NASA登月级火箭发射成功!时隔50年人类重返月球(图)

大鱼新闻 军事 2 months, 3 weeks



刚刚,美国阿尔忒弥斯1号顺利发射,人类离月球又近了一步! 阿尔忒弥斯1号于北京时间11月16日14时50分左右(美东时间11月16日凌晨1时50分),在肯尼迪航天中心LC-39B平台发射升空,发射窗口2小时。此次绕月飞行测试,不载人,主要为阿尔忒弥斯2号载人绕月、阿尔忒弥斯3号载人登月做准备。作为零重力指示器,除NASA吉祥物史努比外,欧空局也将小羊肖恩公仔安放到“猎户座”飞船内部,准备一起执行“阿尔忒弥斯1”号任务。 阿尔忒弥斯1号任务时长25天11小时36分,如果今天能顺利发射的话,猎户座飞船预计于2022年12月11日溅落在圣地亚哥海岸,整个航程大约210万公里。此前在经历了多次燃料泄漏问题后,NASA终于成功完成了SLS的燃料测试,原本阿尔忒弥斯1号早就发射在即。不巧遇到飓风过境,9月23日至9月27日的发射窗口不保,只能继续后延。终于迎来这次11月的发射窗口。如果一切顺利,这将是人类50年后又一次向月球迈进。

01.什么是SLS?

“太空发射系统”(SLS)是NASA史上最强大的运载火箭,是NASA登月项目“阿尔忒弥斯”计划的一部分,预计最早于2025年将宇航员送上月球。

NASA为重返月球这一刻已经酝酿了十几年。

SLS为世人期待已久的首飞任务——阿尔忒弥斯1号,已经做好了准备。

322英尺(98米)高的SLS重型火箭缓缓驶出运载火箭装配大楼。图源:NASA/Joel Kowsky

今年8月,这枚耗资41亿美元的SLS重型火箭在数百名航天中心工作人员和家属的欢呼声中,乘坐着履带式运输车缓缓地驶出了肯尼迪航天中心的运载火箭装配大楼。

经过4.2英里的夜间垂直运输,它抵达了39B发射台。

据报道,由于附近有雷暴,行程推迟了大约一个小时,火箭还是于当天完成了转移。

图源:NASA/Joel Kowsky

当移动发射装置降落到发射台顶部的基座上之后,工程师们将连接动力、数据、推进剂管道、水线和其他系统,为火箭进行全面的发射前测试和检查做好准备。

至今已是这枚SLS火箭第数次被推出厂房,这一回是来真格的了。

图源:NASA/Joel Kowsky

如果一切按照计划顺利进行,

这枚火箭将开始为期42天的首次飞行,将一个无人驾驶的猎户座(Orion)太空舱环绕月球并返回。

02.这次发射有真人吗?

太空舱将搭乘3位假的“宇航员”——3个装有仪器的人体模型。

洛克希德‧马丁公司公布了阿尔忒弥斯1号任务的飞行路线示意图。由洛马公司参与研制的猎户座飞船,将前往月球绕飞多圈,再返回地球。

图源:LMSpace

“阿尔忒弥斯号1号”任务的目标是验证SLS的性能,在深空测试太阳能供电的“猎户座”宇航员舱,并确认其16.5英尺宽的隔热板能够在飞行结束时安全地保护飞船,使其高速坠入地球大气层。

如果测试飞行进展顺利,美国宇航局计划在2024年发射SLS火箭的第二次飞行,也就是阿尔忒弥斯2号。

阿尔忒弥斯2号将会搭载四名宇航员,之后在2025-26年之内进行第三次飞行任务中,会将首名女性宇航员和下一个男性宇航员送上月球表面。

另据《科学》报道,虽然SLS在今年发射时没有真人搭乘,但会有10颗“立方体小卫星”一起飞上天。

每颗卫星约等于一个公文包那么小,可用于探测月球(几颗立方体卫星将重点研究月球冰)、小行星和深空辐射环境。

面对短短十几天后的发射日,美国NASA卫星制造人员却表示了他们的担心。



由于发射延迟,这些卫星已经在火箭内滞留了一年多,其电池电量可能即将耗尽。

其中有大约一半的卫星可能会无法启动和展开太阳能电池板,因此无法充电。

问题是,“发射延迟造成等待的时间越长,风险就越大”。

月球观测小卫星(10颗立方体卫星之一)首席研究员、美国摩海德州立大学的Ben Malphrus说。

这是美国NASA酝酿十年重登月球计划的开始。



1969年-1974年,尼克松刚上任就迎来了“阿波罗计划”最辉煌的阶段。1969年7月16日,阿波罗11号登月成功。

(左起:阿姆斯特朗、科林斯、奥尔德林)

