世界航天新科技——重返月球时间表

+刘进军

“月神（Artemis）”计划是美国正在进行的一个载人航天计划。雄心勃勃的美国，设定了登月的最后期限，目标是：2024年前，第一位女性宇航员和继阿波罗登月后第二批男性宇航员登陆月球，而且是月球南极地区，并让女性宇航员首次在月球漫步。

“月神”计划非常庞大和复杂。目前，该计划第一阶段是登陆月球，分为3次任务：“月神-1”、“月神-2”、“月神-3”。

“月神-1”的任务是发射“太空发射系统（SLS）”火箭和“猎户座”飞船，进行火箭、飞船和佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心地面系统的综合试飞，旨在实现21世纪第一次可载人飞船送上月球。

“月神-2”任务是让宇航员首次乘坐“猎户座”飞船环绕月球飞行，进行登月演习。

“月神-3”任务是派遣第一批宇航员重返月球，登陆月球。

“月神-1”任务：

环月试飞

“月神-1”任务是美国宇航局（NASA）深空探测系统的第一次综合测试。

目标是：实验“太空发射系统”火箭、“猎户座”飞船、佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心的地面系统。它将为人类深空探测提供科技、胆略和智慧的综合考验，展示美国宇航局的能力，对将人类生存扩展到月球和更远处的承诺展开实践。

2021年至2022年，“猎户座”飞船将搭乘目前世界上最强大的火箭发射升空。在为期3周的飞行任务中，它将在距离地球最远44.5万千米的地方飞行，距离月球最近100千米，最远7万千米。“猎户座”号在太空中停留的时间将比宇航员在太空中停留的时间更长，而且比以往任何时候都更快地返回家园。

离开地球

“太空发射系统”火箭计划从位于佛罗里达州的肯尼迪航天中心第39B号发射场，将无人的“猎户座”载人飞船送入太空。

“太空发射系统”火箭护送“猎户座”飞船和登月舱飞向月球

“猎户座”飞船：从地球到月球

“月神-1”任务：近地轨道、环月轨道和月球表面飞行

“太空发射系统”火箭可用于低地球轨道以外的任务，运载人员或货物到月球及更远的地方。在升空过程中，“太空发射系统”火箭将产生880万磅的推力，把一个重量近600万磅的飞船送入轨道。

“太空发射系统”火箭由一对5段式助推器和4台“RS-25”发动机发力推动，将在90秒内到达最大推力。当芯级火箭抛开助推器、服务舱面板和逃逸塔后，芯级火箭发动机将关闭，芯级火箭将与飞船和第2级火箭分离。

当“猎户座”飞船环绕地球轨道飞行时，它将打开太阳能帆板。第2级低温推进火箭将为“猎户座”飞船提供离开地球轨道、奔向月球所需的巨大推力。在那里，“猎户座”将在发射后2小时内与第2级火箭分离。第2级火箭随后部署13颗小型卫星，进行多项实验和技术演示。

环绕月球

随着从地球轨道进入月球轨道，“猎户座”无人飞船将由欧洲太空局（ESA）提供的服务舱推进。服务舱是飞船的主要推进系统和动力，可为未来执行任务的宇航员提供舱内空气和水。“猎户座”飞船将穿过范·艾伦辐射带，飞掠全球定位系统卫星星座和地球静止轨道上的通信卫星。

为了与位于休斯顿航天中心的飞行控制中心对话，“猎户座”飞船将通信信号链接“跟踪与数据”中继卫星，并通过深空网络系统进行通信。从这里开始，“猎户座”飞船将继续展示深空环境中导航、通信和操作的独特设计。

登月之旅需要几天时间。在此期间，科学家们将评估飞船的系统，并根据需要修正轨道。“猎户座”飞船将在月球表面上空约100千米高度飞行，然后利用月球的引力推动“猎户座”飞船进入一个新的深度逆行轨道，也就是相反的轨道。这里距离月球约7万千米。

“猎户座”飞船将在这个轨道上停留大约6天，以收集各种科学数据。飞行控制人员评估“猎户座”飞船的各项深空飞行性能。在此期间，“猎户座”飞船将沿着月球环绕地球运行的方向逆向飞行。

“猎户座”飞船返回地球时，采用月球逆行轨道。月球逆行轨道将使“猎户座”进入一个更具挑战性的轨道，并将测试飞船在未来探测任务中将看到的机动和环境的机会。月球逆行轨道在整个飞行过程中需要额外的推进动作，包括月球飞行和返回轨道燃烧。

离开与返航

在返回地球之旅中，“猎户座”号将进行另一次近距离飞行。它将在距离月球表面约100千米的范围内，利用服务舱的另一个精确定时的发动机点火，利用月球重力，加速返回地球。

