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        美國NASA 阿爾忒彌斯載人探月任務(wù)規(guī)劃與進(jìn)展

        2022-02-07 06:00:10張綠云楊開北京航天長征科技信息研究所
        國際太空 2022年12期
        關(guān)鍵詞:阿爾忒彌獵戶座著陸器

        ■張綠云 楊開(北京航天長征科技信息研究所)

        2022 年10 月31 日,美國國家航空航天中心(NASA)咨詢委員會(NAC)召開會議,發(fā)布了“阿爾忒彌斯(Artemis)1-4 任務(wù)規(guī)劃與進(jìn)展”報(bào)告,明確了2031 年前的阿爾忒彌斯載人重返月球任務(wù)規(guī)劃,并介紹了該計(jì)劃下前4 次載人發(fā)射任務(wù)的方案與進(jìn)展情況。11 月8 日,NASA 官網(wǎng)發(fā)布了相關(guān)的報(bào)告和詳細(xì)信息。

        1 阿爾忒彌斯載人探月任務(wù)規(guī)劃

        美國的阿爾忒彌斯載人探月框架主要由太空發(fā)射系統(tǒng)(SLS)重型運(yùn)載火箭、獵戶座載人飛船、探索地面系統(tǒng)(EGS)、深空中轉(zhuǎn)站以及月球著陸器組成,未來分別由SLS 火箭和商業(yè)火箭將獵戶座載人飛船以及月球著陸器送入深空中轉(zhuǎn)站,部分航天員可在中轉(zhuǎn)站上繼續(xù)開展科學(xué)研究,另一部分航天員搭乘著陸器進(jìn)入月球表面,在完成月面任務(wù)后航天員由著陸器返回深空中轉(zhuǎn)站,之后搭乘獵戶座飛船返回地球。

        在“阿爾忒彌斯(Artemis)1-4 任務(wù)規(guī)劃與進(jìn)展”報(bào)告中,NASA 明確了2031 年之前的阿爾忒彌斯探月任務(wù)規(guī)劃。在載人能力方面,NASA 計(jì)劃在2022 年、2024 年和2027 年相繼完成SLS1/獵戶座無人飛船系統(tǒng)、SLS1/ 獵戶座載人飛船系統(tǒng)以及SLS1B/ 獵戶座載人飛船系統(tǒng)飛行試驗(yàn),驗(yàn)證SLS1 和SLS1B 火箭以及獵戶座載人飛船的性能。在載人登月能力方面,NASA 計(jì)劃在2024 年末完成首個(gè)星艦著陸器的無人驗(yàn)證,并在2025 年完成阿爾忒彌斯3 首次載人登月任務(wù)。在深空中轉(zhuǎn)能力方面,NASA 計(jì)劃在2024 年依靠美國太空探索技術(shù)公司(SpaceX)的“獵鷹重型”火箭完成月球門戶(Gateway)的電力與推進(jìn)艙段(PPE)和居住與后勤前哨站(HALO)的發(fā)射,建成簡版深空中轉(zhuǎn)站,從2027 年開始依靠SLS1B 火箭陸續(xù)完成其他主要艙段的發(fā)射,在2030 年建成完整的深空中轉(zhuǎn)站,為可持續(xù)月球探索活動(dòng)以及載人火星探索任務(wù)奠定基礎(chǔ)。另外,NASA 還推進(jìn)商業(yè)月球有效載荷服務(wù)項(xiàng)目(CLPS),依靠商業(yè)火箭開展月球原位資源利用、核熱推進(jìn)技術(shù)等方面的研究。

        阿爾忒彌斯探月任務(wù)規(guī)劃

        2 阿爾忒彌斯1-4 任務(wù)方案與進(jìn)展

        阿爾忒彌斯1 任務(wù)

        阿爾忒彌斯1 是SLS1 重型火箭和獵戶座載人飛船(搭載兩名女性航天員模型)的首次無人繞月飛行試驗(yàn),11 月16 日從肯尼迪航天中心發(fā)射。經(jīng)地月轉(zhuǎn)移飛行和軌道修正后,獵戶座飛船到達(dá)遠(yuǎn)距逆行軌道(DRO),之后變軌進(jìn)入地球軌道,返回地球后在太平洋濺落。本次任務(wù)中,還搭載了10 顆立方星,在獵戶座飛船分離后由過渡型低溫上面級(ICPS)完成部署。

        阿爾忒彌斯1 無人繞月飛行試驗(yàn)

