一拖再拖,美国巨型登月火箭终于发射了
2022-11-16 16:01

一拖再拖,美国巨型登月火箭终于发射了

本文来自微信公众号:腾讯太空(ID:qqtaikong),作者:乔辉,原文标题:《一拖再拖,美国巨型登月火箭终于发射了!一文看尽十大精选知识点》,题图来自:视觉中国


北京时间2022年11月16日14时48分,美国研制的世界最大推力火箭(Block1)搭载猎户座载人飞船发射升空,执行阿尔忒弥斯1号绕月飞行任务,发射地点位于卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心。


本次是测试发射,飞船中有三个假人模型,身体内装有各种传感器,用于记录在飞往月球、绕月飞行以及返回地球过程中的科学数据。按照计划,从发射抵达月球,绕月飞行并返回地球,全程大约持续6个星期。


在此之前,阿尔忒弥斯1号任务因传感器故障、燃料泄漏及飓风逼近等各种因素多次推迟。


图注:固体助推器分离瞬间,图源:NASA


一、阿尔忒弥斯计划VS阿波罗计划


图源:NASA


阿尔忒弥斯计划类似于上世纪的阿波罗登月计划,这是由美国发起的载人航天项目,主要由太空发射系统(SLS)、猎户座飞船、月球轨道空间站以及商业化的登月系统(SpaceX的星舰是重要候选者)组成,最终目标是让宇航员重返月球,并建立长期的月球基地,甚至为未来载人登陆火星任务铺平道路。


在希腊神话中,太阳神阿波罗和月神阿尔忒弥斯是宙斯与勒托的子女。阿波罗是位多才多艺的男神,他的姐姐月亮女神阿尔忒弥斯常常手持弓箭,在林莽和山野间与侍奉她的众仙女狩猎。因此,阿尔忒弥斯计划与阿波罗计划遥相呼应,更适合给探月计划命名。


我们知道,从1969年到1972年,阿波罗计划共成功实施了6次载人登月,先后把12名宇航员送到月球表面。自从1972年阿波罗17号登月之后,时隔半个世纪,除了无人探测器,人类再也没踏上过月球表面,因此,阿尔忒弥斯计划的初期目标是让宇航员重返月球,结束半个世纪的人类登月“空窗期”。


图注:这是大家都熟悉的微信开机画面,图中的地球是1972年阿波罗17号宇航员在飞往月球的过程中拍摄的,当时距离地球约29000公里。


如果说阿波罗计划的主要目的是去月球打卡,那么阿尔忒弥斯计划更多是奔着科研和开发月球去的。


但美国的重返月球计划也是一拖再拖,比著名的“鸽王”韦布望远镜也好不到哪里去。单从研发经费上看,截至目前,太空发射系统本身的研发费用已经超过了230亿美元,单次发射的费用也高达20亿美元。


二、阿尔忒弥斯载人返月分三步走


按照目前的计划,载人登月安排在2025年执行的阿尔忒弥斯3号飞行任务中,届时将有4名宇航员搭乘猎户座飞船飞往月球,其中2名宇航员最终会降落到月球表面执行任务,包括1名女性。


8月19日,美国航天局公布了阿尔忒弥斯3号任务着陆月球的13个候选区域,全都在月球南极,科学家对南极的永久阴影区域非常感兴趣。


图注:美国航天局公布的位于月球南极附近的13个潜在的载人登月区域,图源:NASA


前面我们提到阿尔忒弥斯1号是无人绕月飞行,阿尔忒弥斯3号是载人登月飞行,那么阿尔忒弥斯2号执行什么任务呢?按计划,阿尔忒弥斯2号2024年执行首次载人绕月飞行,为阿尔忒弥斯3号载人登月做技术测试。


因此,总结一下,按照时间线是这样:2022年阿尔忒弥斯1号无人绕月飞行、2024年阿尔忒弥斯2号载人绕月飞行、2025年阿尔忒弥斯3号载人登月飞行。


三、飞往月球走什么轨道?几天能到?


火箭发射大约18分钟后,就能把上面级火箭和飞船送入484公里高的地球近地轨道,51分钟后,实施近地点升轨操作,1小时38分钟后,开始点火进入奔月轨道。


图注:阿尔忒弥斯1号任务奔月和返回路线图。其中,绿线是奔月轨道,白圈是绕月轨道,蓝线是返回轨道,图源:NASA


大约4天后,飞船来到月球附近,在月球引力的帮助下,把飞船射入一个所谓的绕月“远逆行轨道”上,这种轨道与地月拉格朗日L1点和L2点相交,航天器在上面能稳定运行。猎户座飞船在“远逆行轨道”上绕月飞行一段时间后,由飞控人员选择何时驶出轨道,继而返回地球。


