关于时隔半个世纪NASA的新登月计划——Artemis那些事

从1969年阿波罗11号人类第一次登上月球,到今天已经51年了,而1972年的阿波罗17号人类最后一次登月也已经过去了48年,这期间人类无论科技还是太空技术都得到了突飞猛进的发展,月球对我们来说似乎也没有那么神秘了,那为什么美国宇航局突然又重启载人登月计划?难道是又有什么新的发现了吗?


要回答这些问题我们先来说一说新登月计划的名称,阿耳忒弥斯(Artemis)是古希腊神话中天神宙斯(Zeus)和女泰坦(Tian)勒托(Leto)的女儿,她是希腊神话中的月亮女神和狩猎的象征,同时也是太阳神阿波罗(Apollo)的孪生姐姐,因为她的女性角色我们可以联想到NASA的新登月计划应该会把第一位女性宇航员送上月球。

Artemis计划目的

美国宇航局NASA打算通过Artemis新登月计划在2024年之前探索更广阔的月球表面,并把一名男性宇航员和第一位女性宇航员送上月球,通过NASA商业和国际合作伙伴的合作,在月球上进行可持续的勘探,同时利用这期间在月球上收集的经验,到2030年前将宇航员送往火星,为了实现这一目标,将从2021年开始新的科学研究和技术实验并先期发射机器人着陆器,2019年5月美国总统特朗普就曾表示他将全力支持Artemis计划,争取2024年实现重返月球,为此他还说出了“Make Space great again”的名言。

Artemis计划要用到的航天器材和设备

1. 地面发射系统(Exploration Ground Systems)


简称EGS,用于支持新登月计划的运载火箭发射所需的整套地面系统,NASA目前正在升级位于佛罗里达州肯尼迪航天中心的整套发射设施。

2. 太空发射系统(Space Lauch System)


简称SLS,它是NASA有史以来建造的最强劲的运载火箭,比当年阿波罗登月计划使用的土星5号运载火箭要强劲得多,它用于把宇航员和货物送往月球,甚至可以是太阳系内更远的目的地,SLS运载火箭载人版block 1高98米,直径8.4米,共有两级,起飞重量大约是在2500吨左右,最大推力能够达到880万磅,也就是近4000吨的推力,能向近地轨道发射95吨的载荷或者向月球发射超过26吨的载荷,它使用的两枚固体燃料火箭助推器,采用当年发射太空梭的成熟技术,它的核心级长65米,装备一个主推进系统,这个系统,包含4个RS-25发动机。SLS block 2 型运载火箭更为庞大,它高110米,能向近地轨道发射130吨的载荷或者向月球发射超过45吨的载荷。

3. 猎户座飞船(Orion Spacecraft)


类似阿波罗登月计划时的服务舱,它主要用于把宇航员送往月球轨道的登月舱或者Gateway中转太空站,并在任务完成后将宇航员重新送回地球,猎户座飞船的外形与阿波罗登月计划的服务舱相似,但它的内部空间则大了2.5倍,最多可以容纳6名宇航员,它融合了电脑、电子、生命维持系统、推进系统和热防护系统等诸多最新科技,和太空梭相比,猎户座的使用成本更加低廉,安全系数也提高了10倍,而且它与太空梭一样可以回收再利用,由于没有机翼,它就不用像太空梭那样通过滑翔的方式返回地球,而是通过降落伞降落的方式返回地球,所以它不需要复杂的气动外形和防热系统,可以提高返程时的安全性,猎户座飞船在发射时将与火箭串联在一起并位于运载火箭的顶部,不用像太空梭那样背着火箭,所以能远离燃烧的发动机,从而避免因飞落的碎片造成的危险,猎户座飞船的顶部装有载人火箭常用的“逃逸塔”系统,一旦火箭在发射时出现故障,“逃逸塔”系统(Launch Abort System)可迅速将飞船分离出去并通过降落伞安全降落,这套系统使太空飞行事故率从以往太空梭的1/220降低为现在的1/2000,很大的提高了安全系数。

4. 深层太空中转站(Deep Space Gateway)


简称DSG,它是围绕月球并支持宇航员在深层太空从事科学探索的前哨基地,它由商业和国际合作伙伴共同建造,对可持续的月球探索至关重要,并将成为未来火星任务的典范,这个中转站的动力和推进单元PPE(Power &Propulsion Element)采用60千瓦的大功率太阳能板,使用电力推进航天器为它提供动力、高速率的通信、姿态控制和轨道转移功能。

5. 登月器


它可以安全的将宇航员带到月球表面并返回月球轨道,之后登月器可以和月球轨道上的猎户座飞船或者是深层太空中转站对接,2020年的4月30日,NASA宣布美国的三家公司将开发三种不同的着陆器和任务设计方案,这三家公司分别是位于华盛顿州肯特(Kent)由亚马逊总裁杰夫•贝佐斯(Jeff Bezos)创办的“蓝源”公司(Blue Origin),“蓝源”公司是美国人称之为“国家队”的主承包商,而美国军用飞机制造公司洛克希德马丁、诺斯罗普格鲁门和Draper公司被称为“国家队”,他们设计的集成登陆车ILV总共有三级,“蓝源”公司将建造其中的下降单元,它采用由私人开发的BE-7低温引擎,而诺斯罗普格鲁门公司将建造登月器的上升单元,其中还包括乘员舱,另外诺斯罗普格鲁门公司还负责建造传输模块和加油模块,Draper公司将提供导航和控制、航空电子设备以及软件系统,这些系统和他们为NASA开发的系统类似。

第2家公司是位于阿拉巴马州汉斯维尔(Huntsville)的Dynetics公司,他们的设计方案是建造一个同时提供上升和下降功能的单一模块,其特点是独特的低空飞行机组模块可以让宇航员在非常靠近登月的表面进行运输和登陆。

