美國國家航空航天局在加緊準(zhǔn)備其50多年來的首次載人深空任務(wù)
在2024年年底之前，將有4人登上航天器，飛往月球、繞月之后再返回地球。是的，曾經(jīng)去過，曾經(jīng)做過。但那已經(jīng)過去50多年了。
美國國家航空航天局的“阿爾忒彌斯二號(hào)”任務(wù)是2025年登月計(jì)劃的熱身，這將標(biāo)志著自1972年“阿波羅17號(hào)”任務(wù)以來，美國首次有宇航員離開近地軌道。
“這表明，美國正在恢復(fù)已失去幾十年的技術(shù)能力，正在計(jì)劃讓宇航員重返月球?！庇R斯特大學(xué)副教授布萊丁?鮑文（Bleddyn Bowen）說，“經(jīng)過幾十年的概念藝術(shù)、含糊其詞的承諾、總統(tǒng)和國會(huì)的猶豫不決，現(xiàn)在看到一次真正的載人繞月任務(wù)，確實(shí)令人振奮。”
這項(xiàng)為期10天的任務(wù)將重走2022年無人駕駛的“阿爾忒彌斯一號(hào)”的飛行路線，測(cè)試生命支持系統(tǒng)。接下來，為2025年的“阿爾忒彌斯三號(hào)”任務(wù)作準(zhǔn)備，在“阿爾忒彌斯三號(hào)”任務(wù)中，宇航員將在月球南極附近著陸。巨型火箭太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）將把“獵戶座”飛船送入軌道，檢查各個(gè)系統(tǒng)后，拋棄固體燃料助推器，然后由液體推進(jìn)劑火箭把“獵戶座”送入橢圓高軌道，到達(dá)11萬公里的遠(yuǎn)地點(diǎn)。然后是奔向渴望的月球。
機(jī)組人員將在7400公里軌道上飛越月球背面，并且只經(jīng)過一次。這樣，“獵戶座”就可以利用月球引力，像彈弓一樣把它送上為期4天的回程之旅。機(jī)組人員將親身體驗(yàn)到“地球升起”，這是“阿波羅8號(hào)”的標(biāo)志性圖像，雖然沒有原始圖像那樣深遠(yuǎn)的影響，但它可能預(yù)示著探索的新曙光。
由于宇宙輻射，深空旅行需要比國際空間站更好的保護(hù)和更強(qiáng)的能力。國際空間站的軌道在地球上空幾百公里，在地球磁場(chǎng)內(nèi)。“‘獵戶座’的設(shè)計(jì)要保障人員長時(shí)間生存和安全，即使在緊急情況下，從離地球數(shù)十萬英里的地方返回地球業(yè)需要幾天到幾周的時(shí)間。”美國國家航空航天局探索系統(tǒng)開發(fā)任務(wù)理事會(huì)的雷切爾?克拉夫特（Rachel Kraft）表示。
洛克希德?馬丁公司制造的“獵戶座”和由空客公司制造的歐洲服務(wù)艙，具有嚴(yán)格的輻射防護(hù)裝備和抗輻射電子設(shè)備、深空制導(dǎo)，以及遠(yuǎn)程導(dǎo)航和控制。除了健身器材和推進(jìn)劑的儲(chǔ)存空間外，獵戶座還給予了9立方米的居住空間，包括衛(wèi)生間和廚房。飛船上的給養(yǎng)物資足夠維持機(jī)組人員生存3周。如果艙內(nèi)失壓，“獵戶座”的宇航服可以保護(hù)和維持機(jī)組人員6天的生命。
熱力學(xué)對(duì)深空旅行提出了另一項(xiàng)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。從低軌道返回地球表面的航天器重返大氣層時(shí)的速度是7.8公里/秒左右，但從月球返回的速度可達(dá)11公里/秒，此時(shí)航天器前緣的溫度將升高到了2800℃左右。“獵戶座”的隔熱罩具有186塊Avcoat隔熱板（一種在逐漸燃燒過程中帶走熱量的材料），屆時(shí)將發(fā)揮作用。
不止是旗幟和腳印
與此同時(shí)，為了確保阿爾忒彌斯任務(wù)不僅僅是重演阿波羅號(hào)的“旗幟和腳印”之旅，各項(xiàng)工作正在進(jìn)行中。這項(xiàng)宏偉計(jì)劃還包括一個(gè)名為“月球門戶”（Lunar Gateway）的月球軌道站，這是阿爾忒彌斯架構(gòu)的關(guān)鍵組成部分。模塊化的“月球門戶”將是地球以外的第一個(gè)空間站，給予一個(gè)方便人們居住、進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)和登月途中添加燃料的地方。它將支持月球表面作業(yè)，并有可能為月球更遠(yuǎn)的太空旅行給予途中?？空?。
