美國登月計劃為何一再推遲？重型運載火箭有多“重”？
近日，美國“阿耳忒彌斯-1“計劃因颶風(fēng)影響再次推遲。這種火箭研制到底有多難？它對于實現(xiàn)人類登月甚至火星有多重要？
撰文/記者 段然 圖文編輯/陳永杰
采訪專家：
田如森（全國航天科學(xué)普及首席科學(xué)傳播專家、中國宇航學(xué)會顧問、《太空探索》雜志社原社長）
8月17日，美國肯尼迪航天中心，一個高度接近百米的重型運載火箭被緩緩地從航天器裝配大樓推到了LC-39B號發(fā)射臺上。自1973年傳奇般的土星五號重型火箭完成最后一次發(fā)射任務(wù)以來，在將近50年的時間里，整個肯尼迪航天中心的發(fā)射臺就再沒有出現(xiàn)這樣的龐然大物。而這次，這枚被命名為“空間發(fā)射系統(tǒng)”（簡稱SLS）的運載火箭，將執(zhí)行與當(dāng)年的土星5號相似的恢弘使命—成為美國“阿耳忒彌斯”登月計劃的重要組成部分，為未來美國新型的登月飛船提供強大的動力支撐。
▲9月3日，美國國家航空航天局（NASA）宣布，由于液氫泄漏問題尚未解決，在未完全準(zhǔn)備好之前， “阿耳忒彌斯1號”登月火箭不會進行發(fā)射。圖為“阿耳忒彌斯1號”在發(fā)射臺上（圖片來源/視覺中國）
在萬眾期待中，人們卻未曾想到，這個氣勢堪比當(dāng)年“阿波羅”計劃的登月項目，居然在“箭”在弦上之時遭遇到一系列突發(fā)狀況，導(dǎo)致整個任務(wù)一拖再拖。
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重返月球，一再拖延
8月24日，美國國家航空航天局（NASA）正式對外公布了“阿耳忒彌斯1號”的發(fā)射時間：美國東部時間8月29日上午8時33分。作為整個“阿耳忒彌斯”計劃的先導(dǎo)任務(wù)，“阿耳忒彌斯1號”將使用SLS運載火箭搭載“獵戶座”載人飛船，進行一次無人探月飛行，這將是該型火箭的處女秀。然而到了發(fā)射當(dāng)天卻連出狀況，問題都出現(xiàn)在SLS火箭本身，首先是在加注燃料時發(fā)動機出現(xiàn)技術(shù)故障，發(fā)射日期被迫推遲到9月3日。而等到了9月3日，人們的期望又一次落空，在開始發(fā)射前2小時28分倒計時的節(jié)點上，由于SLS火箭內(nèi)部故障仍未排除，發(fā)射日期再次被迫延后，而且這一次發(fā)現(xiàn)火箭內(nèi)部的故障比預(yù)想的要嚴(yán)重，必須從發(fā)射臺上撤回到航天器裝配大樓，對問題零部件進行更換。就這樣在發(fā)射臺亮相了半個月后，“阿耳忒彌斯1號”又匆匆謝幕，下一次發(fā)射時間被再次推遲到了9月26日。
但苦等到了9月26日，好不容易完成SLS火箭燃料測試后，原本的發(fā)射計劃又被突如其來的颶風(fēng)“伊恩“打斷，由于擔(dān)心颶風(fēng)突襲位于佛羅里達的肯尼迪航天發(fā)射中心，NASA再次宣布推遲“阿耳忒彌斯1號”登月任務(wù)，美國重返月球的宏偉愿景再次變得遙遙無期。
