陳澤煜，賀永寧，宋 寧，崔萬照

(1.西安交通大學(xué) 微電子學(xué)院，西安 710049； 2.中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000；3.93995部隊(duì)理論訓(xùn)練系，西安 710306)

0 引言

1969年7月16日，土星5號(hào)超重型運(yùn)載火箭搭載阿波羅11號(hào)飛船從美國卡納維拉爾角的肯尼迪航天中心點(diǎn)火升空，人類首次登月行動(dòng)就此拉開序幕。4天后，美國宇航員尼爾·奧爾登·阿姆斯特朗、巴茲·奧爾德林和邁克爾·柯林斯乘坐登月艙降落月球表面，并在月球上留下了“人類的一大步”。在接下來的3年多時(shí)間里，美國再次向月球表面派送了5批宇航員，這也是人類迄今為止全部的登月活動(dòng)。雖然阿波羅計(jì)劃歷時(shí)11年，耗資255億美元(約占當(dāng)時(shí)美國全部科技研究開發(fā)經(jīng)費(fèi)的20%)，但美國宇航員在月球上度過的總時(shí)間大約只有11天，在月球表面艙外活動(dòng)的總時(shí)間僅有80個(gè)小時(shí)[1]。雖然如此，阿波羅計(jì)劃的實(shí)施仍極大地推動(dòng)了美國科技水平的發(fā)展，使美國在多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域取得全球領(lǐng)先地位，并為后續(xù)美國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了強(qiáng)力支撐[2]。

時(shí)隔50年，美國再次推出阿爾忒彌斯計(jì)劃，開展新一輪的載人登月活動(dòng)。這項(xiàng)全新的登月計(jì)劃將由NASA主導(dǎo)、多方參與，計(jì)劃將在2024年左右實(shí)現(xiàn)載人登月。其遠(yuǎn)期的目標(biāo)是建立月球行動(dòng)基地，實(shí)現(xiàn)人類在月球的長期駐守。這項(xiàng)計(jì)劃涉及了37次發(fā)射任務(wù)，其中8次將通過太空發(fā)射系統(tǒng)(space launch system, SLS)完成，其余的將借助商業(yè)航天的運(yùn)載火箭實(shí)現(xiàn)。該計(jì)劃還包括了將近50個(gè)模塊、太空艙、運(yùn)載火箭與飛船、著陸器和巡游器等。而這一次登月行動(dòng)不僅僅局限于月球，它還將為未來的美國載人探火計(jì)劃提供試驗(yàn)場和中轉(zhuǎn)站。

月球已成為未來航天大國爭奪戰(zhàn)略資源的焦點(diǎn)。月球具有可供人類開發(fā)和利用的各種獨(dú)特資源，是對(duì)地球資源的重要補(bǔ)充和儲(chǔ)備，將對(duì)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。歷史經(jīng)驗(yàn)證明，開展月球探測等深空探測活動(dòng)對(duì)于提升國家科技水平和國際影響力具有重要意義。我國從2004年正式開展月球探測工程，并命名為“嫦娥工程”。如今，嫦娥工程“繞、落、回”三部曲已經(jīng)圓滿收官，下一步載人登月工程的相關(guān)論證工作已經(jīng)展開，相關(guān)技術(shù)攻關(guān)工作也已經(jīng)開始，并預(yù)計(jì)在2030年實(shí)現(xiàn)中國人的首次登月[3-6]。作為已經(jīng)多次成功登月的國家，美國的新一輪載人登月計(jì)劃對(duì)于我國未來探月工程具有參考借鑒價(jià)值。文章將對(duì)美國阿爾忒彌斯載人登月計(jì)劃進(jìn)行綜述，以期為我國深空探測相關(guān)從業(yè)者提供參考。

1 阿爾忒彌斯計(jì)劃概述

從1961年至1972年的11年間，美國耗資255億美元組織實(shí)施了6次載人登月行動(dòng)，并將其命名為阿波羅計(jì)劃。阿波羅是古希臘神話中掌管光明和預(yù)言的神，而他的孿生姐姐阿爾忒彌斯則被用來命名美國21世紀(jì)新一輪的載人登月計(jì)劃。如圖1所示，阿爾忒彌斯作為希臘神話中掌管狩獵、原始自然、月亮和貞潔的女神，經(jīng)常以一個(gè)年輕的女獵人形象出現(xiàn)在繪畫和雕像作品中。NASA選擇阿爾忒彌斯作為新一輪載人登月計(jì)劃的代號(hào)，除了她是古希臘神話中的月亮女神外，還因?yàn)樵谶@次登月計(jì)劃中，將會(huì)有第一位女性航天員登上月球。

圖1 位于巴黎盧浮宮博物館的阿爾忒彌斯雕像Fig.1 Statue of Artemis in the Louvre Museum, Paris

阿爾特彌斯項(xiàng)目參與方包括了歐洲航天局、日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)、加拿大航天局、俄羅斯聯(lián)邦航天局以及美國商業(yè)航天機(jī)構(gòu)等。美國前總統(tǒng)唐納德·特朗普于2017年12月11 簽署了《太空政策1號(hào)指令》，正式批準(zhǔn)了阿爾忒彌斯計(jì)劃。阿爾忒彌斯1號(hào)任務(wù)信息圖如圖2所示。NASA對(duì)于阿爾忒彌斯計(jì)劃的概念有如下表述：

