美國(guó)登月計(jì)劃為何一再推遲？重型運(yùn)載火箭有多“重”？
近日，美國(guó)“阿耳忒彌斯-1“計(jì)劃因颶風(fēng)影響再次推遲。這種火箭研制到底有多難？它對(duì)于實(shí)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(guó)航天科學(xué)普及首席科學(xué)傳播專家、中國(guó)宇航學(xué)會(huì)顧問(wèn)、《太空探索》雜志社原社長(zhǎng)）
8月17日，美國(guó)肯尼迪航天中心，一個(gè)高度接近百米的重型運(yùn)載火箭被緩緩地從航天器裝配大樓推到了LC-39B號(hào)發(fā)射臺(tái)上。自1973年傳奇般的土星五號(hào)重型火箭完成最后一次發(fā)射任務(wù)以來(lái)，在將近50年的時(shí)間里，整個(gè)肯尼迪航天中心的發(fā)射臺(tái)就再?zèng)]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(jiǎn)稱SLS）的運(yùn)載火箭，將執(zhí)行與當(dāng)年的土星5號(hào)相似的恢弘使命—成為美國(guó)“阿耳忒彌斯”登月計(jì)劃的重要組成部分，為未來(lái)美國(guó)新型的登月飛船提供強(qiáng)大的動(dòng)力支撐。
▲9月3日，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）宣布，由于液氫泄漏問(wèn)題尚未解決，在未完全準(zhǔn)備好之前， “阿耳忒彌斯1號(hào)”登月火箭不會(huì)進(jìn)行發(fā)射。圖為“阿耳忒彌斯1號(hào)”在發(fā)射臺(tái)上（圖片來(lái)源/視覺(jué)中國(guó)）
在萬(wàn)眾期待中，人們卻未曾想到，這個(gè)氣勢(shì)堪比當(dāng)年“阿波羅”計(jì)劃的登月項(xiàng)目，居然在“箭”在弦上之時(shí)遭遇到一系列突發(fā)狀況，導(dǎo)致整個(gè)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(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）正式對(duì)外公布了“阿耳忒彌斯1號(hào)”的發(fā)射時(shí)間：美國(guó)東部時(shí)間8月29日上午8時(shí)33分。作為整個(gè)“阿耳忒彌斯”計(jì)劃的先導(dǎo)任務(wù)，“阿耳忒彌斯1號(hào)”將使用SLS運(yùn)載火箭搭載“獵戶座”載人飛船，進(jìn)行一次無(wú)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(wèn)題都出現(xiàn)在SLS火箭本身，首先是在加注燃料時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)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(kāi)始發(fā)射前2小時(shí)28分倒計(jì)時(shí)的節(jié)點(diǎn)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(tái)上撤回到航天器裝配大樓，對(duì)問(wèn)題零部件進(jìn)行更換。就這樣在發(fā)射臺(tái)亮相了半個(gè)月后，“阿耳忒彌斯1號(hào)”又匆匆謝幕，下一次發(fā)射時(shí)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(cè)試后，原本的發(fā)射計(jì)劃又被突如其來(lái)的颶風(fēng)“伊恩“打斷，由于擔(dān)心颶風(fēng)突襲位于佛羅里達(dá)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(hào)”登月任務(wù)，美國(guó)重返月球的宏偉愿景再次變得遙遙無(wú)期。
不過(guò)對(duì)于這段時(shí)間持續(xù)關(guān)注“阿耳忒彌斯1號(hào)”的航天愛(ài)好者而言，這種因?yàn)榧夹g(shù)原因而造成的反復(fù)登臺(tái)與謝幕，早就是家常便飯。實(shí)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(hào)發(fā)射臺(tái)上，在公眾面前亮相。接下來(lái)，技術(shù)人員就要對(duì)整個(gè)火箭進(jìn)行關(guān)鍵的“濕彩排”。所謂“濕彩排”，就是指對(duì)火箭加注推進(jìn)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(duì)發(fā)射的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行的系統(tǒng)性彩排演練，以檢測(cè)和排除可能出現(xiàn)的故障。