从思考到创造 2022-11-17 08:56
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本文来自微信公众号：硅星人 （ID：guixingren123），作者：光谱、杜晨，编辑：VickyXiao，头图来自：视觉中国
很多人可能都有一个相同的梦想：
也许有一天，我们能够走出地球，踏上太阳系里的其他星球的表面，建立能够支持大规模居住的前哨基地，前往更加遥远的星系，探索深远的太空。
那样的未来还很遥远，但在上世纪60年代，人类就已经通过阿波罗登月计划迈出第一步了。
而在60年后的今天，美国总算是迈出了第二步：
在多次技术事故、错过窗口，所导致的长达两个月的推迟后，美国宇航局 NASA 终于在休斯顿当地时间周三11月16日凌晨1:48左右，完成了阿尔忒弥斯（Artemis）载人登月计划的第一枚火箭发射，将一颗无人搭乘的飞船送出了大气层。
图片来源：NASA
发射最初原定于8月29日进行，不过由于在当天火箭的三号引擎出现了冷却问题，NASA 决定利用这次事件收集更多的数据以便以后使用，取消了发射。之后情况并没有太多改善，过了整整五天，问题仍然没有完全解决，到了当周周六第二个发射窗口，火箭燃料装载又出现了泄漏问题。
之后，阿尔忒弥斯继续问题不断，错过了一个又一个窗口期。
好在在两个月之后，所有的问题终于全部解决，天时地利人和总算凑齐，火箭成功发射。
截至发稿，飞船已经和火箭成功分体，以高达5600英里/小时的速度奔赴月球。
图片来源：NASA
在未来的几十天里，这艘飞船将利用引力弹弓效应冲出地球轨道，飞向月球，进入其轨道，完成一系列预定的测试动作和科学观测任务，然后返回地球。
图片来源：NASA
正如月亮女神阿尔忒弥斯是太阳神阿波罗的妹妹，NASA 最新的计划，也是上世纪著名的阿波罗登月计划的精神延续。
自打1969年阿姆斯特朗和奥尔德林的首次登月、72年底阿波罗17号的最后一次成功登月——人类已经有整整50年时间，没有再踏上过月球了。
而这次的登月计划更加激进：NASA 不光要让其宇航员重返月球，还希望在月球上建立永久基地，为将来登陆火星，以及更复杂和深远的太空探测任务，奠定关键的基础。
但目前的情况，和60年前阿波罗计划问世的时候，区别很大。在今天，美国早已不是唯一具有载人登月野心的航天技术超级大国了。
中国不仅已经具备了可工作的空间站，也在不久前官宣了登月计划，并确认将在十年内具备载人登月能力。与此同时，俄罗斯、印度等航天大国也对月球虎视眈眈。
月球，接下来要热闹非凡了。
阿尔忒弥斯1号细节全貌
2022年11月15日周二，阿尔特弥斯1号（Artemis I）从肯尼迪航天中心的39B发射台成功点火发射。
这次发射创造了两个“第一”：
首先，这是 NASA 的“空间发射系统”（Space Launch System，简称 SLS）火箭的第一次真实发射。
SLS 是 NASA 设计的重型运载火箭发射系统，推进器基于航天飞机，并且取代了这一已经退役的发射系统。SLS 的高度和美国“自由女神像”相近（见下图）。美国计划使用 SLS 来发射未来10年内的外层太空探索任务，直到更新、更大、更强的新火箭的问世。
在地面点火发射的几分钟内，火箭的几台发动机烧掉了数百万公升的液体推进剂和大约100万公斤的固体燃料，从而获得高达4400公吨的推力。它可以携带极重的有效载荷（最大46吨），将宇航员送到更远的太空中。
综合公开信息，SLS 火箭的点火发射一次的总成本就高达40亿美元。整个 SLS 项目的推进至少被推迟了近20次，首次发射的时间表已经推迟了数年。
图片来源：NASA
