50年后，美国要重返月球

文/张雪松

▲SLS重型火箭

1969年7月20日美国阿波罗11号飞船发射升空，开始执行人类历史上第一次载人登月任务，然而自1972年阿波罗17号任务完成后，人类再也没有踏上月球。转眼之间50年过去了，美国宇航局在高调纪念阿波罗登月50周年，但载人航天活动反而局限在近地轨道，美国更是随着航天飞机的退役失去了送人上天的能力，这实在比较难堪。美国总统特朗普已经签署命令指示美国宇航局重返月球。随着SLS火箭和猎户座飞船的研制接近尾声，美国把重返月球的时间定在2024年。

无人探测器先行

阿波罗载人登月计划广为人知，但了解美国宇航局无人探月计划的人就少多了。美国宇航局还先后实施了徘徊者号、勘测者号和月球轨道器三个无人探月项目，加深了对月球的了解，为载人登月的成功奠定了坚实的基础。现在美国又要重返月球，而当年探测器的资料早就是古董了，自然仍要无人探测计划先行。

阿波罗计划后美国也发射过月球探测器，1994年发射的克莱门汀探测器强调快好省，性能指标不高，而1998年发射的月球探勘者撞击月球找水目标也太单一。随着小布什时代重返月球的星座计划启动，美国宇航局研制并在2009年发射了月球勘测轨道器（LRO），为星座计划载人登月打前站，它携带了多种探测仪器，其中相机分辨率可达0.5米，拍摄了大量高清月面照片。值得一提的是，它还拍摄了我国嫦娥三号和嫦娥四号探测器着陆后的照片。LRO探测器超期服役值得称赞，但没有着陆器做验证，载人重返月球还是不太稳妥。美国宇航局也启动了月面探测的项目，这就是资源勘探者号月球车，它原计划使用猎鹰9号火箭发射，着陆器部分由台湾研制，不过去年4月底这个项目就被取消了，取而代之的是商业月球载荷服务（CLPS）计划。新计划结合美国宇航局和商业航天公司的资源，力求多快好省地进行月球着陆探测。

▲月球快车公司的MX-1着陆器

▲布里登斯汀

去年12月美国宇航局公布了入围商业月球载荷服务的9家公司，这里面既有洛·马这样的军工航天巨头，也有新兴的“马斯腾”和“萤火虫”这样的新秀，还有“Astrobotic”、“月球快车”等谷歌月球大奖赛的参赛选手。美国宇航局最初要求2021年年底前发射小型着陆器，将至少10千克的科学载荷送上月球表面，2022到2024年还要发射中型着陆器，远期更有研制运力5吨级的大型可重复使用着陆器的规划。或许是受到我国“嫦娥四号”着陆成功的刺激，美国宇航局现在又要求加快进度，提出今年发射第一个着陆器的奋斗目标。

▲SLS运载火箭和猎户座飞船

美国宇航局认为着陆器研制和发射越快越好，但领先的美国Astrobotic和月球快车等公司都对今年能否实现首次发射表示怀疑。月球快车公司表示MX-1着陆器要到2020年年底才能发射，而Astrobotic的Peregrine着陆器更是要等到2021年一季度。虽然如此，商业月球载荷服务在美国宇航局那里有预算，在商业公司那里有技术，美国的月球着陆器发展已经走上了快车道。

载人火箭飞船齐备

月球快车公司的MX-1着陆器作为“侦察兵”级别的探测器，只能将30千克的载荷送上月球，虽然他们还有更大的MX-5和MX-9探测器平台，但最大的MX-9“边疆”级探测器，也只能将500千克载荷送上月球。洛·马公司的McCandless探测器基于洞察号火星探测器平台，载荷运送能力250千克并可进一步扩展，但它们和载人登月之间有着巨大的距离。现在不是国会抢着塞钱的航天竞赛时代了，美国宇航局哪来的信心2024年就登月呢？原来载人登月的重型火箭和载人飞船都快完成研制了。

▲SpaceIL公司的“创世纪号”

2005年美国宇航局启动重返月球的星座计划，开始研制战神1号和战神5号火箭，以及猎户座载人飞船。虽然2011年这些项目名义上都被取消，但猎户座飞船改名多用途载人飞船（MPCV）继续研制，2014年使用德尔塔4大型火箭发射返回舱进行了飞行测试，现在返回舱和服务舱都在组装测试，研制工作基本完成。火箭研制也没闲着，“战神1号”彻底被砍掉，战神5号重型火箭改头换面成了空间发射系统（SLS）。SLS重型火箭使用成熟的航天飞机主发动机，为了加快研制进度第二级暂时使用过渡低温推进上面级（ICPS）。这个ICPS听着莫名其妙，实际上就是德尔塔4火箭的第二级。现在不仅移动发射平台完成建造，第一个ICPS也已经完成，第一级和固体助推器也正在制造，SLS火箭也进入最后的冲刺阶段，即使原定2020年首飞再推迟，也就是推迟到2021年。

