重返月球,铺路火星:2024年首位女性登月,280亿美元开启太空探索新纪元

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重返月球,铺路火星:2024年首位女性登月,280亿美元开启太空探索新纪元
麻省理工科技评论 2020-10-14

2020-10-14

“人类重返月球。“在美国宇航局 (NASA) 官网的任务页面,这句标语十分醒目。
火星
“人类重返月球。“在美国宇航局 (NASA) 官网的任务页面,这句标语十分醒目。

“人类重返月球。“在美国宇航局 (NASA) 官网的任务页面,这句标语十分醒目。

NASA 重返月球的航天计划以阿波罗的孪生妹妹命名,被称为阿耳特弥斯计划,跨越 50 余年时空,与人类首次登月计划遥相呼应,再次登月的时间正在临近。

9 月下旬,NASA 陆续披露了更多登月细节。最新公布的 “阿耳特弥斯计划” 文件显示,NASA 首次对 2024 年登陆月球的预计成本给出了具体数字:279.71 亿美元,其中 161.66 亿美元将用于开发登陆系统,预计能在 2024 年将美国首位女性宇航员和另一位男性宇航员送上月球,他们将在月球表面探索大约一周然后返航。

2024年首位女性登月,280亿美元开启太空探索新纪元

NASA 的愿景不止于此。未来十年,NASA 及其合作伙伴还将在月球南极开发一个阿耳特弥斯基地,以支持在月球表面进行更可持续的系列探险活动,具体包括月球地形车辆、可居住的移动平台、月球基础居住模块、电力系统、资源利用系统等。

随着在月球上及月球周围探索能力的不断增强,NASA 正在进一步为人类登陆火星做准备。倘若一切顺利,人类的太空探索将迎来新纪元。

阿耳特弥斯计划三步走

根据计划,NASA 将使用最新的太空发射系统 SLS 火箭和 “猎户座” 飞船前往月球,分三次任务把宇航员和登月装备送往 38.4 万公里外的月球轨道,并使用商业公司开发的登陆器 HLS 把宇航员带到月球表面。

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阿耳特弥斯 1 号:SLS 火箭将把一艘无人猎户座飞船送往月球轨道,在月球上空飞行 6 万公里,这项飞行试验将测试 SLS 火箭首飞的性能,并在猎户座飞船以 32 马赫的速度返回地球之前收集工程数据。

这期间,工程设备将代替宇航员的飞行操作,携带数据收集工具,以验证性能并将预测模型与实际飞行数据进行比较。这次任务还将部署 13 个立方体卫星进行新的科学调查和新技术演示,这将提高我们对深空环境的了解,同时让更多的国际合作伙伴和私营公司参与月球探测。

目前 SLS 火箭发动机的生产已经完成,包括四个 RS-25 液体火箭发动机,两个固体火箭助推器。一系列全面综合的地面试验将在肯尼迪航天中心进行。NASA 于 2018 年 9 月完成了猎户座飞船降落伞的最后测试,评估了猎户座返航着陆过程中的性能,以及许多故障场景和各种潜在的空气动力学条件,以确保宇航员能够从深空任务中安全返回。

2019 年,NASA 还完成了一项名为 “升空中止 - 2” 的试验,测试在发射和升空过程中突发紧急情况的预案,发射中止系统会将猎户座飞船及其船员从火箭上迅速弹离,降落在大西洋上。

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阿耳特弥斯 2 号:SLS 火箭和猎户座飞船的首次载人飞行计划,将 4 名宇航员送上月球轨道,执行大约 10 天的任务,在那里他们将创造人类在月球最远飞行距离的纪录。

在这次飞行任务中,宇航员将以手动模式引导猎户座飞船的飞行路径和方向,以评估猎户座的操纵特性,验证性能数据和实操经验,而这些数据和经验能为关键的飞行器交会、对接以及登陆做准备,同时测试飞船的生命支持系统,检查深空网络(DSN)的通信和导航能力。

