世界航天新科技
——重返月球時間表

+劉進軍

“月神（Artemis）”計劃是美國正在進行的一個載人航天計劃。雄心勃勃的美國，設(shè)定了登月的最后期限，目標是：2024年前，第一位女性宇航員和繼阿波羅登月后第二批男性宇航員登陸月球，而且是月球南極地區(qū)，并讓女性宇航員首次在月球漫步。

“月神”計劃非常龐大和復(fù)雜。目前，該計劃第一階段是登陸月球，分為3次任務(wù)：“月神-1”、“月神-2”、“月神-3”。

“月神-1”的任務(wù)是發(fā)射“太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）”火箭和“獵戶座”飛船，進行火箭、飛船和佛羅里達州卡納維拉爾角肯尼迪航天中心地面系統(tǒng)的綜合試飛，旨在實現(xiàn)21世紀第一次可載人飛船送上月球。

“月神-2”任務(wù)是讓宇航員首次乘坐“獵戶座”飛船環(huán)繞月球飛行，進行登月演習(xí)。

“月神-3”任務(wù)是派遣第一批宇航員重返月球，登陸月球。

“月神-1”任務(wù)：

環(huán)月試飛

“月神-1”任務(wù)是美國宇航局（NASA）深空探測系統(tǒng)的第一次綜合測試。

目標是：實驗“太空發(fā)射系統(tǒng)”火箭、“獵戶座”飛船、佛羅里達州卡納維拉爾角肯尼迪航天中心的地面系統(tǒng)。它將為人類深空探測提供科技、膽略和智慧的綜合考驗，展示美國宇航局的能力，對將人類生存擴展到月球和更遠處的承諾展開實踐。

2021年至2022年，“獵戶座”飛船將搭乘目前世界上最強大的火箭發(fā)射升空。在為期3周的飛行任務(wù)中，它將在距離地球最遠44.5萬千米的地方飛行，距離月球最近100千米，最遠7萬千米。“獵戶座”號在太空中停留的時間將比宇航員在太空中停留的時間更長，而且比以往任何時候都更快地返回家園。

離開地球

“太空發(fā)射系統(tǒng)”火箭計劃從位于佛羅里達州的肯尼迪航天中心第39B號發(fā)射場，將無人的“獵戶座”載人飛船送入太空。

“太空發(fā)射系統(tǒng)”火箭護送“獵戶座”飛船和登月艙飛向月球

“獵戶座”飛船：從地球到月球

“月神-1”任務(wù)：近地軌道、環(huán)月軌道和月球表面飛行

“太空發(fā)射系統(tǒng)”火箭可用于低地球軌道以外的任務(wù)，運載人員或貨物到月球及更遠的地方。在升空過程中，“太空發(fā)射系統(tǒng)”火箭將產(chǎn)生880萬磅的推力，把一個重量近600萬磅的飛船送入軌道。

“太空發(fā)射系統(tǒng)”火箭由一對5段式助推器和4臺“RS-25”發(fā)動機發(fā)力推動，將在90秒內(nèi)到達最大推力。當(dāng)芯級火箭拋開助推器、服務(wù)艙面板和逃逸塔后，芯級火箭發(fā)動機將關(guān)閉，芯級火箭將與飛船和第2級火箭分離。

當(dāng)“獵戶座”飛船環(huán)繞地球軌道飛行時，它將打開太陽能帆板。第2級低溫推進火箭將為“獵戶座”飛船提供離開地球軌道、奔向月球所需的巨大推力。在那里，“獵戶座”將在發(fā)射后2小時內(nèi)與第2級火箭分離。第2級火箭隨后部署13顆小型衛(wèi)星，進行多項實驗和技術(shù)演示。

環(huán)繞月球

隨著從地球軌道進入月球軌道，“獵戶座”無人飛船將由歐洲太空局（ESA）提供的服務(wù)艙推進。服務(wù)艙是飛船的主要推進系統(tǒng)和動力，可為未來執(zhí)行任務(wù)的宇航員提供艙內(nèi)空氣和水。“獵戶座”飛船將穿過范·艾倫輻射帶，飛掠全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星星座和地球靜止軌道上的通信衛(wèi)星。

為了與位于休斯頓航天中心的飛行控制中心對話，“獵戶座”飛船將通信信號鏈接“跟蹤與數(shù)據(jù)”中繼衛(wèi)星，并通過深空網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行通信。從這里開始，“獵戶座”飛船將繼續(xù)展示深空環(huán)境中導(dǎo)航、通信和操作的獨特設(shè)計。

