文｜經(jīng)緯創(chuàng)投
今天下午2點47分，隨著NASA新一代登月火箭太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）載著獵戶座飛船點火升空，“一鴿再鴿”的阿爾忒彌斯1號任務終于正式發(fā)射，開始為期4到6周的月球往返之旅。
自1972年12月19日“阿波羅17號”結(jié)束任務返回地球后，迄今為止還未有宇航員再踏足月球土壤。時隔50年，人類將再向38萬公里開外的月球發(fā)起載人登月任務。與此同時，中國、俄羅斯等國家的載人登月計劃亦在進展中。人類實現(xiàn)重返月球，進入倒計時階段。
作為阿爾忒彌斯計劃（Artemis Program）的首次飛行，本次飛行為一次無人試驗，其中將搭乘3個裝有儀器的人體模型。這將是NASA對獵戶座飛船（Orion）、太空發(fā)射系統(tǒng)(SLS)火箭、肯尼迪航天中心的地面系統(tǒng)的第一次綜合測試。根據(jù)規(guī)劃，在后續(xù)的任務中，NASA還將陸續(xù)驗證繞月、著陸、返回技術(shù)，最終建立起一個名為“門戶”（Gateway）的月球軌道空間站，為長期、可持續(xù)的月球任務存在鋪平道路，并為未來宇航員的火星任務提供跳板。
阿爾忒彌斯計劃具體是如何規(guī)劃的？與五十多年前的阿波羅計劃相比，阿爾忒彌斯計劃有何區(qū)別？我國的載人探月及深空探索又有何新進展？以下，Enjoy：
1、四次飛行，如何一步步實現(xiàn)重返月球？
阿爾忒彌斯計劃的名字，與阿波羅計劃一樣，都取自希臘神話，為太陽神阿波羅的孿生姐妹、月亮女神之名。53年前，以阿波羅命名的月球探測計劃實現(xiàn)了人類在月球上的“一小步”；如今，阿爾忒彌斯將在月球乃至宇宙探索中邁出“下一步”。
阿爾忒彌斯（來源：www.thinglink.com）
阿爾忒彌斯計劃由一系列發(fā)射任務組成，其目標是讓人類重返月球表面，建立長期的月面基地，并實現(xiàn)未來的載人火星登陸。
作為先鋒行動，本次阿爾忒彌斯1號的成敗決定了后續(xù)一系列復雜任務的進展情況。在這次無人飛行中，獵戶座飛船將乘坐太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）升空，后者是NASA自土星五號以來最強大的運載火箭，飛行約28萬英里后，在距離月球數(shù)千英里的軌道執(zhí)行4到6周的任務，不著陸，僅進行演練與測試。它不僅將刷新人類建造的宇宙飛船所飛行的最遠距離紀錄，也將刷新飛行器在太空的最長停留時間。
圖源：NASA
若1號任務完成順利，NASA將在2024年左右展開阿爾忒彌斯2號任務。那將是一次載人繞月飛行，使用與第一次發(fā)射時相同的SLS火箭，將飛船送到稍有不同的繞月軌道，不過飛船依舊不進行著陸，僅在載人情況下測試關鍵系統(tǒng)。
再之后便是關鍵的阿爾忒彌斯3號任務，包含一套正常的繞月、著陸、返回流程，屆時NASA將讓首位女性和首位有色人種航天員登陸月球。
待到阿爾忒彌斯4號時，NASA計劃建立其一個名為“門戶”（Gateway）的月球軌道空間站，為后續(xù)登上其他星球進行準備。
由此可見，面對登月并建造空間站這個尚未完成的龐大目標，NASA還是選擇逐步進行阿爾忒彌斯計劃，在控制風險的情況下重返月球。
圖源：NASA
為執(zhí)行這個龐大的重返月球計劃，NASA研制了全新一代的火箭系統(tǒng)與飛行器。其中，太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）作為主力運載火箭，高約98米，是自土星五號以來運載能力最強大的火箭。SLS專為深空任務設計，整合了航天飛機的主要部件，并運用新的工具和制造技術(shù)進行了硬件升級，足以和阿波羅計劃的“土星五號”相媲美，將人貨運送到月球甚至更遠的地方。