其次，这也是洛克希德·马丁和空客两家巨头公司联合开发的猎户座飞船（Orion）第一次进入太空的飞行。
猎户座飞船是目前唯一能够进行人类深空飞行的航天器，配备了太阳能电池板、玻璃驾驶舱、自动对接系统、生命支持系统等，可以支持最多6人的机组。
一个最关键的细节在于：这次的猎户座飞船具备发射中止逃逸系统，如果在发射上升过程中发生了灾难性故障，乘员舱可以被高速弹出，并独立展开减速伞返回地表——避免重蹈挑战者号航天飞机因缺乏逃逸系统而导致全员身亡的事故覆辙。
猎户座飞船组成示意图，1=发射中止系统，2=乘员模组，3=服务模组 图片来源：NASA
就像 SLS 火箭一样，本来这个飞船的命名也很无聊，叫做“载人探索飞行器”(Crew Exploration Vehicle， CEV)。但是在之前的一次采访中，某位航天员不小心说漏了嘴，NASA 最后不得不采用了“猎户座”的名字。
（关于登月飞船还有个轶事：去年 NASA 跟 SpaceX 签署合约，批准了29亿美元让该公司开发两艘登月飞船，结果被贝佐斯的蓝色起源公司提出抗议，导致合作暂停。）
有趣的是，虽然阿尔忒弥斯1号是无人驾驶的，但是这次的猎户座飞船上确实有几个乘客……
首先是船长“月尼金·坎波斯”（Moonikin Campos）。它是一个测试假人，任务就是扮演宇航员，身上有一些人造的“器官”，也安装了一堆各种各样的生命维持装置和辐射传感器，以便于 NASA 收集整个飞行过程的相关数据，从而提高后续载人任务的安全性和舒适性。
这个假人的命名由两部分组成。名字是“月球”（moon）+“假人”（mannequin）的合成；姓则取自已故的 NASA 员工阿图罗·坎波斯。当年阿波罗13号飞船出现严重系统故障的时候，这位工程师在地面上设计了一套紧急应对方案，最终成功使得机上三名宇航员成功安全返回地球。
这次 NASA 用假人的命名来致敬他，也许是希望借点好运气吧~
Moonikin Campos 图片来源：NASA
说完船长，再来看另外两位人形船员。
NASA 工作人员还在飞船上安装了两个女性上半身假人模型，分别名为“神圣”（Helga）和“光明”（Zohar）。它们的任务是进行宇宙辐射防护的对照试验：一个穿着 StemRad 公司和洛·马联合开发的 AstroRad 辐射保护背心，另一个则不做任何保护。
至于采用女性模型的理由，是因为在下一次发射的时候，NASA 将首次把女性宇航员送上月球（此前所有通过阿波罗计划登月的宇航员都是白人男性）。NASA 计划在未来的任务中同时派遣男性和女性宇航员，因此收集两种性别特有的健康风险的数据是至关重要的。
Helga 和 Zohar 图片来源：NASA
为了让船长和两位船员在宇宙中不寂寞……
NASA 还安排了史努比和小羊肖恩的毛绒玩具陪着他们。
史努比是美国宇航员的老朋友，已经不是第一次上太空了，这次它的任务是作为“失重指示器”（zero G indicator）。
图片来源：NASA
小羊肖恩则是欧洲宇航局送来搭车的……
图片来源：NASA
除了主要有效载荷猎户座飞船之外，阿尔忒弥斯1号还有一个辅助有效载荷，也即10枚立方卫星（CubeSat）。
在SLS 火箭的最后一级和猎户座飞船分离的同时，这些超小型的卫星将被释放出来。它们各自具备独立的观测和测试任务，比如其中一枚卫星专门用于搜索月球冰，另一枚则搭载了太阳帆，任务是对近地小行星等物体进行观测和接触。
本次发射任务的立方卫星 图片来源：NASA
释放立方卫星的同时，猎户座飞船本体则已经踏上了前往月球空间的旅程。进入轨道范围之后，飞船的推进器将进行点火，使其进入月球的“远距逆行轨道”（DRO，中国的嫦娥5号观测器也在这个轨道上）绕行飞过月球的黑暗面。