在美國國家航空航天局的牽頭下，約有25個(gè)國家參與了這項(xiàng)計(jì)劃。“跨時(shí)區(qū)、跨國界和跨文化的協(xié)調(diào)可能具有挑戰(zhàn)性。”美國國家航空航天局公共事務(wù)官員迪倫?康奈爾（Dylan Connell）指出，“但克服這些障礙可以保障美國與盟友們一起登上月球?！边@種合作還需要制定互操作性標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)可擴(kuò)展到更廣泛的阿爾忒彌斯項(xiàng)目商業(yè)合作。
根據(jù)美國國家航空航天局現(xiàn)在的設(shè)想，人員重返月球表面的任務(wù)將從SLS助推“獵戶座”飛船與“月球門戶”對(duì)接開始。兩名宇航員將在那里轉(zhuǎn)移到太空探索技術(shù)公司星艦的人員著陸系統(tǒng)（星艦版月球著陸器）中，降落到月球表面。在一系列月球漫步之后，宇航員將乘坐星艦返回“月球門戶”，然后乘坐“獵戶座”返回地球。
但也有人批評(píng)“月球門戶”帶來了不必要的復(fù)雜化，可能會(huì)拖延重返月球的時(shí)間。而“月球門戶”的支持者指出，如果重新設(shè)計(jì)“獵戶座”及其服務(wù)艙，用自己的主發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出低月球軌道而不是對(duì)接“月球門戶”，可能要花費(fèi)更多的成本。歐洲航天局人類和機(jī)器人探索局月球運(yùn)輸組負(fù)責(zé)人尼科?德特曼（Nico Dettmann）表示，“月球門戶”是阿爾忒彌斯整體架構(gòu)中的一個(gè)重要元素。“它將和其他系統(tǒng)一道，持續(xù)支持月球表面任務(wù)和深太空作業(yè)。”
在不同的版本和預(yù)算壓力下，“月球門戶”曾經(jīng)發(fā)生過變化，但現(xiàn)在其組件已接近發(fā)射。由諾斯羅普?格魯曼公司建造的“居住和后勤前哨站”（HALO）能夠維持4名“獵戶座”機(jī)組成員生活達(dá)30天。Maxar Technologies開發(fā)的“電力和推進(jìn)部件”（PPE）將給予電力，建立高速Ka波段和X波段通信，支持載人任務(wù)在“月球門戶”和地球之間傳輸視頻和語音，以及給予空間站的姿態(tài)控制和軌道變換能力。S波段和X波段無線通信將連接“月球門戶”與月球表面的飛行器（如星艦）。
PPE的兩個(gè)大型太陽能電池陣列，每個(gè)都有美國橄欖球大聯(lián)盟終點(diǎn)區(qū)那般大，將產(chǎn)生能量用于電力推進(jìn)系統(tǒng)氙氣的電離和加速。HALO在意大利的制造和測(cè)試即將完成。PPE的主要結(jié)構(gòu)正在美國加州帕洛阿爾托進(jìn)行測(cè)試，電力推進(jìn)器正在克利夫蘭進(jìn)行測(cè)試。HALO和PPE計(jì)劃于2025年11月順利獲得太空探索技術(shù)公司的“獵鷹”重型火箭發(fā)射。
1萬公斤重的國際棲息地（I-HAB）由歐洲航天局局給予，由總承包商泰雷茲阿萊尼亞宇航公司開發(fā)，日本貢獻(xiàn)了環(huán)境控制和生命支持系統(tǒng)。I-HAB將為HALO補(bǔ)充增加10立方米的居住空間。
另一個(gè)模塊，即給予補(bǔ)充燃料、基礎(chǔ)設(shè)施和通信（ESPRIT）的歐洲系統(tǒng)將分為兩部分：第一個(gè)為HALO月球通信系統(tǒng)，將與HALO一起發(fā)射；第二個(gè)為ESPRIT燃料補(bǔ)充模塊，包括一個(gè)可居住的單元以及加壓燃料罐和對(duì)接端口。它計(jì)劃于2029年與“阿爾忒彌斯五號(hào)”一起發(fā)射。
德特曼介紹了開發(fā)ESPRIT面臨的幾個(gè)主要挑戰(zhàn)，包括設(shè)計(jì)可填充燃料的電力推進(jìn)系統(tǒng)、可展開的散熱器以及環(huán)境控制和生命支持系統(tǒng)。
機(jī)械臂，你們好
“月球門戶”外部機(jī)器人系統(tǒng)由加拿大航天局給予，其采用“加拿大臂3”機(jī)械臂操作器，比國際空間站上使用的“加拿大臂2”的自主性更高，將幫助維護(hù)、維修和檢查“月球門戶”，同時(shí)接獲拜訪的航天器。它將與“阿爾忒彌斯五號(hào)”一起發(fā)射。計(jì)劃于2030年發(fā)射的“阿爾忒彌斯六號(hào)”將交付“月球門戶”的氣閘艙，給予轉(zhuǎn)移機(jī)組人員和科學(xué)有效載荷的能力。