        本次任務(wù)原計(jì)劃在2022 年8 月29 日執(zhí)行,但因SLS 火箭芯級一臺發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器故障無法實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷而終止,之后在9 月3 日又因芯級液氫加注與泄出管路泄漏率超限而再次終止。在發(fā)射工位完成芯級液氫加注與泄出管路以及排放管路密封件更換,更改加注流程,并完成低溫試驗(yàn)后,該首飛系統(tǒng)因?yàn)榕_風(fēng)被迫推回垂直總裝大樓。11 月4 日,該系統(tǒng)再次被推至39B 發(fā)射工位,因颶風(fēng)推遲發(fā)射。

        11 月16 日,SLS1 重型火箭從39B 發(fā)射工位點(diǎn)火發(fā)射,飛行8min 后,過渡型低溫上面級開始工作,攜帶獵戶座飛船飛行44min 后完成近地點(diǎn)軌道抬升,隨后繼續(xù)飛行37min 后開始地月轉(zhuǎn)移軌道射入點(diǎn)火,持續(xù)18min。進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道后,獵戶座飛船與上面級共同飛行約10min,之后分離,前往月球。12 月11 日,在完成近26 天的飛行后,獵戶座飛船返回地球,在太平洋成功濺落!在飛船分離后,過渡型低溫上面級與飛船適配器的組合體繼續(xù)飛行,在8h 內(nèi)將10 顆立方星部署至日心軌道、地月拉格朗日L2 點(diǎn)、環(huán)月軌道、環(huán)繞月球南極高橢圓地近月點(diǎn)軌道以及遠(yuǎn)地點(diǎn)飛越月球附近的大橢圓軌道。

        阿爾忒彌斯2 任務(wù)

        阿爾忒彌斯2 為SLS1 火箭和獵戶座載人飛船的首次載人繞月飛行試驗(yàn),計(jì)劃搭載4 名航天員,最長任務(wù)周期為21 天。本次任務(wù)中,在過渡型低溫上面級/獵戶座飛船到達(dá)地球高軌道后,除了進(jìn)行航天器檢查外,還將利用過渡型低溫上面級完成獵戶座飛船的空間交會對接演示驗(yàn)證,為之后載人登月任務(wù)中獵戶座飛船與星艦著陸器在月球軌道的交會對接奠定基礎(chǔ)。演示驗(yàn)證結(jié)束后,上面級分離,獵戶座飛船繼續(xù)飛行,在其再次達(dá)到近地點(diǎn)后,飛船主發(fā)動(dòng)機(jī)完成地月轉(zhuǎn)移軌道射入點(diǎn)火,隨后進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道飛行階段。在完成繞月飛行后,獵戶座飛船返回地球。

        阿爾忒彌斯2 載人繞月飛行試驗(yàn)

        本次任務(wù)計(jì)劃2024 年5 月進(jìn)行,主要進(jìn)展如下:①獵戶座飛船方面,乘員艙70% 左右的硬件已經(jīng)安裝完成,服務(wù)艙也已經(jīng)進(jìn)行了一次通電試驗(yàn),目前正處于功能性試驗(yàn)中。②SLS 火箭方面,芯級制造工作正在米丘德組裝廠有序推進(jìn),有望在2023 年3月完成總裝與試驗(yàn);芯級4 臺RS-25 主發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)交付至米丘德組裝廠,計(jì)劃2023 年12 月與芯級總裝;固體助推器所有發(fā)動(dòng)機(jī)部段都已經(jīng)制造完成,目前存儲在猶他州;過渡型低溫上面級已經(jīng)完成制造,目前位于卡納維拉爾角聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司(ULA)的制造設(shè)施中。③地面系統(tǒng)方面,位于肯尼迪航天中心39B 發(fā)射工位的140 萬加侖的新液氫儲罐已經(jīng)基本建成。

        阿爾忒彌斯3 任務(wù)

        阿爾忒彌斯3 是阿爾忒彌斯計(jì)劃下的首次載人登月任務(wù),也將是SpaceX 公司星艦(Starship)月球著陸器的首次載人登月飛行,計(jì)劃搭載4 名航天員。按計(jì)劃,獵戶座飛船與星艦著陸器將在近直線暈軌道(NHRO)交會對接,2 名航天員進(jìn)入著陸器,啟程前往月球南極區(qū)域并著陸,完成為期一周的月面探索任務(wù)以及艙外活動(dòng)。之后,著陸器搭載航天員返回NHRO 軌道,與獵戶座飛船對接。飛船隨后返回地球,而星艦月球著陸器進(jìn)入日心軌道。

        阿爾忒彌斯3 載人登月任務(wù)

