引入商業競合，有可持續性才能等到實現火星夢想
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一鴿再鴿的阿爾忒彌斯計劃，只是人類進一步探索其他星球的首站。
(資料圖片僅供參考)
今天下午2點47分 ，隨著NASA新一代登月火箭太空發射系統（SLS）載著獵戶座飛船點火升空，“一鴿再鴿”的阿爾忒彌斯1號任務終于正式發射，開始為期4到6周的月球往返之旅。
自1972年12月19日“阿波羅17號”結束任務返回地球后，迄今為止還未有宇航員再踏足月球土壤。時隔50年，人類將再向38萬公里開外的月球發起載人登月任務。與此同時，中國、俄羅斯等國家的載人登月計劃亦在進展中。人類實現重返月球，進入倒計時階段。
作為阿爾忒彌斯計劃（Artemis Program）的首次飛行，本次飛行為一次無人試驗，其中將搭乘3個裝有儀器的人體模型。這將是NASA對獵戶座飛船（Orion）、太空發射系統(SLS)火箭、肯尼迪航天中心的地面系統的第一次綜合測試。根據規劃，在后續的任務中，NASA還將陸續驗證繞月、著陸、返回技術，最終建立起一個名為“門戶”（Gateway）的月球軌道空間站，為長期、可持續的月球任務存在鋪平道路，并為未來宇航員的火星任務提供跳板。
阿爾忒彌斯計劃具體是如何規劃的？與五十多年前的阿波羅計劃相比，阿爾忒彌斯計劃有何區別？我國的載人探月及深空探索又有何新進展？以下，Enjoy：
1、四次飛行，如何一步步實現重返月球？阿爾忒彌斯計劃的名字，與阿波羅計劃一樣，都取自希臘神話，為太陽神阿波羅的孿生姐妹、月亮女神之名。53年前，以阿波羅命名的月球探測計劃實現了人類在月球上的“一小步”；如今，阿爾忒彌斯將在月球乃至宇宙探索中邁出“下一步”。
阿爾忒彌斯（來源：www.thinglink.com）
阿爾忒彌斯計劃由一系列發射任務組成，其目標是讓人類重返月球表面，建立長期的月面基地，并實現未來的載人火星登陸。
作為先鋒行動，本次阿爾忒彌斯1號的成敗決定了后續一系列復雜任務的進展情況。在這次無人飛行中，獵戶座飛船將乘坐太空發射系統（SLS）升空，后者是NASA自土星五號以來最強大的運載火箭，飛行約28萬英里后，在距離月球數千英里的軌道執行4到6周的任務，不著陸，僅進行演練與測試。它不僅將刷新人類建造的宇宙飛船所飛行的最遠距離紀錄，也將刷新飛行器在太空的最長停留時間。
圖源：NASA
若1號任務完成順利，NASA將在2024年左右展開阿爾忒彌斯2號任務。那將是一次載人繞月飛行，使用與第一次發射時相同的SLS火箭，將飛船送到稍有不同的繞月軌道，不過飛船依舊不進行著陸，僅在載人情況下測試關鍵系統。
再之后便是關鍵的阿爾忒彌斯3號任務，包含一套正常的繞月、著陸、返回流程，屆時NASA將讓首位女性和首位有色人種航天員登陸月球。
待到阿爾忒彌斯4號時，NASA計劃建立其一個名為“門戶”（Gateway）的月球軌道空間站，為后續登上其他星球進行準備。
由此可見，面對登月并建造空間站這個尚未完成的龐大目標，NASA還是選擇逐步進行阿爾忒彌斯計劃，在控制風險的情況下重返月球。
圖源：NASA
為執行這個龐大的重返月球計劃，NASA研制了全新一代的火箭系統與飛行器。其中，太空發射系統（SLS）作為主力運載火箭，高約98米，是自土星五號以來運載能力最強大的火箭。SLS專為深空任務設計，整合了航天飛機的主要部件，并運用新的工具和制造技術進行了硬件升級，足以和阿波羅計劃的“土星五號”相媲美，將人貨運送到月球甚至更遠的地方。