運(yùn)載工具系統(tǒng)管理軟件將實(shí)現(xiàn)“月球門戶”在無人搭載時(shí)的自主運(yùn)行，每年至少有9個(gè)月是這樣?？臻g站將沿著為期7天的復(fù)雜高橢圓軌道運(yùn)行，軌道距月球北極上空1500公里，然后再轉(zhuǎn)到月球南極上空的7萬公里處。穩(wěn)定的軌道性降低了燃料消耗，從而降低了成本。更重要的是，空間站可以有更長的時(shí)間直接觀察南極，那里遮蔽的隕石坑似乎保護(hù)了冰沉積。探索任務(wù)規(guī)劃者希望存在足夠的水冰，可以作為火箭燃料所需氫氣和氧氣的來源。首批阿爾忒彌斯宇航員將在2028年9月后搭乘“阿爾忒彌斯四號(hào)”任務(wù)進(jìn)入“月球門戶”。執(zhí)行該任務(wù)的火箭將同時(shí)發(fā)射“獵戶座”飛船和I-HAB，與“月球門戶”對(duì)接。隨后，宇航員將乘坐太空探索技術(shù)公司的載人著陸系統(tǒng)前往月球表面。
登上火星
“月球門戶”的設(shè)計(jì)壽命為至少運(yùn)行15年。在更遠(yuǎn)的未來，“月球門戶”可用于組裝一艘單獨(dú)的航天器，執(zhí)行長期的火星任務(wù)。但這些任務(wù)面臨許多巨大挑戰(zhàn)，其中任何一個(gè)都可能造成任務(wù)中斷。除了深空飛行問題外，開發(fā)關(guān)鍵平臺(tái)的費(fèi)用也令人咋舌，太空發(fā)射系統(tǒng)的可持續(xù)性也存在疑問。
還有比較容易管理的一系列機(jī)器人探月任務(wù)計(jì)劃于2024年開始，凸顯了月球探測(cè)任務(wù)的多元化。2024年5月，中國將嘗試發(fā)射一艘多級(jí)航天器，首次從月球背面采集一批樣本。“嫦娥六號(hào)”的目標(biāo)是在令人感興趣的月球南極-艾特肯盆地收集2公斤的物質(zhì)，包括挖掘月球地幔中的物質(zhì)。一顆名為“鵲橋二號(hào)”的中繼通信衛(wèi)星將向它給予支持。由于地球上的觀測(cè)者只能直接看到月球正面，因此，“鵲橋二號(hào)”需要中繼“嫦娥六號(hào)”和地球之間的信號(hào)。
此外，還將有商業(yè)探月任務(wù)，作為美國國家航空航天局“商業(yè)月球有效載荷服務(wù)計(jì)劃”的一部分，美國航天機(jī)器人技術(shù)公司、螢火蟲航空航天公司和直覺機(jī)器公司計(jì)劃向月球發(fā)射各種航天器。和投資幾百億美元的SLS、“獵戶座”和“月球門戶”比起來，它們的預(yù)算少得多。
2023年9月發(fā)射的日本SLIM著陸器于2024年1月著陸；日本商業(yè)公司Ispace將用Hakuto-R Mission 2號(hào)第二次嘗試登月。最后，將會(huì)引起廣泛關(guān)注的是太空探索技術(shù)公司可能在2024年晚些時(shí)候?qū)π桥炤d人著陸系統(tǒng)進(jìn)行無人搭載演示，該系統(tǒng)是“阿爾忒彌斯三號(hào)”著陸時(shí)不可或缺的航天器。
太空探索的新時(shí)代即將到來，宇航員將涌入深太空。人類居住地將進(jìn)入遙遠(yuǎn)的行星軌道。他們將從原始冰中提取燃料。而他們的旅程將從2024年開始，重返月球。
使用可持續(xù)燃料的超音速客機(jī)
Boom Techno-logy公司正在開發(fā)飛行速度超過音速的“序曲”客機(jī)。這家美國公司表示，將于2024年完成北卡羅來納州“超級(jí)工廠”的建設(shè)。Boom Technology公司計(jì)劃每年制造33架這種飛機(jī)，并聲稱它將是世界上速度最快的客機(jī)。“序曲”的飛行速度將是當(dāng)前商用飛機(jī)的2倍，而且該飛機(jī)的動(dòng)力有望采用不用石油制造的可持續(xù)航空燃料。該公司表示，已經(jīng)收到了商業(yè)航空公司的訂單，并計(jì)劃在2027年前實(shí)現(xiàn)首飛。
魯賓天文臺(tái)的超大攝像機(jī)
薇拉?魯賓天文臺(tái)擁有世界上最大的數(shù)字相機(jī)，預(yù)計(jì)將于2024年末首次“睜開眼睛”，瞭望天空。該天文臺(tái)擁有一臺(tái)8.4米寬的望遠(yuǎn)鏡，將在長達(dá)十年的項(xiàng)目中掃描南半球的天空。該望遠(yuǎn)鏡配備了一臺(tái)32億像素的相機(jī)，每晚將在它所在的智利山頂拍攝40個(gè)滿月大小的空域。這意味著它每3到4個(gè)晚上可以拍攝全部可見的天空。
魯賓天文臺(tái)投入運(yùn)行后，將幫助天文學(xué)家盤點(diǎn)太陽系的星體，繪制銀河系的地圖，并幫助揭開暗物質(zhì)和暗能量的奧秘。
作者：Andrew Jones
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