登月之旅需要幾天時間。在此期間，科學(xué)家們將評估飛船的系統(tǒng)，并根據(jù)需要修正軌道?！矮C戶座”飛船將在月球表面上空約100千米高度飛行，然后利用月球的引力推動“獵戶座”飛船進入一個新的深度逆行軌道，也就是相反的軌道。這里距離月球約7萬千米。

“獵戶座”飛船將在這個軌道上停留大約6天，以收集各種科學(xué)數(shù)據(jù)。飛行控制人員評估“獵戶座”飛船的各項深空飛行性能。在此期間，“獵戶座”飛船將沿著月球環(huán)繞地球運行的方向逆向飛行。

“獵戶座”飛船返回地球時，采用月球逆行軌道。月球逆行軌道將使“獵戶座”進入一個更具挑戰(zhàn)性的軌道，并將測試飛船在未來探測任務(wù)中將看到的機動和環(huán)境的機會。月球逆行軌道在整個飛行過程中需要額外的推進動作，包括月球飛行和返回軌道燃燒。

離開與返航

在返回地球之旅中，“獵戶座”號將進行另一次近距離飛行。它將在距離月球表面約100千米的范圍內(nèi)，利用服務(wù)艙的另一個精確定時的發(fā)動機點火，利用月球重力，加速返回地球。

這一動作將使飛船返回地球軌道，以每小時40000千米、每秒11千米的速度進入地球大氣層，產(chǎn)生大約2760℃的溫度。這比“獵戶座”飛船在2014年的飛行試驗中速度更快，溫度更高。

為期三周的飛行任務(wù)，“獵戶座”飛船總飛行距離超過208萬千米。這次任務(wù)主要測試“獵戶座”飛船安全返回地球的能力。“獵戶座”飛船將在加利福尼亞州海岸附近的回收船視線范圍內(nèi)精確濺落，誤差可能僅僅幾十米。

在濺落之后，“獵戶座”飛船將在一段時間內(nèi)保持動力。因為美國海軍的潛水員和美國宇航局地面探測系統(tǒng)的搜索小組乘坐小船，從回收船出發(fā)和靠近飛船。潛水員將對飛船進行短暫檢查，檢查是否存在危險，并連接好直升機和吊纜。然后，直升機將把“獵戶座”飛船吊到回收船的甲板上，把飛船帶回家。

“月神-2”任務(wù)：

登月演習(xí)

“月神-2”任務(wù)，原稱“探索任務(wù)-2”。任務(wù)內(nèi)容是宇航員搭乘“獵戶座”飛船飛向月球，環(huán)繞月球飛行，演習(xí)登月程序，并返回地球?？茖W(xué)目標是：宇航員環(huán)月飛行，演習(xí)月球登陸和返回，為登陸月球做好準備。

離開地球

預(yù)計2023年，“太空發(fā)射系統(tǒng)-1”火箭從佛羅里達州的肯尼迪航天中心發(fā)射升空，將“獵戶座”載人飛船送往月球。這次飛行任務(wù)是圍繞一個被稱為混合自由返回軌道的剖面圖構(gòu)建的。

“獵戶座”飛船將搭乘4名宇航員。它進行多次機動，提升軌道，并最終使宇航員飛行在從月球自由返回的軌道上?！矮C戶座”飛船將環(huán)繞地球飛行2圈，同時周期性地點燃發(fā)動機，以足夠的推力和速度將飛船推向月球，然后再返回地球。

火箭發(fā)射后，“獵戶座”飛船到達185千米高度的圓形軌道后，持續(xù)飛行90分鐘。火箭將飛船送入環(huán)繞行星或其他天體的特定軌道的移動或燃燒，稱為軌道插入。

在第1 圈軌道之后，火箭的第2 級火箭——低溫推進級（ICPS）火箭將進行軌道提升。它將“獵戶座”飛船送入環(huán)繞地球的高橢圓軌道。這稱為轉(zhuǎn)移軌道燃燒（稱為“半推進燃燒，TLI”）。第2圈更大的軌道將需要大約24小時，“獵戶座”飛船將飛行在近地點925千米，遠地點35150千米的橢圓軌道。

“獵戶座”飛船一旦完成這2圈軌道，第2級火箭將與飛船分離。宇航員將對飛船的關(guān)鍵系統(tǒng)進行獨特的測試。他們將收集并評估導(dǎo)航、控制、通信、生命保障和電源等設(shè)備，以及軌道工程數(shù)據(jù)。如果一切正確、準確和明確，宇航員將利用飛船的服務(wù)艙，完成第2次也是最后一次轉(zhuǎn)移軌道推進燃燒。第2次燃燒將使“獵戶座”飛船踏上前往月球的航線。

