麻省理工学院 | 3个问题:期待阿耳忒弥斯一世重返月球

阿耳特弥斯1号是几个任务中的第一个，它将为后续任务铺平道路，最终目标是在月球及其周围建立第一个长期的人-机器人存在，以加强国际和商业合作。到目前为止，共有7名与麻省理工学院有关的宇航员——包括01年的拉贾·查里SM、08年的伍迪·霍伯格、05年的贾斯敏·莫格贝利、2020年的凯特·鲁宾斯和Berríos年的马科斯、15年的克里斯蒂娜·伯奇博士和2021年的克里斯托弗·威廉姆斯博士——被提名为阿特米斯项目的成员。借助从阿尔忒弥斯获得的合作伙伴和知识，NASA将着眼于人类太空探索的未来——火星。

在这里，Olivier de Weck和Thomas“Joey”Murphy讨论了阿耳特弥斯发射系统的新特点，计划(有时是重新计划)这样一个重大任务的发射过程，以及阿耳特弥斯计划对太空探索的整体影响。德·韦克是麻省理工学院航空航天系阿波罗计划宇航与工程系统教授，也是《航天器与火箭》杂志的主编。墨菲是博士生，也是火箭发射爱好者，他与Kerri Cahoy一起在麻省理工学院STAR实验室与《航天器与火箭》杂志的航空航天教授兼副主编Kerri Cahoy合作。

问:阿耳特弥斯1号和我们用来登月的前几代运载火箭有什么主要区别?有哪些新功能和性能让太空界对这次任务感到兴奋?

墨菲:迄今为止，只有两个运载火箭能够将人类送上月球。前两次是土星5号，和N1号，这是苏联的登月尝试。N1尝试发射了四次(没有乘员)，都以灾难告终。阿耳特弥斯1号将乘坐太空发射系统(SLS)飞行，该系统已经开发了大约10年。新探月方案的一个关键区别是，土星5号执行的是完全独立的任务。他们将指挥舱(主太空舱)、服务舱(燃料箱、发动机和其他设备)和登月舱(着陆器)全部放在一枚火箭上。这三个人登上了月球，完成了着陆，最后返回地球。阿耳忒弥斯项目则不同。“阿耳特弥斯号”依靠的是“月球之门”(Lunar Gateway)，它本质上是一个绕月轨道上的小型空间站。在宇航员离开地球之前，“网关”将在那里等待，着陆器模块(一艘经过改装的SpaceX星际飞船)将与空间站对接。这意味着SLS发射所需要的只是舱内的猎户座太空舱。因为他们不需要携带着陆器，所以可以携带大量有用的设备。“猎户座”号最多可搭载4名宇航员，而“阿波罗”号最多只能搭载3名宇航员。阿尔忒弥斯1号的任务主要是对SLS火箭和猎户座太空舱进行测试，以确保它们能够成功地往返月球。计划于2024年发射的阿耳特弥斯2号将增加宇航员，他们将绕月飞行，但不会在月球上着陆，然后返回，随后是阿耳特弥斯3号任务。

德韦克:SLS的正确比较应该是现在已经退役的土星5号火箭，它是在阿波罗计划下开发的，在1967年至1973年期间活跃。这里有一些数字上的比较:高度，363英尺(土星5号)和322英尺(SLS第1块，然后增长到365英尺);到近地轨道的有效载荷，31万磅(土星5号)，20.9万磅(SLS Block 1，然后增长到29万磅);此外，土星5号的第一级使用RP-1(煤油)和液氧(LOX)，而SLS使用低温氢(LH2)和液氧。就最终能力而言，SLS Block 2和土星5号非常具有可比性。不同之处在于，土星5号是一种全新的设计，SLS重用了很多航天飞机硬件，包括固体助推器部分(5个和4个)，主发动机RS-25，以及外部燃料箱的设计。回顾过去，我们估计，国会授权的航天飞机硬件的重复使用，比一份干净的设计增加了43%的系统工程工作量。所以，就我个人而言，我更希望看到一个新的火箭设计，而不是强制重复使用1970年代水平的技术。

问:在考虑是否推迟发射计划时，会考虑哪些因素?

德·韦克:基本上有两个主要的发射延迟的驱动因素:(1)火箭的技术问题，其中氢气泄漏，特别是在第一级和发射塔之间的填充点界面，是最突出的。氢非常易挥发，难以控制。由于氢气泄漏问题，航天飞机项目已经经常推迟。(2)与天气有关的延误。最近的例子是佛罗里达州的“伊恩”飓风，在飓风中，火箭必须被推入垂直(运载工具)组装大楼。所有这些都提醒我们，安全发射大型火箭没有什么“例行公事”。这是一个巨大的集体努力，每枚火箭都有自己的个性和癖好。

墨菲:如果美国国家航空航天局发现有任何理由相信这次任务不会完全按计划进行，他们将取消一次发射尝试。任何发射失败都是极其昂贵的挫折，此外还有解决失败并确保在未来的飞行中不会再次发生的工作。SLS不太可能飞行超过10次，从来没有，所以我们肯定想充分利用它的每一次飞行。对于这枚火箭，甚至比其他任何火箭都要多，真的没有出错的余地。在阿耳忒弥斯一号上，我们看到的问题主要与氢气泄漏有关。火箭的燃料是液氢，这是最有效的化学燃料。它的问题在于氢是一种非常小的分子，这意味着它很难被控制住。如果你把氢放在一个钢容器里，它可以在金属原子之间挤压。即使是最小的微孔也会导致氢气泄漏。这些都是SLS在最近的发射尝试中发现的主要问题，也是火箭未能在9月初发射的原因。美国宇航局一直在对火箭进行调整，以阻止氢气泄漏，现在泄漏似乎已经解决了。他们现在遇到的问题之一是飞行终止系统(FTS)——这是一个绑在火箭上的炸药系统，如果任务在飞行中出错，火箭会自毁，以防止对地面人员的任何危险。因为这个系统是如此关键和敏感，它只被认证了几周。如果SLS继续呆在发射台上，FTS就会“过期”，这意味着他们需要更换SLS。不幸的是，我们最终在一个系统中，发射延迟会导致更多的发射延迟。

问:我们能从这次任务中学到什么?为什么它是人类探索/太空运输的一个令人兴奋的里程碑?

德·韦克:这次任务本质上是人类第一次绕月任务的彩排。在“阿耳忒弥斯一号”中，猎户座太空舱里没有人类宇航员，而是装有仪器的人体模型，以确保生命维持系统按计划运行。这是一个为期约35天的“弹弓”任务，猎户座太空舱将脱离地球引力，以高度椭圆形的轨道绕月球旋转，然后返回地球，在可控的情况下落入太平洋。值得注意的是，这次任务比阿波罗计划要长得多。阿波罗计划的宇航员返回月球需要10-12天。

墨菲:关于这个系统，我们要了解的最重要的事情是SLS是否适合发射宇航员。参加阿耳特弥斯2号任务的宇航员还没有被选中，但当他们被选中时，他们可以放心，他们乘坐的火箭已经经过阿耳特弥斯1号任务的设计验证。此外，“阿耳特米斯1号”还携带了10颗立方体卫星作为次要的随行有效载荷，这些卫星将研究月球周围环境的各个方面。这次任务为我们重返月球奠定了基础，它证明了过去10年SLS火箭的发展都达到了顶峰，并为我们的黄金时间做好了准备。