美國NASA 阿爾忒彌斯載人探月任務(wù)規(guī)劃與進(jìn)展

■張綠云 楊開（北京航天長征科技信息研究所）

2022 年10 月31 日，美國國家航空航天中心（NASA）咨詢委員會（NAC）召開會議，發(fā)布了“阿爾忒彌斯（Artemis）1-4 任務(wù)規(guī)劃與進(jìn)展”報告，明確了2031 年前的阿爾忒彌斯載人重返月球任務(wù)規(guī)劃，并介紹了該計劃下前4 次載人發(fā)射任務(wù)的方案與進(jìn)展情況。11 月8 日，NASA 官網(wǎng)發(fā)布了相關(guān)的報告和詳細(xì)信息。

1 阿爾忒彌斯載人探月任務(wù)規(guī)劃

美國的阿爾忒彌斯載人探月框架主要由太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）重型運載火箭、獵戶座載人飛船、探索地面系統(tǒng)（EGS）、深空中轉(zhuǎn)站以及月球著陸器組成，未來分別由SLS 火箭和商業(yè)火箭將獵戶座載人飛船以及月球著陸器送入深空中轉(zhuǎn)站，部分航天員可在中轉(zhuǎn)站上繼續(xù)開展科學(xué)研究，另一部分航天員搭乘著陸器進(jìn)入月球表面，在完成月面任務(wù)后航天員由著陸器返回深空中轉(zhuǎn)站，之后搭乘獵戶座飛船返回地球。

在“阿爾忒彌斯（Artemis）1-4 任務(wù)規(guī)劃與進(jìn)展”報告中，NASA 明確了2031 年之前的阿爾忒彌斯探月任務(wù)規(guī)劃。在載人能力方面，NASA 計劃在2022 年、2024 年和2027 年相繼完成SLS1/獵戶座無人飛船系統(tǒng)、SLS1/ 獵戶座載人飛船系統(tǒng)以及SLS1B/ 獵戶座載人飛船系統(tǒng)飛行試驗，驗證SLS1 和SLS1B 火箭以及獵戶座載人飛船的性能。在載人登月能力方面，NASA 計劃在2024 年末完成首個星艦著陸器的無人驗證，并在2025 年完成阿爾忒彌斯3 首次載人登月任務(wù)。在深空中轉(zhuǎn)能力方面，NASA 計劃在2024 年依靠美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的“獵鷹重型”火箭完成月球門戶（Gateway）的電力與推進(jìn)艙段（PPE）和居住與后勤前哨站（HALO）的發(fā)射，建成簡版深空中轉(zhuǎn)站，從2027 年開始依靠SLS1B 火箭陸續(xù)完成其他主要艙段的發(fā)射，在2030 年建成完整的深空中轉(zhuǎn)站，為可持續(xù)月球探索活動以及載人火星探索任務(wù)奠定基礎(chǔ)。另外，NASA 還推進(jìn)商業(yè)月球有效載荷服務(wù)項目（CLPS），依靠商業(yè)火箭開展月球原位資源利用、核熱推進(jìn)技術(shù)等方面的研究。

阿爾忒彌斯探月任務(wù)規(guī)劃

2 阿爾忒彌斯1-4 任務(wù)方案與進(jìn)展

阿爾忒彌斯1 任務(wù)

阿爾忒彌斯1 是SLS1 重型火箭和獵戶座載人飛船（搭載兩名女性航天員模型）的首次無人繞月飛行試驗，11 月16 日從肯尼迪航天中心發(fā)射。經(jīng)地月轉(zhuǎn)移飛行和軌道修正后，獵戶座飛船到達(dá)遠(yuǎn)距逆行軌道（DRO），之后變軌進(jìn)入地球軌道，返回地球后在太平洋濺落。本次任務(wù)中，還搭載了10 顆立方星，在獵戶座飛船分離后由過渡型低溫上面級（ICPS）完成部署。

