美国国家航空航天局在加紧准备其50多年来的首次载人深空任务

在2024年年底之前，将有4人登上航天器，飞往月球、绕月之后再返回地球。是的，曾经去过，曾经做过。但那已经过去50多年了。

美国国家航空航天局的“阿尔忒弥斯二号”任务是2025年登月计划的热身，这将标志着自1972年“阿波罗17号”任务以来，美国首次有宇航员离开近地轨道。

“这表明，美国正在恢复已失去几十年的技术能力，正在计划让宇航员重返月球。”英国莱斯特大学副教授布莱丁•鲍文（Bleddyn Bowen）说，“经过几十年的概念艺术、含糊其词的承诺、总统和国会的犹豫不决，现在看到一次真正的载人绕月任务，确实令人振奋。”

这项为期10天的任务将重走2022年无人驾驶的“阿尔忒弥斯一号”的飞行路线，测试生命支持系统。接下来，为2025年的“阿尔忒弥斯三号”任务作准备，在“阿尔忒弥斯三号”任务中，宇航员将在月球南极附近着陆。巨型火箭太空发射系统（SLS）将把“猎户座”飞船送入轨道，检查各个系统后，抛弃固体燃料助推器，然后由液体推进剂火箭把“猎户座”送入椭圆高轨道，到达11万公里的远地点。然后是奔向渴望的月球。

机组人员将在7400公里轨道上飞越月球背面，并且只经过一次。这样，“猎户座”就可以利用月球引力，像弹弓一样把它送上为期4天的回程之旅。机组人员将亲身体验到“地球升起”，这是“阿波罗8号”的标志性图像，虽然没有原始图像那样深远的影响，但它可能预示着探索的新曙光。

由于宇宙辐射，深空旅行需要比国际空间站更好的保护和更强的能力。国际空间站的轨道在地球上空几百公里，在地球磁场内。“‘猎户座’的设计要保障人员长时间生存和安全，即使在紧急情况下，从离地球数十万英里的地方返回地球业需要几天到几周的时间。”美国国家航空航天局探索系统开发任务理事会的雷切尔•克拉夫特（Rachel Kraft）表示。

洛克希德•马丁公司制造的“猎户座”和由空客公司制造的欧洲服务舱，具有严格的辐射防护装备和抗辐射电子设备、深空制导，以及远程导航和控制。除了健身器材和推进剂的储存空间外，猎户座还提供了9立方米的居住空间，包括卫生间和厨房。飞船上的给养物资足够维持机组人员生存3周。如果舱内失压，“猎户座”的宇航服可以保护和维持机组人员6天的生命。

热力学对深空旅行提出了另一项严峻挑战。从低轨道返回地球表面的航天器重返大气层时的速度是7.8公里/秒左右，但从月球返回的速度可达11公里/秒，此时航天器前缘的温度将升高到了2800℃左右。“猎户座”的隔热罩具有186块Avcoat隔热板（一种在逐渐燃烧过程中带走热量的材料），届时将发挥作用。

不止是旗帜和脚印

与此同时，为了确保阿尔忒弥斯任务不仅仅是重演阿波罗号的“旗帜和脚印”之旅，各项工作正在进行中。这项宏伟计划还包括一个名为“月球门户”（Lunar Gateway）的月球轨道站，这是阿尔忒弥斯架构的关键组成部分。模块化的“月球门户”将是地球以外的第一个空间站，提供一个方便人们居住、进行科学实验和登月途中添加燃料的地方。它将支持月球表面作业，并有可能为月球更远的太空旅行提供途中停靠站。

在美国国家航空航天局的牵头下，约有25个国家参与了这项计划。“跨时区、跨国界和跨文化的协调可能具有挑战性。”美国国家航空航天局公共事务官员迪伦•康奈尔（Dylan Connell）指出，“但克服这些障碍可以保障美国与盟友们一起登上月球。”这种合作还需要制定互操作性标准，该标准可扩展到更广泛的阿尔忒弥斯项目商业合作。

根据美国国家航空航天局目前的设想，人员重返月球表面的任务将从SLS助推“猎户座”飞船与“月球门户”对接开始。两名宇航员将在那里转移到太空探索技术公司星舰的人员着陆系统（星舰版月球着陆器）中，降落到月球表面。在一系列月球漫步之后，宇航员将乘坐星舰返回“月球门户”，然后乘坐“猎户座”返回地球。

但也有人批评“月球门户”带来了不必要的复杂化，可能会拖延重返月球的时间。而“月球门户”的支持者指出，如果重新设计“猎户座”及其服务舱，用自己的主发动机进出低月球轨道而不是对接“月球门户”，可能要花费更多的成本。欧洲航天局人类和机器人探索局月球运输组负责人尼科•德特曼（Nico Dettmann）表示，“月球门户”是阿尔忒弥斯整体架构中的一个重要元素。“它将和其他系统一道，持续支持月球表面任务和深太空作业。”

在不同的版本和预算压力下，“月球门户”曾经发生过变化，但现在其组件已接近发射。由诺斯罗普•格鲁曼公司建造的“居住和后勤前哨站”（HALO）能够维持4名“猎户座”机组成员生活达30天。Maxar Technologies开发的“电力和推进部件”（PPE）将提供电力，建立高速Ka波段和X波段通信，支持载人任务在“月球门户”和地球之间传输视频和语音，以及提供空间站的姿态控制和轨道变换能力。S波段和X波段无线通信将连接“月球门户”与月球表面的飞行器（如星舰）。