圖源：NASA
而阿爾忒彌斯號的主力載人航天器則為獵戶座載人飛船，由乘員艙、服務艙、發(fā)射逃逸系統(tǒng)等組成。其中，乘員艙可以在不與其他航天器對接的情況下，為4名宇航員提供長達21天的生活空間。乘員艙下面是歐洲航天局（ESA）提供的歐洲服務艙，主要由空客公司制造，服務艙將為航天器提供電力、推進、熱控制、空氣和水。
在每次任務結(jié)束后，乘員艙將是唯一返回地球的部分。不過，在前幾次飛行任務中，一些高價值的機組組件都將會被重復使用，NASA也計劃在之后任務中復用更多組件以降低成本。
圖源：NASA
當SLS和獵戶座飛船完成”雙劍合璧“后，由兩個固體火箭助推器和4個強大的發(fā)動機提供動力，從肯尼迪航天中心的39B發(fā)射場升空。SLS在發(fā)射和升空期間將產(chǎn)生880萬磅的推力，將重近600萬磅的獵戶座飛行器送入軌道。點火兩分半鐘后，兩個固推被耗盡后分離。發(fā)射8分鐘后，芯級也被耗盡分離。上層級短暫點火，讓飛船進入地球停泊軌道。
之后，獵戶座飛船繞地軌飛行時，將完成包括部署太陽能電池陣列在內(nèi)的一系列任務。在阿爾忒彌斯1-3號任務中，臨時低溫推進段（ICPS）將為獵戶座提供離開地球軌道、飛向月球所需的巨大推力。從那里，獵戶座將在發(fā)射后約兩小時內(nèi)與ICPS分離。然后，ICPS將部署一些小衛(wèi)星，即立方體衛(wèi)星，來進行幾項實驗和技術(shù)演示。假設部署成功，其中兩顆立方體衛(wèi)星將以不同的方式繪制月球表面的水冰（water ice）。水冰是由水或融水在低溫下固結(jié)而成的冰，或許可以作為未來人類探險的資源。
當獵戶座飛船繼續(xù)沿著地球到月球的軌道前進時，它將由歐洲服務艙推進。獵戶座將穿過范艾倫輻射帶，飛越全球定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星星座，并飛越地球軌道上的通信衛(wèi)星。為了與休斯頓的任務控制中心進行對話，獵戶座將從NASA的跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)切換到通過深空網(wǎng)絡進行通信。
獵戶座飛船月球之旅期間，工程師將評估航天器的系統(tǒng)，并根據(jù)需要修正其軌道。航天器將在該軌道上停留大約6天，以收集數(shù)據(jù)，并讓任務控制人員評估航天器的性能。在這段時間里，獵戶座將以月球繞地球運行的方向逆行。
雖為一次無人飛行，但獵戶座飛船中也搭載了三位假的“宇航員”，其中“指揮官”坎波斯（Moonikin Campos），名字來自于阿圖羅·坎波斯(Arturo Campos)，是NASA的一名電氣工程師，曾幫助阿波羅13號安全返航。飛船的座椅和宇航服等上面都布滿了傳感器，用來檢測任務中的震動、加速度和輻射，幫助NASA了解如何在接下來的任務中更好地保護宇航員。
圖源：NASA
除了假人宇航員外，本次任務還搭載了小羊肖恩和象征著安全飛行的史努比，作為零重力指示器。
圖源：ESA
在返回地球的途中，獵戶座再進行一次近距離飛越，使飛船在距離月球表面約60英里的范圍內(nèi)，飛船將利用服務艙的另一個精確定時發(fā)動機，在月球引力的作用下加速返回地球。飛船進入地球大氣層后，獵戶座底部的溫度將達到太陽表面一半的溫度。最后，飛船將在加州下巴島海岸附近的回收船視線范圍內(nèi)精確著陸，濺落回收的流程與之前SpaceX龍飛船的大致相同。