阿爾忒彌斯1 無人繞月飛行試驗

本次任務(wù)原計劃在2022 年8 月29 日執(zhí)行，但因SLS 火箭芯級一臺發(fā)動機(jī)傳感器故障無法實現(xiàn)發(fā)動機(jī)預(yù)冷而終止，之后在9 月3 日又因芯級液氫加注與泄出管路泄漏率超限而再次終止。在發(fā)射工位完成芯級液氫加注與泄出管路以及排放管路密封件更換，更改加注流程，并完成低溫試驗后，該首飛系統(tǒng)因為臺風(fēng)被迫推回垂直總裝大樓。11 月4 日，該系統(tǒng)再次被推至39B 發(fā)射工位，因颶風(fēng)推遲發(fā)射。

11 月16 日，SLS1 重型火箭從39B 發(fā)射工位點火發(fā)射，飛行8min 后，過渡型低溫上面級開始工作，攜帶獵戶座飛船飛行44min 后完成近地點軌道抬升，隨后繼續(xù)飛行37min 后開始地月轉(zhuǎn)移軌道射入點火，持續(xù)18min。進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道后，獵戶座飛船與上面級共同飛行約10min，之后分離，前往月球。12 月11 日，在完成近26 天的飛行后，獵戶座飛船返回地球，在太平洋成功濺落！在飛船分離后，過渡型低溫上面級與飛船適配器的組合體繼續(xù)飛行，在8h 內(nèi)將10 顆立方星部署至日心軌道、地月拉格朗日L2 點、環(huán)月軌道、環(huán)繞月球南極高橢圓地近月點軌道以及遠(yuǎn)地點飛越月球附近的大橢圓軌道。

阿爾忒彌斯2 任務(wù)

阿爾忒彌斯2 為SLS1 火箭和獵戶座載人飛船的首次載人繞月飛行試驗，計劃搭載4 名航天員，最長任務(wù)周期為21 天。本次任務(wù)中，在過渡型低溫上面級/獵戶座飛船到達(dá)地球高軌道后，除了進(jìn)行航天器檢查外，還將利用過渡型低溫上面級完成獵戶座飛船的空間交會對接演示驗證，為之后載人登月任務(wù)中獵戶座飛船與星艦著陸器在月球軌道的交會對接奠定基礎(chǔ)。演示驗證結(jié)束后，上面級分離，獵戶座飛船繼續(xù)飛行，在其再次達(dá)到近地點后，飛船主發(fā)動機(jī)完成地月轉(zhuǎn)移軌道射入點火，隨后進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道飛行階段。在完成繞月飛行后，獵戶座飛船返回地球。

阿爾忒彌斯2 載人繞月飛行試驗

本次任務(wù)計劃2024 年5 月進(jìn)行，主要進(jìn)展如下：①獵戶座飛船方面，乘員艙70% 左右的硬件已經(jīng)安裝完成，服務(wù)艙也已經(jīng)進(jìn)行了一次通電試驗，目前正處于功能性試驗中。②SLS 火箭方面，芯級制造工作正在米丘德組裝廠有序推進(jìn)，有望在2023 年3月完成總裝與試驗；芯級4 臺RS-25 主發(fā)動機(jī)已經(jīng)交付至米丘德組裝廠，計劃2023 年12 月與芯級總裝；固體助推器所有發(fā)動機(jī)部段都已經(jīng)制造完成，目前存儲在猶他州；過渡型低溫上面級已經(jīng)完成制造，目前位于卡納維拉爾角聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（ULA）的制造設(shè)施中。③地面系統(tǒng)方面，位于肯尼迪航天中心39B 發(fā)射工位的140 萬加侖的新液氫儲罐已經(jīng)基本建成。

阿爾忒彌斯3 任務(wù)

阿爾忒彌斯3 是阿爾忒彌斯計劃下的首次載人登月任務(wù)，也將是SpaceX 公司星艦（Starship）月球著陸器的首次載人登月飛行，計劃搭載4 名航天員。按計劃，獵戶座飛船與星艦著陸器將在近直線暈軌道（NHRO）交會對接，2 名航天員進(jìn)入著陸器，啟程前往月球南極區(qū)域并著陸，完成為期一周的月面探索任務(wù)以及艙外活動。之后，著陸器搭載航天員返回NHRO 軌道，與獵戶座飛船對接。飛船隨后返回地球，而星艦月球著陸器進(jìn)入日心軌道。

阿爾忒彌斯3 載人登月任務(wù)