图注:月球轨道中的猎户座飞船(艺术图),图源:NASA


当猎户座飞船返回地球附近时,返回舱与服务舱择机分离,返回舱最终降落在太平洋上。根据美国航天局公布的消息,从发射到返回全程大约耗时42天左右。


四、航天飞机“投胎转世”:美国重型登月火箭


执行本次发射任务的是一款叫Block1的火箭,从外形和涂装上也能猜得出来,这款火箭实际上是从航天飞机演变而来。两侧细长的固体火箭助推器,橙色的芯级火箭,无不透露出航天飞机的影子。


图注:Block1火箭和航天飞机发射对比图,图源:NASA


Block1火箭的芯级采用液氢和液氧为燃料,这与航天飞机外挂燃料箱里面盛放的燃料一样,发动机也采用与航天飞机型号一样的发动机(RS-25),不同的是,航天飞机的主发动机有三个,Block1火箭芯级的主发动机有四个


我们知道,氢和氧的燃烧能够释放出大量的热能,是目前最高效、能产生最高比冲的化学火箭燃料,但与此同时,液体状态的氢和氧也存在巨大的储存和运输困难。需要了解的是,液氧的沸点是零下183摄氏度,而液氢的沸点更是惊人的零下253摄氏度,仅高于绝对零度20度(绝对温度为零下273摄氏度),所以,直到临近发射才开始加注燃料。相比之下,固体燃料就要灵活的多,可以提前准备。


航天飞机两侧各有一枚巨大的固体火箭,发射时给航天飞机提供大部分推力。同样,Block1火箭两侧也各有一枚固体火箭,长度较航天飞机的更长一些,但推力相当。据计算,Block1火箭发射时,两枚固体火箭能提供75%的推力。


技术资料显示,固体火箭发动机的燃料比较复杂:氧化剂,最常用的是:过氯酸铵,其他的有过氯酸钾、钠、锂,硝酸铵、钾、钠、锂;金属燃料,最常用的是铝,特别是超细铝粉,其他有氢,碳,锂,铍,硼,镁粉末;粘结剂,使氧化剂和金属燃料等固体粒子粘结在一起成为弹性基体,并为燃烧提供C、H等燃料元素。有聚氯乙烯,聚氨酯,聚丁二烯等。


五、新型Block1登月火箭和土星五号谁更强?


图注:发射台上的土星五号火箭和半个世纪后的SLS首款Block1火箭,图源:NASA


太空发射系统(SLS)是指NASA自从2011年研发的新一代可扩展的重型火箭运输系统,在过去十年间,设计方案经过几次调整,目前最新的方案是:第一个版本的Block1;第二个版本的Block1B;第三个版本的Block2。


其中,Block1火箭用于执行前三次阿尔忒弥斯任务,后续五次采用运力更强的Block1B版本,最终迭代到运力最强的Block2版本。这三个版本的火箭采用相同的芯级结构,不同之处在于上级火箭和固体火箭助推器的升级。下面我们来比较一下Block1登月火箭与土星五号火箭参数:


Block1登月火箭高98米,重2500吨,起飞推力39100千牛(相当于接近4000吨的推力),近地轨道的运载能力为95吨,地月转移轨道的运载能力为27吨。


土星五号火箭高110米,重2800吨,起飞推力34500千牛(相当于3520吨的推力),早期版本的近地轨道运载能力为118吨,地月转移轨道的运载能力为41吨。


后来,执行阿波罗15、阿波罗16个阿波罗17号任务的土星五号,它在近地轨道的运载能力提升到了惊人的140吨。地月转移轨道的运载能力也提升至43.5吨!借助强大的运载能力,最后三次登月还把月球车一并带到了月球表面。


图注:阿波罗17号宇航员正在月球上驾驶电动月球车,图源:NASA


如果单从以上参数上看,土星五号除了推力不如Block1火箭外,其他方面几乎完胜对手,简直是跨越时代的产物,向土星五号致敬。


但从其他角度看,经过50多年的技术演进,Block1在很多细节方面是超过土星五号的,特别是计算机和信息传输系统。随着太空发射系统中火箭的升级迭代,到Block2火箭研发出来以后,其各方面性能是胜过土星五号的。


六、猎户座飞船和阿波罗飞船谁更先进?


虽然猎户座飞船的外观和阿波罗飞船比较相似,但内部空间是阿波罗飞船的2.5倍。根据目前的设计,猎户座飞船能够搭载4名宇航员飞往月球,而阿波罗飞船最多容纳3名宇航员奔月。


图注:猎户座飞船VS阿波罗飞船,图源:NASA


值得注意的是,阿波罗飞船由服务舱、返回舱和登月舱组成的三舱结构,而猎户座飞船没有登月舱,只有服务舱和返回舱。猎户座飞船要想把宇航员送到月球表面需要借助专门的登月系统,目前呼声比较高的是SpaceX正在研发的星舰飞船。


阿波罗飞船上只有一部功能低下的计算机,计算能力远远小于我们的手机。猎户座飞船上有两部互为备份的计算机。据NASA报道,猎户座飞船计算机的内存是阿波罗飞船计算机内存的12万倍,计算速度是后者的2万倍。


