“阿爾忒彌斯-2”任務(wù)航天員回家，豐富地月飛行經(jīng)驗之余仍有“隱憂”

北京時間4月11日，隨著獵戶座飛船返回艙安全濺落太平洋，“阿爾忒彌斯-2”任務(wù)結(jié)束。3名美國航天員和1名加拿大航天員結(jié)束探月之旅，成功返回地球。回顧美國主導的“阿爾忒彌斯計劃”首次載人任務(wù)，科研人員和航天員為了克服地月空間中的風險，完成了哪些工作？這次任務(wù)測試了哪些重要技術(shù)？展望未來，“阿爾忒彌斯-2”任務(wù)有望對美國月球探測與開發(fā)工程產(chǎn)生怎樣的影響呢？

4名航天員乘坐獵戶座飛船返回艙安全濺落太平洋

改進箭船保平安

北京時間4月2日，“阿爾忒彌斯-2”任務(wù)由SLS Block1火箭發(fā)射。在繼承自航天飛機項目的4臺第一級發(fā)動機和2枚助推器驅(qū)動下，該火箭起飛質(zhì)量超過2600噸，設(shè)計能將超過26噸載荷送入地月轉(zhuǎn)移軌道。

火箭第一級在預留數(shù)十噸推進劑的情況下，將重26噸的獵戶座飛船和重33噸的第二級送入近地點高度約40公里、遠地點高度2222公里的大橢圓軌道，并確保第一級在繞地球飛行大半圈后安全濺落在太平洋。

SLS火箭托舉獵戶座載人飛船升空

相比“阿爾忒彌斯-1”任務(wù)使用的同型火箭，這枚SLS火箭有所改進，主要是箱間段新增了4片2.3米長的導流邊條。

原來，在“阿爾忒彌斯-1”任務(wù)中，當SLS火箭飛行處于跨聲速段時，2枚助推器與第一級的連接點處遭遇了超出預期的振動現(xiàn)象，主要是復雜氣流擾動造成的。試驗顯示，新增的邊條會在連接點附近產(chǎn)生渦流，限制氣流異常擾動，有效緩解了火箭處于跨音速段的顫振隱患。

此外，SLS火箭還進行了多處優(yōu)化，以便提高可靠性，驗證未來飛行狀態(tài)。

美國宇航局選擇繼續(xù)使用SLS火箭，主要是期望維持傳統(tǒng)航天產(chǎn)業(yè)鏈，獲得成熟可靠的產(chǎn)品，但實際效果不及預期，飽受漲價、拖延之苦。至于“星艦”，還需要攻克高頻次發(fā)射、多次“太空加油”等難關(guān)，也未獲得載人資質(zhì)，執(zhí)行探月任務(wù)仍面臨多重考驗。

獵戶座載人飛船與月球合影

獵戶座載人飛船屬于美歐合作產(chǎn)物，返回艙由美國廠商打造，而服務(wù)艙由歐空局研制，并安裝了1臺繼承自航天飛機項目的AJ10-190常溫軌控發(fā)動機，用于軌道機動。

在這次任務(wù)中，獵戶座飛船并未像“阿爾忒彌斯-1”任務(wù)那樣直接進入地月轉(zhuǎn)移軌道。在運力充足的前提下，火箭第二級將獵戶座飛船送入遠地點高度7.4萬公里的大橢圓地球軌道，支持航天員驗證手動交會技術(shù)。為此，火箭第二級頂部和側(cè)面安裝了光學瞄準靶標。獵戶座飛船分離后調(diào)轉(zhuǎn)方向，航天員參考頂部靶標，演練手動操作接近。隨后，火箭第二級旋轉(zhuǎn)90度，在較好的光照條件下，支持航天員參考側(cè)面靶標進行手動交會操作。這是為了模擬獵戶座飛船和其他航天器進行手動交會對接。

然后，獵戶座飛船進行自檢，并加速飛往地月轉(zhuǎn)移軌道。火箭第二級則實施離軌機動，墜入大氣層燒毀。

這是獵戶座飛船首次在深空環(huán)境中載人飛行，特意配備了強調(diào)可靠性的環(huán)境控制和生命維持系統(tǒng)，負責維持艙內(nèi)穩(wěn)定生活環(huán)境，并檢測飛船狀態(tài)，確保航天員安全健康、正常工作。按設(shè)計，即使返回艙遭遇失壓或污染，航天員也能穿戴登月服維持數(shù)天，為應(yīng)急維修或緊急救援爭取“最后機會”。