阿耳特弥斯 2 号机组人员的飞行里程将超过 100 万公里,返回舱最终落在太平洋上。

阿耳特弥斯 3 号:这将是历史性的一次飞行,人类将再次踏足月球,并尝试建设月球基地,猎户座搭载四名航天员抵达月球,将有一男一女两名宇航员执行登月任务,首位女性在月球上留下脚印,将再次创造历史。

除了两名宇航员,登陆器还将携带重达 100 公斤的科学工具和设备到地面,目标是带回大约 35 公斤的月岩样本,以备返回地球后进一步研究。宇航员将在室外停留约 4 小时,进行专门的科技示范活动。

对于长期运行而言,在阿耳特弥斯 3 号之后,美国宇航局及其合作伙伴将开始在月球及其周围执行多次任务,合作建设一个登月“中转站”,这个月球轨道前哨站将支持在月球上进行更长时间的探险,并有可能在一次阿耳特弥斯任务中多次登月。

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NASA 将和全球合作伙伴共同建立月球基础设施、系统和机器人任务等,以实现人类在月球表面的可持续活动,并在月球南极建立阿耳特弥斯基地。

此外,还将搭建起一个可扩展的月球通信和导航体系:LunaNet。基于此,月球上的机器人、着陆器、轨道舱和宇航员之间将拥有类似于地球上的通讯网络,在月球表面的宇航员将能够接收到来自太空气象仪器的实时警报,还将支持定位、导航等服务,实现比以往任何时候更精确的月球表面操作和技术辅助。

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月球营地和前哨站

阿耳特弥斯营地将是人类在月球上的第一个永久立足点。

该营地主要有三个任务要素:1、月球地形车辆(无加气压的漫游者),以运送合适的宇航员在该地点周围;2、可居住的移动平台(加气压漫游者),能使宇航员长时间旅行;3、容纳四名宇航员生活的固定栖息地。

再加上通讯、电力、辐射屏蔽等配套基础设施,以及废物处理和储存装备这些元素,构成月球上具有持续生存条件的基地。未来几十年,这些基地可以被重新访问并继续扩建,同时测试人类在太阳系中距离更远的地方(比如火星)执行任务所需的系统。

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阿耳特弥斯营地额外的基础设施将支持宇航员在月球表面进行为期一到两个月的考察,以便更多地了解月球和太空环境,开发新技术,从而促进人类工业发展,同时有助于发展月球资源经济。

通过与工业界和学术界的合作,NASA 有一项 ISRU 任务投资,这一任务将进行勘探和采矿计划,提高人类从月球上寻找和利用资源的能力。未来宇航员可以分解月球上发现的天然矿物,将其转化为月球任务的消耗品甚至推进剂,逐步减少来自地球的供应依赖。

轨道前哨站还将提供一个独特的平台来进行科学研究,有可能导航指挥围绕月球的不同轨道运行。NASA 称之为“门户”,这是一个比国际空间站小得多、但任务更突出的平台,在这个小型空间站中,来自全球的合作者(包含机组系统、推进系统、后勤、科学平台、技术演示者等)可以互补提供各项功能,从而提高整体科研成功率,以及合作月球建筑建设。

另一个重点是,NASA 将借此制定一套标准,以规范国际深空操作。比如相关设施设备的接口标准(观看过影片《地心引力》的观众应该能很好地理解这一点的重要性),形成行业和国际合作伙伴之间可以 “即插即用” 的深空探测体系结构。这些标准包括:航空电子设备、通信、环境控制和生命支持系统、电源、交会、机器人、热控制和软件系统等。

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超预算的开销

阿耳特弥斯计划振奋人心,但前提是,资金到位才能如期进行。NASA 评估了该计划截至 2025 财年所需的资金需求和主要支出项。

深空探索系统(ESD)包括三个项目:猎户座飞船、发射系统(SLS)和地面探测系统(EGS)。SLS 将是有史以来最强大的火箭,也是唯一一个能将猎户座飞船上的宇航员和一整套生命维持系统打包送上月球的火箭。