这一动作将使飞船返回地球轨道，以每小时40000千米、每秒11千米的速度进入地球大气层，产生大约2760℃的温度。这比“猎户座”飞船在2014年的飞行试验中速度更快，温度更高。

为期三周的飞行任务，“猎户座”飞船总飞行距离超过208万千米。这次任务主要测试“猎户座”飞船安全返回地球的能力。“猎户座”飞船将在加利福尼亚州海岸附近的回收船视线范围内精确溅落，误差可能仅仅几十米。

在溅落之后，“猎户座”飞船将在一段时间内保持动力。因为美国海军的潜水员和美国宇航局地面探测系统的搜索小组乘坐小船，从回收船出发和靠近飞船。潜水员将对飞船进行短暂检查，检查是否存在危险，并连接好直升机和吊缆。然后，直升机将把“猎户座”飞船吊到回收船的甲板上，把飞船带回家。

“月神-2”任务：

登月演习

“月神-2”任务，原称“探索任务-2”。任务内容是宇航员搭乘“猎户座”飞船飞向月球，环绕月球飞行，演习登月程序，并返回地球。科学目标是：宇航员环月飞行，演习月球登陆和返回，为登陆月球做好准备。

离开地球

预计2023年，“太空发射系统-1”火箭从佛罗里达州的肯尼迪航天中心发射升空，将“猎户座”载人飞船送往月球。这次飞行任务是围绕一个被称为混合自由返回轨道的剖面图构建的。

“猎户座”飞船将搭乘4名宇航员。它进行多次机动，提升轨道，并最终使宇航员飞行在从月球自由返回的轨道上。“猎户座”飞船将环绕地球飞行2圈，同时周期性地点燃发动机，以足够的推力和速度将飞船推向月球，然后再返回地球。

火箭发射后，“猎户座”飞船到达185千米高度的圆形轨道后，持续飞行90分钟。火箭将飞船送入环绕行星或其他天体的特定轨道的移动或燃烧，称为轨道插入。

在第1 圈轨道之后，火箭的第2 级火箭——低温推进级（ICPS）火箭将进行轨道提升。它将“猎户座”飞船送入环绕地球的高椭圆轨道。这称为转移轨道燃烧（称为“半推进燃烧，TLI”）。第2圈更大的轨道将需要大约24小时，“猎户座”飞船将飞行在近地点925千米，远地点35150千米的椭圆轨道。

“猎户座”飞船一旦完成这2圈轨道，第2级火箭将与飞船分离。宇航员将对飞船的关键系统进行独特的测试。他们将收集并评估导航、控制、通信、生命保障和电源等设备，以及轨道工程数据。如果一切正确、准确和明确，宇航员将利用飞船的服务舱，完成第2次也是最后一次转移轨道推进燃烧。第2次燃烧将使“猎户座”飞船踏上前往月球的航线。

“太空发射系统-1”载人火箭分离助推器。

“月神-2”任务：宇航员环月飞行，演习月球登陆和返回，为登陆月球做好准备。

环绕月球

月球什么样呢？月球的地貌什么样呢？陨石坑到底有多大多深呢？

自从“阿波罗”登月以来，地球上的天文望远镜、深空雷达和各种探测仪器，以及发射各种月球探测器、着陆器，月球车登陆月球，已经完美观测和探测了月球。科学家了解月球的环境、地理、地貌、温度、辐射、重力、高程、距离等情况，甚至命名了每个地理、地貌、陨石坑，甚至一块小小的岩石。

月球平均距离地球38.4万千米。月球南极拥有光照区和黑暗区。由于月球的自转轴略微偏向太阳倾斜，因此月球两极的某些区域几乎保持在恒定的阳光下，其他区域则保持在恒定的黑暗中，例如在一些陨石坑内。这些地点在登陆月球、建立月球基地方面可能具有巨大的优势。因为持续的阳光将为太阳能发电提供能源，而黑暗区可能在陨石坑内、地下土壤下保存着水冰。

“猎户座”飞船飞临月球，环绕南北极飞行。飞船将飞掠月球南极，进行登月演习。美国宇航局已经确认了5个着陆地点，特别是沙克尔顿陨石坑附近。宇航员要飞掠、观测、测量、拍照和研究每一个地点，确定最适合着陆的地点。

1969年5月22日，“阿波罗-10”号飞船进行登陆月球的演习。登月舱到达月球上空15.6千米的高度。这次，登月舱和宇航员也要一次次演习登陆月球的所有动作和登月程序。登月舱下降、下降、再下降……，低点、低点、再低点……，到达近月点27.8千米的高度。