1)展示未來太空探索(包括火星探測)所需的新技術(shù)、能力及商業(yè)方法；

2)確立美國在月球上的戰(zhàn)略存在及領(lǐng)導(dǎo)地位，同時(shí)擴(kuò)大美國在全球的經(jīng)濟(jì)影響力；

3)擴(kuò)大美國的商業(yè)和國際伙伴關(guān)系；

4)激勵(lì)新一代并鼓勵(lì)他們從事科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的職業(yè)。

目前，NASA為阿爾忒彌斯計(jì)劃規(guī)劃了三個(gè)階段的任務(wù)，前兩個(gè)階段任務(wù)的相關(guān)工作已經(jīng)開展。隸屬于NASA咨詢委員會(huì)的人類探索行動(dòng)委員會(huì)給出了這三個(gè)階段任務(wù)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)：

1)第一階段任務(wù)實(shí)施時(shí)間為2019年至2024年，將專注于建設(shè)支持人類半個(gè)多世紀(jì)以來再次實(shí)現(xiàn)登月的系統(tǒng)。第一階段將包括在逆行軌道上進(jìn)行的第一次航天器無人試飛。第一階段任務(wù)代號(hào)為阿爾忒彌斯1號(hào)，核心任務(wù)將以SLS和獵戶座飛船的首次發(fā)射為代表。阿爾忒彌斯1號(hào)原計(jì)劃于2020年底發(fā)射，但目前已推遲至2022年底，事實(shí)上，阿爾忒彌斯1號(hào)的發(fā)射并不順利，從2022年4月起，阿爾忒彌斯1號(hào)先后經(jīng)歷了燃料泄露、傳感器故障、颶風(fēng)影響、熱控系統(tǒng)故障等問題而多次推遲發(fā)射，美國東部時(shí)間2022年11月16日，阿爾忒彌斯1號(hào)任務(wù)終于成功實(shí)現(xiàn)發(fā)射。12月11日，獵戶座飛船在經(jīng)歷了繞月飛行后，重返地球并濺落在美國加利福尼亞州附近海域；

2)第二階段是到2028年擁有在月球及其周圍建立人類可持續(xù)存在所必需的能力。NASA已經(jīng)開啟第二階段任務(wù)的準(zhǔn)備工作，將聚焦于月球表面棲息地技術(shù)、機(jī)動(dòng)能力以及原位資源利用技術(shù)。在第二階段任務(wù)中，阿爾忒彌斯2號(hào)將搭載1名乘員進(jìn)行一次繞月飛行。這項(xiàng)任務(wù)目前計(jì)劃于2022年完成，但如果阿爾忒彌斯1號(hào)任務(wù)延期，阿爾忒彌斯2號(hào)也很可能會(huì)延期。這將是人類首次在高橢圓軌道上進(jìn)行繞月飛行；

3)第三階段任務(wù)是在2030年前實(shí)現(xiàn)人類在月球表面的登陸。任務(wù)中規(guī)劃了一個(gè)稱為“門戶”的繞月空間站，作為著陸月球的中轉(zhuǎn)站。門戶空間站的動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)將會(huì)在2022年底交付，隨后是加壓艙的交付。加壓艙將具有足夠的承載能力，使執(zhí)行阿爾忒彌斯3號(hào)任務(wù)的宇航員能夠乘坐它轉(zhuǎn)移到人類著陸系統(tǒng)上，進(jìn)而降落到月球南極。

圖2 阿爾忒彌斯1號(hào)任務(wù)信息圖[7]Fig. 2 Artemis 1 mission infographic

2 阿爾忒彌斯計(jì)劃要素

2.1 著陸點(diǎn)

NASA為阿爾忒彌斯計(jì)劃所規(guī)劃的首選著陸點(diǎn)是位于月球南極的南極艾特肯盆地，如圖3所示。它是一個(gè)位于月球遠(yuǎn)地側(cè)的巨大撞擊構(gòu)造，其中心位于南緯53°，西經(jīng)169°。它的直徑約為2500km，內(nèi)緣長軸線綿延約2000km。南極艾特肯盆地是月球上公認(rèn)最大、最深以及最古老的盆地。它的海拔范圍跨越深約13km的低谷到高約8km的環(huán)形山脈。地球上的觀測者可以看到最接近南極點(diǎn)的山峰，在人們意識(shí)到這些山峰就是艾特肯盆地邊緣的一部分之前，它們便已被命名為萊布尼茨山脈。

圖3 由月球軌道器激光測高儀和月球勘測軌道器廣角相機(jī)測繪的南極-艾特肯盆地地形圖[8]Fig. 3 Topographic map of the south pole-aitken basin mapped by the lunar orbiter laser altimeter and the lunar reconnaissance orbiter wide-angle camera

