美國阿爾忒彌斯載人登月計劃進展

陳澤煜，賀永寧，宋 寧，崔萬照

(1.西安交通大學(xué) 微電子學(xué)院，西安 710049； 2.中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000；3.93995部隊理論訓(xùn)練系，西安 710306)

0 引言

1969年7月16日，土星5號超重型運載火箭搭載阿波羅11號飛船從美國卡納維拉爾角的肯尼迪航天中心點火升空，人類首次登月行動就此拉開序幕。4天后，美國宇航員尼爾·奧爾登·阿姆斯特朗、巴茲·奧爾德林和邁克爾·柯林斯乘坐登月艙降落月球表面，并在月球上留下了“人類的一大步”。在接下來的3年多時間里，美國再次向月球表面派送了5批宇航員，這也是人類迄今為止全部的登月活動。雖然阿波羅計劃歷時11年，耗資255億美元(約占當(dāng)時美國全部科技研究開發(fā)經(jīng)費的20%)，但美國宇航員在月球上度過的總時間大約只有11天，在月球表面艙外活動的總時間僅有80個小時[1]。雖然如此，阿波羅計劃的實施仍極大地推動了美國科技水平的發(fā)展，使美國在多個技術(shù)領(lǐng)域取得全球領(lǐng)先地位，并為后續(xù)美國經(jīng)濟的發(fā)展提供了強力支撐[2]。

時隔50年，美國再次推出阿爾忒彌斯計劃，開展新一輪的載人登月活動。這項全新的登月計劃將由NASA主導(dǎo)、多方參與，計劃將在2024年左右實現(xiàn)載人登月。其遠期的目標是建立月球行動基地，實現(xiàn)人類在月球的長期駐守。這項計劃涉及了37次發(fā)射任務(wù)，其中8次將通過太空發(fā)射系統(tǒng)(space launch system, SLS)完成，其余的將借助商業(yè)航天的運載火箭實現(xiàn)。該計劃還包括了將近50個模塊、太空艙、運載火箭與飛船、著陸器和巡游器等。而這一次登月行動不僅僅局限于月球，它還將為未來的美國載人探火計劃提供試驗場和中轉(zhuǎn)站。

月球已成為未來航天大國爭奪戰(zhàn)略資源的焦點。月球具有可供人類開發(fā)和利用的各種獨特資源，是對地球資源的重要補充和儲備，將對人類社會的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。歷史經(jīng)驗證明，開展月球探測等深空探測活動對于提升國家科技水平和國際影響力具有重要意義。我國從2004年正式開展月球探測工程，并命名為“嫦娥工程”。如今，嫦娥工程“繞、落、回”三部曲已經(jīng)圓滿收官，下一步載人登月工程的相關(guān)論證工作已經(jīng)展開，相關(guān)技術(shù)攻關(guān)工作也已經(jīng)開始，并預(yù)計在2030年實現(xiàn)中國人的首次登月[3-6]。作為已經(jīng)多次成功登月的國家，美國的新一輪載人登月計劃對于我國未來探月工程具有參考借鑒價值。文章將對美國阿爾忒彌斯載人登月計劃進行綜述，以期為我國深空探測相關(guān)從業(yè)者提供參考。

1 阿爾忒彌斯計劃概述

從1961年至1972年的11年間，美國耗資255億美元組織實施了6次載人登月行動，并將其命名為阿波羅計劃。阿波羅是古希臘神話中掌管光明和預(yù)言的神，而他的孿生姐姐阿爾忒彌斯則被用來命名美國21世紀新一輪的載人登月計劃。如圖1所示，阿爾忒彌斯作為希臘神話中掌管狩獵、原始自然、月亮和貞潔的女神，經(jīng)常以一個年輕的女獵人形象出現(xiàn)在繪畫和雕像作品中。NASA選擇阿爾忒彌斯作為新一輪載人登月計劃的代號，除了她是古希臘神話中的月亮女神外，還因為在這次登月計劃中，將會有第一位女性航天員登上月球。

圖1 位于巴黎盧浮宮博物館的阿爾忒彌斯雕像Fig.1 Statue of Artemis in the Louvre Museum, Paris

阿爾特彌斯項目參與方包括了歐洲航天局、日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)、加拿大航天局、俄羅斯聯(lián)邦航天局以及美國商業(yè)航天機構(gòu)等。美國前總統(tǒng)唐納德·特朗普于2017年12月11 簽署了《太空政策1號指令》，正式批準了阿爾忒彌斯計劃。阿爾忒彌斯1號任務(wù)信息圖如圖2所示。NASA對于阿爾忒彌斯計劃的概念有如下表述：

