2022年11月16日，肯尼迪航天中心，太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）登月火箭首次發(fā)射。

北京時(shí)間今天14:47:44，首枚SLS登月火箭點(diǎn)火升空 | NASA

距離上一款登月火箭——土星五號(hào)于1967年11月9日同樣在肯尼迪航天中心的首飛，已經(jīng)過去了55年之久。

作為人類歷史上唯二投入實(shí)用的登月火箭，它們有個(gè)共同的目標(biāo)——將人類送往月球。

曾經(jīng)，是以古希臘神話中太陽神“阿波羅”命名的登月計(jì)劃；而如今，則是用月亮神“阿爾忒彌斯”命名的重返月球計(jì)劃。傳說中，這兩位神是雙胞胎，沒有比用他們來命名兩大計(jì)劃更酷的了。

太空發(fā)射系統(tǒng)的前世今生

阿波羅登月計(jì)劃是上世紀(jì)人類太空競(jìng)賽的巔峰，美國(guó)獲得了巨大的成功：不僅有12名宇航員順利登上月球表面，還獲得了極大的國(guó)際影響力，徹底擊敗了蘇聯(lián)的登月夢(mèng)。

成也蕭何敗也蕭何，蘇聯(lián)最終決定放棄登月之后，阿波羅登月很快就顯得性價(jià)比極低。

一方面，進(jìn)行到阿波羅17號(hào)任務(wù)后，已經(jīng)很難再有新的發(fā)現(xiàn)，月球已被證明是貧瘠的星球；另一方面，項(xiàng)目花費(fèi)太高，1967年美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）甚至用掉了美國(guó)聯(lián)邦預(yù)算的4.5%，是今天占比的10倍。

舉例來說，僅土星五號(hào)登月火箭單次發(fā)射費(fèi)用就相當(dāng)于今日的20億美元，實(shí)在太貴。

土星五號(hào)火箭的歷次發(fā)射 | NASA

因而，土星五號(hào)火箭在使用了僅6年后遺憾落幕。相關(guān)的項(xiàng)目、資金和人力資源，投入到了后來的航天飛機(jī)計(jì)劃中，成為上世紀(jì)80年代到本世紀(jì)最初10年間NASA最大的項(xiàng)目。

但隨后航天飛機(jī)也遇到了類似的問題，單次發(fā)射費(fèi)用過高（15億美元），在不少項(xiàng)目中猶如“殺雞用牛刀”的效果，特別是在商業(yè)航天崛起后，航天飛機(jī)項(xiàng)目顯得尤為尷尬：與商業(yè)火箭同樣的運(yùn)力，10倍的價(jià)格，還得讓7名宇航員冒生命危險(xiǎn)，不太值。

在這種背景下，航天飛機(jī)項(xiàng)目最終在2011年謝幕。但為了保持深空發(fā)射和大型載荷的發(fā)射能力，同時(shí)支持未來的重返月球計(jì)劃，NASA亟需一款能扛起大梁的重型運(yùn)載火箭，這就是SLS出現(xiàn)的時(shí)代背景。

SLS的設(shè)計(jì)方案，更像是航天飛機(jī)的“火箭版”，由于不用像航天飛機(jī)一樣運(yùn)送巨大的“機(jī)艙”進(jìn)入太空，它能運(yùn)送更重的載荷，實(shí)現(xiàn)跟土星五號(hào)接近的運(yùn)力。

僅從外表看就能發(fā)現(xiàn)SLS和航天飛機(jī)有著明顯的代際傳承 | NASA

SLS的4臺(tái)核心發(fā)動(dòng)機(jī)是RS-25D，是航天飛機(jī)的主力發(fā)動(dòng)機(jī)，早就驗(yàn)證了優(yōu)異的可靠性和可復(fù)用性，幾乎從未出過重大問題，是人類液氫液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的天花板。核心級(jí)，即不帶任何涂裝的“大橙罐”，主要裝載液氫液氧推進(jìn)劑和核心發(fā)動(dòng)機(jī)。

此外，它的核心推力來自兩個(gè)固體助推器，也是升級(jí)版的航天飛機(jī)助推器。自重725噸，推力卻高達(dá)1600噸，一個(gè)助推器就可以推起一枚長(zhǎng)五火箭，確實(shí)是暴力怪獸。