NASA選擇艾特肯盆地作為探月登陸點(diǎn)的主要出發(fā)點(diǎn)有兩個(gè)。一是此處可能存在水冰資源，二是盆地邊緣具有天然的對(duì)地通信優(yōu)勢。而在艾特肯盆地中，沙克爾頓隕石坑最具有成為阿爾忒彌斯計(jì)劃的登月點(diǎn)和未來月球基地選址的潛力。沙克爾頓隕石坑是以南極探險(xiǎn)家歐內(nèi)斯特·沙克爾頓的名字命名的，它坐落在艾特肯盆地內(nèi)，幾乎正好位于月球南極點(diǎn)，坐標(biāo)為南緯89.9°，東經(jīng)0.0°。其直徑21km，深達(dá)4.2km。沿著隕石坑邊緣分布的山峰幾乎持續(xù)暴露在陽光下，而內(nèi)部則永遠(yuǎn)處于陰影中，形成一個(gè)永久黑暗的區(qū)域。月球上直接能為人類所使用的水資源，就可能以冰的形式存在于隕石坑中心的永久陰影區(qū)內(nèi)。這些水冰除了可供宇航員飲用外，還可以作為火箭燃料的原料[9]。此外，在隕石坑的邊緣，則分布有可以被太陽永久照射的永晝峰，若在此處布置太陽能發(fā)電裝置，則可以保證源源不斷的電能供給。同時(shí)，這些山峰可以直視地球，因此可以實(shí)現(xiàn)直接對(duì)地通信。因此，科學(xué)家們將目光都聚焦在月球艾特肯盆地上，以尋求最佳的月球登陸點(diǎn)。

2.2 運(yùn)載火箭與飛船

阿波羅計(jì)劃中，NASA使用土星5號(hào)運(yùn)載火箭實(shí)現(xiàn)了9次月球軌道的發(fā)射，其中包括6次載人登月任務(wù)。土星5號(hào)可產(chǎn)生3408t的推力，可向近地軌道運(yùn)送118t重的載荷，而對(duì)月球軌道的運(yùn)載能力達(dá)到了45t。土星5號(hào)運(yùn)載火箭的生產(chǎn)線于1970年關(guān)閉，而在1973年將天空實(shí)驗(yàn)室空間站送入近地軌道后，這款強(qiáng)大、可靠的運(yùn)載火箭正式退出了歷史舞臺(tái)。隨著阿爾忒彌斯計(jì)劃的開啟，NASA迫切需要一款能將大重量載荷運(yùn)送到月球軌道的運(yùn)載火箭，而被廣泛認(rèn)為是土星5號(hào)的繼任者——SLS被NASA寄予厚望，計(jì)劃將承擔(dān)主要的對(duì)月運(yùn)送任務(wù)，包括載人飛行任務(wù)[10]。

如圖4所示，SLS主體由芯級(jí)和一對(duì)固體火箭助推器組成。芯級(jí)是運(yùn)載火箭的中心部分，包含兩個(gè)巨大的液體燃料罐。它們的總高度約為65m，直徑8.4m，用以儲(chǔ)存低溫的液氫和液氧，包括為芯級(jí)4個(gè)RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力的所有系統(tǒng)。它也容納了控制火箭飛行的計(jì)算機(jī)和多個(gè)航空電子設(shè)備。RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)曾作為航天飛機(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)，在航天飛機(jī)退役后，NASA對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)并用在了SLS芯級(jí)上。與RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)相同，SLS的固體火箭助推器也繼承了航天飛機(jī)項(xiàng)目的遺產(chǎn)。Orbital ATK公司利用其庫存的航天飛機(jī)助推器為SLS重新設(shè)計(jì)和建造了固體火箭助推器。為了提供更大的推力，Orbital ATK公司將原本用于航天飛機(jī)的四段式固體火箭改進(jìn)為五段式。用于SLS的五段式固體火箭助推器長度為53.95m，直徑為3.71m，重量為72.6t。由于每一個(gè)固體火箭助推器可為SLS提供1500t的最大推力，這對(duì)助推器總共能夠?yàn)镾LS火箭提供75%的總發(fā)射推力。

圖4 SLS Block 1型模型圖[11]Fig. 4 SLS Block 1 model diagram

NASA為阿爾忒彌斯計(jì)劃所規(guī)劃的主力飛船名為“獵戶座”。它是由洛克希德·馬丁公司設(shè)計(jì)和建造的一款新型宇宙飛船。獵戶座飛船由服務(wù)艙、乘員艙、發(fā)射中止系統(tǒng)以及飛船適配器等部分組成，重約23t，直徑約5m。其加壓艙容積約為19.5m3，可居住容積8.9m3。獵戶座飛船的第一次主要測試是由聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的德爾塔IV重型運(yùn)載火箭在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地37號(hào)航天發(fā)射場發(fā)射，測試時(shí)間為2014年12月5日。在無人測試期間，飛船兩次穿過范艾倫帶，在那里經(jīng)歷了長時(shí)間的輻射，最終到達(dá)地球上方5800km的高度。當(dāng)飛船進(jìn)入大氣層時(shí)，它的速度達(dá)到了32187km/h，外層溫度達(dá)到了2204℃。這項(xiàng)試驗(yàn)測試了隔熱板、航空電子設(shè)備、降落傘、計(jì)算機(jī)和關(guān)鍵的飛船分離操作，并運(yùn)行了多個(gè)至關(guān)重要的獵戶座乘組安全保障系統(tǒng)。2019年7月2日，NASA成功演示了獵戶座飛船的發(fā)射中止系統(tǒng)，這意味著獵戶座飛船已經(jīng)通過了載人飛行前最重要的一次資格測試。SLS和獵戶座飛船將在阿爾忒彌斯1號(hào)任務(wù)中進(jìn)行首次無人集成飛行測試。獵戶座飛船與阿波羅飛船的主要區(qū)別如圖5所示。