阿爾忒彌斯1號的發(fā)射，是對獵戶座、SLS和肯尼迪航天中心的地面系統(tǒng)的一次綜合測試，為的是最終滿足深太空中最具挑戰(zhàn)性的人員和貨物任務需求，實現(xiàn)“Moon to Mars”，劍指火星以及其他未曾探索的太陽系深空。
2、與阿波羅計劃相比，阿爾忒彌斯計劃的硬件有何升級？
與阿波羅計劃不同，按照這一新的登月計劃，宇航員在月球上將不是短暫停留，而是準備打造一個生活長達一個星期的月球基地。計劃中的月球空間站不僅是人類再次登月的轉(zhuǎn)運站，而且將作為前往更遙遠的行星進發(fā)的基地。
若一切順利，人類實現(xiàn)真正載人登月、重返月球表面或最早在2025年實現(xiàn)，不過以NASA的“鴿王”風格，倒也不必對這個時間過分期待。
僅是阿爾忒彌斯1號，NASA就已經(jīng)在全球的關注下“一鴿再鴿”，整個發(fā)射計劃不斷受颶風、燃料泄露等各種內(nèi)外部因素影響，從8月底延期四次到了現(xiàn)在，命途多舛。
盡管如此，阿爾忒彌斯計劃至少給出了上世紀60年代阿波羅計劃以來，最雄心勃勃的載人登月時間表。
當然，所有有關阿爾忒彌斯的疑問，自然少不了與阿波羅計劃的比較。
▌火箭：SLS vs 土星五號
單從近地軌道（LEO）的運載能力數(shù)據(jù)看，SLS的LEO運載能力為95噸，較土星5號最高可達到的140噸并無明顯優(yōu)勢。
但SLS還在進一步升級中，預計到阿爾忒彌斯4號計劃時，升級后的Block 1B版本有更為強大的上層級（EUS），從而提高地月轉(zhuǎn)移軌道（TLI，即從加速離開地球到近月制動為止的軌道段）的能力。升級版的EUS將向月球發(fā)射83000磅的載荷，比早期阿爾忒彌斯任務中使用的ICPS多40%，比現(xiàn)有的任何火箭多70%。
此外，在阿爾忒彌斯計劃中，也還有其他一系列的運載火箭及飛行器，包括Starship，Vulcan，New Glenn等，各自用自己的火箭發(fā)射并承擔部分任務。因此，在硬件選擇上，阿爾忒彌斯計劃和阿波羅計劃實際有著不同的考量，不需要將所有任務的壓力押注在單一一個超級火箭上。
圖源：Everydayastronaut
▌太空艙：獵戶座 vs 阿波羅
從太空艙看，獵戶座倒是“贏麻了”——獵戶座太空艙寬5米，阿波羅太空艙寬3.9米，獵戶座的9立方米宜居空間，比阿波羅大了近50%，最多可搭載6名宇航員。
空間變大的同時，太空艙的重量也得到了減輕，這對于深空探索意義非常。獵戶座太空艙及其服務艙加滿燃料后重26520公斤，而“阿波羅”太空艙及其服務艙加起來重達28800公斤。
結(jié)構(gòu)分配上也極為不同，阿波羅的指揮艙非常小，有一個很大的服務艙，而獵戶座則完全相反，保障了宇航員宜居性。
圖源：Everydayastronaut
▌著陸器：1 to N
截然不同的月球著陸器選擇，則反映了60年后商業(yè)航天的突飛猛進。
在阿波羅計劃中的登月艙，由格魯曼公司（Northrop Grumman）生產(chǎn)，高7米，腿伸出時寬9.4米，燃料充足時重達1.64萬公斤。它可以攜帶兩名宇航員到月球表面，并停留75小時。
圖源：Everydayastronaut
而阿爾忒彌斯計劃選擇發(fā)起了“人類著陸系統(tǒng)”（Human Landing Systems）項目，由一系列商業(yè)合同組成，更類似于商業(yè)載人項目。NASA對此沒有制定任何嚴格的指導方針，接受投標的原則重點在于評估能否在2024年這個時間內(nèi)將一個著陸系統(tǒng)送往月球并返回，目的是為4名宇航員提供長達2周的每次任務。
并且在阿爾忒彌斯計劃中，入圍計劃的選手們不僅要給出不同的著陸器方案，還要自行發(fā)射，不能夠使用SLS。其中最有看點的自然是SpaceX、藍色起源、Dynetics之間的競爭。
圖源：Everydayastronaut