本次任務(wù)采用SLS1 重型火箭和獵戶座載人飛船，在2025 年發(fā)射。進(jìn)展方面，SLS1 火箭過渡型低溫上面級發(fā)動機(jī)已經(jīng)交付至聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司，固體助推器發(fā)動機(jī)部段已經(jīng)全部制造完成，芯級RS-25 主發(fā)動機(jī)準(zhǔn)備交付至米丘德組裝廠；完成了獵戶座載人飛船乘員艙適配器內(nèi)壁以及壓力容器的交付；在著陸器方面，完成了著陸軟件和傳感器性能驗證、軟件架構(gòu)評估、海平面猛禽（Raptor）發(fā)動機(jī)冷啟動驗證試驗，實現(xiàn)了一周7 臺猛禽發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)效率，推進(jìn)在軌低溫推進(jìn)劑輸送與長期存儲飛行試驗，準(zhǔn)備開展首次軌道飛行試驗。

阿爾忒彌斯4 任務(wù)

阿爾忒彌斯4 載人登月任務(wù)

阿爾忒彌斯4 為阿爾忒彌斯計劃下的第二次載人登月任務(wù)，計劃搭載4 名航天員。本次任務(wù)的主要目標(biāo)是驗證SLS1B 重型火箭的性能，并完成歐日聯(lián)合研制的國際居住艙（I-Hab）的在軌交付，將其與簡版深空中轉(zhuǎn)站對接。獵戶座飛船到達(dá)中轉(zhuǎn)站后，2 名航天員將登上提前?？吭谥修D(zhuǎn)站上的星艦著陸器，下降到月面，完成為期一周的月球探索任務(wù)。任務(wù)結(jié)束后，航天員由著陸器送回門戶，之后搭乘獵戶座飛船返回地球。

本次任務(wù)計劃采用SLS1B 重型火箭發(fā)射獵戶座載人飛船。SLS1B 是SLS1 的演進(jìn)型，采用相同的芯級和固體助推級，但改用直徑8.4m、由4 臺RL-10 發(fā)動機(jī)提供推力的性能更強的探索上面級(EUS)，月球軌道運載能力可由SLS1 的27t 增加至38t，在載人任務(wù)中可同時搭載10t 次要有效載荷。EUS 上面級的精確制導(dǎo)、低溫管理、實時通信與控制能力將可確保飛船在深空的精準(zhǔn)定位、停留與對接機(jī)動。目前，波音公司已經(jīng)完成了上面級的關(guān)鍵設(shè)計評審，并開始為生產(chǎn)制造做準(zhǔn)備，計劃在2022年完成SLS1B 火箭的關(guān)鍵設(shè)計評審。此外，米丘德組裝廠也已經(jīng)做好設(shè)施與人員方面的準(zhǔn)備，支持該火箭的全面生產(chǎn)。

SLS1B 火箭將由全新的2 號活動發(fā)射平臺組裝、轉(zhuǎn)運與發(fā)射。目前，該平臺的設(shè)計工作已經(jīng)基本完成，達(dá)到90%，但鋼結(jié)構(gòu)總體質(zhì)量的降低與材料供應(yīng)問題導(dǎo)致設(shè)計方案延期。不過，主承包商已經(jīng)進(jìn)行了重大改進(jìn)以適應(yīng)質(zhì)量需求，且改變管理方法以提升效率。

3 小結(jié)

美國拜登政府著力推進(jìn)由其領(lǐng)導(dǎo)的國際伙伴和私營公司共同參與的阿爾忒彌斯計劃，通過以SLS重型運載火箭、獵戶座載人飛船、探索地面系統(tǒng)、深空中轉(zhuǎn)站和載人著陸系統(tǒng)為主要組成部分的探索框架，在2025 年實現(xiàn)載人重返月球目標(biāo)，并在2030年左右具備可持續(xù)載人月球探索能力，為未來的載人火星探索奠定基礎(chǔ)。在進(jìn)展方面，NASA 已經(jīng)成功完成了SLS 重型火箭和獵戶座載人飛船的飛行試驗，同時也在積極推進(jìn)后續(xù)任務(wù)所需火箭與飛船的硬件制造與試驗、地面設(shè)施的升級改進(jìn)、著陸技術(shù)開發(fā)與產(chǎn)品制造等工作，并吸取經(jīng)驗教訓(xùn)改進(jìn)項目管理方法，保障探月計劃的順利進(jìn)行。