1)展示未來太空探索(包括火星探測)所需的新技術(shù)、能力及商業(yè)方法；

2)確立美國在月球上的戰(zhàn)略存在及領(lǐng)導(dǎo)地位，同時擴大美國在全球的經(jīng)濟影響力；

3)擴大美國的商業(yè)和國際伙伴關(guān)系；

4)激勵新一代并鼓勵他們從事科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的職業(yè)。

目前，NASA為阿爾忒彌斯計劃規(guī)劃了三個階段的任務(wù)，前兩個階段任務(wù)的相關(guān)工作已經(jīng)開展。隸屬于NASA咨詢委員會的人類探索行動委員會給出了這三個階段任務(wù)的時間節(jié)點與目標：

1)第一階段任務(wù)實施時間為2019年至2024年，將專注于建設(shè)支持人類半個多世紀以來再次實現(xiàn)登月的系統(tǒng)。第一階段將包括在逆行軌道上進行的第一次航天器無人試飛。第一階段任務(wù)代號為阿爾忒彌斯1號，核心任務(wù)將以SLS和獵戶座飛船的首次發(fā)射為代表。阿爾忒彌斯1號原計劃于2020年底發(fā)射，但目前已推遲至2022年底，事實上，阿爾忒彌斯1號的發(fā)射并不順利，從2022年4月起，阿爾忒彌斯1號先后經(jīng)歷了燃料泄露、傳感器故障、颶風(fēng)影響、熱控系統(tǒng)故障等問題而多次推遲發(fā)射，美國東部時間2022年11月16日，阿爾忒彌斯1號任務(wù)終于成功實現(xiàn)發(fā)射。12月11日，獵戶座飛船在經(jīng)歷了繞月飛行后，重返地球并濺落在美國加利福尼亞州附近海域；

2)第二階段是到2028年擁有在月球及其周圍建立人類可持續(xù)存在所必需的能力。NASA已經(jīng)開啟第二階段任務(wù)的準備工作，將聚焦于月球表面棲息地技術(shù)、機動能力以及原位資源利用技術(shù)。在第二階段任務(wù)中，阿爾忒彌斯2號將搭載1名乘員進行一次繞月飛行。這項任務(wù)目前計劃于2022年完成，但如果阿爾忒彌斯1號任務(wù)延期，阿爾忒彌斯2號也很可能會延期。這將是人類首次在高橢圓軌道上進行繞月飛行；

3)第三階段任務(wù)是在2030年前實現(xiàn)人類在月球表面的登陸。任務(wù)中規(guī)劃了一個稱為“門戶”的繞月空間站，作為著陸月球的中轉(zhuǎn)站。門戶空間站的動力推進系統(tǒng)將會在2022年底交付，隨后是加壓艙的交付。加壓艙將具有足夠的承載能力，使執(zhí)行阿爾忒彌斯3號任務(wù)的宇航員能夠乘坐它轉(zhuǎn)移到人類著陸系統(tǒng)上，進而降落到月球南極。

圖2 阿爾忒彌斯1號任務(wù)信息圖[7]Fig. 2 Artemis 1 mission infographic

2 阿爾忒彌斯計劃要素

2.1 著陸點

NASA為阿爾忒彌斯計劃所規(guī)劃的首選著陸點是位于月球南極的南極艾特肯盆地，如圖3所示。它是一個位于月球遠地側(cè)的巨大撞擊構(gòu)造，其中心位于南緯53°，西經(jīng)169°。它的直徑約為2500km，內(nèi)緣長軸線綿延約2000km。南極艾特肯盆地是月球上公認最大、最深以及最古老的盆地。它的海拔范圍跨越深約13km的低谷到高約8km的環(huán)形山脈。地球上的觀測者可以看到最接近南極點的山峰，在人們意識到這些山峰就是艾特肯盆地邊緣的一部分之前，它們便已被命名為萊布尼茨山脈。

圖3 由月球軌道器激光測高儀和月球勘測軌道器廣角相機測繪的南極-艾特肯盆地地形圖[8]Fig. 3 Topographic map of the south pole-aitken basin mapped by the lunar orbiter laser altimeter and the lunar reconnaissance orbiter wide-angle camera