“太空發(fā)射系統(tǒng)-1”載人火箭分離助推器。

“月神-2”任務(wù)：宇航員環(huán)月飛行，演習(xí)月球登陸和返回，為登陸月球做好準備。

環(huán)繞月球

月球什么樣呢？月球的地貌什么樣呢？隕石坑到底有多大多深呢？

自從“阿波羅”登月以來，地球上的天文望遠鏡、深空雷達和各種探測儀器，以及發(fā)射各種月球探測器、著陸器，月球車登陸月球，已經(jīng)完美觀測和探測了月球?？茖W(xué)家了解月球的環(huán)境、地理、地貌、溫度、輻射、重力、高程、距離等情況，甚至命名了每個地理、地貌、隕石坑，甚至一塊小小的巖石。

月球平均距離地球38.4萬千米。月球南極擁有光照區(qū)和黑暗區(qū)。由于月球的自轉(zhuǎn)軸略微偏向太陽傾斜，因此月球兩極的某些區(qū)域幾乎保持在恒定的陽光下，其他區(qū)域則保持在恒定的黑暗中，例如在一些隕石坑內(nèi)。這些地點在登陸月球、建立月球基地方面可能具有巨大的優(yōu)勢。因為持續(xù)的陽光將為太陽能發(fā)電提供能源，而黑暗區(qū)可能在隕石坑內(nèi)、地下土壤下保存著水冰。

“獵戶座”飛船飛臨月球，環(huán)繞南北極飛行。飛船將飛掠月球南極，進行登月演習(xí)。美國宇航局已經(jīng)確認了5個著陸地點，特別是沙克爾頓隕石坑附近。宇航員要飛掠、觀測、測量、拍照和研究每一個地點，確定最適合著陸的地點。

1969年5月22日，“阿波羅-10”號飛船進行登陸月球的演習(xí)。登月艙到達月球上空15.6千米的高度。這次，登月艙和宇航員也要一次次演習(xí)登陸月球的所有動作和登月程序。登月艙下降、下降、再下降……，低點、低點、再低點……，到達近月點27.8千米的高度。

宇航員們必須選擇具有科學(xué)考察價值，又非常安全的地方降落。根據(jù)這些探測和照片的知識，為未來宇航員登上月球鋪平道路。這是美國21世紀登月前的最后一次彩排。

離開與返航

“獵戶座”飛船完成月球試驗飛行后，就要返回地球。

在返回地球之前，“獵戶座”飛船將飛行在月球背面。在那里，“獵戶座”飛船最終將飛行出一個8字形。飛船返回時不需要推進，而是像彈弓一樣利用月球的引力將“獵戶座”飛船送回家。這是軌道的自由返回部分。宇航員將飛越月球數(shù)千英里以外的地方。

美國宇航局將靈活地操控任務(wù)長度，能夠在白天為發(fā)射、著陸和回收階段收集有價值的圖像和數(shù)據(jù)?！霸律?2”計劃的任務(wù)至少需要8天時間。如果必要的話，這次任務(wù)可能會延長至21天，以完成更多的飛行試驗。

“獵戶座”飛船第2次飛行將把宇航員到不同的軌道上，并與科學(xué)家一起測試“獵戶座”飛船的關(guān)鍵系統(tǒng)?！疤瞻l(fā)射系統(tǒng)”火箭將從最初能夠向月球發(fā)射超過26噸的能力，發(fā)展到能夠發(fā)射至少45噸的最終能力。“獵戶座”飛船、“太空發(fā)射系統(tǒng)”火箭和肯尼迪的地面系統(tǒng)將共同完成最具挑戰(zhàn)性的太空任務(wù)。

“獵戶座”飛船的前2次飛行任務(wù)，返回地球時飛行2種不同的軌跡。第1次飛行的是月球逆行返回軌道。第2次飛行的是混合自由返回軌道。混合自由返回軌道將建立在遙遠的月球逆行軌道的基礎(chǔ)上。

在第1次飛行的月球逆行軌道和第2次飛行的混合自由返回軌道之間，美國宇航局將展示“太空發(fā)射系統(tǒng)”火箭和“獵戶座”飛船在深空運行所需的全部科技和能力。2次飛行任務(wù)都將震撼人類和科技。

首次乘坐“獵戶座”飛船的宇航員將比前輩更深入太陽系。他們的任務(wù)是確認飛船上的所有系統(tǒng)都能讓宇航員在深空環(huán)境中正常工作。美國宇航局的首次載人任務(wù)將標志著美國宇航局將人類送回月球進行長期探索和未來前往包括火星在內(nèi)的其他計劃邁出了重要一步。