PPE的两个大型太阳能电池阵列，每个都有美国橄榄球大联盟终点区那般大，将产生能量用于电力推进系统氙气的电离和加速。HALO在意大利的制造和测试即将完成。PPE的主要结构正在美国加州帕洛阿尔托进行测试，电力推进器正在克利夫兰进行测试。HALO和PPE计划于2025年11月通过太空探索技术公司的“猎鹰”重型火箭发射。

1万公斤重的国际栖息地（I-HAB）由欧洲航天局局提供，由总承包商泰雷兹阿莱尼亚宇航公司开发，日本贡献了环境控制和生命支持系统。I-HAB将为HALO补充增加10立方米的居住空间。

另一个模块，即提供补充燃料、基础设施和通信（ESPRIT）的欧洲系统将分为两部分：第一个为HALO月球通信系统，将与HALO一起发射；第二个为ESPRIT燃料补充模块，包括一个可居住的单元以及加压燃料罐和对接端口。它计划于2029年与“阿尔忒弥斯五号”一起发射。

德特曼介绍了开发ESPRIT面临的几个主要挑战，包括设计可填充燃料的电力推进系统、可展开的散热器以及环境控制和生命支持系统。

机械臂，你们好

“月球门户”外部机器人系统由加拿大航天局提供，其采用“加拿大臂3”机械臂操作器，比国际空间站上使用的“加拿大臂2”的自主性更高，将帮助维护、维修和检查“月球门户”，同时接获来访的航天器。它将与“阿尔忒弥斯五号”一起发射。计划于2030年发射的“阿尔忒弥斯六号”将交付“月球门户”的气闸舱，提供转移机组人员和科学有效载荷的能力。

运载工具系统管理软件将实现“月球门户”在无人搭载时的自主运行，每年至少有9个月是这样。空间站将沿着为期7天的复杂高椭圆轨道运行，轨道距月球北极上空1500公里，然后再转到月球南极上空的7万公里处。稳定的轨道性降低了燃料消耗，从而降低了成本。更重要的是，空间站可以有更长的时间直接观察南极，那里遮蔽的陨石坑似乎保护了冰沉积。探索任务规划者希望存在足够的水冰，可以作为火箭燃料所需氢气和氧气的来源。首批阿尔忒弥斯宇航员将在2028年9月后搭乘“阿尔忒弥斯四号”任务进入“月球门户”。执行该任务的火箭将同时发射“猎户座”飞船和I-HAB，与“月球门户”对接。随后，宇航员将乘坐太空探索技术公司的载人着陆系统前往月球表面。

登上火星

“月球门户”的设计寿命为至少运行15年。在更远的未来，“月球门户”可用于组装一艘单独的航天器，执行长期的火星任务。但这些任务面临许多巨大挑战，其中任何一个都可能造成任务中断。除了深空飞行问题外，开发关键平台的费用也令人咋舌，太空发射系统的可持续性也存在疑问。

还有比较容易管理的一系列机器人探月任务计划于2024年开始，凸显了月球探测任务的多元化。2024年5月，中国将尝试发射一艘多级航天器，首次从月球背面采集一批样本。“嫦娥六号”的目标是在令人感兴趣的月球南极-艾特肯盆地收集2公斤的物质，包括挖掘月球地幔中的物质。一颗名为“鹊桥二号”的中继通信卫星将向它提供支持。由于地球上的观测者只能直接看到月球正面，因此，“鹊桥二号”需要中继“嫦娥六号”和地球之间的信号。

此外，还将有商业探月任务，作为美国国家航空航天局“商业月球有效载荷服务计划”的一部分，美国航天机器人技术公司、萤火虫航空航天公司和直觉机器公司计划向月球发射各种航天器。和投资几百亿美元的SLS、“猎户座”和“月球门户”比起来，它们的预算少得多。

2023年9月发射的日本SLIM着陆器于2024年1月着陆；日本商业公司Ispace将用Hakuto-R Mission 2号第二次尝试登月。最后，将会引起广泛关注的是太空探索技术公司可能在2024年晚些时候对星舰载人着陆系统进行无人搭载演示，该系统是“阿尔忒弥斯三号”着陆时不可或缺的航天器。

太空探索的新时代即将到来，宇航员将涌入深太空。人类居住地将进入遥远的行星轨道。他们将从原始冰中提取燃料。而他们的旅程将从2024年开始，重返月球。

使用可持续燃料的超音速客机

Boom Techno-logy公司正在开发飞行速度超过音速的“序曲”客机。这家美国公司表示，将于2024年完成北卡罗来纳州“超级工厂”的建设。Boom Technology公司计划每年制造33架这种飞机，并声称它将是世界上速度最快的客机。“序曲”的飞行速度将是当前商用飞机的2倍，而且该飞机的动力有望采用不用石油制造的可持续航空燃料。该公司表示，已经收到了商业航空公司的订单，并计划在2027年前实现首飞。

鲁宾天文台的超大摄像机

薇拉•鲁宾天文台拥有世界上最大的数字相机，预计将于2024年末首次“睁开眼睛”，瞭望天空。该天文台拥有一台8.4米宽的望远镜，将在长达十年的项目中扫描南半球的天空。该望远镜配备了一台32亿像素的相机，每晚将在它所在的智利山顶拍摄40个满月大小的空域。这意味着它每3到4个晚上可以拍摄全部可见的天空。

鲁宾天文台投入运行后，将帮助天文学家盘点太阳系的星体，绘制银河系的地图，并帮助揭开暗物质和暗能量的奥秘。

作者：Andrew Jones