NASA的成败之月球任务

NASA的成败之月球任务(图1)

高322英尺的火箭已矗立在肯尼迪航天中心的发射台旁,燃料加注测试已完成,将送往月球周围飞行的四名宇航员正处在隔离状态。

美国国家航空航天局正在为“阿耳忒弥斯二号”任务做最后的准备,该任务最早可能在周三发射——这一壮举历经十余年、耗资数十亿美元。当宇航员最终升空时,他们将成为50多年来首次飞往月球的人类,而且飞行距离地球将比以往任何人类都更远。

但通往这一结果的道路漫长而曲折,充满波折,而且成本高得离谱。

“这款火箭原本计划于2016年发射,成本为50亿美元,”行星学会空间政策主管凯西·德雷尔说。“如今成本已达到约200亿美元,距离原定时间已经过去十年。”

NASA的太空发射系统火箭和奥利恩飞船的研发成本已超过440亿美元。此次即将进行的发射将是它们首次载人飞行。

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阿耳特弥斯计划不断攀升的成本是其批评者关注的多个问题之一,许多人对此持“过来人,已尝过滋味”的态度。多年来频繁延期也是另一大争议点,尤其是中国的人类航天能力已迅速提升。一些专家和前宇航员也对“猎户座”飞船的热防护盾表示担忧,该热防护盾在去年四年前的无人阿耳特弥斯一号飞行任务中遭受了意外损伤,如今必须在飞船重返地球大气层时保护四名乘员的安全。

这一切都引发一个问题:阿波罗二号能否为NASA重返月球计划注入足够的动力,以平息批评声音?

与上世纪60年代和70年代阿波罗计划短暂登陆月球不同,阿耳特弥斯计划的最终目标是实现月球上的长期驻留,建立月球基地,开展对月球南端科学探测,并帮助美国国家航空航天局为未来火星任务做准备。该机构负责人杰德·艾萨克曼周二表示,计划投入200亿美元建造这座月球基地。

一些国会议员、前NASA官员以及公众人士认为,NASA应将人类航天活动的重点放在更深入太阳系的探索上,例如前往火星,而不是重复半个世纪前取得的成就。

然而,曾任美国国家航空航天局(NASA)副局长的退役宇航员帕梅拉·梅洛伊表示,在月球表面建立长期人类存在并开采珍贵资源是有价值的,比如开采可用于制造火箭燃料的月球水冰。

“我一直认为,登上月球并不是一场竞赛,因为我们早在50多年前就赢了这场竞赛,”梅尔罗伊说,“真正重要的是一场关于价值观的竞赛,即人类在太阳系中探索时所秉持的价值观。”

阿耳忒弥斯计划,她继续说,是建立一个全新的月球经济、在月球上开展严谨而长期的科学研究,并寻找可用于火星任务的资源的机会。梅尔罗伊认为,这一努力也是美国确立太空活动规范的机会,以透明的方式运作,这种方式将惠及全人类。

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近年来,随着中国的月球计划不断推进,美国太空竞争的动机也变得更加敌对:美国希望赢得新一轮的太空竞赛。

“在这场大国竞争中,时间正在流逝,成败将用几个月来衡量,而不是几年,”伊萨克曼周二在一场NASA活动中表示,该活动阐述了美国国家空间政策的目标。

国家航空航天局所依赖的用于赢得这场竞赛的太空发射系统,其起源从一开始便根植于政治考量。

当美国国家航空航天局(NASA)准备在2010年和2011年退役其航天飞机舰队时,国会授权研发下一代太空发射系统火箭,以缓解航天飞机项目结束带来的冲击。佛罗里达、阿拉巴马和犹他等州的参议员纷纷争夺机会,以保住长期与NASA合作的企业及航天飞机承包商的就业岗位。

“它本身就是国会创造的,”德雷尔说。

最终,火箭的设计采用了航天飞机的组件(航天飞机主发动机被升级为太空发射系统RS-25核心段发动机),很大程度上由现有的航天飞机工作人员完成。

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“如果你认真想想,这并不是一个15年前的项目,而是一个50年前的项目,”德雷尔说,“这是一支从上世纪70年代就一直存在的人力队伍和承包商在持续运作。”

他补充说,这个起源故事在很大程度上解释了为何多年来尽管“太空发射系统”的价格不断攀升,甚至严重延误进度,它仍在美国国会获得了“坚定不移”的支持。

总计,从项目启动到2022年无人阿波罗一号试飞任务,美国国家航空航天局开发火箭的成本接近240亿美元。与此同时,据行星学会统计,从2006年开始研发到2022年,猎户座飞船的研发成本已超过200亿美元。