NASA選擇艾特肯盆地作為探月登陸點的主要出發(fā)點有兩個。一是此處可能存在水冰資源，二是盆地邊緣具有天然的對地通信優(yōu)勢。而在艾特肯盆地中，沙克爾頓隕石坑最具有成為阿爾忒彌斯計劃的登月點和未來月球基地選址的潛力。沙克爾頓隕石坑是以南極探險家歐內(nèi)斯特·沙克爾頓的名字命名的，它坐落在艾特肯盆地內(nèi)，幾乎正好位于月球南極點，坐標為南緯89.9°，東經(jīng)0.0°。其直徑21km，深達4.2km。沿著隕石坑邊緣分布的山峰幾乎持續(xù)暴露在陽光下，而內(nèi)部則永遠處于陰影中，形成一個永久黑暗的區(qū)域。月球上直接能為人類所使用的水資源，就可能以冰的形式存在于隕石坑中心的永久陰影區(qū)內(nèi)。這些水冰除了可供宇航員飲用外，還可以作為火箭燃料的原料[9]。此外，在隕石坑的邊緣，則分布有可以被太陽永久照射的永晝峰，若在此處布置太陽能發(fā)電裝置，則可以保證源源不斷的電能供給。同時，這些山峰可以直視地球，因此可以實現(xiàn)直接對地通信。因此，科學(xué)家們將目光都聚焦在月球艾特肯盆地上，以尋求最佳的月球登陸點。

2.2 運載火箭與飛船

阿波羅計劃中，NASA使用土星5號運載火箭實現(xiàn)了9次月球軌道的發(fā)射，其中包括6次載人登月任務(wù)。土星5號可產(chǎn)生3408t的推力，可向近地軌道運送118t重的載荷，而對月球軌道的運載能力達到了45t。土星5號運載火箭的生產(chǎn)線于1970年關(guān)閉，而在1973年將天空實驗室空間站送入近地軌道后，這款強大、可靠的運載火箭正式退出了歷史舞臺。隨著阿爾忒彌斯計劃的開啟，NASA迫切需要一款能將大重量載荷運送到月球軌道的運載火箭，而被廣泛認為是土星5號的繼任者——SLS被NASA寄予厚望，計劃將承擔(dān)主要的對月運送任務(wù)，包括載人飛行任務(wù)[10]。

如圖4所示，SLS主體由芯級和一對固體火箭助推器組成。芯級是運載火箭的中心部分，包含兩個巨大的液體燃料罐。它們的總高度約為65m，直徑8.4m，用以儲存低溫的液氫和液氧，包括為芯級4個RS-25發(fā)動機提供動力的所有系統(tǒng)。它也容納了控制火箭飛行的計算機和多個航空電子設(shè)備。RS-25發(fā)動機曾作為航天飛機的主發(fā)動機，在航天飛機退役后，NASA對其進行了改進并用在了SLS芯級上。與RS-25發(fā)動機相同，SLS的固體火箭助推器也繼承了航天飛機項目的遺產(chǎn)。Orbital ATK公司利用其庫存的航天飛機助推器為SLS重新設(shè)計和建造了固體火箭助推器。為了提供更大的推力，Orbital ATK公司將原本用于航天飛機的四段式固體火箭改進為五段式。用于SLS的五段式固體火箭助推器長度為53.95m，直徑為3.71m，重量為72.6t。由于每一個固體火箭助推器可為SLS提供1500t的最大推力，這對助推器總共能夠為SLS火箭提供75%的總發(fā)射推力。

圖4 SLS Block 1型模型圖[11]Fig. 4 SLS Block 1 model diagram

NASA為阿爾忒彌斯計劃所規(guī)劃的主力飛船名為“獵戶座”。它是由洛克希德·馬丁公司設(shè)計和建造的一款新型宇宙飛船。獵戶座飛船由服務(wù)艙、乘員艙、發(fā)射中止系統(tǒng)以及飛船適配器等部分組成，重約23t，直徑約5m。其加壓艙容積約為19.5m3，可居住容積8.9m3。獵戶座飛船的第一次主要測試是由聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的德爾塔IV重型運載火箭在佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地37號航天發(fā)射場發(fā)射，測試時間為2014年12月5日。在無人測試期間，飛船兩次穿過范艾倫帶，在那里經(jīng)歷了長時間的輻射，最終到達地球上方5800km的高度。當(dāng)飛船進入大氣層時，它的速度達到了32187km/h，外層溫度達到了2204℃。這項試驗測試了隔熱板、航空電子設(shè)備、降落傘、計算機和關(guān)鍵的飛船分離操作，并運行了多個至關(guān)重要的獵戶座乘組安全保障系統(tǒng)。2019年7月2日，NASA成功演示了獵戶座飛船的發(fā)射中止系統(tǒng)，這意味著獵戶座飛船已經(jīng)通過了載人飛行前最重要的一次資格測試。SLS和獵戶座飛船將在阿爾忒彌斯1號任務(wù)中進行首次無人集成飛行測試。獵戶座飛船與阿波羅飛船的主要區(qū)別如圖5所示。