此前，在“阿爾忒彌斯-1”任務(wù)中，獵戶座飛船返回艙的熱防護結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了超過預期的燒蝕損壞。調(diào)查表明，返回艙再入大氣層過程中，氣動加熱使材料內(nèi)部氣體壓力偏大，破壞了熱防護結(jié)構(gòu)，并引發(fā)了局部剝落現(xiàn)象。科研人員可通過修復改進來解決該問題，但進度趕不上“阿爾忒彌斯-2”任務(wù)。

獵戶座載人飛船返回艙再入大氣層前與服務(wù)艙分離

因此，美國宇航局決定在這次任務(wù)中采用更“陡峭”的返回艙再入軌跡，將氣動加熱時間從14分鐘縮短至約8分鐘，緩解返回艙熱防護結(jié)構(gòu)損壞。后續(xù)任務(wù)中，獵戶座飛船將改進熱防護系統(tǒng)，爭取從根本上解決該問題。

刷新紀錄也有尷尬

在1970年的阿波羅13號任務(wù)中，航天員克服險情、安全回家，創(chuàng)造了40.01萬公里的人類距離地球最遠紀錄。在“阿爾忒彌斯-2”任務(wù)中，隨著獵戶座飛船飛掠月球背面，美加航天員將這個紀錄刷新為40.67萬公里。

獵戶座飛船飛掠月球時拍攝地球

為了達成這項成就，獵戶座飛船配備了完善的空氣再生裝置、艙內(nèi)壓力控制系統(tǒng)、乘組用水供應(yīng)和廢物管理系統(tǒng)等。其中，空氣再生裝置可以吸收二氧化碳和水蒸氣，將廢氣排入太空，并取消了傳統(tǒng)上使用的過氧化鈉等消耗性化學品，從而大幅降低體積和質(zhì)量。利用高壓氧氣罐、氮氣罐等，飛船艙內(nèi)壓力和氧分壓可以自動保持在安全范圍。緊急情況下，航天員可以手動調(diào)節(jié)壓力參數(shù)。

在這次任務(wù)中，航天員體驗了新型“深空廁所”。它的學名是通用廢物管理系統(tǒng)，獵戶座飛船安裝了月球軌道版本。要知道，半個多世紀前的“阿波羅計劃”中，飛船廁所簡陋且使用不便，曾污染艙內(nèi)環(huán)境。新型“深空廁所”采用真空系統(tǒng)，以便儲存、處理排泄物，還考慮到女航天員的特殊需求，特意安裝了門，更注重保護隱私。

此外，獵戶座飛船安裝了新型激光通信系統(tǒng)，下行數(shù)據(jù)傳輸速率超過260兆比特/秒，預計至少能向科研人員輸送數(shù)百吉比特的科學研究和系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)。

4名美加航天員在飛船艙內(nèi)工作生活

不過，“阿爾忒彌斯-2”任務(wù)并非一帆風順，科研人員、航天員不時與各種小故障“作斗爭”。

比如，中繼衛(wèi)星鏈路一度僅傳回火箭第二級的數(shù)據(jù)，沒及時傳回獵戶座飛船的數(shù)據(jù)。科研人員重啟地面系統(tǒng)部分設(shè)備后，中繼數(shù)據(jù)傳輸恢復正常，隨后正常轉(zhuǎn)交深空網(wǎng)。

再比如，航天員帶上天的平板電腦在特殊環(huán)境中“開局不利”，電子郵件等軟件崩潰，重啟后化解了麻煩。

更令人啼笑皆非的是，新型“深空廁所”不時遭遇故障，令航天員稍顯尷尬。4月2日，獵戶座飛船入軌不久，相關(guān)控制器和水箱閥門遭遇故障，導致該廁所無法使用，數(shù)小時后修好。4月4日，廁所排放管被凍結(jié)尿液堵塞，再次停用。飛船隨后調(diào)整方向，利用陽光直射加熱，解決該問題。