按照核心發(fā)動(dòng)機(jī)能力、上面級(jí)能力和固體助推器能力的不同組合，SLS會(huì)有3個(gè)主要型號(hào)，分別是Block-1、Block-1B和Block-2。本次發(fā)射升空的，是近地軌道運(yùn)力約100噸的Block-1型。而最終版本的Block-2型同等運(yùn)力超過130噸，月球轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力達(dá)到45噸以上，直抵甚至將超過曾經(jīng)的土星五號(hào)登月火箭。

總體上說，SLS將會(huì)成為扛起NASA發(fā)展一個(gè)時(shí)代的“大殺器”：輕易不出馬，出馬就是能上特大新聞的航天項(xiàng)目。

豎立在肯尼迪航天中心LC39B的首枚SLS火箭 | NASA/Joel Kowsky

重返月球計(jì)劃首飛任務(wù)流程

登陸月球最需要的支撐不僅僅是SLS登月火箭，還要有獵戶座深空探測(cè)載人飛船、深空門戶環(huán)繞月球空間站、月球表面著陸器和上升器等項(xiàng)目先后上馬。截至目前，各項(xiàng)目已耗資超過500億美元，堪用“吞金巨獸”來形容。

今天的發(fā)射，即“阿爾忒彌斯1號(hào)”任務(wù)，就是這些大型項(xiàng)目的首次全系統(tǒng)檢驗(yàn)。按照計(jì)劃，這次任務(wù)將持續(xù)4-6周，在月球附近釋放獵戶座飛船和一系列小衛(wèi)星。在完成既定任務(wù)后，獵戶座將重返地球并濺落大洋回收。

“阿爾忒彌斯1”任務(wù)的全系統(tǒng)流程 | NASA

在具體實(shí)施階段，這次任務(wù)包括了17個(gè)核心節(jié)點(diǎn)，基本會(huì)把火箭和飛船的所有核心指標(biāo)測(cè)試一遍。

在離開地球時(shí)，需要測(cè)試升級(jí)過的LC39火箭發(fā)射平臺(tái)全系統(tǒng)能力。這里曾經(jīng)是阿波羅登月計(jì)劃的起點(diǎn)，但時(shí)隔50年已經(jīng)是截然不同的火箭，這個(gè)平臺(tái)能否“老當(dāng)益壯”，決定了任務(wù)的成敗。

在離開地球階段，需要經(jīng)過復(fù)雜的雙助推器/整流罩/逃逸塔分離、核心級(jí)分離、機(jī)動(dòng)變軌、離開環(huán)繞地球軌道并切入月球轉(zhuǎn)移軌道等一系列操作。這基本是當(dāng)年土星五號(hào)火箭的固定業(yè)務(wù)流程，需要精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)出來。在此之后，獵戶座飛船會(huì)從火箭上面級(jí)分離出去，后者將在隨后部署10顆小衛(wèi)星。

阿爾忒彌斯1號(hào)非官方任務(wù)簡(jiǎn)報(bào) | Tony Bela

在飛往月球的途中，獵戶座需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間機(jī)動(dòng)，以確保能準(zhǔn)確與月球相遇。不同于其他的月球探測(cè)任務(wù)，飛船主體在本次任務(wù)中并不會(huì)環(huán)繞月球，而是借力月球進(jìn)入一種叫做“遠(yuǎn)距逆行軌道”（DRO）的特殊軌道。

這是一種地月系統(tǒng)內(nèi)極其穩(wěn)定的軌道家族，在這里維持運(yùn)行所需的推進(jìn)劑消耗極少，因而成為未來地月空間探測(cè)乃至載人空間站的不二之選，是近些年月球研究的一大熱點(diǎn)。我國(guó)在嫦娥五號(hào)任務(wù)和中科院新一批“先導(dǎo)專項(xiàng)”中，都把DRO軌道研究作為重點(diǎn)突破，意義可見一斑。

阿爾忒彌斯1號(hào)任務(wù)相對(duì)地月系統(tǒng)的飛行軌道 | Tony Dunn

阿爾忒彌斯首飛任務(wù)，將通過對(duì)DRO軌道的實(shí)際飛行，為未來任務(wù)積累寶貴的飛行經(jīng)驗(yàn)。預(yù)計(jì)獵戶座會(huì)在這里飛行不低于6天，在充分獲取數(shù)據(jù)后，自主離開，最終返回地球大氣并濺落海上。