宇航员们必须选择具有科学考察价值，又非常安全的地方降落。根据这些探测和照片的知识，为未来宇航员登上月球铺平道路。这是美国21世纪登月前的最后一次彩排。

离开与返航

“猎户座”飞船完成月球试验飞行后，就要返回地球。

在返回地球之前，“猎户座”飞船将飞行在月球背面。在那里，“猎户座”飞船最终将飞行出一个8字形。飞船返回时不需要推进，而是像弹弓一样利用月球的引力将“猎户座”飞船送回家。这是轨道的自由返回部分。宇航员将飞越月球数千英里以外的地方。

美国宇航局将灵活地操控任务长度，能够在白天为发射、着陆和回收阶段收集有价值的图像和数据。“月神-2”计划的任务至少需要8天时间。如果必要的话，这次任务可能会延长至21天，以完成更多的飞行试验。

“猎户座”飞船第2次飞行将把宇航员到不同的轨道上，并与科学家一起测试“猎户座”飞船的关键系统。“太空发射系统”火箭将从最初能够向月球发射超过26吨的能力，发展到能够发射至少45吨的最终能力。“猎户座”飞船、“太空发射系统”火箭和肯尼迪的地面系统将共同完成最具挑战性的太空任务。

“猎户座”飞船的前2次飞行任务，返回地球时飞行2种不同的轨迹。第1次飞行的是月球逆行返回轨道。第2次飞行的是混合自由返回轨道。混合自由返回轨道将建立在遥远的月球逆行轨道的基础上。

在第1次飞行的月球逆行轨道和第2次飞行的混合自由返回轨道之间，美国宇航局将展示“太空发射系统”火箭和“猎户座”飞船在深空运行所需的全部科技和能力。2次飞行任务都将震撼人类和科技。

首次乘坐“猎户座”飞船的宇航员将比前辈更深入太阳系。他们的任务是确认飞船上的所有系统都能让宇航员在深空环境中正常工作。美国宇航局的首次载人任务将标志着美国宇航局将人类送回月球进行长期探索和未来前往包括火星在内的其他计划迈出了重要一步。

美国宇航局华盛顿总部探测系统开发部副署长比尔·希尔（Bill Hill）说：“在这次任务中，我们将进行一系列测试，演示关键功能，包括任务规划、系统性能、宇航员、深空导航与制导。“月神-2”任务就像测试和展示“双子座”“水星”飞船的能力一样。

“月神-3”任务：宇航员登陆月球和返回地球。

美国宇航局局长布里登斯汀说：一旦前2次试飞完成，美国宇航局将根据预算和项目执行情况，“猎户座”飞船将开始一年一次的发射任务。最初的任务重点就是建设“月球之门”空间站，让各国宇航员都能安全、顺利和简单地登陆月球。

如果这2次飞月试验成功，2024年美国宇航员将登陆月球。一场重返月球的好戏就将开演！

“月神-3”任务：

重返月球

“月神-3”任务，原称“探索任务-3”。这次任务将宇航员送往月球，进行一次科学考察。科学目标是：宇航员登陆月球和安全返回。现在，美国宇航局正致力于在5年内将宇航员送上月球表面，将目光投向了一个人类从未去过的地方：月球南极。

2009年6月18日，美国宇航局“月球勘测”探测器发射。它详细测绘了着陆点，定位月球上潜在的资源，描述辐射环境，并演示新技术，以前所未有的方式绘制了月球表面地图。

“月球勘测”探测器拍摄了月球南极艾特肯盆地的图像。艾特肯盆地直径2600千米。这是月球上最大的撞击盆地，也是太阳系中最大的撞击盆地之一。从它的最深处到周围最高山峰的距离将近16千米，比珠穆朗玛峰高2倍。

艾特肯盆地非常具有科学研究意义。首先，重大的撞击事件可以移除月球的表面物质，并将撞击坑下方的物质带到或接近地表。陨石坑越大，暴露的物质就越深。由于艾特肯盆地是月球上最深的撞击盆地，深度超过8千米，月球的下地壳可能会在这里显现出来。这是在月球上其他地方都找不到的东西。

“月球勘测”探测器的数据可为艾特肯盆地的结构和矿物学调查提供地形背景。这些数据除了提供月球表面的地形图之外，还可用于推断艾特肯盆地内部和周围的光照条件。根据“月球勘测”探测器上的另一个科学仪器——“月球探测”中子探测器（LEND）的观测结果：这个地区的几个陨石坑具有永久性的阴影区域，可能含有氢气或水冰的沉积物。相反，附近海拔较高的地区几乎不停地受到太阳的照射。人类在这些区域将利用太阳能，进行机器人或人类探索。