不過出人意料的是，去年4月，NASA選擇僅與SpaceX簽訂了一份合同，提供29億美元給SpaceX開發(fā)星際飛船。消息發(fā)布后，貝索斯的藍色起源對此番“被截胡”表示了嚴重不滿與抗議，甚至將NASA告上法庭。然而，起訴未能成功，倒是還被馬斯克發(fā)了一條帶表情包的推特嘲諷。
圖源：SpaceX
今年11月，阿爾忒彌斯1號任務發(fā)射之際，NASA授予SpaceX第二份“阿爾忒彌斯”登月合同，價值約11.5億美元，作為NASA阿爾忒彌斯4號任務的一部分，SpaceX將在2027年提供第二次載人著陸演示任務。
這也意味著，如果一切進展順利，SpaceX將參與阿爾忒彌斯3號和阿爾忒彌斯4號任務，兩次載人登月。
▌著陸點選擇：首次著陸月球南極
NASA近期公布了阿爾忒彌斯3號的13個著陸點選擇，全部都處在月球南極的沙克爾頓隕石坑。這些區(qū)域位于距離月球南極6度的緯度范圍內(nèi)，總體上具有不同的地質(zhì)特征。每個具體的著陸點與發(fā)射窗口的時間緊密耦合，確保了全年發(fā)射的靈活性。
13個候選著陸區(qū)的渲染圖，每個區(qū)域大約是9.3 * 9.3英里(15 * 15公里)，著陸點半徑約為328英尺(100米)，圖源：NASA
選擇這些著陸點除了考慮發(fā)射窗口可用性外，科學家與工程師團隊還對各地區(qū)的安全著陸能力進行了評估，包括地形坡度、與地球通訊的便利程度和照明條件等，并兼具可達性。屆時宇航員將冒險進入人類此前未探索過的黑暗區(qū)域，并為未來長期駐守地外星球奠定基礎。
值得期待的是，在阿爾忒彌斯3號任務中，極有可能獲得更多關于月球水冰（water ice）的信息。早在上世紀60年代，科學家們就提出水冰可能存在于月球、水星和谷神星的永久陰影區(qū)域。
直到2018年，夏威夷大學和布朗大學的科學家們直接觀測到了月球南極的水冰，首次在月球表面發(fā)現(xiàn)水冰存在的直接證據(jù)。月球南極的大部分水冰集中在月球的環(huán)形山。而北極的水冰雖廣泛分布但很稀疏。人類或許可以從中提取氧氣和氫氣。水冰的出現(xiàn)可以使月球成為人類進行深度太空探索的“加油站”，甚至能幫助人類在月球上建立長期或永久基地。
3、引入商業(yè)競合，有可持續(xù)性才能等到實現(xiàn)火星夢想
從硬件上看，阿爾忒彌斯計劃雖有不少升級，但依舊不可動搖五六十年前阿波羅計劃劃時代般的地位價值。那為什么自1972年以來美國就沒有再回到過月球？為什么NASA不重新建造阿波羅計劃的土星5號火箭和阿波羅太空艙？
回顧阿波羅計劃，這個在美蘇軍備競賽特定時間下的產(chǎn)物，至今看依舊是場不到最后一刻都無法知道結(jié)局的“賭博”。
1960年，在NASA提出阿波羅計劃之初，并未得到馬上通過。而蘇聯(lián)在太空競賽中的一系列成就還在不斷傳出。1961年4月12日，蘇聯(lián)加加林駕駛“東方1號”飛船進入太空，繞地飛行一周，成為世界上第一位“太空人”。在此刺激下，一個月后時任美國總統(tǒng)肯尼迪便正式宣布了“阿波羅”計劃。
肯尼迪曾在國會發(fā)言時說：“我們選擇在這個十年登上月球并實現(xiàn)其他目標，不是因為它們簡單，而是因為它們艱難”。
據(jù)說在阿波羅計劃開始之初，內(nèi)部估算只有5%的幾率成功登上月球并安全返回。這就像在懸崖邊騎兩輪車、在風暴內(nèi)部買彩票時中獎并還能躲過一劫，阿波羅計劃登月充斥著巨大風險，更像是登月競賽下的放手一搏。1968年到1972年，NASA共發(fā)射了9次載人月球任務，其中6次成功著陸，12名宇航員登上月球表面。但同時也發(fā)生了多次諸多可怕的事故。