美國宇航局華盛頓總部探測系統(tǒng)開發(fā)部副署長比爾·希爾（Bill Hill）說：“在這次任務(wù)中，我們將進行一系列測試，演示關(guān)鍵功能，包括任務(wù)規(guī)劃、系統(tǒng)性能、宇航員、深空導(dǎo)航與制導(dǎo)?！霸律?2”任務(wù)就像測試和展示“雙子座”“水星”飛船的能力一樣。

“月神-3”任務(wù)：宇航員登陸月球和返回地球。

美國宇航局局長布里登斯汀說：一旦前2次試飛完成，美國宇航局將根據(jù)預(yù)算和項目執(zhí)行情況，“獵戶座”飛船將開始一年一次的發(fā)射任務(wù)。最初的任務(wù)重點就是建設(shè)“月球之門”空間站，讓各國宇航員都能安全、順利和簡單地登陸月球。

如果這2次飛月試驗成功，2024年美國宇航員將登陸月球。一場重返月球的好戲就將開演！

“月神-3”任務(wù)：

重返月球

“月神-3”任務(wù)，原稱“探索任務(wù)-3”。這次任務(wù)將宇航員送往月球，進行一次科學(xué)考察。科學(xué)目標是：宇航員登陸月球和安全返回?，F(xiàn)在，美國宇航局正致力于在5年內(nèi)將宇航員送上月球表面，將目光投向了一個人類從未去過的地方：月球南極。

2009年6月18日，美國宇航局“月球勘測”探測器發(fā)射。它詳細測繪了著陸點，定位月球上潛在的資源，描述輻射環(huán)境，并演示新技術(shù)，以前所未有的方式繪制了月球表面地圖。

“月球勘測”探測器拍攝了月球南極艾特肯盆地的圖像。艾特肯盆地直徑2600千米。這是月球上最大的撞擊盆地，也是太陽系中最大的撞擊盆地之一。從它的最深處到周圍最高山峰的距離將近16千米，比珠穆朗瑪峰高2倍。

艾特肯盆地非常具有科學(xué)研究意義。首先，重大的撞擊事件可以移除月球的表面物質(zhì)，并將撞擊坑下方的物質(zhì)帶到或接近地表。隕石坑越大，暴露的物質(zhì)就越深。由于艾特肯盆地是月球上最深的撞擊盆地，深度超過8千米，月球的下地殼可能會在這里顯現(xiàn)出來。這是在月球上其他地方都找不到的東西。

“月球勘測”探測器的數(shù)據(jù)可為艾特肯盆地的結(jié)構(gòu)和礦物學(xué)調(diào)查提供地形背景。這些數(shù)據(jù)除了提供月球表面的地形圖之外，還可用于推斷艾特肯盆地內(nèi)部和周圍的光照條件。根據(jù)“月球勘測”探測器上的另一個科學(xué)儀器——“月球探測”中子探測器（LEND）的觀測結(jié)果：這個地區(qū)的幾個隕石坑具有永久性的陰影區(qū)域，可能含有氫氣或水冰的沉積物。相反，附近海拔較高的地區(qū)幾乎不停地受到太陽的照射。人類在這些區(qū)域?qū)⒗锰柲?，進行機器人或人類探索。

“月球勘測”探測器環(huán)繞月球飛行和探測。

月球南極的地貌

2024年，美國宇航員會在哪兒登陸月球呢？美國宇航局將著陸點選擇在月球南極的沙克爾頓隕石坑。沙克爾頓隕石坑是一個位于月球南極的撞擊坑，至少存在了20億年，以地球南極探險家歐內(nèi)斯特·沙克爾頓的名字命名。為什么選擇在沙克爾頓隕石坑附近登陸呢？因為這里擁有2大優(yōu)點：豐富的水源、恒定的陽光。

豐富的水源：月球極地隕石坑的地面溫度很低。因為在極地地區(qū)，太陽光照射月球表面的角度很低，而且月球沒有大氣層幫助表面變暖，所以它們永遠處于陰影中。這個角度是基于月球極軸的1.54°傾斜角度，地球極軸的傾角為23.5°。如果一名宇航員站在月球的南極附近，太陽總是出現(xiàn)在地平線上，從側(cè)面照亮月球表面。因此，當(dāng)陽光掠過深隕石坑的邊緣，內(nèi)部深處仍然處于陰影中。