“月球勘测”探测器环绕月球飞行和探测。

月球南极的地貌

2024年，美国宇航员会在哪儿登陆月球呢？美国宇航局将着陆点选择在月球南极的沙克尔顿陨石坑。沙克尔顿陨石坑是一个位于月球南极的撞击坑，至少存在了20亿年，以地球南极探险家欧内斯特·沙克尔顿的名字命名。为什么选择在沙克尔顿陨石坑附近登陆呢？因为这里拥有2大优点：丰富的水源、恒定的阳光。

丰富的水源：月球极地陨石坑的地面温度很低。因为在极地地区，太阳光照射月球表面的角度很低，而且月球没有大气层帮助表面变暖，所以它们永远处于阴影中。这个角度是基于月球极轴的1.54°倾斜角度，地球极轴的倾角为23.5°。如果一名宇航员站在月球的南极附近，太阳总是出现在地平线上，从侧面照亮月球表面。因此，当阳光掠过深陨石坑的边缘，内部深处仍然处于阴影中。

月球自转轴的微小倾斜意味着沙克尔顿陨石坑的内部永远是黑暗的，因此非常寒冷。这些永久遮蔽的陨石坑具有太阳系最低温度的特征，低至-248℃。在这种温度下，水冰是稳定的，只会增加，不会减少。

太阳在沙克尔顿陨石坑四周的山峰上照耀，但它寒冷的深处可能已经有20亿年没有见光了。这个陨石坑的低温内部起到了一个冷阱的作用。它可以捕捉并冻结彗星撞击月球时释放的水分。“月球勘测”探测器测量显示：陨石坑内的氢含量高于正常水平。这可能表明存在水冰。

月球南极的水冰可以追溯到数十亿年前，没有受到太阳辐射的污染，也没有受到地质过程的污染。这些地质过程会不断搅动和更新行星表面，如地球上的风和侵蚀。这为人类提供了一个了解早期太阳系的窗口。

位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的月球科学家约翰·凯勒说：收集水的记录可以帮助我们了解水和其他挥发物是如何在太阳系周围移动的。我们对登陆这些地点，并对那里的物质进行取样，非常感兴趣。”在地球上，科学家研究地球极地地区的冰样本，揭示了地球的气候和大气在数千年中是如何演变的。月球也一样！

“月球勘测”探测器拍摄的多光谱图像：南极艾特肯盆地（中间蓝绿色）。

“月球勘测”探测器拍摄（俯瞰）：月球南极的沙克尔顿陨石坑（照片中心的黑色圆形部分），直径20.92千米。

“月球勘测”探测器拍摄（侧视）：月球南极的沙克尔顿陨石坑

月球陨石坑中水冰的想象图

美国宇航员登陆月球想象图

水是长期探索的关键资源。这也是美国宇航局在2024年前将宇航员送上月球南极的主要原因之一。水是人类进一步探索的必要条件。因为它可能被用来饮用、呼吸、冷却设备和为更远的太阳系任务制造火箭燃料。美国宇航局在月球上获得的经验，包括利用月球自然资源，将用于帮助宇航员送上火星。

根据月球探测器的观测结果，科学家知道南极地区含有冰，可能还有其他丰富的资源。另外，这是一个完全未经探索的世界。南极远离围绕赤道聚集的“阿波罗”登陆点。这是一个新的挑战和新的探索环境。南极也是未来人类登陆的好目标。因为从机器人角度来说，南极是月球上调查最彻底的地区。

恒定的阳光：月球南极的一些地方并不是那么黑暗和寒冷。陨石坑边缘的山峰几乎连续不断地暴露在阳光下。例如，在沙克尔顿陨石坑附近，一些区域长时间沐浴在阳光下，持续照明超过200个地球日。这种现象的发生也是因为月球的倾角小。阳光持续不断，对月球任务来说是一个福音。它让探险者能够获得阳光，从而照亮月球基地，并提供太阳能和动力。

美国宇航局“月球勘测”探测器的轨道为椭圆形极轨道。在经过南极地区时，它距离月球最近。在过去的10年里，“月球勘测”探测器飞越南极几千次，收集了最精确的南极地区信息，为科学家提供了关于地形、温度和可能存在水冰位置的精确细节。

美国宇航局戈达德太空飞行中心科学家诺亚·彼得罗（Noah Petro）说：“我们已经绘制了月球南极的每平方米的地图，甚至是永久阴影区域地图。我们对月球南极的环境了如指掌。在这儿登陆，十拿九稳！”

2024年，“猎户座”飞船将搭载4名宇航员，飞行3天，到达月球上空。飞船与登月舱分离。一名宇航员在飞船上，环绕月球飞行。3名宇航员乘坐登月舱，空降在月球的沙克尔顿陨石坑。

人类重返月球，时间并不遥远。一场惊心动魄的登月大戏，即将开演。