圖5 阿波羅飛船(左)和獵戶座飛船(右)主要區(qū)別的對(duì)比[12]Fig. 5 Comparison of the main differences between the Apollo spacecraft (left) and the Orion spacecraft (right)

2.3 著陸器與科學(xué)有效載荷

NASA重返月球計(jì)劃中所面臨的最大技術(shù)挑戰(zhàn)之一，就是開發(fā)從門戶空間站(或月球軌道的其他地方)下降到月球表面的載人著陸器。目前這些計(jì)劃尚未固化。NASA計(jì)劃使用獵戶座飛船將4名宇航員送至門戶空間站，接著用一艘著陸器將其中2名宇航員送到月球表面。NASA已經(jīng)開始商討有關(guān)著陸器的一些初步設(shè)計(jì)合同，并在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面為制造商提供一定的靈活性，包括從門戶空間站下降至月球低軌道，從低軌降落到月球表面，以及任務(wù)完成后先從月面發(fā)射至低軌接著再返回門戶空間站。NASA在為他們的著陸器尋求一個(gè)更加商業(yè)化的合同程序。而現(xiàn)在最大的問題是NASA是否會(huì)從國會(huì)那邊獲得資金以實(shí)際建造該空間站。2018年底，時(shí)任NASA先進(jìn)探索系統(tǒng)部負(fù)責(zé)人的杰森·克魯桑向月球探測分析小組介紹了載人登陸器的情況。除了以前的設(shè)計(jì)概念和架構(gòu)外，還研究了與門戶空間站相兼容的阿爾忒彌斯登陸系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中包括單級(jí)、雙級(jí)和三級(jí)著陸方案。

帶有上升艙和降落級(jí)火箭的雙級(jí)方案更符合SLS的運(yùn)力。然而克魯桑認(rèn)為降落級(jí)的重量過大，無法通過在未來十年內(nèi)可能會(huì)面世的商業(yè)運(yùn)載火箭來運(yùn)輸。而阿波羅15、16、17號(hào)任務(wù)所使用的阿波羅擴(kuò)展登月艙重達(dá)16t，最多可維持2名宇航員在月球表面3天活動(dòng)。

三級(jí)方案除上升艙和降落艙外，額外引入一個(gè)“拖船”或轉(zhuǎn)運(yùn)級(jí)(或稱為“轉(zhuǎn)運(yùn)模塊”或“轉(zhuǎn)運(yùn)飛行器”)。它將把著陸器從門戶空間站轉(zhuǎn)運(yùn)到較低的軌道上，以減少著陸器需要攜帶的燃料重量。如此一來，多型運(yùn)載火箭都可以滿足條件，從而為商業(yè)航天公司和國際伙伴提供更多合作機(jī)會(huì)。先進(jìn)探測著陸器是NASA關(guān)于三級(jí)登陸器概念的構(gòu)想。著陸器首先從門戶空間站出發(fā)，接著通過轉(zhuǎn)運(yùn)飛行器將宇航員送到月球低軌，然后分離。之后降落艙(附帶上升艙)將駛向月球表面開展任務(wù)。最多4名宇航員(大概率是2名)在月球表面停留約兩周時(shí)間，然后乘坐上升艙升空，返回門戶空間站。降落艙和推進(jìn)裝置的重量為12～15t，可通過商業(yè)運(yùn)載火箭分批發(fā)射，并在門戶空間站處組合。

杰夫·貝佐斯于2019年10月22日宣布，藍(lán)色起源公司打算與洛克希德·馬丁公司、諾斯羅普·格魯曼公司和德雷珀實(shí)驗(yàn)室合作，為阿爾忒彌斯計(jì)劃開發(fā)一個(gè)具有載人能力的月球著陸系統(tǒng)，如圖6所示。作為這個(gè)項(xiàng)目的主承包商，藍(lán)色起源將負(fù)責(zé)項(xiàng)目的管理及任務(wù)擔(dān)保。洛克希德·馬丁公司將建造藍(lán)月著陸器的可重復(fù)使用部分，該部分搭載宇航員從月球表面返回，也被稱為 “上升艙”。該公司還將為該飛行器提供專門的宇航員培訓(xùn)服務(wù)，并引導(dǎo)其運(yùn)行。諾斯羅普·格魯曼公司將提供“轉(zhuǎn)運(yùn)艙”，實(shí)現(xiàn)登陸系統(tǒng)從門戶空間站到月球低軌的轉(zhuǎn)運(yùn)。德雷珀實(shí)驗(yàn)室將主導(dǎo)降落飛行器制導(dǎo)系統(tǒng)的開發(fā)工作，并提供相關(guān)的航電設(shè)備。