        本次任務(wù)采用SLS1 重型火箭和獵戶座載人飛船,在2025 年發(fā)射。進(jìn)展方面,SLS1 火箭過渡型低溫上面級發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)交付至聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司,固體助推器發(fā)動(dòng)機(jī)部段已經(jīng)全部制造完成,芯級RS-25 主發(fā)動(dòng)機(jī)準(zhǔn)備交付至米丘德組裝廠;完成了獵戶座載人飛船乘員艙適配器內(nèi)壁以及壓力容器的交付;在著陸器方面,完成了著陸軟件和傳感器性能驗(yàn)證、軟件架構(gòu)評估、海平面猛禽(Raptor)發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)驗(yàn)證試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了一周7 臺猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)效率,推進(jìn)在軌低溫推進(jìn)劑輸送與長期存儲飛行試驗(yàn),準(zhǔn)備開展首次軌道飛行試驗(yàn)。

        阿爾忒彌斯4 任務(wù)

        阿爾忒彌斯4 載人登月任務(wù)

        阿爾忒彌斯4 為阿爾忒彌斯計(jì)劃下的第二次載人登月任務(wù),計(jì)劃搭載4 名航天員。本次任務(wù)的主要目標(biāo)是驗(yàn)證SLS1B 重型火箭的性能,并完成歐日聯(lián)合研制的國際居住艙(I-Hab)的在軌交付,將其與簡版深空中轉(zhuǎn)站對接。獵戶座飛船到達(dá)中轉(zhuǎn)站后,2 名航天員將登上提前??吭谥修D(zhuǎn)站上的星艦著陸器,下降到月面,完成為期一周的月球探索任務(wù)。任務(wù)結(jié)束后,航天員由著陸器送回門戶,之后搭乘獵戶座飛船返回地球。

        本次任務(wù)計(jì)劃采用SLS1B 重型火箭發(fā)射獵戶座載人飛船。SLS1B 是SLS1 的演進(jìn)型,采用相同的芯級和固體助推級,但改用直徑8.4m、由4 臺RL-10 發(fā)動(dòng)機(jī)提供推力的性能更強(qiáng)的探索上面級(EUS),月球軌道運(yùn)載能力可由SLS1 的27t 增加至38t,在載人任務(wù)中可同時(shí)搭載10t 次要有效載荷。EUS 上面級的精確制導(dǎo)、低溫管理、實(shí)時(shí)通信與控制能力將可確保飛船在深空的精準(zhǔn)定位、停留與對接機(jī)動(dòng)。目前,波音公司已經(jīng)完成了上面級的關(guān)鍵設(shè)計(jì)評審,并開始為生產(chǎn)制造做準(zhǔn)備,計(jì)劃在2022年完成SLS1B 火箭的關(guān)鍵設(shè)計(jì)評審。此外,米丘德組裝廠也已經(jīng)做好設(shè)施與人員方面的準(zhǔn)備,支持該火箭的全面生產(chǎn)。

        SLS1B 火箭將由全新的2 號活動(dòng)發(fā)射平臺組裝、轉(zhuǎn)運(yùn)與發(fā)射。目前,該平臺的設(shè)計(jì)工作已經(jīng)基本完成,達(dá)到90%,但鋼結(jié)構(gòu)總體質(zhì)量的降低與材料供應(yīng)問題導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案延期。不過,主承包商已經(jīng)進(jìn)行了重大改進(jìn)以適應(yīng)質(zhì)量需求,且改變管理方法以提升效率。

        3 小結(jié)

        美國拜登政府著力推進(jìn)由其領(lǐng)導(dǎo)的國際伙伴和私營公司共同參與的阿爾忒彌斯計(jì)劃,通過以SLS重型運(yùn)載火箭、獵戶座載人飛船、探索地面系統(tǒng)、深空中轉(zhuǎn)站和載人著陸系統(tǒng)為主要組成部分的探索框架,在2025 年實(shí)現(xiàn)載人重返月球目標(biāo),并在2030年左右具備可持續(xù)載人月球探索能力,為未來的載人火星探索奠定基礎(chǔ)。在進(jìn)展方面,NASA 已經(jīng)成功完成了SLS 重型火箭和獵戶座載人飛船的飛行試驗(yàn),同時(shí)也在積極推進(jìn)后續(xù)任務(wù)所需火箭與飛船的硬件制造與試驗(yàn)、地面設(shè)施的升級改進(jìn)、著陸技術(shù)開發(fā)與產(chǎn)品制造等工作,并吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)改進(jìn)項(xiàng)目管理方法,保障探月計(jì)劃的順利進(jìn)行。

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