完成环绕飞行后，猎户座推进器将再次点火，并重返地球大气层，最终在减速伞的帮助下完成降落。
图片来源：NASA
此次发射任务的主要目标之一也是测试猎户座飞船的隔热罩，因为它返回大气层的速度超过每小时4万公里，超过了以往绝大多数宇航器，外表的温度将超过2800摄氏度。人类宇航员活不活得下来，就要看飞船能否耐得住如此高温和大气摩擦了……
猎户座飞船的隔热罩 图片来源：NASA
项目严重超支，充满不确定性
阿尔忒弥斯1号任务成功与否，很大程度上将决定美国后续载人登月任务的执行。
目前，NASA 计划在2024年发射阿尔忒弥斯2号，搭载4名人类宇航员进行绕月飞行，不登陆月球。该任务的最远飞行地点将达到距离月球暗面的1.6万公里处，这也将成为任何人类去到过的距离地球最远的地方。
在2025年，阿尔忒弥斯3号将搭载4名人类进入月球轨道，其中两人将乘坐登陆器，踏上月球南极的土地，总停留时间为六天半，然后返回轨道器，再一同返回地球。届时，女性宇航员将首次在月球上行走，创造一个历史性的时刻。NASA 认为这将有助于提高女性对于太空和 STEM 专业教育的兴趣和热爱。
阿波罗计划宇航员 图片来源：NASA 历史资料
美国国会曾经发表监管报告对阿尔忒弥斯计划作出批评，指责项目组使用不成熟的技术，制定了过于激进的时间表，不仅打乱了政府和公众的预期，也使得项目面临额外的技术风险。
目前，阿尔忒弥斯的载人发射任务已经推迟了多次，并且预算严重超标。据估计从2021到2025年，NASA 将为该计划花费总计530亿美元。美国联邦政府财务监察曾经评价 SLS 项目“不可持续”，但 NASA 仍在进一步开发载荷更高、推力更强、成本也更加昂贵 SLS Block 2型火箭。
而到了2027年，NASA 计划发射“月球门户”（Lunar Gateway）的第一个模组，正式启动这个永久性太空站的建设工作。就像天宫是地球的空间站那样，月球门户是一个设计围绕月球运行的永久性空间站，为来访的飞船提供对接端口。
建成之后，月球门户将为宇航员提供居住和后勤服务。另外，对于之后的深空探索和物资运输任务，月球门户也是一个中转停靠的站点。
由于阿尔忒弥斯计划本身拖延严重，对月球门户的研发进展也产生了一定的延期影响。
月球门户渲染图 图片来源：NASA
再过几年，NASA 计划在月球南极建立一个地表基地，可以容纳最多4名“月球居民”长达1个月的停留。
另外 NASA 也在开发敞篷的轻便型月球车，以及封闭加压的重型月球车，方便宇航员进行短途和长距离的月球探索任务。
考虑到月球的引力比地球小得多，发射更重、旅程更远的飞行器也更加容易，美国也计划把月球门户、月球地表基地，作为对火星进行进一步探索，甚至载人登陆火星任务的发射场和中转站。目前 NASA 预计在2030年代将注意力转移到火星任务上。
月球车示意图 图片来源：NASA
登月不再是美国的专属游戏
在上个世纪，太空竞赛一度是美、苏两个超级大国之间的游戏。而在载人登月上，美国基本取得了压倒性的胜利，成为了唯一的霸主。
然而到了21世纪，美国已经意识到了仅靠自己一国的实力很难完成像上世纪那样的太空探索创举。
在2020年，美国与包括澳大利亚、加拿大、日本、法国、英国、乌克兰、阿联酋、韩国、新加坡、以色列等共22个国家和地区共同起草并签订了多边协定《阿尔忒弥斯协议》（Artemis Accords）。
（在阿尔忒弥斯1号的发射载荷清单当中，也可以找到来自各个缔约国航天部门的物资和纪念品。）
阿尔忒弥斯协议中文对照翻译（中国并未签署该协议） 图片来源：NASA
