“门户”空间站中转，再换乘“猎户座”返回地球。但由于“门户”空间站的研制进度，远远落后于预期，NASA不得不决定“它将不再存在于2025年登月任务的关键路径上”。

执行载人登月任务的阿耳忒弥斯3号（Artemis III）载人登月任务是任务的重要目标，也更加复杂。虽然SLS火箭和猎户座飞船将在阿耳忒弥斯2号任务中进行完整的测试，但着陆任务将增加SpaceX公司的“星舰”月球着陆器（HLS）、新的舱外太空服、以及猎户座飞船和“星舰”在月球轨道上的会合和对接。NASA认为所有这些都将是重大挑战。

SpaceX公司的“星舰”在发射场

美国重返月球计划一拖再拖

美国重返月球计划的进度一拖再拖，我们认为有多方面的原因：

（1）政党斗争的影响。如前所述，除了拜登总统继续执行特朗普总统制定的计划外，美国的前两次政党轮替，都导致美国未来载人航天计划的目标发生了重大变化，从而拖延了美国重返月球计划的进度。

（2）NASA机构的日益官僚化，办事效率很低。NASA的研究机构和研究人员虽然众多，但直接研究载人登月的人却并不多。现在的NASA局长更原是一名政客，专业很差。

（3）美国这次重返月球设定的目标不只是将人送上月球，而是要持续开发月球，更要为载人去火星奠定基础，从而使得技术难度显著高于阿波罗计划。

（4）如今的NASA，难于容忍高风险，也并不再拥有像阿波罗计划那样的资金和全力支持。阿波罗计划诞生于美苏军备竞赛时期。阿波罗计划登月任务充满巨大风险，更像是在登月竞赛中孤注一掷的“赌局”。成功之下是一系列致命的风险和事故。阿波罗计划总花费达255亿美元，相当于当年美国GDP的0.57%，占据当时美国整体科技研究发展经费的20%，这笔花费折算到近年超过了1500亿美元。

在前述的2024年的NASA的会议上，负责监督“月球火星（Moon to Mars）”计划的NASA副局长阿米特·克沙特里亚(Amit Kshatriya )，介绍了阿耳特弥斯2号任务正在研究的3个主要问题：

（1）飞船的隔热板。技术人员在阿耳忒弥斯1号任务之后，检查了猎户座飞船的防热层，发现防热层承受了超预期的烧蚀，从而损失了大部分防热材料。虽然防热层仍有足够的余量，但NASA对此仍进行了广泛的研究。NASA不能允许防热层中的某一碎块，能撞击到飞船并损坏它。Kshatriya表示，NASA在2023年从多个角度评估了这个问题，并预计将在今年春天就可找到根本原因。

技术人员在阿耳忒弥斯1号任务之后检查猎户座飞船防热层

（2）飞船电路设计有缺陷。NASA发现交付用的阿耳特弥斯3号的“猎户座”飞船部件中，驱动阀门作动的电路出现故障，就此发现了电路设计中的缺陷，它这将影响到猎户座上的二氧化碳净化器。Kshatriya表示，这需要打开阿耳特弥斯2号的猎户座飞船并更换这些组件。这项工作影响到了2号任务的进度。

（3）飞船逃逸系统。“猎户座”飞船的飞行逃逸系统用于在发射期间发生紧急情况时从SLS火箭中飞离。有工程师担心，虽然猎户座已经有能力在这种环境下生存，但它的一些电池可能会损坏。Kshatriya表示，该机构有多种选择来解决这个问题。

重返月球计划商业化的挑战

在新世纪到来后，美国在总结了在登月和发展航天飞机中的经验教训后，决定大力鼓励民企参加美国载人航天事业。这些民企中最突出的就是SpaceX公司。商业力量的参与美国重返月球计划，虽然带来了新的机遇和活力，但在这一过程中，也充满了挑战和不确定性。虽然商业公司能够提供更灵活和高效的解决方案，但它们也更加注重成本控制和盈利能力。这也可能导致在商业利益和任务安全之间出现冲突，从而增加任务延期和最终失败的风险。不难发现，无论是SLS火箭还是“猎户座”飞船，沿袭了许多美国此前成熟的航天技术，整体方案趋于保守。例如SLS火箭的助推器的固体火箭发动机和和芯级主发动机，都来自于美国的航天飞机，而“猎户座”载人飞船，基本上可以视为是“阿波罗”载人飞船的放大版。尽管方案较为保守，但研制SLS火箭的美国“国家队”波音公司的研制，却进展十分缓慢，从论证到首飞花费了10多年，而费用却又不断增加，并三番五次推迟发射，凸显了NASA和波音在管理上存在许多问题。实际上，在目前的方案中，SLS火箭的任务只是将“猎户座”飞船和航天员送到绕月轨道，而SpaceX公司的“星舰”系统，则负责载人登月和返回月球轨道，起到登陆器和上升器的作用。所以美国重返月球的任务，必须由SLS火箭和“星舰”系统合力才能完成。