著名的阿波羅1號事件，在地面測試時就突發(fā)大火導致了3名宇航員遇難，這也使得純氧環(huán)境被NASA重新考慮。阿波羅11號任務中，阿姆斯特朗邁出人類登月的第一步，卻在從月球返回時遇到點火開關故障，所幸奧爾德林掏出一支氈尖筆替代故障位置，重啟飛船。阿波羅12號、13號、15號等都遇到了足以引發(fā)整體失敗的問題或事故。
除了巨大的風險隱患外，阿波羅計劃的天文數(shù)字成本代價，也是當下難以復刻的。送12名宇航員上月球，阿波羅計劃耗資255億美元，約占當年美國GDP的0.57%，占當年美國全部科技研究開發(fā)經(jīng)費的20%。
而阿爾忒彌斯則為一個相對可持續(xù)的項目。與上世紀60年代相比，能以更低的成本、更好的技術(shù)和更安全的方式到達月球，是全球科學家的共同追求。
對于如今的NASA而言，不再會有阿波羅計劃那樣的無限資金和支持，他們必須清楚評估每個項目的風險。尤其是在“挑戰(zhàn)者號”“哥倫比亞號”兩次巨大的慘烈事故后，不僅給參與者與家屬帶來巨大創(chuàng)傷，也影響到NASA資金與發(fā)射計劃。
換言之，太空競賽后的NASA不再有高容錯率來承受巨大的風險，不得不改變了他們認證和計算風險的方式?，F(xiàn)在NASA會計算每一個單獨部件的確切故障率，并評估每個部件、子部件和系統(tǒng)故障所涉及的風險。
因此，與阿波羅計劃相比，阿爾忒彌斯計劃在安全性和性能方面有了切實的升級。
例如，太空艙由靠燃料電池運轉(zhuǎn)，改為使用太陽能和120伏鋰離子電池；針對機械開關的事故，阿爾忒彌斯計劃的太空艙配備了高度可配置的電腦，機械開關的數(shù)量只剩60個左右；獵戶座的計算機比阿波羅號的計算機強大1000倍，冗余度也更高。
獵戶座在導航方面也有了極大升級，近地時可用GPS衛(wèi)星，遠離地球時則可使用自動的恒星跟蹤設備；對接系統(tǒng)也采用了一個新的TRIDAR或3D激光測距和一個高度升級的相機，可實現(xiàn)自動?？浚辉跓岜Ｗo系統(tǒng)、降落傘、輻射屏蔽材料等方面，阿爾忒彌斯也增加了更多安全的考量。
圖源：NASA
根據(jù)最新估計，從2012年到2025年，NASA將為“阿爾忒彌斯”計劃花費930億美元；而2021年至2025年，這五年就需要花費530億美元。其中SLS火箭是巨大的吞金獸，單次發(fā)射成本超過40億美元。如果一系列任務無法按時完成，后續(xù)花費還將增加。
尤其是這一切還是在阿波羅計劃留下的巨大基礎設施遺產(chǎn)的基礎上，因此就有了上文所述的NASA將運送宇航員的工作放出去給SpaceX、藍色起源等私營公司合作的舉動，由此節(jié)省下的資金用于地球軌道和地月系統(tǒng)以外的太空探索。這些任務也推動了太空經(jīng)濟下新產(chǎn)業(yè)和新技術(shù)的發(fā)展。
目前有超過3800家供應商為獵戶座、SLS火箭和肯尼迪航天港提供服務，包括Aerojet Rocketdyne、波音、雅各布斯、洛克希德·馬丁和諾斯羅普·格魯曼等公司。與此同時，阿爾忒彌斯計劃的合作范圍也延伸到了國際，歐洲等多地的供應商，也在為這項計劃而工作。
因此，雖然阿爾忒彌斯計劃目前在成本上和研發(fā)周期上并未有明顯優(yōu)勢，但引入商業(yè)競合模式或能夠給其一次巨大的翻牌機會。與成本幾乎不可能降低的阿波羅計劃相比，在技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展、重用復用之下，阿爾忒彌斯計劃有著更可靠的持續(xù)發(fā)展性，項目持續(xù)時間越長，成本也就將相應降低。而SpaceX、藍色起源等“鯰魚”的入局，或許可以讓NASA在節(jié)約大量成本的同時，真正實現(xiàn)這場冒險的最終目的——Moon to Mars。