圖源：NASA
而阿爾忒彌斯號的主力載人航天器則為獵戶座載人飛船，由乘員艙、服務艙、發射逃逸系統等組成。其中，乘員艙可以在不與其他航天器對接的情況下，為4名宇航員提供長達21天的生活空間。乘員艙下面是歐洲航天局（ESA）提供的歐洲服務艙，主要由空客公司制造，服務艙將為航天器提供電力、推進、熱控制、空氣和水。
在每次任務結束后，乘員艙將是唯一返回地球的部分。不過，在前幾次飛行任務中，一些高價值的機組組件都將會被重復使用，NASA也計劃在之后任務中復用更多組件以降低成本。
圖源：NASA
當SLS和獵戶座飛船完成”雙劍合璧“后，由兩個固體火箭助推器和4個強大的發動機提供動力，從肯尼迪航天中心的39B發射場升空。SLS在發射和升空期間將產生880萬磅的推力，將重近600萬磅的獵戶座飛行器送入軌道。點火兩分半鐘后，兩個固推被耗盡后分離。發射8分鐘后，芯級也被耗盡分離。上層級短暫點火，讓飛船進入地球停泊軌道。
之后，獵戶座飛船繞地軌飛行時，將完成包括部署太陽能電池陣列在內的一系列任務。在阿爾忒彌斯1-3號任務中，臨時低溫推進段（ICPS）將為獵戶座提供離開地球軌道、飛向月球所需的巨大推力。從那里，獵戶座將在發射后約兩小時內與ICPS分離。然后，ICPS將部署一些小衛星，即立方體衛星，來進行幾項實驗和技術演示。假設部署成功，其中兩顆立方體衛星將以不同的方式繪制月球表面的水冰（water ice）。水冰是由水或融水在低溫下固結而成的冰，或許可以作為未來人類探險的資源。
當獵戶座飛船繼續沿著地球到月球的軌道前進時，它將由歐洲服務艙推進。獵戶座將穿過范艾倫輻射帶，飛越全球定位系統(GPS)衛星星座，并飛越地球軌道上的通信衛星。為了與休斯頓的任務控制中心進行對話，獵戶座將從NASA的跟蹤和數據中繼衛星系統切換到通過深空網絡進行通信。
獵戶座飛船月球之旅期間，工程師將評估航天器的系統，并根據需要修正其軌道。航天器將在該軌道上停留大約6天，以收集數據，并讓任務控制人員評估航天器的性能。在這段時間里，獵戶座將以月球繞地球運行的方向逆行。
雖為一次無人飛行，但獵戶座飛船中也搭載了三位假的“宇航員”，其中“指揮官”坎波斯（Moonikin Campos），名字來自于阿圖羅·坎波斯(Arturo Campos)，是NASA的一名電氣工程師，曾幫助阿波羅13號安全返航。飛船的座椅和宇航服等上面都布滿了傳感器，用來檢測任務中的震動、加速度和輻射，幫助NASA了解如何在接下來的任務中更好地保護宇航員。
圖源：NASA
除了假人宇航員外，本次任務還搭載了小羊肖恩和象征著安全飛行的史努比，作為零重力指示器。
圖源：ESA
在返回地球的途中，獵戶座再進行一次近距離飛越，使飛船在距離月球表面約60英里的范圍內，飛船將利用服務艙的另一個精確定時發動機，在月球引力的作用下加速返回地球。飛船進入地球大氣層后，獵戶座底部的溫度將達到太陽表面一半的溫度。最后，飛船將在加州下巴島海岸附近的回收船視線范圍內精確著陸，濺落回收的流程與之前SpaceX龍飛船的大致相同。
阿爾忒彌斯1號的發射，是對獵戶座、SLS和肯尼迪航天中心的地面系統的一次綜合測試，為的是最終滿足深太空中最具挑戰性的人員和貨物任務需求，實現“Moon to Mars”，劍指火星以及其他未曾探索的太陽系深空。