圖6 藍(lán)色起源公司載人登月著陸器概念圖[13]Fig. 6 Blue origin’s crewed lunar lander concept

2019年11月5日，波音公司根據(jù)其在國際空間站、SLS和星際航線項(xiàng)目中所積累的經(jīng)驗(yàn)，向NASA提交了一份關(guān)于載人登月的提案。波音公司計(jì)劃使用提升了運(yùn)載能力的SLS Block 1B型火箭與探索上面級(jí)來實(shí)現(xiàn)“通往月球的最快步驟”，以打通通往月球表面最安全和最直接的路徑。據(jù)該公司稱，此方案可使載人登月的關(guān)鍵任務(wù)節(jié)點(diǎn)縮短至5個(gè)，而不是其他提議所需求的11個(gè)或更多。

撤銷轉(zhuǎn)運(yùn)級(jí)并將集成的著陸器送到月球軌道上，將大幅減少發(fā)射次數(shù)并精簡著陸的步驟。事實(shí)上，這個(gè)著陸器既可以與網(wǎng)關(guān)對(duì)接，也可以直接與NASA的獵戶座飛船對(duì)接，不需要額外的航天器，從而使NASA實(shí)現(xiàn)其2024年度任務(wù)的可能性增加了。

由于計(jì)劃中第一次飛行前的窗口時(shí)間很短，NASA的相關(guān)場所正在緊鑼密鼓地開發(fā)第一批科學(xué)有效載荷。隨后將選擇包括來自大學(xué)和工業(yè)界提供的有效載荷。其目的是每年調(diào)用有效載荷以創(chuàng)造更多的機(jī)遇。

2019年2月21日，NASA宣布了首批12個(gè)有效載荷和實(shí)驗(yàn)，它們將分別執(zhí)行以下任務(wù)：

1)線性能量轉(zhuǎn)移光譜儀，用于監(jiān)測月球表面輻射；

2)磁強(qiáng)計(jì)，用來測量月球表面磁場；

3)近地側(cè)月球表面低頻無線電觀測，這是一項(xiàng)用射頻信號(hào)測量月球表面附近光電子鞘層密度的實(shí)驗(yàn)；

4)一套由3臺(tái)儀器組成的設(shè)備，用于收集航天器在月球表面降落和著陸期間的數(shù)據(jù)，以輔助開發(fā)未來載人著陸器；

5)用于月球表面羽流研究的立體相機(jī)，是一組用于監(jiān)測著陸器發(fā)動(dòng)機(jī)羽流與月球表面之間相互作用的相機(jī)；

6)著陸器對(duì)月球表面和外大氣層的改變，作為另一臺(tái)著陸監(jiān)測器，用于研究航天器對(duì)脆弱的月球外大氣層影響；

7)導(dǎo)航多普勒激光雷達(dá)是一種速度和測距儀器，用于速度和距離精確傳感，可使月球著陸更加精確；

8)近紅外揮發(fā)物光譜儀系統(tǒng)是一種分析月球表面成分的成像光譜儀；

9)中子光譜儀系統(tǒng)和月球表面的先進(jìn)中子測量是一對(duì)中子探測器，用于量化月壤表層土表面附近的氫以及水；

10)月球表面揮發(fā)物離子阱質(zhì)譜儀是測量月球表面和外大氣層揮發(fā)物的質(zhì)譜儀；

11)用于實(shí)現(xiàn)月球表面長期發(fā)電的太陽能電池示范平臺(tái)，是一種用于長期任務(wù)的下一代太陽能電池陣列；

12)“月球節(jié)點(diǎn)1號(hào)”導(dǎo)航演示器，為軌道飛行器和著陸飛船提供地理定位的導(dǎo)航信標(biāo)。

2.4 門戶空間站

在阿爾忒彌斯計(jì)劃中，NASA提出了門戶繞月空間站的概念[14]，如圖7所示。即向月球發(fā)射一個(gè)小型空間站，作為登陸月球的中繼站或跳板。NASA門戶空間站的理念是將必要的功能分配到各個(gè)高級(jí)的模塊中，電力和推進(jìn)(通信)模塊、居住/活動(dòng)艙、后勤補(bǔ)給、氣閘和機(jī)械臂。一個(gè)有效的居住及應(yīng)用功能包含集成了居住系統(tǒng)與組件的加壓艙，對(duì)接端口，環(huán)境控制與生命支持系統(tǒng)，航電與控制系統(tǒng)，輻射防護(hù)與監(jiān)測，消防安全系統(tǒng)，自動(dòng)控制能力、應(yīng)用以及宇航員健康保障(包括鍛煉器材)。NASA認(rèn)為，與空間發(fā)射系統(tǒng)和獵戶座飛船一起，門戶空間站是支持和推動(dòng)人類實(shí)現(xiàn)太空探索目標(biāo)的核心，也是美國實(shí)現(xiàn)載人繞月行動(dòng)、月面登陸和火星任務(wù)架構(gòu)中唯一的共用跳板。門戶空間站將會(huì)促進(jìn)美國工業(yè)發(fā)展，確保美國在其他國家可涉足的新興、關(guān)鍵領(lǐng)域中的領(lǐng)導(dǎo)地位[14-15]。

