一发40亿美元，新款“火箭刺客”启程奔月

本文来自微信公众号：果壳 （ID：Guokr42），作者：太空精酿，编辑：Steed，题图来自：视觉中国

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。

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。

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。

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。

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。

“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。

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。

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。

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。

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。

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。

“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。

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。

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。

本文来自微信公众号：果壳 （ID：Guokr42），作者：太空精酿，编辑：Steed