不過對于這段時間持續(xù)關(guān)注“阿耳忒彌斯1號”的航天愛好者而言，這種因為技術(shù)原因而造成的反復(fù)登臺與謝幕，早就是家常便飯。實際上，早在今年的3月17日，SLS火箭就首次從航天器裝配大樓推到了LC-39B號發(fā)射臺上，在公眾面前亮相。接下來，技術(shù)人員就要對整個火箭進行關(guān)鍵的“濕彩排”。所謂“濕彩排”，就是指對火箭加注推進劑，并模擬發(fā)射階段的合練程序，相當(dāng)于正式發(fā)射前，對發(fā)射的各個環(huán)節(jié)進行的系統(tǒng)性彩排演練，以檢測和排除可能出現(xiàn)的故障。而在首次“濕彩排”中，問題就暴露了出來，SLS火箭裝備的RS-25大推力發(fā)動機連續(xù)出現(xiàn)了氫氣泄漏和閥門故障，導(dǎo)致前三次“濕彩排”被迫中斷，火箭又被推回到裝配大樓進行維修，接下來一等就到了6月份，SLS火箭再次被推出裝配大樓并成功進行了第四次“濕彩排”，但因為之后再次出現(xiàn)液氫燃料泄漏的問題，又在7月2日三度返回裝配大樓。
這樣一而再、再而三的因故障而推遲發(fā)射，不僅對航天工作者的耐心與毅力構(gòu)成極大考驗，也在消磨著關(guān)注阿耳忒彌斯計劃的航天愛好者們的熱情，甚至有網(wǎng)友戲稱：“阿耳忒彌斯1號”的主要任務(wù)，就是在裝配大樓和發(fā)射臺之間反復(fù)徘徊。
▲ “阿耳忒彌斯1號”登月火箭（圖片來源/視覺中國）
8月29日，發(fā)動機液氫燃料泄漏的老問題再次出現(xiàn)?！斑@一次‘阿耳忒彌斯-1號’因為液氫燃料泄漏而導(dǎo)致發(fā)射推遲，原因還是出在發(fā)動機的冷卻管線上。” 全國航天科普首席傳播專家田如森向記者說，“由于SLS使用液氫與液氧作為推進劑，這些低溫狀態(tài)下的物質(zhì)一旦泄漏，會影響火箭發(fā)動機其他系統(tǒng)的正常工作，那在火箭發(fā)射時會造成嚴(yán)重后果?！?同時，他強調(diào)到，影響火箭發(fā)射的因素除了技術(shù)原因之外，發(fā)射場周邊可能出現(xiàn)的雷電、降雨或沙塵等天氣都有可能對火箭發(fā)射造成影響。8月29日，LC-39B號發(fā)射臺就屢次被雷電擊中，導(dǎo)致火箭燃料加注作業(yè)推遲兩個小時。
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重型運載火箭：托舉登月任務(wù)的
阿耳忒彌斯計劃是一次雄心勃勃的項目，它原計劃在2024年前實現(xiàn)人類再次登月，并將登陸地點選在了月球的南極地區(qū)，“之所以選擇在南極登陸，是因為此前在該地區(qū)發(fā)現(xiàn)有水冰存在，這為將來月球基地的建設(shè)計劃提供了基本條件?！碧锶缟忉尩?。截至目前，整個阿爾忒彌斯項目的預(yù)算已經(jīng)達到了930億美元，而每一次發(fā)射任務(wù)都將耗資超過40億美元，而耗資如此巨大的阿耳忒彌斯計劃，本身也只是此前更為龐大的“星座計劃”的縮水版本。
1972年12月19日，美國阿波羅計劃的收官之作—阿波羅17號飛船順利返回地球。從那以后，人類就再未親身涉足月球。之后的幾十年時間里，美國國內(nèi)一直有重返月球的呼聲。直到2005年，美國公布了名為“星座”的航天計劃，該計劃不僅要實現(xiàn)美國夢寐以求的重返月球目標(biāo)，還要以此為基礎(chǔ)，完成載人登陸火星的壯舉。顯然如此瘋狂的計劃，背后是天文數(shù)字一般的巨額經(jīng)費，在維持了五年之后，星座計劃終于因嚴(yán)重超支而流產(chǎn)。2017年新公布的阿耳忒彌斯計劃接過星座計劃的接力棒，不過星座計劃預(yù)算超支的殷鑒不遠，阿耳忒彌斯計劃要保守許多，目標(biāo)只限定在重返月球上，從飛船到火箭都盡可能利用現(xiàn)有技術(shù)進行開發(fā)，盡可能節(jié)約開支。
▲阿耳忒彌斯計劃是美國公布的繼上世紀(jì)阿波羅計劃之后的第二個登月計劃，于2017年宣布。圖為NASA官網(wǎng)公布的阿耳忒彌斯計劃示意圖（圖片來源/NASA）