4、“能去的時候一定要去”，中國載人探月時間表已出爐
在阿爾忒彌斯計劃進行的同時，各國的登月探索計劃也在陸續(xù)開展中：澳大利亞、加拿大、意大利、日本、盧森堡、阿聯(lián)酋和英國已經(jīng)加入“阿爾忒彌斯”計劃，并希望能確認開采月球礦產(chǎn)資源的所有權(quán)；中國、俄羅斯與印度等國家則期望通過獨立研制，實現(xiàn)載人登月。
自2007年10月嫦娥一號成功發(fā)射以來，中國已經(jīng)向月球發(fā)射了5次探測器，并實現(xiàn)了人類探測器首次月背軟著陸、帶回人類全新的月壤樣品等巨大成果，這些成功試驗為后續(xù)載人登月奠定了基礎。
據(jù)最新消息，我國已正在論證載人登月方案。探月工程四期經(jīng)過多年論證，已于2021年底正式立項，進入實施階段。在不遠的將來，中國航天員將有望登陸月球，后續(xù)還將建造國際月球科研站 。
而為了滿足未來航天任務的需求，我國新一代載人運載火箭的研制也處于關鍵技術(shù)攻關及方案深化論證階段。在本次珠海航展上，我國新一代運載火箭家族的模型集體亮相，其中就包括備受矚目的載人登月“專車”。預計在2030年左右，通過兩次發(fā)射任務，實現(xiàn)我們自己真正的“嫦娥奔月”。
在關注不多的角落，中國火星探測都開官方微博了。
航天科研耗價高昂，為何各國都要執(zhí)著于載人登月？這其實是一場“高投入高風險高回報”的探索。作為人類史上最復雜的系統(tǒng)工程，航天技術(shù)不僅是國家經(jīng)濟與技術(shù)實力的體現(xiàn)，還可以推動多個高新技術(shù)和基礎科學領域的創(chuàng)新，對國家乃至人類發(fā)展有著重大意義。
阿波羅計劃雖花費了天價的經(jīng)費，卻也實實在在催生了美國液體燃料火箭、微波雷達、無線電制導、合成材料、計算機等高科技工業(yè)，并留下了豐厚的航天基礎設施遺產(chǎn)。俄羅斯曾通過和平號空間站發(fā)現(xiàn)十余個金屬礦和百余個油脈，價值遠超空間站的投入費用。
更何況對于月球、火星等深空探索計劃而言，未知的發(fā)現(xiàn)必定遠超想象。嫦娥一號衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮兼總設計師葉培建曾說：“聯(lián)合國月球公約上說‘月球是全人類的’，這很好，但后面還有一句話叫‘誰開發(fā)誰利用’。如果今天不去，將來想去都去不了，所以在能去的時候一定要去，所以中國一定要去?！彪S著北斗、嫦娥、祝融、中國空間站等航天工程的順利推進，中國的航天能力正在一步步被認可，載人登月目標不再遙不可及。
今年4月1日祝融號中分辨率相機拍攝的火星水手谷局部地貌，圖源：國家航天局
在這場全球大國參與的太空探索競賽中，重返月球只是人類進一步探索其他星球的首站。在全球氣候危機的背景下，人類在保護地球的同時，也不得不向地外探索更多解法，拓展生存空間。
我們沒有更多的退路，只有探索與再探索。
References:
1）NASA官網(wǎng)及Artemis計劃宣傳片
2）ESA官網(wǎng)
3）《耗資230億美元，新一代鴿王登月火箭今現(xiàn)身》，作者/太空精釀，BY 果殼（ID：Guokr42）
4）《從激進、落幕再到追逐：美俄中的載人登月戰(zhàn)爭》，作者/燕良，BY 腦極體（ID：unity007）
5）《美“阿爾忒彌斯”計劃重返月球，全球載人登月熱潮再起》，記者/晨陽，BY 環(huán)球時報
6）Artemis VS Apollo – Will Artemis actually be sustainable?，BY Andy Law，Everydayastronaut