而在首次“濕彩排”中，問(wèn)題就暴露了出來(lái)，SLS火箭裝備的RS-25大推力發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行維修，接下來(lái)一等就到了6月份，SLS火箭再次被推出裝配大樓并成功進(jìn)行了第四次“濕彩排”，但因?yàn)橹笤俅纬霈F(xiàn)液氫燃料泄漏的問(wèn)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(duì)航天工作者的耐心與毅力構(gòu)成極大考驗(yàn)，也在消磨著關(guān)注阿耳忒彌斯計(jì)劃的航天愛(ài)好者們的熱情，甚至有網(wǎng)友戲稱：“阿耳忒彌斯1號(hào)”的主要任務(wù)，就是在裝配大樓和發(fā)射臺(tái)之間反復(fù)徘徊。
▲ “阿耳忒彌斯1號(hào)”登月火箭（圖片來(lái)源/視覺(jué)中國(guó)）
8月29日，發(fā)動(dòng)機(jī)液氫燃料泄漏的老問(wèn)題再次出現(xiàn)?！斑@一次‘阿耳忒彌斯-1號(hào)’因?yàn)橐簹淙剂闲孤┒鴮?dǎo)致發(fā)射推遲，原因還是出在發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻管線上?！?全國(guó)航天科普首席傳播專家田如森向記者說(shuō)，“由于SLS使用液氫與液氧作為推進(jìn)劑，這些低溫狀態(tài)下的物質(zhì)一旦泄漏，會(huì)影響火箭發(fā)動(dòng)機(jī)其他系統(tǒng)的正常工作，那在火箭發(fā)射時(shí)會(huì)造成嚴(yán)重后果?！?同時(shí)，他強(qiáng)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(chǎng)周邊可能出現(xiàn)的雷電、降雨或沙塵等天氣都有可能對(duì)火箭發(fā)射造成影響。8月29日，LC-39B號(hào)發(fā)射臺(tái)就屢次被雷電擊中，導(dǎo)致火箭燃料加注作業(yè)推遲兩個(gè)小時(shí)。
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重型運(yùn)載火箭：托舉登月任務(wù)的
阿耳忒彌斯計(jì)劃是一次雄心勃勃的項(xiàng)目，它原計(jì)劃在2024年前實(shí)現(xiàn)人類再次登月，并將登陸地點(diǎn)選在了月球的南極地區(qū)，“之所以選擇在南極登陸，是因?yàn)榇饲霸谠摰貐^(qū)發(fā)現(xiàn)有水冰存在，這為將來(lái)月球基地的建設(shè)計(jì)劃提供了基本條件。”田如森解釋道。截至目前，整個(gè)阿爾忒彌斯項(xiàng)目的預(yù)算已經(jīng)達(dá)到了930億美元，而每一次發(fā)射任務(wù)都將耗資超過(guò)40億美元，而耗資如此巨大的阿耳忒彌斯計(jì)劃，本身也只是此前更為龐大的“星座計(jì)劃”的縮水版本。
1972年12月19日，美國(guó)阿波羅計(jì)劃的收官之作—阿波羅17號(hào)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(shí)間里，美國(guó)國(guó)內(nèi)一直有重返月球的呼聲。直到2005年，美國(guó)公布了名為“星座”的航天計(jì)劃，該計(jì)劃不僅要實(shí)現(xiàn)美國(guó)夢(mèng)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(jì)劃，背后是天文數(shù)字一般的巨額經(jīng)費(fèi)，在維持了五年之后，星座計(jì)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(jì)劃接過(guò)星座計(jì)劃的接力棒，不過(guò)星座計(jì)劃預(yù)算超支的殷鑒不遠(yuǎn)，阿耳忒彌斯計(jì)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(jìn)行開(kāi)發(fā)，盡可能節(jié)約開(kāi)支。
▲阿耳忒彌斯計(jì)劃是美國(guó)公布的繼上世紀(jì)阿波羅計(jì)劃之后的第二個(gè)登月計(jì)劃，于2017年宣布。圖為NASA官網(wǎng)公布的阿耳忒彌斯計(jì)劃示意圖（圖片來(lái)源/NASA）