协议当中对于外层太空中的商业行为的规定，在一定程度上受到了国际社会的批评。包括俄罗斯官方，甚至一些美国本土的专家，都曾谴责阿尔忒弥斯协议“制定了有利于本国的国际空间法”。
比如，NASA 自己宣称对阿波罗计划已经登月的地点进行保护，相当于主张了对于这些月球地表地点的拥有权，不符合联合国《外层空间条约》关于“月球上不应该存在国家主权领土”的精神和相关表述。
再比如，阿尔忒弥斯协议在原则上为民间航天商业公司在太空中开采并拥有资源材料开启了可能性。而考虑到美国又是绝大多数私营航天公司的注册国，这样做就违反了《外层空间条约》关于商业开发应该得到多边批准的要求，也违反了国际上多边许可证制度的精神。
一个更为关键的事实在于：中国和俄罗斯这两大和美国实力相近的航天大国，并没有参与到这个以美国为首的协议当中。
自从2021年以来，中国已经成功完成多次天宫空间站的相关发射，目前多个核心功能舱室和模组已经成功完成组装和测试。
在天宫空间站取得优秀成绩之后，中国的探月工程也受到了更多关注。
天宫空间站于2022年7月底的构型模拟图 图片来源：Shujianyang
根据公开资料，中国探月工程的前三期均已经成功完成各项关键任务：
一期工程（绕月）的嫦娥一号和二号探测器分别于2007和2010年完成了任务；
二期工程（落月）的嫦娥三号和四号探测器均已成功实现软着陆，并且释放了各自携带的玉兔一号和二号月球车。并且，鹊桥号中继通信卫星也于2018年成功入轨地月拉格朗日L2点。
三期工程（返回）的嫦娥五号，于前年在月球风暴洋吕姆克山着陆，完成了样本采集工作，并顺利安全返回地球。
而中国探月工程四期已经于去年正式立项并进入实施阶段，主要目标是对月球南极进行科学探测，并建立起月球科研站（月球表面或月球轨道）的基本型。
不久前，中国航天科技集团宣布了正在研制新一代载人运载火箭和重型运载火箭，用于承担载人登月，以及火星、木星和小行星探测任务的消息。
其中，载人运载火箭将在2030年左右具备将中国人送上月球的能力，而重型运载火箭则将把地月转移轨道的有效载荷提升到50吨，超过 NASA 正在开发中的 SLS Block 2型火箭的46吨极限发射能力。
月球科研站计划在2030年之前完成建设，2035年左右完成能源、通讯、导航、远程运输、天地往返等配套系统的建设。
中俄两国在今年三月刚刚签署了国际月球科研站合作项目协议，并且表示对所有感兴趣的国家和国际伙伴开放，从而加强科学研究交流，推进全人类对太空的和平探索和空间资源的有效利用。
根据《2021中国的航天》白皮书，自从2016年以来，中国已经与19个国家和地区、4个国际组织，签署46项空间合作协定或谅解备忘录，积极推动外层空间的全球多边共同治理。
据《环球时报》报道，尽管前苏联在冷战期间的载人登月竞赛中失败，俄罗斯始终没有放弃载人登月的梦想。目前俄罗斯计划利用多枚“安加拉-A5”大型火箭，分别将在2030年左右将正在开发中的雄鹰号载人飞船、月球着陆系统、空间拖船等设备和模组发射到太空中，在轨道上完成对接组装，然后再实施登月。
印度空间研究组织此前宣布，将在明年发射“月船3号”探测器，同时加速培训本国航天员，实现独立将航天员送入太空的能力。该组织负责人明确表示，“正在关注载人登月任务”。
NASA 这次率先发射了阿尔忒弥斯1号任务，使得美国在登月重启方面的进展暂时领先。然而一个不争的事实是，登月探月已经不再是美国的专属游戏。
中国载人航天和空间站项目的快速进展，以及俄罗斯和印度两大国的兴趣，意味着美国无法再像上世纪下半叶那样，稳居太空竞赛的胜利者宝座。
本文来自微信公众号：硅星人 （ID：guixingren123），作者：光谱、杜晨