除獵戶座飛船外，作為美國航天國際合作的重要內(nèi)容，SLS火箭還發(fā)射了4顆立方星，分別屬于阿根廷、沙特、德國和韓國。其中，阿根廷立方星未配備推進系統(tǒng)，完成一系列通信驗證任務(wù)后再入燒毀。另外3顆立方星自行機動變軌，但韓國立方星未完成使命，已提前再入大氣層，而德國立方星的狀態(tài)也不樂觀，很可能已結(jié)束任務(wù)。

另類“繞月”惹爭議

“阿爾忒彌斯-2”任務(wù)是人類時隔半個多世紀后再度飛近月球，不乏宣傳亮點，包括美國宇航局強調(diào)“有色人種、女性、非美國人首次奔月”，但其整體方案設(shè)計顯得比較保守，對美國后續(xù)載人登月任務(wù)和月球資源開發(fā)的參考價值也引發(fā)了爭議。

與1968年阿波羅8號載人繞月任務(wù)不同，在“阿爾忒彌斯-2”任務(wù)期間，載人飛船選擇自由返回軌道飛掠月球，沒有“剎車”進入環(huán)月軌道并檢驗操作飛船。因此，外界認為，嚴格來說，這次任務(wù)稱不上載人繞月任務(wù)，獵戶座飛船在月球附近測試的意義“打了折扣”。

“阿爾忒彌斯-2”任務(wù)（左）與阿波羅8號任務(wù)對比

據(jù)美國宇航局最新規(guī)劃，更多獵戶座飛船環(huán)月軌道操作程序需要在2028年美國載人登月任務(wù)中“一舉過關(guān)”，無形中加大了風險。

還有觀點認為，在本次任務(wù)中，火箭第二級僅配備光學瞄準靶標，沒有激光雷達等輔助裝置，無法驗證獵戶座飛船未來與其他航天器自動交會，價值有限。對此，美國宇航局的新規(guī)劃是2027年中期開展“阿爾忒彌斯-3”任務(wù)，獵戶座飛船將在近地軌道上與1～2款商業(yè)載人登月艙演練交會對接，并檢驗新型登月服、通信設(shè)備等。

更麻煩的是，近期美國宇航局將“阿爾忒彌斯計劃”后續(xù)任務(wù)安排及配套航天器發(fā)展規(guī)劃“推倒重來”，在一定程度上削弱了“阿爾忒彌斯-2”任務(wù)的驗證意義。

一方面，SLS Block1火箭基本上成為“絕版”，后續(xù)SLS Block1B火箭被取消，導致這次任務(wù)驗證的SLS火箭部分改進措施將來“無用武之地”。

在“阿爾忒彌斯-3”任務(wù)中，SLS火箭很可能不會配備第二級，僅用第一級發(fā)射獵戶座飛船進入近地軌道，開展交會對接測試。

自2028年“阿爾忒彌斯-4”任務(wù)起，SLS火箭將放棄現(xiàn)役第二級，換用經(jīng)過修改的火神-半人馬座火箭第二級。理論上，這既能提升運力，又有望降低第一級離軌墜落風險，還可能在1天內(nèi)具備更多發(fā)射窗口。

“阿爾忒彌斯計劃”后續(xù)任務(wù)規(guī)劃已被“推倒重來”

另一方面，美國宇航局近期取消了門戶月球軌道空間站，計劃通過采購更多商業(yè)航天發(fā)射服務(wù)和商業(yè)航天器，建設(shè)月球表面基地，導致“阿爾忒彌斯計劃”的目標、進度、任務(wù)軌道、系統(tǒng)選擇等面臨更多的不確定性。

如果再考慮到美國宇航局未來預算可能會遭遇變動，那么“阿爾忒彌斯-2”任務(wù)顯得方案“中規(guī)中矩”，依賴傳統(tǒng)航天廠商，不符合美國探月項目整體轉(zhuǎn)向商業(yè)化、提倡創(chuàng)新和降本增效的基調(diào)。這次任務(wù)除激發(fā)大眾對載人航天探索月球的興趣外，可能主要價值就是豐富飛船在地月空間運行的基礎(chǔ)經(jīng)驗。

來源/《中國航天報·飛天科普周刊》，原標題《半個多世紀后，奔月再上路的保守與隱憂》

文/張晨

編輯/高辰

審核/楊蕾

監(jiān)制/黃希

本文轉(zhuǎn)載自公眾微信號：中國航天報

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