相對(duì)于發(fā)射繞地運(yùn)行的航天器，探月和登月航天器對(duì)運(yùn)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(shí)現(xiàn)從地球到月球的這兩個(gè)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(yùn)載火箭。而探月與登月任務(wù)的特殊之處就在于運(yùn)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(guò)了38萬(wàn)公里，要在有限的動(dòng)力下，完成如此漫長(zhǎng)的旅途，還要實(shí)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(jìn)入到所謂的“地月轉(zhuǎn)移軌道”（簡(jiǎn)稱TLI） ，這是一個(gè)地月之間的大橢圓形軌道，航天器只要沿著這條軌道運(yùn)行，不需要通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行加速，就能被月球的引力俘獲，在經(jīng)過(guò)制動(dòng)減速后進(jìn)入繞月軌道，然后就能進(jìn)行降落和著陸等工作。
▲SLS重型運(yùn)載火箭拆解圖（圖片來(lái)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(jìn)入這個(gè)高速公路，門檻可要遠(yuǎn)超過(guò)近地軌道，目前哪怕是小巧的無(wú)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(yùn)載火箭的載荷能力能夠承擔(dān)，以阿耳忒彌斯計(jì)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(lái)的B2型可能超過(guò)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(guó)探月第三期工程的主角，嫦娥五號(hào)要實(shí)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(dá)到了8.2噸，為迄今為止各型嫦娥探測(cè)器之最，同時(shí)也是我國(guó)目前發(fā)射的最重的太空探測(cè)器，要將這么個(gè)大家伙送入地月轉(zhuǎn)移軌道，在我國(guó)現(xiàn)役的運(yùn)載火箭名單里，也只有大塊頭的長(zhǎng)征五號(hào)大型運(yùn)載火箭能夠勝任，其到地月轉(zhuǎn)移軌道的載荷能力（以下簡(jiǎn)稱TLI運(yùn)力）超過(guò)了9噸。
▲長(zhǎng)征五號(hào)示意圖（資料來(lái)源：視覺(jué)中國(guó)）
相比之下，早先的嫦娥二號(hào)是由長(zhǎng)征三號(hào)丙運(yùn)載火箭執(zhí)行任務(wù)，嫦娥三號(hào)與四號(hào)則依靠長(zhǎng)征三號(hào)乙火箭，這兩者的TLI運(yùn)力分別只有2.5噸和3.8噸，而發(fā)射嫦娥一號(hào)的長(zhǎng)征三號(hào)甲火箭TLI運(yùn)力只有區(qū)區(qū)1.7噸，可是嫦娥一號(hào)本身的發(fā)射質(zhì)量就超過(guò)2.3噸，顯然火箭是沒(méi)有能力直接將其送入地月轉(zhuǎn)移軌道，只能依靠探測(cè)器自身攜帶的動(dòng)力，連續(xù)經(jīng)過(guò)三次變軌機(jī)動(dòng)，才能抵達(dá)地月轉(zhuǎn)移軌道，這無(wú)論對(duì)于探測(cè)器本身，還是對(duì)地面控制人員，都是極為耗時(shí)費(fèi)力的。
地月轉(zhuǎn)移軌道還涉及到另一個(gè)不容忽視的問(wèn)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(jì)劃對(duì)發(fā)射時(shí)機(jī)的精準(zhǔn)把握有著更高的要求，地球與月球相對(duì)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(shí)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(cè)器的發(fā)射窗口就是以月為單位來(lái)計(jì)算，也就是說(shuō)每個(gè)月有連續(xù)幾天是適合發(fā)射的窗口期?！碧锶缟f(shuō)，“而一旦這個(gè)月錯(cuò)過(guò)了窗口期，就只能等到下個(gè)月了。”發(fā)射窗口的存在就對(duì)火箭的可靠性提出了更高的要求，簡(jiǎn)而言之就是在發(fā)射窗口的關(guān)鍵時(shí)期，火箭要能“支棱起來(lái)”，不掉鏈子。而此次“阿爾忒彌斯1號(hào)”原本計(jì)劃在8月底至9月初這個(gè)窗口期進(jìn)行發(fā)射，但就是由于發(fā)動(dòng)機(jī)故障未能及時(shí)排除而錯(cuò)過(guò)，就只能再等待一個(gè)月。