需要注意的是，從月球附近返回的航天器抵達(dá)地球的速度會(huì)接近第二宇宙速度（11.2千米/秒），遠(yuǎn)超從環(huán)繞地球軌道返回的第一宇宙速度（7.9千米/秒），與大氣摩擦產(chǎn)生的熱量差距有近3倍，對(duì)航天器防熱和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求大幅提高，這也是獵戶座飛船“最艱難”的時(shí)刻。

時(shí)隔50年后，Arturo Campos獲得了“飛行”去月球的機(jī)會(huì) | NASA

SLS是一枚載人登月火箭，自然最核心的測(cè)試是獵戶座載人飛船的載人能力。首次任務(wù)帶真實(shí)宇航員冒險(xiǎn)不現(xiàn)實(shí)，取而代之的是真人比例模型。

這次發(fā)射攜帶了一個(gè)叫作“Campos船長(zhǎng)”的假人，該模型以曾經(jīng)解決了阿波羅13號(hào)任務(wù)重大問題的工程師Arturo Campos命名。相應(yīng)的，還有一個(gè)假人與之伴飛。它們一個(gè)會(huì)被嚴(yán)格防護(hù)，一個(gè)則會(huì)盡可能暴露，以測(cè)試空間輻射等對(duì)人體的影響。兩個(gè)模型上搭載了各種復(fù)雜的傳感器，用以檢驗(yàn)飛行過程中的各項(xiàng)指標(biāo)。

此外，它們還有NASA載人航天象征的“史努比”玩偶和歐空局載人航天象征的“小羊肖恩”玩偶陪同。

阿波羅10號(hào)指令長(zhǎng)Tom Stafford出征時(shí)，拍了拍史努比的鼻子 | NASA

強(qiáng)大的運(yùn)力不能浪費(fèi)，SLS給不少科研機(jī)構(gòu)留下了搭載空間，用以完成各種月球探測(cè)任務(wù)。

如前文所述，它的上面級(jí)將搭載并釋放來自美國(guó)、意大利和日本的10顆小衛(wèi)星，這是探月歷史上前所未有的新紀(jì)錄。

這些小衛(wèi)星功能各不相同，包括空間天氣、月球遙感、地球觀測(cè)和新技術(shù)驗(yàn)證等諸多方面，可謂是一支龐大的月球探測(cè)艦隊(duì)。

SLS登月火箭的未來

在首次任務(wù)之后，阿爾忒彌斯計(jì)劃將繼續(xù)使用SLS火箭的Block-1型號(hào)執(zhí)飛兩次任務(wù)。

第二次任務(wù)，就會(huì)直接進(jìn)行載人環(huán)繞月球的飛掠探索，預(yù)計(jì)將于2024年進(jìn)行。

預(yù)計(jì)于2025年進(jìn)行的第三次任務(wù)，將攜帶4名宇航員飛往月球，其中兩人登陸月球，真正實(shí)現(xiàn)“重返月球”的探測(cè)目標(biāo)。

而最終選定的月球表面著陸器方案，由于有SpaceX等商業(yè)公司的參與，完全不同于曾經(jīng)“國(guó)家隊(duì)”主導(dǎo)的航天發(fā)展環(huán)境，也讓人充滿期待。

阿爾忒彌斯3號(hào)將用SpaceX的登月版星艦把宇航員送上月表 | SpaceX

在后續(xù)的任務(wù)中，月球“空間門戶”空間站會(huì)逐步建造完畢。它將穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)在地月空間內(nèi)，一方面保持與地球客運(yùn)航班的穩(wěn)定交流以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期駐人，另一方面按需登陸月球表面并維護(hù)穩(wěn)定的月球基地。

而在更長(zhǎng)遠(yuǎn)的打算中，這里也會(huì)成為最佳“跳板”，為火星探測(cè)、小行星探測(cè)和其他深空探測(cè)任務(wù)提供穩(wěn)定的平臺(tái)。毫無疑問，這意味著一個(gè)龐大的國(guó)際合作框架，有20余個(gè)國(guó)家參與其中。