2、與阿波羅計劃相比，阿爾忒彌斯計劃的硬件有何升級？與阿波羅計劃不同，按照這一新的登月計劃，宇航員在月球上將不是短暫停留，而是準備打造一個生活長達一個星期的月球基地。計劃中的月球空間站不僅是人類再次登月的轉運站，而且將作為前往更遙遠的行星進發的基地。
若一切順利，人類實現真正載人登月、重返月球表面或最早在2025年實現，不過以NASA的“鴿王”風格，倒也不必對這個時間過分期待。
僅是阿爾忒彌斯1號，NASA就已經在全球的關注下“一鴿再鴿”，整個發射計劃不斷受颶風、燃料泄露等各種內外部因素影響，從8月底延期四次到了現在，命途多舛。
盡管如此，阿爾忒彌斯計劃至少給出了上世紀60年代阿波羅計劃以來，最雄心勃勃的載人登月時間表。
當然，所有有關阿爾忒彌斯的疑問，自然少不了與阿波羅計劃的比較。
▌火箭：SLS vs 土星五號
單從近地軌道（LEO）的運載能力數據看，SLS的LEO運載能力為95噸，較土星5號最高可達到的140噸并無明顯優勢。
但SLS還在進一步升級中，預計到阿爾忒彌斯4號計劃時，升級后的Block 1B版本有更為強大的上層級（EUS），從而提高地月轉移軌道（TLI，即從加速離開地球到近月制動為止的軌道段）的能力。升級版的EUS將向月球發射83000磅的載荷，比早期阿爾忒彌斯任務中使用的ICPS多40%，比現有的任何火箭多70%。
此外，在阿爾忒彌斯計劃中，也還有其他一系列的運載火箭及飛行器，包括Starship，Vulcan，New Glenn等，各自用自己的火箭發射并承擔部分任務。因此，在硬件選擇上，阿爾忒彌斯計劃和阿波羅計劃實際有著不同的考量，不需要將所有任務的壓力押注在單一一個超級火箭上。
圖源：Everydayastronaut
▌太空艙：獵戶座 vs 阿波羅
從太空艙看，獵戶座倒是“贏麻了”——獵戶座太空艙寬5米，阿波羅太空艙寬3.9米，獵戶座的9立方米宜居空間，比阿波羅大了近50%，最多可搭載6名宇航員。
空間變大的同時，太空艙的重量也得到了減輕，這對于深空探索意義非常。獵戶座太空艙及其服務艙加滿燃料后重26520公斤，而“阿波羅”太空艙及其服務艙加起來重達28800公斤。
結構分配上也極為不同，阿波羅的指揮艙非常小，有一個很大的服務艙，而獵戶座則完全相反，保障了宇航員宜居性。
圖源：Everydayastronaut
▌著陸器：1 to N
截然不同的月球著陸器選擇，則反映了60年后商業航天的突飛猛進。
在阿波羅計劃中的登月艙，由格魯曼公司（Northrop Grumman）生產，高7米，腿伸出時寬9.4米，燃料充足時重達1.64萬公斤。它可以攜帶兩名宇航員到月球表面，并停留75小時。
圖源：Everydayastronaut
而阿爾忒彌斯計劃選擇發起了“人類著陸系統”（Human Landing Systems）項目，由一系列商業合同組成，更類似于商業載人項目。NASA對此沒有制定任何嚴格的指導方針，接受投標的原則重點在于評估能否在2024年這個時間內將一個著陸系統送往月球并返回，目的是為4名宇航員提供長達2周的每次任務。
并且在阿爾忒彌斯計劃中，入圍計劃的選手們不僅要給出不同的著陸器方案，還要自行發射，不能夠使用SLS。其中最有看點的自然是SpaceX、藍色起源、Dynetics之間的競爭。