相對于發(fā)射繞地運行的航天器，探月和登月航天器對運載火箭載荷能力的要求非常之高，特別是載人航天器本身質(zhì)量頗大，要擺脫地球引力，并實現(xiàn)從地球到月球的這兩個天體間的穿梭，必須依靠擁有足夠載荷能力的重型甚至超重型運載火箭。而探月與登月任務(wù)的特殊之處就在于運行軌道極為復(fù)雜，月球雖然是離地球最近的天體，但地月之間的平均距離依然超過了38萬公里，要在有限的動力下，完成如此漫長的旅途，還要實現(xiàn)在月表的平穩(wěn)著陸，就必須要利用月球的引力作用，“借力打力”以節(jié)約燃料。探月和登月航天器在被送入太空后，需要進入到所謂的“地月轉(zhuǎn)移軌道”（簡稱TLI） ，這是一個地月之間的大橢圓形軌道，航天器只要沿著這條軌道運行，不需要通過發(fā)動機進行加速，就能被月球的引力俘獲，在經(jīng)過制動減速后進入繞月軌道，然后就能進行降落和著陸等工作。
▲SLS重型運載火箭拆解圖（圖片來源/NASA）
地月轉(zhuǎn)移軌道就好似鏈接地球與月球的天體間高速公路，但要進入這個高速公路，門檻可要遠超過近地軌道，目前哪怕是小巧的無人探月器，要將其直接送入地月轉(zhuǎn)移軌道，也只有大型或重型運載火箭的載荷能力能夠承擔(dān)，以阿耳忒彌斯計劃使用的SLS火箭為例，如果將其用于近地軌道發(fā)射任務(wù)，那它的有效載荷將在100噸上下（未來的B2型可能超過130噸），而用于發(fā)射到地月轉(zhuǎn)移軌道，其有效載荷就銳減到只有30噸上下。
而作為我國探月第三期工程的主角，嫦娥五號要實現(xiàn)探月工程中“繞、落、回”三步中的“回”階段任務(wù)，其整體質(zhì)量達到了8.2噸，為迄今為止各型嫦娥探測器之最，同時也是我國目前發(fā)射的最重的太空探測器，要將這么個大家伙送入地月轉(zhuǎn)移軌道，在我國現(xiàn)役的運載火箭名單里，也只有大塊頭的長征五號大型運載火箭能夠勝任，其到地月轉(zhuǎn)移軌道的載荷能力（以下簡稱TLI運力）超過了9噸。
▲長征五號示意圖（資料來源：視覺中國）
相比之下，早先的嫦娥二號是由長征三號丙運載火箭執(zhí)行任務(wù)，嫦娥三號與四號則依靠長征三號乙火箭，這兩者的TLI運力分別只有2.5噸和3.8噸，而發(fā)射嫦娥一號的長征三號甲火箭TLI運力只有區(qū)區(qū)1.7噸，可是嫦娥一號本身的發(fā)射質(zhì)量就超過2.3噸，顯然火箭是沒有能力直接將其送入地月轉(zhuǎn)移軌道，只能依靠探測器自身攜帶的動力，連續(xù)經(jīng)過三次變軌機動，才能抵達地月轉(zhuǎn)移軌道，這無論對于探測器本身，還是對地面控制人員，都是極為耗時費力的。
地月轉(zhuǎn)移軌道還涉及到另一個不容忽視的問題：就是火箭的“發(fā)射窗口”。相比于向近地軌道發(fā)射航天器，探月和登月計劃對發(fā)射時機的精準(zhǔn)把握有著更高的要求，地球與月球相對位置的變化，使得適合將航天器發(fā)射到地月轉(zhuǎn)移軌道的時間窗口只有幾天而已。
“月球的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)周期基本都是30天左右，那么月球探測器的發(fā)射窗口就是以月為單位來計算，也就是說每個月有連續(xù)幾天是適合發(fā)射的窗口期?！碧锶缟f，“而一旦這個月錯過了窗口期，就只能等到下個月了?！卑l(fā)射窗口的存在就對火箭的可靠性提出了更高的要求，簡而言之就是在發(fā)射窗口的關(guān)鍵時期，火箭要能“支棱起來”，不掉鏈子。而此次“阿爾忒彌斯1號”原本計劃在8月底至9月初這個窗口期進行發(fā)射，但就是由于發(fā)動機故障未能及時排除而錯過，就只能再等待一個月。