圖7 門戶空間站概念圖[16]Fig. 7 Gateway concept diagram

在NASA的計(jì)劃中，門戶空間站將具有如下功能：

1)包含初代月球通信功能的動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)；

2)居住及利用功能包含集成了居住系統(tǒng)與組件的加壓艙，對(duì)接端口，環(huán)境控制與生命支持系統(tǒng)，航電與控制系統(tǒng)，輻射防護(hù)與監(jiān)測、消防安全系統(tǒng)，自動(dòng)控制能力、應(yīng)用、以及宇航員健康保障(包括鍛煉器材)；

3)多個(gè)后勤保障飛行任務(wù)；

4)乘組氣閘、科研氣閘和科學(xué)氣閘舾裝；

5)科學(xué)實(shí)驗(yàn)(包括艙內(nèi)和艙外)，包括與科學(xué)氣閘協(xié)同使用的立方體衛(wèi)星(Cubesat)部署器；

6)對(duì)接功能，額外的推進(jìn)劑存儲(chǔ)功能(可為門戶空間站提供額外的燃料)以及先進(jìn)的月球通信功能；

7)包含機(jī)械臂接口的機(jī)械臂；

8)交會(huì)傳感器組件；

9)可支持人類和機(jī)器人開展月球表面任務(wù)。

目前，門戶空間站第一個(gè)模塊——?jiǎng)恿ν七M(jìn)模塊的研制合同已經(jīng)授予馬克薩科技公司，研制工作已經(jīng)開展。但門戶空間站目前還存在著不小的爭議。如NASA前副局長道格拉斯·庫克認(rèn)為，NASA讓人類登上月球的最快、最可靠的方法是忽略商業(yè)發(fā)射裝置，繞過門戶，加快探索上面級(jí)的開發(fā)，使SLS單次發(fā)射就能滿足著陸器的輸送——類似于20世紀(jì)60年代的阿波羅設(shè)計(jì)。阿波羅11號(hào)宇航員巴茲·奧爾德林表示，他“非常反對(duì)門戶空間站”，“將門戶空間站用作機(jī)器人或人類登月任務(wù)的中轉(zhuǎn)區(qū)是荒謬的?！?奧爾德林還質(zhì)疑“將機(jī)組人員送往太空中間點(diǎn)，在那里搭載著陸器并降落”的好處。他表示支持羅伯特·祖布林直達(dá)月球的理念，該理念涉及到了從地球軌道到月球表面再返回的月球著陸器。

門戶空間站是基于美國目前缺乏對(duì)月軌道重型載荷輸運(yùn)能力現(xiàn)狀的折中方案。由于阿爾忒彌斯總預(yù)算有限，門戶空間站項(xiàng)目必然會(huì)擠壓其他項(xiàng)目的預(yù)算，因此有人質(zhì)疑門戶空間站不僅無法幫助美國快速實(shí)現(xiàn)載人登月的目標(biāo)，甚至?xí)璧K計(jì)劃的進(jìn)展。

2.5 商業(yè)航天的參與

阿爾忒彌斯計(jì)劃是由NASA發(fā)起、多方參與的一項(xiàng)載人登月計(jì)劃，除了各國航天局等官方機(jī)構(gòu)的參與外，美國將其國內(nèi)的商業(yè)航天公司也納入了合作伙伴名單中。這些商業(yè)航天公司憑借技術(shù)、資本的優(yōu)勢，從NASA獲得了大量載人登月裝備或模塊的承包合同，涵蓋運(yùn)載火箭、飛船、著陸器、有效載荷等。

乘組人員將利用獵戶座飛船抵達(dá)門戶空間站，而獵戶座飛船被認(rèn)為是來自NASA的航天器，而非商業(yè)航天工業(yè)。獵戶座飛船將通過SLS發(fā)射。利用商業(yè)火箭發(fā)射的商業(yè)航天器可以執(zhí)行對(duì)接門戶空間站的無人飛行任務(wù)。目前所設(shè)計(jì)的商用航天器僅用于近地軌道飛行，但它們以后也可能會(huì)被重新設(shè)計(jì)用于月球軌道。

名為“星際航線”的波音CST-100太空艙是由波音公司開發(fā)的航天器，參與了NASA的商業(yè)載人航天計(jì)劃。它被設(shè)計(jì)用于近地軌道，主要目的是將宇航員運(yùn)送到國際空間站。它在概念上類似于洛克希德·馬丁公司為NASA建造的獵戶座飛船，但后者能夠在月球空間執(zhí)行任務(wù)。星際航線的發(fā)射質(zhì)量為13t，其直徑為4.56m，長度為5.03m。它的總體積為11m3，略大于阿波羅指揮艙，但小于獵戶座飛船。星際航線太空艙最多可搭載7人，可在軌道上停留7個(gè)月，最多可重復(fù)使用10次任務(wù)。它與4種運(yùn)載火箭兼容：阿特拉斯5號(hào)、德爾塔4號(hào)、獵鷹9號(hào)以及火神。2019年12月20日的試飛使用了阿特拉斯5號(hào)N22(代碼表示沒有空氣動(dòng)力護(hù)罩、兩個(gè)固體推進(jìn)器和一個(gè)帶有兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的上面級(jí))，并從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地的SLC-41發(fā)射臺(tái)發(fā)射。