圖源：Everydayastronaut
不過出人意料的是，去年4月，NASA選擇僅與SpaceX簽訂了一份合同，提供29億美元給SpaceX開發星際飛船。消息發布后，貝索斯的藍色起源對此番“被截胡”表示了嚴重不滿與抗議，甚至將NASA告上法庭。然而，起訴未能成功，倒是還被馬斯克發了一條帶表情包的推特嘲諷。
圖源：SpaceX
今年11月，阿爾忒彌斯1號任務發射之際，NASA授予SpaceX第二份“阿爾忒彌斯”登月合同，價值約11.5億美元，作為NASA阿爾忒彌斯4號任務的一部分，SpaceX將在2027年提供第二次載人著陸演示任務。
這也意味著，如果一切進展順利，SpaceX將參與阿爾忒彌斯3號和阿爾忒彌斯4號任務，兩次載人登月。
▌著陸點選擇：首次著陸月球南極
NASA近期公布了阿爾忒彌斯3號的13個著陸點選擇，全部都處在月球南極的沙克爾頓隕石坑。這些區域位于距離月球南極6度的緯度范圍內，總體上具有不同的地質特征。每個具體的著陸點與發射窗口的時間緊密耦合，確保了全年發射的靈活性。
13個候選著陸區的渲染圖，每個區域大約是9.3 * 9.3英里(15 * 15公里)，著陸點半徑約為328英尺(100米)，圖源：NASA
選擇這些著陸點除了考慮發射窗口可用性外，科學家與工程師團隊還對各地區的安全著陸能力進行了評估，包括地形坡度、與地球通訊的便利程度和照明條件等，并兼具可達性。屆時宇航員將冒險進入人類此前未探索過的黑暗區域，并為未來長期駐守地外星球奠定基礎。
值得期待的是，在阿爾忒彌斯3號任務中，極有可能獲得更多關于月球水冰（water ice）的信息。早在上世紀60年代，科學家們就提出水冰可能存在于月球、水星和谷神星的永久陰影區域。
直到2018年，夏威夷大學和布朗大學的科學家們直接觀測到了月球南極的水冰，首次在月球表面發現水冰存在的直接證據。月球南極的大部分水冰集中在月球的環形山。而北極的水冰雖廣泛分布但很稀疏。人類或許可以從中提取氧氣和氫氣。水冰的出現可以使月球成為人類進行深度太空探索的“加油站”，甚至能幫助人類在月球上建立長期或永久基地。
3、引入商業競合，有可持續性才能等到實現火星夢想從硬件上看，阿爾忒彌斯計劃雖有不少升級，但依舊不可動搖五六十年前阿波羅計劃劃時代般的地位價值。那為什么自1972年以來美國就沒有再回到過月球？為什么NASA不重新建造阿波羅計劃的土星5號火箭和阿波羅太空艙？
回顧阿波羅計劃，這個在美蘇軍備競賽特定時間下的產物，至今看依舊是場不到最后一刻都無法知道結局的“賭博”。
1960年，在NASA提出阿波羅計劃之初，并未得到馬上通過。而蘇聯在太空競賽中的一系列成就還在不斷傳出。1961年4月12日，蘇聯加加林駕駛“東方1號”飛船進入太空，繞地飛行一周，成為世界上第一位“太空人”。在此刺激下，一個月后時任美國總統肯尼迪便正式宣布了“阿波羅”計劃。
肯尼迪曾在國會發言時說：“我們選擇在這個十年登上月球并實現其他目標，不是因為它們簡單，而是因為它們艱難”。
據說在阿波羅計劃開始之初，內部估算只有5%的幾率成功登上月球并安全返回。這就像在懸崖邊騎兩輪車、在風暴內部買彩票時中獎并還能躲過一劫，阿波羅計劃登月充斥著巨大風險，更像是登月競賽下的放手一搏。1968年到1972年，NASA共發射了9次載人月球任務，其中6次成功著陸，12名宇航員登上月球表面。但同時也發生了多次諸多可怕的事故。