圖5 阿波羅飛船(左)和獵戶座飛船(右)主要區(qū)別的對比[12]Fig. 5 Comparison of the main differences between the Apollo spacecraft (left) and the Orion spacecraft (right)

2.3 著陸器與科學(xué)有效載荷

NASA重返月球計劃中所面臨的最大技術(shù)挑戰(zhàn)之一，就是開發(fā)從門戶空間站(或月球軌道的其他地方)下降到月球表面的載人著陸器。目前這些計劃尚未固化。NASA計劃使用獵戶座飛船將4名宇航員送至門戶空間站，接著用一艘著陸器將其中2名宇航員送到月球表面。NASA已經(jīng)開始商討有關(guān)著陸器的一些初步設(shè)計合同，并在系統(tǒng)設(shè)計方面為制造商提供一定的靈活性，包括從門戶空間站下降至月球低軌道，從低軌降落到月球表面，以及任務(wù)完成后先從月面發(fā)射至低軌接著再返回門戶空間站。NASA在為他們的著陸器尋求一個更加商業(yè)化的合同程序。而現(xiàn)在最大的問題是NASA是否會從國會那邊獲得資金以實際建造該空間站。2018年底，時任NASA先進探索系統(tǒng)部負責(zé)人的杰森·克魯桑向月球探測分析小組介紹了載人登陸器的情況。除了以前的設(shè)計概念和架構(gòu)外，還研究了與門戶空間站相兼容的阿爾忒彌斯登陸系統(tǒng)設(shè)計，其中包括單級、雙級和三級著陸方案。

帶有上升艙和降落級火箭的雙級方案更符合SLS的運力。然而克魯桑認為降落級的重量過大，無法通過在未來十年內(nèi)可能會面世的商業(yè)運載火箭來運輸。而阿波羅15、16、17號任務(wù)所使用的阿波羅擴展登月艙重達16t，最多可維持2名宇航員在月球表面3天活動。

三級方案除上升艙和降落艙外，額外引入一個“拖船”或轉(zhuǎn)運級(或稱為“轉(zhuǎn)運模塊”或“轉(zhuǎn)運飛行器”)。它將把著陸器從門戶空間站轉(zhuǎn)運到較低的軌道上，以減少著陸器需要攜帶的燃料重量。如此一來，多型運載火箭都可以滿足條件，從而為商業(yè)航天公司和國際伙伴提供更多合作機會。先進探測著陸器是NASA關(guān)于三級登陸器概念的構(gòu)想。著陸器首先從門戶空間站出發(fā)，接著通過轉(zhuǎn)運飛行器將宇航員送到月球低軌，然后分離。之后降落艙(附帶上升艙)將駛向月球表面開展任務(wù)。最多4名宇航員(大概率是2名)在月球表面停留約兩周時間，然后乘坐上升艙升空，返回門戶空間站。降落艙和推進裝置的重量為12～15t，可通過商業(yè)運載火箭分批發(fā)射，并在門戶空間站處組合。

杰夫·貝佐斯于2019年10月22日宣布，藍色起源公司打算與洛克希德·馬丁公司、諾斯羅普·格魯曼公司和德雷珀實驗室合作，為阿爾忒彌斯計劃開發(fā)一個具有載人能力的月球著陸系統(tǒng)，如圖6所示。作為這個項目的主承包商，藍色起源將負責(zé)項目的管理及任務(wù)擔(dān)保。洛克希德·馬丁公司將建造藍月著陸器的可重復(fù)使用部分，該部分搭載宇航員從月球表面返回，也被稱為 “上升艙”。該公司還將為該飛行器提供專門的宇航員培訓(xùn)服務(wù)，并引導(dǎo)其運行。諾斯羅普·格魯曼公司將提供“轉(zhuǎn)運艙”，實現(xiàn)登陸系統(tǒng)從門戶空間站到月球低軌的轉(zhuǎn)運。德雷珀實驗室將主導(dǎo)降落飛行器制導(dǎo)系統(tǒng)的開發(fā)工作，并提供相關(guān)的航電設(shè)備。