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從探月到登月：腳踏實地的中國航天人
載人登月任務(wù)，有賴于重型運載火箭，而這類火箭的研制，就算對航天強國而言都是桂冠上的鉆石，難以摘取?！斑\載火箭是一套擁有成千上萬個部件的復(fù)雜系統(tǒng)，如果把這些零部件拆散開來排成隊，能夠排到幾十公里開外！” 田如森這樣談道，“那怕是一個細微之處出現(xiàn)問題，也會釀成嚴(yán)重事故！”在20世紀(jì)60-70年代就推出過土星五號這樣的經(jīng)典之作的美國，其火箭研發(fā)能力位居世界首位，但如今根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)開發(fā)的SLS火箭，至今依然被各種頑疾所困，無法實現(xiàn)首航。而當(dāng)年蘇聯(lián)也曾為了比肩土星五號，而研制了N-1系列重型運載火箭，但四次試射均遭遇失敗，最后無奈下馬，更直接導(dǎo)致蘇聯(lián)登月計劃流產(chǎn)，重型運載火箭研制之難，可想而知。
“目前我國的探月工程已經(jīng)圓滿完成了‘繞、落、回’這三步，特別是嫦娥四號還首次實現(xiàn)了在月球背面著陸，嫦娥五號還進行了月壤采樣并返回，這都是了不起的壯舉?！碧锶缟@樣評價道。而就在最近，我國探月工程四期正式立項，將執(zhí)行包括嫦娥六號、七號和八號在內(nèi)的探月任務(wù)，其中嫦娥六號將前往月球背面執(zhí)行采樣任務(wù)并返回，嫦娥七號則將目的地定為月球的南極。
在探月工程的新階段，我國的長征五號大型運載火箭將大展拳腳，成為再次實現(xiàn)“嫦娥奔月”的有力臂膀。而正是有了探月工程前期多年的積累與鋪墊，我國未來更為宏大的載人登月計劃才有可能變?yōu)楝F(xiàn)實?！暗?030年前后，我國將具備實現(xiàn)載人登月的能力，屆時就需要有更大推力和運載能力的重型運載火箭?！碧锶缟f道。
▲2022年7月24日14時22分，搭載問天實驗艙的長征五號B遙三運載火箭，在中國文昌航天發(fā)射場準(zhǔn)時點火發(fā)射，約495秒后，問天實驗艙與火箭成功分離并進入預(yù)定軌道（圖片來源/視覺中國）
目前，我國新一代的重型運載火箭正在研制中，與此同時，我國也在積極探究不同的登月方案。除了使用一枚重型運載火箭直接將登月飛船送入地月轉(zhuǎn)移軌道這一傳統(tǒng)方式外，我國航天領(lǐng)域的專家學(xué)者還提出其他備選方案，比如利用三枚長征五號加強型火箭，將載人飛船、登月艙等部分分三次送入地月轉(zhuǎn)移軌道，再進入繞月軌道進行對接。“還有一種方案是利用兩枚運載火箭，采用‘人貨分離’的方式，將搭載航天員的飛船，以及登月艙和推進艙等分兩次送入近地軌道并進行對接組合，再飛向月球?！碧锶缟榻B道。這兩者都避開了研制相對困難的重型載人運載火箭，雖然同時也存在航天員滯留太空時間長，發(fā)射場發(fā)射壓力大等短板，但卻為我國未來的登月計劃提供了另外一種可能。
“相信在不遠將來，我國會制定出最適合國情的登月方案，在月球上留下國人的足跡?！碧锶缟缡钦f。
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