著名的阿波羅1號事件，在地面測試時就突發大火導致了3名宇航員遇難，這也使得純氧環境被NASA重新考慮。阿波羅11號任務中，阿姆斯特朗邁出人類登月的第一步，卻在從月球返回時遇到點火開關故障，所幸奧爾德林掏出一支氈尖筆替代故障位置，重啟飛船。阿波羅12號、13號、15號等都遇到了足以引發整體失敗的問題或事故。
除了巨大的風險隱患外，阿波羅計劃的天文數字成本代價，也是當下難以復刻的。送12名宇航員上月球，阿波羅計劃耗資255億美元，約占當年美國GDP的0.57%，占當年美國全部科技研究開發經費的20%。
而阿爾忒彌斯則為一個相對可持續的項目。與上世紀60年代相比，能以更低的成本、更好的技術和更安全的方式到達月球，是全球科學家的共同追求。
對于如今的NASA而言，不再會有阿波羅計劃那樣的無限資金和支持，他們必須清楚評估每個項目的風險。尤其是在“挑戰者號”“哥倫比亞號”兩次巨大的慘烈事故后，不僅給參與者與家屬帶來巨大創傷，也影響到NASA資金與發射計劃。
換言之，太空競賽后的NASA不再有高容錯率來承受巨大的風險，不得不改變了他們認證和計算風險的方式。現在NASA會計算每一個單獨部件的確切故障率，并評估每個部件、子部件和系統故障所涉及的風險。
因此，與阿波羅計劃相比，阿爾忒彌斯計劃在安全性和性能方面有了切實的升級。
例如，太空艙由靠燃料電池運轉，改為使用太陽能和120伏鋰離子電池；針對機械開關的事故，阿爾忒彌斯計劃的太空艙配備了高度可配置的電腦，機械開關的數量只剩60個左右；獵戶座的計算機比阿波羅號的計算機強大1000倍，冗余度也更高。
獵戶座在導航方面也有了極大升級，近地時可用GPS衛星，遠離地球時則可使用自動的恒星跟蹤設備；對接系統也采用了一個新的TRIDAR或3D激光測距和一個高度升級的相機，可實現自動停靠；在熱保護系統、降落傘、輻射屏蔽材料等方面，阿爾忒彌斯也增加了更多安全的考量。
圖源：NASA
根據最新估計，從2012年到2025年，NASA將為“阿爾忒彌斯”計劃花費930億美元；而2021年至2025年，這五年就需要花費530億美元。其中SLS火箭是巨大的吞金獸，單次發射成本超過40億美元。如果一系列任務無法按時完成，后續花費還將增加。
尤其是這一切還是在阿波羅計劃留下的巨大基礎設施遺產的基礎上，因此就有了上文所述的NASA將運送宇航員的工作放出去給SpaceX、藍色起源等私營公司合作的舉動，由此節省下的資金用于地球軌道和地月系統以外的太空探索。這些任務也推動了太空經濟下新產業和新技術的發展。
目前有超過3800家供應商為獵戶座、SLS火箭和肯尼迪航天港提供服務，包括Aerojet Rocketdyne、波音、雅各布斯、洛克希德·馬丁和諾斯羅普·格魯曼等公司。與此同時，阿爾忒彌斯計劃的合作范圍也延伸到了國際，歐洲等多地的供應商，也在為這項計劃而工作。
因此，雖然阿爾忒彌斯計劃目前在成本上和研發周期上并未有明顯優勢，但引入商業競合模式或能夠給其一次巨大的翻牌機會。與成本幾乎不可能降低的阿波羅計劃相比，在技術的創新發展、重用復用之下，阿爾忒彌斯計劃有著更可靠的持續發展性，項目持續時間越長，成本也就將相應降低。而SpaceX、藍色起源等“鯰魚”的入局，或許可以讓NASA在節約大量成本的同時，真正實現這場冒險的最終目的——Moon to Mars。