“月球門戶”月球空間站藝術(shù)構(gòu)想圖 | NASA

不過，幾乎不出意外，SLS又成了一款“火箭刺客”。目前，它的單次發(fā)射價(jià)格預(yù)計(jì)不低于40億美元，甚至超過了土星五號(hào)的水平。雖然出發(fā)伊始就是為了干重大項(xiàng)目的，但這價(jià)格也實(shí)在是太過離譜。

僅以核心發(fā)動(dòng)機(jī)RS25-D為例，根據(jù)洛克達(dá)因公司為SLS火箭供應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的合同，單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的費(fèi)用就高達(dá)約1億美元，然而SLS一次發(fā)射就要扔掉4臺(tái)。要知道，當(dāng)年昂貴的航天飛機(jī)可是3臺(tái)反復(fù)使用啊。

而且由于研發(fā)大幅超過預(yù)期，導(dǎo)致SLS的首次發(fā)射連續(xù)推遲了近20次，延遲超過5年之久。相應(yīng)的，整體研發(fā)費(fèi)用進(jìn)一步飆升，量產(chǎn)速度也不如預(yù)期，后續(xù)的發(fā)射排期反而緊張起來，導(dǎo)致它未來基本只計(jì)劃用于阿爾忒彌斯計(jì)劃。

星艦已進(jìn)行過推進(jìn)劑加注和發(fā)動(dòng)機(jī)靜點(diǎn)測(cè)試，預(yù)計(jì)年內(nèi)首飛 | SpaceX

與此同時(shí)，與SLS同等級(jí)別近地軌道運(yùn)力的星艦也在摩拳擦掌等待測(cè)試。SpaceX已在星艦項(xiàng)目投入了巨大資源，先后炸掉了近20臺(tái)原型機(jī)，終于要等來首飛時(shí)刻。

如果星艦真的能實(shí)現(xiàn)全艦復(fù)用和單次千萬美元發(fā)射費(fèi)用，那SLS就更顯尷尬了。

二者能力相當(dāng)，價(jià)格差40倍，誰會(huì)更香呢？

月球探測(cè)迎來新一輪高潮

與美國(guó)的重返月球計(jì)劃并行的，還有中國(guó)的長(zhǎng)遠(yuǎn)月球開發(fā)規(guī)劃。

作為最核心的基礎(chǔ)，中國(guó)的重型登月火箭現(xiàn)已進(jìn)入大型發(fā)動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)突破階段，新一代載人飛船（可深空探測(cè)用）試驗(yàn)船也早在2020年5月就進(jìn)行了成功測(cè)試，大型的中國(guó)空間站也即將在2022年完成建設(shè)。

在國(guó)務(wù)院新聞辦發(fā)布的《2021中國(guó)的航天》白皮書中，也明確提到了未來中國(guó)將要“深化載人登月方案論證，組織開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，研制新一代載人飛船，夯實(shí)載人探索開發(fā)地月空間基礎(chǔ)。”

未來5年，中國(guó)將繼續(xù)實(shí)施月球探測(cè)工程：發(fā)射嫦娥六號(hào)探測(cè)器，完成月球背面采樣返回；發(fā)射嫦娥七號(hào)探測(cè)器，完成月球極區(qū)高精度著陸和陰影坑飛躍探測(cè)；完成嫦娥八號(hào)任務(wù)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)；與相關(guān)國(guó)家、國(guó)際組織和國(guó)際合作伙伴共同開展國(guó)際月球科研站建設(shè)。

我國(guó)參與規(guī)劃的國(guó)際月球科研站概念圖，預(yù)計(jì)2035年后支持人類月球探測(cè)任務(wù) | CNSA / ROSCOSMOS

這意味著，從現(xiàn)在起，月球?qū)⒊蔀槿祟惡教斓闹魑枧_(tái)，以中國(guó)和美國(guó)為代表的航天大國(guó)，在以前所未有的投入和力量探測(cè)月球。更重要的是，在這新一波月球探測(cè)高潮中，在探測(cè)未知之外，開發(fā)和利用月球?qū)⒅饾u成為焦點(diǎn)。

人類已經(jīng)跨越了對(duì)月球的初步認(rèn)知階段，下一步該讓這個(gè)地球的唯一天然衛(wèi)星造福人類了。