SLS Block 1火箭地月转移轨道运力大于26吨，送猎户座飞船是够了，但像当年“土星5号”一样一次将飞船和登月舱送入地月转移轨道，那运力就差太远了。美国宇航局还在研制性能更强的SLS火箭，首先是研制探索上面级，它是SLS火箭专用的大型低温上面级，直径增加到芯一级的8.4米不说，发动机也改用四台RL10。使用EUS上面级的SLS Block 1B火箭地月转移轨道运力提高到34~37吨，如果只用于运货还能省去飞船逃逸系统以及一个载荷适配器，运力能提高到37~40吨。美国宇航局计划2024年发射第一枚SLS Block 1B火箭，它足以支持载人登月任务。然而，这并不意味着2024年美国就能载人登月。当年登月竞赛高峰期发射第一枚土星5号重型火箭是在1967年，而首次载人登月却是1969年。从重型火箭发射成功到重返月球成功，自然也不是一蹴而就的，而且现在登月模式还截然不同了。

曾经的2028年登月计划

今年2月14日美国宇航局在华盛顿特区举办的媒体圆桌会议上公布了新的重返月球路线图，计划2028年重返月球。该计划不出意料仍然以地月轨道空间站作为中转节点，商业航天将在载人登月中起到更重要的作用，反映了美国宇航局以公私合作方式多快好省实现载人登月的决心。

地月轨道空间站将使用商业火箭和SLS火箭发射， 2022年它的第一个舱段能源推进单元将使用商业运载火箭发射，随后SLS火箭发射猎户座飞船并顺带搭乘后续舱段，逐步完成地月轨道空间站的建造。空间站舱段搭乘猎户座飞船的便车发射，虽然带来了舱段重量和尺寸的限制，但节省了发射成本，让俄罗斯、日本和欧空局都能参与合作。该计划到2026年完成地月轨道空间站的组装，而根据路线图，在地月轨道建站前就要开始载人登月的技术试验了。

经过最近一年来的论证，逐渐成形的载人登月模式看起来令人眼花缭乱。不同于阿波罗登月舱和飞船一次发射，登月舱包含下降段和上升段两部分，现在的登月模式不仅人货分运，而且登月舱分为三部分：转移飞行器、下降段和上升段。美国宇航局解释说下降上升段合二为一单级方案，发射质量将超过50吨，超过了现有任何一种火箭的运载能力。阿波罗时代下降段和上升段分置的二级方案，下降段质量将达到32～38吨，只能用SLS Block 1B火箭发射，更便宜的商业火箭心有余而力不足，任务的发射费用必然暴涨。三级登月舱方案上升段质量9～12吨，下降段质量15吨，转移飞行器质量12～15吨，它们都可以使用商业火箭发射，也可以和猎户座飞船一起用SLS Block 1B火箭发射，不仅增加了任务灵活性也增加了国际伙伴参与的机会。同时，上升段和转移飞行器都将采用复用设计，有利于降低载人登月任务的综合成本。

原本美国宇航局的载人登月参考架构上，将通过三步走战略在2028年实现载人登月的目标。2024年SLS Block 1B火箭首次发射，EUS上面级首次投入使用，提高了SLS火箭的运载能力，这个编号EM-3的任务在发射猎户座飞船的同时，还要捎带欧空局的ESPRIT舱段和美国的功能舱，美国功能舱内部增压提供了基本的居住空间，可供乘坐猎户座飞船而来的4名航天员进行短期驻留任务。与此同时，商业运载火箭还将发射一个月球着陆舱前往地月轨道空间站汇合，然后着陆舱分离进入近月轨道并进行实际的着陆试验。2026年载人登月开始第二阶段试验，SLS Block 1B火箭发射猎户座飞船和登月舱上升段前往地月轨道空间站，同时商业运载火箭两次发射，把下降段和轨道转移飞行器送往地月轨道空间站，三个部分在空间站完成组装后，开始模拟载人登月任务：轨道转移飞行器负责把下降段和上升段送到近月轨道，然后自主返回地月轨道空间站；下降段和上升段组合体像当年阿波罗登月舱一样着陆并返回轨道，不同的是上升段还将飞回地月轨道空间站。在对下降段、转移飞行器和上升段都进行实际测试后，2028年将执行重返月球发起后的第一次载人登月任务，SLS Block 1B火箭将把猎户座飞船和4名航天员送往地月轨道空间站，但这回挑大梁的可就是商业运载火箭了。商业火箭将分3次分别发射登月舱下降段以及两艘补给飞船，补给飞船带来加满上升段和转移飞行器的燃料，随后三级登月舱再次组装完成，航天员乘坐登月舱执行第一次载人登月任务。

▲美国宇航局2028年的三步走登月计划

然而到了3月27日，美国副总统彭斯宣布，无论采取哪种方式，美国都将在5年内重返月球。这也就意味着美国将在2024年再次登上月球。这比美国宇航局原来的计划整整提前了4年。虽然随后5月13日总统特朗普表示，将向美国宇航局追加16亿美元的预算用以加速重返月球计划，但美国宇航局的压力依然不小。

新登月模式评估

美国最新载人登月模式下，登月舱的转移飞行器和上升段都是重复使用的，只有下降段不得不一次性使用，登月舱的三个部分以及补给燃料的货运飞船都使用商业火箭发射。重复使用的上升段和转移段有利于降低任务成本，而三级登月舱和商业火箭降价更是立竿见影——如果选择阿波罗式的大型二级登月舱模式，每次登月都得增加一枚SLS Block 1B火箭发射一个大型着陆段，而给上升段补加燃料还得占用一次猎户座飞船的搭载机会。三枚猎鹰重型商业火箭要比一枚SLS Block 1B火箭更便宜，再加上猎户座飞船发射时富余搭载的10吨运力，新方案将显著提高载人登月的经济性，有利于增强载人登月的可持续性，为建立月球基地实现长期月面驻留奠定基础。