最后一家公司是我们都熟悉的位于加利福尼亚州霍桑由特斯拉公司总裁马斯克创办的SpaceX公司,他们采用名为StarShip也就是“星际飞船”的设计方案,这是一种完全可重复使用的发射和着陆系统,目的是前往月球甚至是火星等其他目的地,它使用曾经测试的猛禽(Raptor)发动机以及“隼”(Falcon)和“龙”(Dragon)车辆,新飞船包括一个宽敞的机舱和两个用于宇航员月球漫步的气闸。

新的太空服


在新登月计划中,宇航员将使用新一代的太空服在恶劣的太空环境中探索比以往任何时候都要更多的月球表面,NASA的先进舱外探索机动一体式太空服简称xEMU,将支持月球表面的探险,在火箭发射和再入大气层时,舱内的宇航员将穿着另一套称之为“猎户座飞船乘员生存系统服”的轻便型太空服,它的外形和美国空军的SR-71黑鸟以及U-2高空侦察机的飞行服类似,在NASA发布现场,一位NASA女性工程师身穿新一代太空服进行演示能轻松完成行走、上肢大幅度旋转深蹲、拾捡物品等活动,回想50年前,阿波罗号宇航员在月球漫步时必须以“兔子跳”的方式行走,并且途中还因为捡拾掉落的设备而摔倒,现在新一代的太空服的灵活性真是前所未有。

新一代宇航服采用模块化的设计,头盔、上身、下身和冷却服等部分都可以局部更换,以完成不同的任务,服装整体没有拉链和电缆,宇航员从服装背部的开口进入,另外这个宇航服可以在最低零下约157摄氏度最高121摄氏度的温度下工作,太空服背部的大箱子实际上是便携式的生命支持系统,它可输送气压、氧气、清除二氧化碳和湿气,同时帮助监测宇航员的体征还有机器装载设备的各项数据,值得一提的是新一代太空服在制作过程中结合了3D扫描技术,不仅精确测量宇航员的身体全方位的尺寸,还会对其动作和姿势进行扫描测量,以此生产出完全适合每个宇航员的私人定制款太空服。.

Artemis计划流程

“Artemis I”的任务是非载人也不登月,“Artemis II”的任务是载人但同样不登月,只作为真正登月任务的先期预演,只有“Artemis III”才是真正开始载人,我们来看一下预计2024年的“Artemis III”登月计划的流程。


首先SLS运载火箭将载着猎户座飞船从佛罗里达的肯尼迪航天中心发射升空,之后两枚固体燃料火箭助推器的燃料用完以后将与主火箭分离,在到达一定高度后位于火箭顶部的“逃逸塔”也将与主火箭分离,猎户座飞船此时也可以自己安全的脱离,之后SLS火箭第一级燃料用尽后分离,此时进入地球轨道施行近地点上升机动飞行,在位于地球轨道之后,将检查系统并调整太阳能面板,之后点火开启火箭引擎,改变轨道飞往月球,这个过程需要大约20分钟,在猎户座飞船飞离地球轨道进入月球轨道之后,它将带动力近距离飞过月球,之后猎户座飞船引擎点火准备飞往深层太空中转站的轨道,并在约定地点与太空中转站对接,载人登月系统简称HLS(Human Landing System ),它将与深层太空中转站分离,之后载人登月系统HLS将进入月球低轨道,然后降落在月球表面,此时猎户座飞船和深层太空中转站在整个登月任务期间将继续停留在轨道上,登月的宇航员完成相应的月球表面任务后将乘坐载人月球系统HLS重新上升并回到之前的月球低轨道,并重新和深层太空中转站Gateway对接,然后宇航员会回到猎户座飞船,它和深层太空中转站将分离,并离开深层太空中转站的轨道,之后猎户座飞船将带动力近距离重新飞过月球然后重新飞回地球轨道,最后猎户座飞船将重返地球大气层并使用降落伞降落在太平洋,并由美国海军的船只打捞回来,整个任务将持续30天左右。

Artemis和阿波罗有什么不同

第一是它们的降落点不同,阿波罗11号降落在月球正面的静海南部,而“Artemis III”它的落月点则选在月球的南极,之所以选择在月球南极登陆,一大原因是近来研究显示月球两极可能储存了大约4.5亿吨的冰,如果在相关地区建立基地饮水问题比较容易解决,这些水资源还可能被用于建造液氧和液氢,从而为更远的深空探索提供火箭燃料。


第二是登陆月球南极的难度更大、过程更复杂,阿波罗11号的落月点位于月球赤道附近的平坦地区,返回舱只需要少许推进剂即可返回月球轨道,然后和轨道上的指令服务舱(Command Service Module)对接最后一起回到地球,而Artemis计划中的相关过程则要复杂得多,要先在月球轨道上建立一个被称为Gateway的深层太空中转站,在宇航员抵达中转站之后,再乘坐“摆渡车”也就是载人登月系统HLS往返包括月球南极在内的各处地点,不过这套复杂的系统也有它的好处,新计划中的火箭只需要将飞船送到Gateway深层太空中转站即可,这样可以节约燃料,还可运送更多的载荷,宇航员可以在Gateway与月表之间多次往返,有助于建立月球基地。

第三是从研发到制造NASA这次更痴迷于外包,招标商业民营企业参与其中,商业企业参与航天计划不但可以通过竞争有效压低成本帮助NASA节省预算,还可以将参与航天计划所积累的技术优势转化为产品,进而获得利润,帮助企业有效分摊成本。

Artemis计划的意义

如果Artemis登月计划一旦成功,人类将开始登陆下一个目标——火星,或许就是我们人类移民火星的开始,你期待么?


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