龍飛船2號(hào)，即載人龍飛船，是由SpaceX公司開發(fā)和制造的可重復(fù)使用的飛船，并被作為貨運(yùn)龍飛船的后繼型號(hào)，如圖8所示。它通過獵鷹9號(hào)Block 5型火箭發(fā)射，通過海面濺落的方式返回地球。與貨運(yùn)龍飛船相比，載人龍飛船擁有更大的窗口、新的飛行計(jì)算機(jī)和航空電子設(shè)備、重新設(shè)計(jì)的太陽能電池陣列，以及改進(jìn)的外部輪廓線。計(jì)劃中有兩種型號(hào)：載人龍飛船，一種可搭載7名宇航員的載人飛船，以及貨運(yùn)龍飛船，作為原龍飛船的迭代品。貨運(yùn)龍飛船將被改裝為已經(jīng)成功飛行的載人龍飛船。

圖8 SpaceX公司設(shè)計(jì)制造的載人龍飛船4號(hào)[17]Fig. 8 Crewed Dragon spacecraft 4 from SpaceX

商業(yè)登月有效載荷服務(wù)是NASA于2018年4月開啟的一項(xiàng)計(jì)劃，旨在將向月面運(yùn)送小型機(jī)器人著陸器與巡游車項(xiàng)目外包出去，其中一部分將被送往因水冰而聞名的月球南極區(qū)域。其目標(biāo)是尋找可以使用“原位資源利用”技術(shù)開發(fā)的資源，并開展月球科學(xué)研究，從而對(duì)阿爾忒彌斯載人登月計(jì)劃提供支持。商業(yè)登月有效載荷服務(wù)計(jì)劃使用固定價(jià)格合同購買地球和月球表面之間端到端的有效載荷服務(wù)。

商業(yè)登月有效載荷服務(wù)項(xiàng)目由NASA總部的科學(xué)任務(wù)局、人類探索與運(yùn)營委員會(huì)以及科學(xué)技術(shù)任務(wù)局共同管理。NASA希望承包商提供安全集成、容納、運(yùn)輸和運(yùn)營NASA有效載荷所需的所有活動(dòng)，包括運(yùn)載火箭、月球著陸器、月球表面系統(tǒng)和返回地球的再入飛行器?！帮w行良機(jī)”計(jì)劃預(yù)計(jì)將在2020年中期開始。

3 阿爾忒彌斯計(jì)劃對(duì)我國探月工程的啟示

美國早在20世紀(jì)70年代就已經(jīng)通過阿波羅計(jì)劃實(shí)現(xiàn)了載人登月，并帶回大量月壤樣品。NASA在深空探測領(lǐng)域積累了大量技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)了一大批航天人才，帶動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。如今美國重啟載人登月計(jì)劃，其目標(biāo)不僅是登上月球，遠(yuǎn)期目標(biāo)還包括在月球建立永久行動(dòng)基地，并為載人探火奠定基礎(chǔ)。作為航天大國，我國也啟動(dòng)了一系列探月工程，并計(jì)劃在未來十年實(shí)現(xiàn)載人登月。美國在推進(jìn)阿爾忒彌斯載人登月計(jì)劃中所采取的戰(zhàn)略措施和獲得的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)對(duì)于我國未來探月工程的開展具有借鑒意義。

首先是對(duì)于基礎(chǔ)學(xué)科的重視和投入。在白宮發(fā)布的NASA 2020財(cái)年預(yù)算中，有1.23億美元的預(yù)算將被用于科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)項(xiàng)目中，以激勵(lì)和培養(yǎng)未來將從事這些方向的研究者，這比2019年頒布的水平高出1300萬美元。在各項(xiàng)預(yù)算中，這一部分預(yù)算的增長率是最高的。我國探月工程至今已經(jīng)取得了多項(xiàng)偉大成就，嫦娥5號(hào)已經(jīng)攜帶月壤樣品返回地球，但載人登月的相關(guān)技術(shù)還需要進(jìn)行大量的開發(fā)與積累，因此增強(qiáng)對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)的投入是十分必要的。