圖6 藍色起源公司載人登月著陸器概念圖[13]Fig. 6 Blue origin’s crewed lunar lander concept

2019年11月5日，波音公司根據(jù)其在國際空間站、SLS和星際航線項目中所積累的經(jīng)驗，向NASA提交了一份關(guān)于載人登月的提案。波音公司計劃使用提升了運載能力的SLS Block 1B型火箭與探索上面級來實現(xiàn)“通往月球的最快步驟”，以打通通往月球表面最安全和最直接的路徑。據(jù)該公司稱，此方案可使載人登月的關(guān)鍵任務(wù)節(jié)點縮短至5個，而不是其他提議所需求的11個或更多。

撤銷轉(zhuǎn)運級并將集成的著陸器送到月球軌道上，將大幅減少發(fā)射次數(shù)并精簡著陸的步驟。事實上，這個著陸器既可以與網(wǎng)關(guān)對接，也可以直接與NASA的獵戶座飛船對接，不需要額外的航天器，從而使NASA實現(xiàn)其2024年度任務(wù)的可能性增加了。

由于計劃中第一次飛行前的窗口時間很短，NASA的相關(guān)場所正在緊鑼密鼓地開發(fā)第一批科學(xué)有效載荷。隨后將選擇包括來自大學(xué)和工業(yè)界提供的有效載荷。其目的是每年調(diào)用有效載荷以創(chuàng)造更多的機遇。

2019年2月21日，NASA宣布了首批12個有效載荷和實驗，它們將分別執(zhí)行以下任務(wù)：

1)線性能量轉(zhuǎn)移光譜儀，用于監(jiān)測月球表面輻射；

2)磁強計，用來測量月球表面磁場；

3)近地側(cè)月球表面低頻無線電觀測，這是一項用射頻信號測量月球表面附近光電子鞘層密度的實驗；

4)一套由3臺儀器組成的設(shè)備，用于收集航天器在月球表面降落和著陸期間的數(shù)據(jù)，以輔助開發(fā)未來載人著陸器；

5)用于月球表面羽流研究的立體相機，是一組用于監(jiān)測著陸器發(fā)動機羽流與月球表面之間相互作用的相機；

6)著陸器對月球表面和外大氣層的改變，作為另一臺著陸監(jiān)測器，用于研究航天器對脆弱的月球外大氣層影響；

7)導(dǎo)航多普勒激光雷達是一種速度和測距儀器，用于速度和距離精確傳感，可使月球著陸更加精確；

8)近紅外揮發(fā)物光譜儀系統(tǒng)是一種分析月球表面成分的成像光譜儀；

9)中子光譜儀系統(tǒng)和月球表面的先進中子測量是一對中子探測器，用于量化月壤表層土表面附近的氫以及水；

10)月球表面揮發(fā)物離子阱質(zhì)譜儀是測量月球表面和外大氣層揮發(fā)物的質(zhì)譜儀；

11)用于實現(xiàn)月球表面長期發(fā)電的太陽能電池示范平臺，是一種用于長期任務(wù)的下一代太陽能電池陣列；

12)“月球節(jié)點1號”導(dǎo)航演示器，為軌道飛行器和著陸飛船提供地理定位的導(dǎo)航信標。

2.4 門戶空間站

在阿爾忒彌斯計劃中，NASA提出了門戶繞月空間站的概念[14]，如圖7所示。即向月球發(fā)射一個小型空間站，作為登陸月球的中繼站或跳板。NASA門戶空間站的理念是將必要的功能分配到各個高級的模塊中，電力和推進(通信)模塊、居住/活動艙、后勤補給、氣閘和機械臂。一個有效的居住及應(yīng)用功能包含集成了居住系統(tǒng)與組件的加壓艙，對接端口，環(huán)境控制與生命支持系統(tǒng)，航電與控制系統(tǒng)，輻射防護與監(jiān)測，消防安全系統(tǒng)，自動控制能力、應(yīng)用以及宇航員健康保障(包括鍛煉器材)。NASA認為，與空間發(fā)射系統(tǒng)和獵戶座飛船一起，門戶空間站是支持和推動人類實現(xiàn)太空探索目標的核心，也是美國實現(xiàn)載人繞月行動、月面登陸和火星任務(wù)架構(gòu)中唯一的共用跳板。門戶空間站將會促進美國工業(yè)發(fā)展，確保美國在其他國家可涉足的新興、關(guān)鍵領(lǐng)域中的領(lǐng)導(dǎo)地位[14-15]。