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從探月到登月：腳踏實(shí)地的中國(guó)航天人
載人登月任務(wù)，有賴于重型運(yùn)載火箭，而這類火箭的研制，就算對(duì)航天強(qiáng)國(guó)而言都是桂冠上的鉆石，難以摘取?！斑\(yùn)載火箭是一套擁有成千上萬(wàn)個(gè)部件的復(fù)雜系統(tǒng)，如果把這些零部件拆散開(kāi)來(lái)排成隊(duì)，能夠排到幾十公里開(kāi)外！” 田如森這樣談道，“那怕是一個(gè)細(xì)微之處出現(xiàn)問(wèn)題，也會(huì)釀成嚴(yán)重事故！”在20世紀(jì)60-70年代就推出過(guò)土星五號(hào)這樣的經(jīng)典之作的美國(guó)，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(kāi)發(fā)的SLS火箭，至今依然被各種頑疾所困，無(wú)法實(shí)現(xiàn)首航。而當(dāng)年蘇聯(lián)也曾為了比肩土星五號(hào)，而研制了N-1系列重型運(yùn)載火箭，但四次試射均遭遇失敗，最后無(wú)奈下馬，更直接導(dǎo)致蘇聯(lián)登月計(jì)劃流產(chǎn)，重型運(yùn)載火箭研制之難，可想而知。
“目前我國(guó)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(hào)還首次實(shí)現(xiàn)了在月球背面著陸，嫦娥五號(hào)還進(jìn)行了月壤采樣并返回，這都是了不起的壯舉?！碧锶缟@樣評(píng)價(jià)道。而就在最近，我國(guó)探月工程四期正式立項(xiàng)，將執(zhí)行包括嫦娥六號(hào)、七號(hào)和八號(hào)在內(nèi)的探月任務(wù)，其中嫦娥六號(hào)將前往月球背面執(zhí)行采樣任務(wù)并返回，嫦娥七號(hào)則將目的地定為月球的南極。
在探月工程的新階段，我國(guó)的長(zhǎng)征五號(hào)大型運(yùn)載火箭將大展拳腳，成為再次實(shí)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(guó)未來(lái)更為宏大的載人登月計(jì)劃才有可能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)?！暗?030年前后，我國(guó)將具備實(shí)現(xiàn)載人登月的能力，屆時(shí)就需要有更大推力和運(yùn)載能力的重型運(yùn)載火箭?！碧锶缟f(shuō)道。
▲2022年7月24日14時(shí)22分，搭載問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的長(zhǎng)征五號(hào)B遙三運(yùn)載火箭，在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)火發(fā)射，約495秒后，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙與火箭成功分離并進(jìn)入預(yù)定軌道（圖片來(lái)源/視覺(jué)中國(guó)）
目前，我國(guó)新一代的重型運(yùn)載火箭正在研制中，與此同時(shí)，我國(guó)也在積極探究不同的登月方案。除了使用一枚重型運(yùn)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(guó)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(zhǎng)征五號(hào)加強(qiáng)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(jìn)入繞月軌道進(jìn)行對(duì)接?！斑€有一種方案是利用兩枚運(yùn)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(jìn)艙等分兩次送入近地軌道并進(jìn)行對(duì)接組合，再飛向月球?！碧锶缟榻B道。這兩者都避開(kāi)了研制相對(duì)困難的重型載人運(yùn)載火箭，雖然同時(shí)也存在航天員滯留太空時(shí)間長(zhǎng)，發(fā)射場(chǎng)發(fā)射壓力大等短板，但卻為我國(guó)未來(lái)的登月計(jì)劃提供了另外一種可能。
“相信在不遠(yuǎn)將來(lái)，我國(guó)會(huì)制定出最適合國(guó)情的登月方案，在月球上留下國(guó)人的足跡?！碧锶缟缡钦f(shuō)。
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