月球自轉(zhuǎn)軸的微小傾斜意味著沙克爾頓隕石坑的內(nèi)部永遠是黑暗的，因此非常寒冷。這些永久遮蔽的隕石坑具有太陽系最低溫度的特征，低至-248℃。在這種溫度下，水冰是穩(wěn)定的，只會增加，不會減少。

太陽在沙克爾頓隕石坑四周的山峰上照耀，但它寒冷的深處可能已經(jīng)有20億年沒有見光了。這個隕石坑的低溫內(nèi)部起到了一個冷阱的作用。它可以捕捉并凍結(jié)彗星撞擊月球時釋放的水分。“月球勘測”探測器測量顯示：隕石坑內(nèi)的氫含量高于正常水平。這可能表明存在水冰。

月球南極的水冰可以追溯到數(shù)十億年前，沒有受到太陽輻射的污染，也沒有受到地質(zhì)過程的污染。這些地質(zhì)過程會不斷攪動和更新行星表面，如地球上的風(fēng)和侵蝕。這為人類提供了一個了解早期太陽系的窗口。

位于馬里蘭州格林貝爾特的美國宇航局戈達德太空飛行中心的月球科學(xué)家約翰·凱勒說：收集水的記錄可以幫助我們了解水和其他揮發(fā)物是如何在太陽系周圍移動的。我們對登陸這些地點，并對那里的物質(zhì)進行取樣，非常感興趣?！痹诘厍蛏?，科學(xué)家研究地球極地地區(qū)的冰樣本，揭示了地球的氣候和大氣在數(shù)千年中是如何演變的。月球也一樣！

“月球勘測”探測器拍攝的多光譜圖像：南極艾特肯盆地（中間藍綠色）。

“月球勘測”探測器拍攝（俯瞰）：月球南極的沙克爾頓隕石坑（照片中心的黑色圓形部分），直徑20.92千米。

“月球勘測”探測器拍攝（側(cè)視）：月球南極的沙克爾頓隕石坑

月球隕石坑中水冰的想象圖

美國宇航員登陸月球想象圖

水是長期探索的關(guān)鍵資源。這也是美國宇航局在2024年前將宇航員送上月球南極的主要原因之一。水是人類進一步探索的必要條件。因為它可能被用來飲用、呼吸、冷卻設(shè)備和為更遠的太陽系任務(wù)制造火箭燃料。美國宇航局在月球上獲得的經(jīng)驗，包括利用月球自然資源，將用于幫助宇航員送上火星。

根據(jù)月球探測器的觀測結(jié)果，科學(xué)家知道南極地區(qū)含有冰，可能還有其他豐富的資源。另外，這是一個完全未經(jīng)探索的世界。南極遠離圍繞赤道聚集的“阿波羅”登陸點。這是一個新的挑戰(zhàn)和新的探索環(huán)境。南極也是未來人類登陸的好目標。因為從機器人角度來說，南極是月球上調(diào)查最徹底的地區(qū)。

恒定的陽光：月球南極的一些地方并不是那么黑暗和寒冷。隕石坑邊緣的山峰幾乎連續(xù)不斷地暴露在陽光下。例如，在沙克爾頓隕石坑附近，一些區(qū)域長時間沐浴在陽光下，持續(xù)照明超過200個地球日。這種現(xiàn)象的發(fā)生也是因為月球的傾角小。陽光持續(xù)不斷，對月球任務(wù)來說是一個福音。它讓探險者能夠獲得陽光，從而照亮月球基地，并提供太陽能和動力。

美國宇航局“月球勘測”探測器的軌道為橢圓形極軌道。在經(jīng)過南極地區(qū)時，它距離月球最近。在過去的10年里，“月球勘測”探測器飛越南極幾千次，收集了最精確的南極地區(qū)信息，為科學(xué)家提供了關(guān)于地形、溫度和可能存在水冰位置的精確細節(jié)。

美國宇航局戈達德太空飛行中心科學(xué)家諾亞·彼得羅（Noah Petro）說：“我們已經(jīng)繪制了月球南極的每平方米的地圖，甚至是永久陰影區(qū)域地圖。我們對月球南極的環(huán)境了如指掌。在這兒登陸，十拿九穩(wěn)！”

2024年，“獵戶座”飛船將搭載4名宇航員，飛行3天，到達月球上空。飛船與登月艙分離。一名宇航員在飛船上，環(huán)繞月球飛行。3名宇航員乘坐登月艙，空降在月球的沙克爾頓隕石坑。

人類重返月球，時間并不遙遠。一場驚心動魄的登月大戲，即將開演。