SpaceX公司在“猎鹰”9号重型火箭基础上，继续研发出了新的超重型火箭，在对超重型火箭进行改造后，它可用于新一代载人登月系统。“星舰”系统由超重型火箭和“星舰”飞船组成。系统全高120米、直径9米，其中超重型火箭高70米、使用33台“猛禽”发动机、推力超过7500吨。“星舰”飞船高50米，使用6台“猛禽”发动机、推力超过1500吨。“星舰”系统的近地轨道运载能力大于100吨，地月轨道运载能力大于25吨。“星舰”系统的运载能力和“土星五号”相差不大。“星舰”系统也具备实施独立载人登月的能力，而其最大的优势在于发射成本极低。据马斯克透露，在“星舰”系统技术成熟之后，一次发射成本仅为每次200万美元。

目前，对于原本的SLS火箭和“猎户座”飞船与“星舰”，只是联合使用，而没有进行系统的总体优化。NASA开始只押宝于“星舰”的研发。但当2023年发现“星舰”的研制进度不够理想时，才想到支持蓝源等其它公司研发备用的系统，但其进度却比“星舰”更晚。目前，“星舰”在执行任务之前，不仅必须展示安全飞行的能力，还必须掌握在轨道上存储和传输低温燃料的能力，以便“星舰”可以在轨道上进行燃料加注，然后飞到月球轨道与“猎户座”会合。到目前为止“星舰”试飞了两次，但两次都爆炸了。目前正在等待不久之后的第三次试飞。这凸显了NASA商业化战略面临的风险，导致登月的进度不断后延。

SpaceX载人登月任务概念

在这次会议上，NASA高级工程师杰西卡·詹森（Jessica Jensen）报告了“星舰”目前存在的主要技术问题是：

（1）SpaceX将在本月完成“星舰”IFT-3的硬件准备，在2月获得FAA飞行许可后，可进行“星舰”的第3次集成飞行试验；

（2）将在IFT-3飞行试验中，进行在轨低温推进剂转移演示验证，目标是将顶部储罐的推进剂转移到主燃料储罐中；

（3）在阿耳忒弥斯3号任务之前，SpaceX可能会进行数十次“星舰”测试飞行。仅在轨道上为“星舰”提供燃料，就需要大约10次燃料“星舰”的飞行；

（4）SpaceX计划在2025年演示“星舰”无人登月，以及使用低温推进剂从月球表面进行“星舰”发射。

结束语

国际航天领域正在涌现新一轮探月热潮，除美国之外，中国、俄罗斯、印度乃至韩国，都提出了载人登月计划，中国和俄罗斯还计划联合在月球建立科研站。虽然美国在50多年前已经成功登月，但由于费用昂贵和其目标只局限于大国竞争，从而使美国的载人探月计划只能中断。目前美国的重返月球，似乎有许多进步，但仍然深受大国竞争的影响。

今年1月17日，美国国会就登月计划召开的一个听证会，会上美国航天专家、政府官员以及国会议员达成共识，月球将作为地球外的国家竞争的“竞技场”，而对于非美国及其合作伙伴的其他国家将先登上月球的情况，是“不可接受的”。如此看来，美国“重返月球”计划的目的，仍然偏离了人类为了和平目的，探索和利用外太空的愿望。

中国没有任何意愿，参与美国人臆想出来的“太空竞赛”。中国发展航天技术一重和平利用，二重平等互利，三重包容发展，一直以身作则推动国际航天的交流与合作。中国的载人登月计划，必将是一项健全的科学试验、技术发展和综合利用的计划，也将是一项能持续发展和进行广泛国际合作的计划。

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本文转载自“空天大视野”，原标题《黄志澄：试评美国重返月球计划》。

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