圖7 門戶空間站概念圖[16]Fig. 7 Gateway concept diagram

在NASA的計劃中，門戶空間站將具有如下功能：

1)包含初代月球通信功能的動力推進系統(tǒng)；

2)居住及利用功能包含集成了居住系統(tǒng)與組件的加壓艙，對接端口，環(huán)境控制與生命支持系統(tǒng)，航電與控制系統(tǒng)，輻射防護與監(jiān)測、消防安全系統(tǒng)，自動控制能力、應(yīng)用、以及宇航員健康保障(包括鍛煉器材)；

3)多個后勤保障飛行任務(wù)；

4)乘組氣閘、科研氣閘和科學(xué)氣閘舾裝；

5)科學(xué)實驗(包括艙內(nèi)和艙外)，包括與科學(xué)氣閘協(xié)同使用的立方體衛(wèi)星(Cubesat)部署器；

6)對接功能，額外的推進劑存儲功能(可為門戶空間站提供額外的燃料)以及先進的月球通信功能；

7)包含機械臂接口的機械臂；

8)交會傳感器組件；

9)可支持人類和機器人開展月球表面任務(wù)。

目前，門戶空間站第一個模塊——動力推進模塊的研制合同已經(jīng)授予馬克薩科技公司，研制工作已經(jīng)開展。但門戶空間站目前還存在著不小的爭議。如NASA前副局長道格拉斯·庫克認為，NASA讓人類登上月球的最快、最可靠的方法是忽略商業(yè)發(fā)射裝置，繞過門戶，加快探索上面級的開發(fā)，使SLS單次發(fā)射就能滿足著陸器的輸送——類似于20世紀60年代的阿波羅設(shè)計。阿波羅11號宇航員巴茲·奧爾德林表示，他“非常反對門戶空間站”，“將門戶空間站用作機器人或人類登月任務(wù)的中轉(zhuǎn)區(qū)是荒謬的?！?奧爾德林還質(zhì)疑“將機組人員送往太空中間點，在那里搭載著陸器并降落”的好處。他表示支持羅伯特·祖布林直達月球的理念，該理念涉及到了從地球軌道到月球表面再返回的月球著陸器。

門戶空間站是基于美國目前缺乏對月軌道重型載荷輸運能力現(xiàn)狀的折中方案。由于阿爾忒彌斯總預(yù)算有限，門戶空間站項目必然會擠壓其他項目的預(yù)算，因此有人質(zhì)疑門戶空間站不僅無法幫助美國快速實現(xiàn)載人登月的目標，甚至?xí)璧K計劃的進展。

2.5 商業(yè)航天的參與

阿爾忒彌斯計劃是由NASA發(fā)起、多方參與的一項載人登月計劃，除了各國航天局等官方機構(gòu)的參與外，美國將其國內(nèi)的商業(yè)航天公司也納入了合作伙伴名單中。這些商業(yè)航天公司憑借技術(shù)、資本的優(yōu)勢，從NASA獲得了大量載人登月裝備或模塊的承包合同，涵蓋運載火箭、飛船、著陸器、有效載荷等。

乘組人員將利用獵戶座飛船抵達門戶空間站，而獵戶座飛船被認為是來自NASA的航天器，而非商業(yè)航天工業(yè)。獵戶座飛船將通過SLS發(fā)射。利用商業(yè)火箭發(fā)射的商業(yè)航天器可以執(zhí)行對接門戶空間站的無人飛行任務(wù)。目前所設(shè)計的商用航天器僅用于近地軌道飛行，但它們以后也可能會被重新設(shè)計用于月球軌道。

名為“星際航線”的波音CST-100太空艙是由波音公司開發(fā)的航天器，參與了NASA的商業(yè)載人航天計劃。它被設(shè)計用于近地軌道，主要目的是將宇航員運送到國際空間站。它在概念上類似于洛克希德·馬丁公司為NASA建造的獵戶座飛船，但后者能夠在月球空間執(zhí)行任務(wù)。星際航線的發(fā)射質(zhì)量為13t，其直徑為4.56m，長度為5.03m。它的總體積為11m3，略大于阿波羅指揮艙，但小于獵戶座飛船。星際航線太空艙最多可搭載7人，可在軌道上停留7個月，最多可重復(fù)使用10次任務(wù)。它與4種運載火箭兼容：阿特拉斯5號、德爾塔4號、獵鷹9號以及火神。2019年12月20日的試飛使用了阿特拉斯5號N22(代碼表示沒有空氣動力護罩、兩個固體推進器和一個帶有兩個發(fā)動機的上面級)，并從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地的SLC-41發(fā)射臺發(fā)射。