4、“能去的時候一定要去”，中國載人探月時間表已出爐在阿爾忒彌斯計劃進行的同時，各國的登月探索計劃也在陸續開展中：澳大利亞、加拿大、意大利、日本、盧森堡、阿聯酋和英國已經加入“阿爾忒彌斯”計劃，并希望能確認開采月球礦產資源的所有權；中國、俄羅斯與印度等國家則期望通過獨立研制，實現載人登月。
自2007年10月嫦娥一號成功發射以來，中國已經向月球發射了5次探測器，并實現了人類探測器首次月背軟著陸、帶回人類全新的月壤樣品等巨大成果，這些成功試驗為后續載人登月奠定了基礎。
在北京航天飛行控制中心拍攝的落月后的嫦娥五號探測器，圖源：新華網
據最新消息，我國已正在論證載人登月方案。探月工程四期經過多年論證，已于2021年底正式立項，進入實施階段。在不遠的將來，中國航天員將有望登陸月球，后續還將建造國際月球科研站 。
而為了滿足未來航天任務的需求，我國新一代載人運載火箭的研制也處于關鍵技術攻關及方案深化論證階段。在本次珠海航展上，我國新一代運載火箭家族的模型集體亮相，其中就包括備受矚目的載人登月“專車”。預計在20 30年左右，通過兩次發射任務，實現我們自己真正的“嫦娥奔月”。
在關注不多的角落，中國火星探測都開官方微博了
航天科研耗價高昂，為何各國都要執著于載人登月？這其實是一場“高投入高風險高回報”的探索。作為人類史上最復雜的系統工程，航天技術不僅是國家經濟與技術實力的體現，還可以推動多個高新技術和基礎科學領域的創新，對國家乃至人類發展有著重大意義。
阿波羅計劃雖花費了天價的經費，卻也實實在在催生了美國液體燃料火箭、微波雷達、無線電制導、合成材料、計算機等高科技工業，并留下了豐厚的航天基礎設施遺產。俄羅斯曾通過和平號空間站發現十余個金屬礦和百余個油脈，價值遠超空間站的投入費用。
更何況對于月球、火星等深空探索計劃而言，未知的發現必定遠超想象。嫦娥一號衛星系統總指揮兼總設計師葉培建曾說：“聯合國月球公約上說‘月球是全人類的’，這很好，但后面還有一句話叫‘誰開發誰利用’。如果今天不去，將來想去都去不了，所以在能去的時候一定要去，所以中國一定要去。”隨著北斗、嫦娥、祝融、中國空間站等航天工程的順利推進，中國的航天能力正在一步步被認可，載人登月目標不再遙不可及。
今年4月1日祝融號中分辨率相機拍攝的火星水手谷局部地貌，圖源：國家航天局
在這場全球大國參與的太空探索競賽中，重返月球只是人類進一步探索其他星球的首站。在全球氣候危機的背景下，人類在保護地球的同時，也不得不向地外探索更多解法，拓展生存空間。
我們沒有更多的退路，只有探索與再探索。
References:
1）NASA官網及Artemis計劃宣傳片
2）ESA官網
3）《耗資230億美元，新一代鴿王登月火箭今現身》，作者/太空精釀，BY 果殼（ID：Guokr42）
4）《從激進、落幕再到追逐：美俄中的載人登月戰爭》，作者/燕良，BY 腦極體（ID：unity007）
5）《美“阿爾忒彌斯”計劃重返月球，全球載人登月熱潮再起》，記者/晨陽，BY 環球時報
6）Artemis VS Apollo – Will Artemis actually be sustainable?，BY Andy Law，Everydayastronaut
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