遥想当年,阿波罗飞船仅靠一部能力如此有限的计算机就成功进行了6次载人登月,成就了无法超越的航天史传奇。


七、搭乘猎户座飞船的三名特殊乘客


本次虽然是一次无人的绕月飞行试验,但猎户座飞船里搭载了三名假人模型,其中,一个假人的名字叫穆尼金·坎波斯(Arturo Campos),坎波斯是参与过阿波罗和航天飞机计划的电气工程师,在他的帮助下,遇险的阿波罗13号飞船成功返回地球。假人坎波斯身穿橘黄色的新款宇航服躺在猎户座飞船中,模拟载人飞行时的状态。


图注:猎户座飞船里搭载了三名假人模型,用于记录在飞往月球、绕月飞行以及返回地球过程中的科学数据,图源:NASA


除了假人坎波斯之外,还有两个用环氧树脂制成的两个女模特,分别命名为Helga和Zohar,她们体内放置了各种传感器,包括辐射计,以便记录飞船在远离地球飞行途中的辐射水平,为后续载人登月提供参考。


八、低调搭便车的10颗立方体小卫星


图注:镶嵌在飞船与火箭转接环内壁上的小卫星们,将跟随猎户座飞船一同前往月球,图源:NASA


跟随本次发射的还有10颗立方体小卫星,其中包括:一颗用于绘制月球水冰分布的小卫星、一颗盛放有酵母的小卫星、用于验证长期深空飞行过程中辐射对生命体的影响的小卫星、一颗探测空间天气的小卫星、一颗用于探测月球光谱和热辐射的小卫星,甚至还有一颗日本的小型月球着陆器。


如果成功,日本将成为世界上第四个软着陆月球的国家。


九、中国在2030年具备载人登月能力


最近,据中国航天科技集团消息,我国新一代载人火箭和重型运载火箭未来将承担起载人登月、火星探测、木星探测和小行星探测等任务。此外,新一代载人火箭将在2030年左右具备送航天员登陆月球的能力;重型运载火箭研制成功后,地月转移轨道的运载能力提升至50吨,支撑月球开发活动,这太令人期待了。


此外,中国月球科研站更是受到外界的高度关注。探月工程总设计师、中国工程院院士吴伟仁此前向媒体透露,探月工程四期经过多年论证,已于2021年底正式立项,进入实施阶段。


他具体谈到:“探月工程四期的主要目标是对月球南极开展科学探测,建立起月球科研站的基本型。后续将分3次任务实施,分别是嫦娥六号、嫦娥七号和嫦娥八号,计划在2030年之前完成。目前研制工作进展顺利。”


十、探月热情全球高涨


2018年,俄罗斯设想利用名为“叶尼塞”的重型火箭,作为载人登月和兴建月球基地的关键运载工具,这款火箭的设计地月转移轨道的运载能力至少为20吨,以满足2030年俄罗斯载人登月的能力。但在2021年,俄罗斯又宣布暂停叶尼塞火箭的研发,登月任务改为由多枚安加拉A5火箭执行。安加拉A5火箭在运载能力方面与长征五号相当。


当然,目前来看,俄罗斯载人登月计划变数还比较大,不确定因素还比较多。


印度对月球探测也充满兴趣, 2008年成功发射了月船一号绕月飞行器;2019年成功发射了月船二号绕月飞行器,但其搭载的着陆器坠毁在月球表面,没能成功软着陆。根据目前的计划,印度将在2023年发射飞行器、着陆器和月球车组合体到月球,一次性完成对月球的环绕、着陆和巡视任务。此前印度官方表示,他们正在做载人航天任务的工作,同时也在论证载人登月任务。


除了中国、俄罗斯和印度之外,澳大利亚、加拿大、意大利、日本、卢森堡、阿联酋和英国等国家都在以各种方式加入阿尔忒弥斯计划,期待能搭便车实施自己的月球任务。


月球被誉为人类的第八大州,有着丰富的自然资源和地球上稀有的矿物,比较有名的是月壤中的氦3资源,氦3是氦元素的一种同位素,可以作为核聚变的燃料,且反应过程中不产生放射性物质。理论上,几十吨氦3聚变产生的能量相当于全世界的全年用电量。当然,鉴于目前人类连第一代核聚变(氘-氘)还没有完全驯服,更新一代的氦3核聚变的研发还有更长的路要走。


月球是离地球最近的天体,相对于广袤的宇宙空间,月球犹如在家门口,月球的引力只有地球六分之一,航天器的逃逸速度只有2.4千米每秒,非常适合作为人类向深空发射航天器的基地,也是人类向深空进发的跳板。因此,非常期待未来各国月球任务能按计划实施,早日实现百舸竞相飞月球的场景。


本文来自微信公众号:腾讯太空(ID:qqtaikong),作者:乔辉

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