龍飛船2號，即載人龍飛船，是由SpaceX公司開發(fā)和制造的可重復(fù)使用的飛船，并被作為貨運龍飛船的后繼型號，如圖8所示。它通過獵鷹9號Block 5型火箭發(fā)射，通過海面濺落的方式返回地球。與貨運龍飛船相比，載人龍飛船擁有更大的窗口、新的飛行計算機和航空電子設(shè)備、重新設(shè)計的太陽能電池陣列，以及改進的外部輪廓線。計劃中有兩種型號：載人龍飛船，一種可搭載7名宇航員的載人飛船，以及貨運龍飛船，作為原龍飛船的迭代品。貨運龍飛船將被改裝為已經(jīng)成功飛行的載人龍飛船。

圖8 SpaceX公司設(shè)計制造的載人龍飛船4號[17]Fig. 8 Crewed Dragon spacecraft 4 from SpaceX

商業(yè)登月有效載荷服務(wù)是NASA于2018年4月開啟的一項計劃，旨在將向月面運送小型機器人著陸器與巡游車項目外包出去，其中一部分將被送往因水冰而聞名的月球南極區(qū)域。其目標是尋找可以使用“原位資源利用”技術(shù)開發(fā)的資源，并開展月球科學(xué)研究，從而對阿爾忒彌斯載人登月計劃提供支持。商業(yè)登月有效載荷服務(wù)計劃使用固定價格合同購買地球和月球表面之間端到端的有效載荷服務(wù)。

商業(yè)登月有效載荷服務(wù)項目由NASA總部的科學(xué)任務(wù)局、人類探索與運營委員會以及科學(xué)技術(shù)任務(wù)局共同管理。NASA希望承包商提供安全集成、容納、運輸和運營NASA有效載荷所需的所有活動，包括運載火箭、月球著陸器、月球表面系統(tǒng)和返回地球的再入飛行器?！帮w行良機”計劃預(yù)計將在2020年中期開始。

3 阿爾忒彌斯計劃對我國探月工程的啟示

美國早在20世紀70年代就已經(jīng)通過阿波羅計劃實現(xiàn)了載人登月，并帶回大量月壤樣品。NASA在深空探測領(lǐng)域積累了大量技術(shù)和經(jīng)驗，培養(yǎng)了一大批航天人才，帶動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進步。如今美國重啟載人登月計劃，其目標不僅是登上月球，遠期目標還包括在月球建立永久行動基地，并為載人探火奠定基礎(chǔ)。作為航天大國，我國也啟動了一系列探月工程，并計劃在未來十年實現(xiàn)載人登月。美國在推進阿爾忒彌斯載人登月計劃中所采取的戰(zhàn)略措施和獲得的經(jīng)驗教訓(xùn)對于我國未來探月工程的開展具有借鑒意義。

首先是對于基礎(chǔ)學(xué)科的重視和投入。在白宮發(fā)布的NASA 2020財年預(yù)算中，有1.23億美元的預(yù)算將被用于科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)項目中，以激勵和培養(yǎng)未來將從事這些方向的研究者，這比2019年頒布的水平高出1300萬美元。在各項預(yù)算中，這一部分預(yù)算的增長率是最高的。我國探月工程至今已經(jīng)取得了多項偉大成就，嫦娥5號已經(jīng)攜帶月壤樣品返回地球，但載人登月的相關(guān)技術(shù)還需要進行大量的開發(fā)與積累，因此增強對基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)的投入是十分必要的。