阿波罗11号是NASA阿波罗计划中的第五次载人任务,是人类第一次登月任务,历时8天13小时18分35秒,绕行月球30周,在月表停留21小时36分20秒。

三位执行此任务的航天员分别为指令长尼尔·阿姆斯特朗、指令舱驾驶员迈克尔·科林斯与登月舱驾驶员巴兹·奥尔德林。



在1967年,阿波罗计划开始的时候,就遭遇了不利。

阿波罗1号原本计划于1967年2月21日发射。

然而在1月27日的例行测试中,指挥舱突发大火,三名宇航员在15秒内不幸罹难。其中包括首次太空行走的爱德华·怀特,遇难时年仅37岁。

阿波罗1号成员,罗杰·查菲、维吉尔·格里森、爱德华·怀

1968年10月11日,阿波罗7号成功发射,历时十一天,完成了绕地飞行测试。这也是阿波罗计划中的首次载人任务。



1969年7月16日9时32分,阿波罗11号载着宇航员尼尔·阿姆斯特朗、迈克尔·科林斯与巴兹·奥尔德林,于肯尼迪航天中心发射升空。

在回来之后,为了保证宇航员们没有在月球上感染未知疾病,三人落地后还被隔离了18天。

尼克松总统与隔离舱内的宇航员交谈

然而紧随其后的阿波罗13号,却遭遇了一场事故。

1970年4月11日发射的阿波罗13号,在抵达月球前发生氧气罐爆炸,电力和氧气均大量损失,登月计划被迫放弃。

但幸运的是,在控制中心的150名科学家和工程师的指导下,在太空滞留715小时的三名宇航员顺利返航。

宇航员洛弗尔按照地面指令在舱内解决相应问题

1971年1月31日,阿波罗14号成功发射,完成了阿波罗13号未能完成的任务。

1972年12月7日,阿波罗17号成功发射。这是人类迄今为止最后一次成功登月。

不管怎么样,随着一代又一代的老去, 在此后的50年间,人类再未踏足月球。

而曾经踏上过月球土地的12位宇航员,仅剩4人在世。

登上月球第一人阿姆斯特朗以隐居而闻名,于2012年去世,享年82岁。

用混合月球土壤的油彩作画的阿兰·比恩,退役后成为了一名画家,他的绘画主题永远只有一个——他亲眼看到的月球风景。比恩于2017年在家中去世,享年86岁。

图中为阿兰·比恩

于1973年从NASA退休并从事商业活动的登月者皮特·康拉德于1999年在加利福尼亚州的一次摩托车事故中丧生,享年69岁。



图中为皮特·康拉德

阿波罗14号成员艾伦·谢泼德在退休后继续从事银行和房地产业务,在非营利性董事会任职。他于1998年因白血病去世,享年74岁。

于2004年退休、在美国国家航空航天局工作了40多年的约翰·杨,在2018年1月过世,享年87岁。

图中为约翰·杨

不管是哪个国家,为了相同的航空梦,他们付出的不仅仅是时间,金钱,甚至是生命.....

50年前的今天,美国发射“阿波罗17号”的土星5号重型火箭完成湿装彩排;

今天,美国执行“阿尔忒弥斯1号”任务的SLS重型火箭。



时隔50多年,人类的足迹能否顺再次踏上月球?

当人类再次开启登月的征途的时候,除了美国之外,中国也在稳步推进自己的登月计划,计划在2030年实现载人登月。

对宇宙的探索,尤其是规模浩大的登月计划,虽然通常作为大国之间展现国力的舞台,更是全人类科技进步的体现。

这一次登月的征途比赛中,有中国人的一席了。

加油中国,加油人类!


一发40亿美元,新款“火箭刺客”启程奔月


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。



阿尔忒弥斯1号非官方任务简报 | Tony Bela

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。



阿尔忒弥斯3号将用SpaceX的登月版星舰把宇航员送上月表 | SpaceX

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。



星舰已进行过推进剂加注和发动机静点测试,预计年内首飞 | SpaceX

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。

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