其次，重型運(yùn)載火箭技術(shù)對(duì)于載人探月工程至關(guān)重要。如果美國現(xiàn)在還擁有類似土星5號(hào)的超級(jí)重型運(yùn)載火箭，那么NASA就可以避免阿爾忒彌斯計(jì)劃中所有的復(fù)雜設(shè)計(jì)而實(shí)現(xiàn)直接登月，畢竟土星5號(hào)可將近50t重的載荷運(yùn)送到跨月注入點(diǎn)。但是土星5號(hào)阿波羅時(shí)代就已經(jīng)退出歷史舞臺(tái)。1973年，土星5號(hào)的最后一次發(fā)射將太空實(shí)驗(yàn)室空間站送入了地球軌道。由于缺乏近似的運(yùn)載能力，任務(wù)規(guī)劃者必須秉持利用較弱的運(yùn)載火箭來實(shí)現(xiàn)發(fā)射任務(wù)的運(yùn)營理念，特別是SLS以及還在穩(wěn)定發(fā)展的商業(yè)火箭。2022年4月，由于三次發(fā)射演練失敗，美國國家航空航天局新一代登月火箭“太空發(fā)射系統(tǒng)”將被撤下發(fā)射臺(tái)，轉(zhuǎn)運(yùn)回總裝大樓檢測維修，今后演練和發(fā)射計(jì)劃未定。這無疑會(huì)再次推遲美國宇航員登上月球的時(shí)間。發(fā)展重型運(yùn)載火箭，對(duì)于開展載人探月活動(dòng)以及后續(xù)的探火工程具有重要的意義。不同于美國試圖通過“打了類固醇的阿波羅”的方式(即用更大、更強(qiáng)性能的著陸器實(shí)現(xiàn)直接登月)實(shí)現(xiàn)載人登月目標(biāo)，中國探月工程根據(jù)我國的經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平制定了穩(wěn)扎穩(wěn)打的“三步走”戰(zhàn)略，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)探測器繞月、著陸器登陸以及月壤采樣返回的目標(biāo)。在此基礎(chǔ)上中國探月工程已經(jīng)開展了載人登月計(jì)劃的相關(guān)論證與技術(shù)攻關(guān)工作，工程進(jìn)度穩(wěn)步推進(jìn)。而美國阿爾忒彌斯載人登月計(jì)劃由于缺乏合理的戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃而造成進(jìn)度的一再推遲。

再次，還應(yīng)積極探索商業(yè)航天合作模式。2019年3月26日，時(shí)任美國副總統(tǒng)彭斯在阿爾卑斯州亨茨維爾舉行的國家空間委員會(huì)第五次會(huì)議上表示：“如果一家商業(yè)公司能夠以比現(xiàn)有水平更快的速度和更低的成本向納稅人交付火箭、月球著陸器或其它任何功能模塊，那么NASA需要有權(quán)利和勇氣迅速改變方向以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)”。因此，在阿爾忒彌斯計(jì)劃中，NASA選擇將大量硬件模塊、貨運(yùn)任務(wù)以及運(yùn)載火箭等項(xiàng)目分包給美國的商業(yè)航天公司。這是為了在有限的預(yù)算水平下盡快地推動(dòng)阿爾忒彌斯計(jì)劃前進(jìn)。這一戰(zhàn)略催生了一大批具有高技術(shù)水平的美國商業(yè)航天公司，如SpaceX、藍(lán)色起源等。這些公司通過競標(biāo)獲得合同，同時(shí)也會(huì)獲得NASA的技術(shù)轉(zhuǎn)移，進(jìn)而為阿爾忒彌斯計(jì)劃的開展提供助力。中國目前也具備一定規(guī)模的商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)，涉及運(yùn)載火箭、小型衛(wèi)星等領(lǐng)域，因此可以積極探索新的合作模式，從而為國家探月工程的推進(jìn)提供新的動(dòng)力。

此外，大功率小型化的微波通信載荷在深空探測領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。這是因?yàn)檫@類載荷在提升遠(yuǎn)程通信能力的同時(shí)可以大幅降低載荷質(zhì)量，從而可以有效降低發(fā)射成本。但微放電、無源互調(diào)等特殊效應(yīng)制約了微波系統(tǒng)向大功率小型化方向的發(fā)展。NASA、ESA及國內(nèi)外多家航天機(jī)構(gòu)對(duì)此投入了大量人力和物力，開展這類空間特殊效應(yīng)的機(jī)理及防護(hù)技術(shù)研究。因此，面向我國未來即將開展的載人探月工程，必須加強(qiáng)這一領(lǐng)域的相關(guān)基礎(chǔ)研究，從而為深空探測活動(dòng)中的空間通信安全保駕護(hù)航。

4 結(jié)論

美國新一輪載人登月計(jì)劃被以希臘神話人物阿爾忒彌斯命名。目前，NASA為阿爾忒彌斯計(jì)劃規(guī)劃了三個(gè)階段的任務(wù)，分別為無人繞月探測、載人繞月探測及載人登月。與阿波羅計(jì)劃不同，阿爾忒彌斯計(jì)劃中將要建設(shè)永久的月球行動(dòng)基地，同時(shí)為載人探火行動(dòng)奠定基礎(chǔ)。除了來自NASA的太空發(fā)射系統(tǒng)火箭和獵戶座飛船，阿爾忒彌斯計(jì)劃中將會(huì)借助商業(yè)航天所提供的運(yùn)載火箭、飛船、巡游器及有效載荷等模塊，以加速實(shí)現(xiàn)計(jì)劃目標(biāo)。此外，NASA還計(jì)劃發(fā)射一個(gè)名為“門戶”的繞月空間站，以作為探月活動(dòng)的中轉(zhuǎn)站。我國在完成嫦娥工程“繞、落、回”階段性任務(wù)后也將開展載人登月計(jì)劃，阿爾忒彌斯計(jì)劃對(duì)于我國未來探月工程的開展具有借鑒價(jià)值。