其次，重型運載火箭技術(shù)對于載人探月工程至關(guān)重要。如果美國現(xiàn)在還擁有類似土星5號的超級重型運載火箭，那么NASA就可以避免阿爾忒彌斯計劃中所有的復(fù)雜設(shè)計而實現(xiàn)直接登月，畢竟土星5號可將近50t重的載荷運送到跨月注入點。但是土星5號阿波羅時代就已經(jīng)退出歷史舞臺。1973年，土星5號的最后一次發(fā)射將太空實驗室空間站送入了地球軌道。由于缺乏近似的運載能力，任務(wù)規(guī)劃者必須秉持利用較弱的運載火箭來實現(xiàn)發(fā)射任務(wù)的運營理念，特別是SLS以及還在穩(wěn)定發(fā)展的商業(yè)火箭。2022年4月，由于三次發(fā)射演練失敗，美國國家航空航天局新一代登月火箭“太空發(fā)射系統(tǒng)”將被撤下發(fā)射臺，轉(zhuǎn)運回總裝大樓檢測維修，今后演練和發(fā)射計劃未定。這無疑會再次推遲美國宇航員登上月球的時間。發(fā)展重型運載火箭，對于開展載人探月活動以及后續(xù)的探火工程具有重要的意義。不同于美國試圖通過“打了類固醇的阿波羅”的方式(即用更大、更強性能的著陸器實現(xiàn)直接登月)實現(xiàn)載人登月目標，中國探月工程根據(jù)我國的經(jīng)濟技術(shù)水平制定了穩(wěn)扎穩(wěn)打的“三步走”戰(zhàn)略，目前已經(jīng)實現(xiàn)探測器繞月、著陸器登陸以及月壤采樣返回的目標。在此基礎(chǔ)上中國探月工程已經(jīng)開展了載人登月計劃的相關(guān)論證與技術(shù)攻關(guān)工作，工程進度穩(wěn)步推進。而美國阿爾忒彌斯載人登月計劃由于缺乏合理的戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃而造成進度的一再推遲。

再次，還應(yīng)積極探索商業(yè)航天合作模式。2019年3月26日，時任美國副總統(tǒng)彭斯在阿爾卑斯州亨茨維爾舉行的國家空間委員會第五次會議上表示：“如果一家商業(yè)公司能夠以比現(xiàn)有水平更快的速度和更低的成本向納稅人交付火箭、月球著陸器或其它任何功能模塊，那么NASA需要有權(quán)利和勇氣迅速改變方向以實現(xiàn)這一目標”。因此，在阿爾忒彌斯計劃中，NASA選擇將大量硬件模塊、貨運任務(wù)以及運載火箭等項目分包給美國的商業(yè)航天公司。這是為了在有限的預(yù)算水平下盡快地推動阿爾忒彌斯計劃前進。這一戰(zhàn)略催生了一大批具有高技術(shù)水平的美國商業(yè)航天公司，如SpaceX、藍色起源等。這些公司通過競標獲得合同，同時也會獲得NASA的技術(shù)轉(zhuǎn)移，進而為阿爾忒彌斯計劃的開展提供助力。中國目前也具備一定規(guī)模的商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)，涉及運載火箭、小型衛(wèi)星等領(lǐng)域，因此可以積極探索新的合作模式，從而為國家探月工程的推進提供新的動力。

此外，大功率小型化的微波通信載荷在深空探測領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。這是因為這類載荷在提升遠程通信能力的同時可以大幅降低載荷質(zhì)量，從而可以有效降低發(fā)射成本。但微放電、無源互調(diào)等特殊效應(yīng)制約了微波系統(tǒng)向大功率小型化方向的發(fā)展。NASA、ESA及國內(nèi)外多家航天機構(gòu)對此投入了大量人力和物力，開展這類空間特殊效應(yīng)的機理及防護技術(shù)研究。因此，面向我國未來即將開展的載人探月工程，必須加強這一領(lǐng)域的相關(guān)基礎(chǔ)研究，從而為深空探測活動中的空間通信安全保駕護航。

4 結(jié)論

美國新一輪載人登月計劃被以希臘神話人物阿爾忒彌斯命名。目前，NASA為阿爾忒彌斯計劃規(guī)劃了三個階段的任務(wù)，分別為無人繞月探測、載人繞月探測及載人登月。與阿波羅計劃不同，阿爾忒彌斯計劃中將要建設(shè)永久的月球行動基地，同時為載人探火行動奠定基礎(chǔ)。除了來自NASA的太空發(fā)射系統(tǒng)火箭和獵戶座飛船，阿爾忒彌斯計劃中將會借助商業(yè)航天所提供的運載火箭、飛船、巡游器及有效載荷等模塊，以加速實現(xiàn)計劃目標。此外，NASA還計劃發(fā)射一個名為“門戶”的繞月空間站，以作為探月活動的中轉(zhuǎn)站。我國在完成嫦娥工程“繞、落、回”階段性任務(wù)后也將開展載人登月計劃，阿爾忒彌斯計劃對于我國未來探月工程的開展具有借鑒價值。