人类登陆系统(HLS):HLS 计划将利用商业伙伴关系开发并联合部署一个着陆系统,用于运送人类往返月球表面,为后续载人任务做可持续性准备。

探测电动车组(xEMU)和太空服系统:用来支持月球表面和微重力环境下的太空行走与月面跋涉。地面后勤还需要提供必要的物资来支持月球表面的阿耳特弥斯任务。

探索技术:技术开发优先事项包含自主运行系统、月面粉尘缓解技术、极端环境应对技术、精确着陆和低温流体管理等技术。

月球发现和探索计划(LDEP):包括建立登月运输服务的商业合作;开发为月球科学服务的仪器;长期勘探和利用月球资源的设备;开发小型卫星等;

阿耳特弥斯计划三次发射任务相关的成本综合预算约 279.71 亿美元,但未来实际运行可能会超预算。

据外媒 Arstechnica 报道,NASA 近期面临的最大障碍可能是资金问题。NASA 在 2021 财政年度需要额外的 32 亿美元预算,以允许承包商开发一个或多个着陆器,将宇航员从月球高层轨道下放到月球表面,这是在初步预算基础上增加了额外的 12%。

今年早些时候,NASA 挑选了三支团队,由 Blue Origin 公司、Dynetics 公司和 SpaceX 公司领导,以充实着陆器计划。但美国众议院审议中,仅批准了 6 亿美元,不到预算的五分之一,且 2020 年大选期间党派竞争激烈,各有利益考虑,能否对 NASA 提出的 2021 财年预算扩充达成一致仍不确定。

宇航员的跨时代“接棒”

9 月 23 日 NASA 最新披露,在休斯顿的约翰逊航天中心,研究小组正在测试和开发新一代月球表面任务操作的训练方法。约翰逊航天中心的中性浮力实验室(NBL)中,穿着演示版太空服的宇航员和穿戴潜水设备的工程师们正在模拟宇航员在月球表面的各项训练。

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宇航员会在水下执行各种各样的任务,包括采集岩石样本、检查着陆器设备、操作各种工具等。宇航员必须考虑和研究很多基础知识,例如如何安全地上下楼梯,如何安全地摆动凿子、进行月球行走以及处理突发情况,这些测试将为未来的实际任务提供指引。

除了在 NBL 中进行测试外,团队还使用不同的模拟环境来模拟月球表面的状况,相关测试在约翰逊航天中心的岩石场进行,这是一个大型的室外测试区域,可模拟月球表面地形的一般特征,训练机组人员进行地面操作。

NASA 预计在 2021 年年中决定最后登月人选。据了解,美国宇航局从 2015 年开始招募一轮新人,有 18000 多人参与报名,经过密集严格训练,最终有 11 名新宇航员于 2020 年 1 月结业,其中就包含 5 名女性,具体谁会成为首位女性登月人,尚处于保密状态。

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迄今为止,共有 12 人次曾登陆月球并留下足迹。1969 年 7 月 21 日凌晨 2 时 56 分(UTC),阿姆斯特朗首次代表人类踏上了月球,留下了经典名言:“这是我个人的一小步,但却是整个人类的一大步。”

到 1972 年 12 月 14 日阿波罗 17 号登月,尤金 · 塞尔南作为阿波罗计划最后一个离开月球表面的人,在返回登月舱之前感慨:“我们来过这里,我们要离开这里,如果情况允许的话,我们还会带着全人类的和平与希望回到这里。”

人类重返月球的诺言转瞬跨越了 48 年,现代科技已今非昔比,为人类进行深空探索和生存提供了更多保障,人们也比以往都更有勇气和信心,去踏足另一个梦想之地——火星。

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