NASA监察长办公室于2021年的一项审计显示,整个阿耳忒弥斯计划到2025财年将花费NASA高达930亿美元。该报告估计,每次发射太空发射系统火箭和“猎户座”飞船的运营成本为41亿美元。

两年后,政府问责办公室的一份报告指出,美国国家航空航天局的高级官员认为,航天发射系统在当前成本水平下是不可持续的。

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一些使该项目进度延误且超支的问题,源于火箭最初的设计思路。

以今年早些时候因氢气泄漏迫使NASA推迟阿波罗二号发射为例(这一问题也曾导致2022年阿波罗一号发射延期),Dreier指出,这可以追溯到NASA航天飞机时代。当时航天飞机被设计为可重复使用,因此NASA需要采用像液氢这样的清洁燃烧燃料。然而,氢分子体积小且难以密封,容易发生泄漏。

“火箭必须使用相同的组件并复用硬件,”德雷尔说。“国会将为完全不同的航天器在完全不同的时代做出的设计决策固定下来,因此我们今天才面临这些挑战。”

在为期10天的太空任务中,阿耳忒弥斯二号任务乘组——美国国家航空航天局宇航员雷德·威森曼、克里斯蒂娜·科赫和维克托·格洛弗以及加拿大宇航员杰里米·汉森——将居住在直径16.5英尺、形状类似软糖的“奥利恩”舱内。

在“阿耳忒弥斯一号”任务飞行后,NASA发现航天器底部一处关键的热防护层受损,该防护层在任务结束时航天员再入地球大气层过程中起到保护宇航员免受高温灼伤的作用。

NASA调查发现,隔热层部分材料出现裂纹,“导致多处出现烧焦物质脱落”。该机构认定,隔热层外层材料中积聚的气体未能正常排出,致使压力不断累积。

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未来的热防护罩将进行设计改进以解决这个问题——具体来说,是外层材料的渗透性会增强——NASA官员表示。但阿耳忒弥斯二号任务的热防护罩仍保持不变。

为确保宇航员安全,任务管理人员的策略是改变飞船再入大气层的路径。通常情况下,在开始最终下坠前,猎户座飞船会短暂地进入大气层,然后再次弹出——就像石头在水面上跳动一样,以减少飞船所承受的热应力和G力。然而在这次飞行中,飞船不会这样做,而是以更快的速度、更陡的角度下降,从而将暴露在极端高温下的时间降至最低。

据NASA称,该新方案是在广泛测试后确定的,伊萨克曼一月份表示,他对隔热层“充满信心”。

维斯曼也给出了类似评估:“如果我们坚持NASA规划的新再入路径,那么这个热防护盾将能够安全飞行,”他在7月的一场媒体活动上表示。

阿提米斯计划又一个关键批评点在于发射间隔时间过长。自阿提米斯一号飞行任务以来,已过去了近四年,而在上个月之前,计划在阿提米斯二号之后再等待两年才进行下一次发射。

批评人士认为,长时间的间隔使得该计划不够安全,因为团队无法像商业航天公司如SpaceX那样快速改进和迭代。

“太空发射系统无法频繁发射,这是一个长期已知的巨大结构和安全风险,”德雷尔说,“你只有有限的机会去了解自己的故障模式。”

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为解决这些问题,艾萨克曼最近对阿波罗计划进行了调整。他在担任NASA负责人不到三个月的时间内宣布了这些变化,其中包括增加任务数量以及加快发射节奏。

现在,原本计划于2028年登陆月球的阿耳忒弥斯三号任务,将改为在2027年中期发射至近地轨道,用于技术测试和演示。NASA复杂的登月计划包括一艘由SpaceX或蓝色起源公司建造的着陆器,该着陆器将在月球轨道上与“奥利恩”飞船对接,再将宇航员运送至月面。阿耳忒弥斯三号任务旨在演练这种操作流程。不过商业领域也遭遇了挫折:NASA监察长办公室本月发布的一份报告指出,SpaceX的星舰着陆器已严重延误,“至少推迟两年,且预计还将有更多延误”。

根据新计划,美国国家航空航天局(NASA)计划于2028年通过“阿耳忒弥斯四号”任务将人类送上月球。

作为改革的一部分,伊萨克曼表示,目标是将太空发射系统火箭的发射周期从每三年一次改为大约每10个月一次。

这一切都取决于阿耳忒弥斯二号任务的成功,而这次成功或许能为NASA,甚至美国公众带来巨大的鼓舞。

“每当白宫真正需要一个好消息时,他们就会来找NASA,”梅洛伊说。