4月1日SLS太空發(fā)射系統(tǒng)從美國(guó)東海岸發(fā)射升空

SLS上面級(jí)分離

NASA的阿爾忒彌斯2號(hào)任務(wù)自4月1日從佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心發(fā)射升空以來(lái)，搭載4名宇航員的獵戶座飛船的任務(wù)行程（10天）已接近尾聲。本次任務(wù)也是自1972年阿波羅17號(hào)任務(wù)（20世紀(jì)最后一次載人登月）以來(lái)，首次載人離開(kāi)近地軌道（LEO）的任務(wù)，并且還將刷新人類“最遠(yuǎn)”飛行紀(jì)錄，超越由美國(guó)宇航局阿波羅 13 號(hào)任務(wù)（登月失敗，中途修改軌道，繞月緊急返回）的三名宇航員于 1970 年 4 月創(chuàng)造 400171 公里的記錄（獵戶座飛船在月球背面距離月面高度約7400km，遠(yuǎn)高于阿波羅13號(hào)的254km）。

歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)，人類再次向近地軌道以外的空間飛行

一、軌道總覽：號(hào)稱史上最安全的自由返回8字環(huán)月
阿爾忒彌斯2號(hào)首次采用主動(dòng)式8字形自由返回軌道，而非阿波羅時(shí)代被動(dòng)應(yīng)急方案。任務(wù)全程約10天，飛行里程約40萬(wàn)公里，飛船先繞月背面利用引力彈弓加速，再返回地球。軌道大致分為如下階段：

阿爾忒彌斯相對(duì)于阿波羅飛船飛行更遠(yuǎn)，方案更穩(wěn)妥

1. 地月轉(zhuǎn)移窗口段
發(fā)射首日：火箭點(diǎn)火8分鐘后加速至每秒5英里，在90分鐘完成地球軌道環(huán)繞。升空50分鐘后進(jìn)行第一次軌道機(jī)動(dòng)，約1小時(shí)后第二次點(diǎn)火，3小時(shí)23分鐘后獵戶座飛船與推進(jìn)艙分離進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道。
核心意義：避開(kāi)范艾倫輻射帶峰值區(qū)域，確保乘員免受高強(qiáng)度粒子輻射。
2. 地月交匯段
發(fā)射第4日：飛船通過(guò)月球引力捕獲區(qū)，利用月球背面引力彈弓減速，形成穩(wěn)定的繞月軌道。飛船將首次公開(kāi)直播月球背面影像，并驗(yàn)證深空導(dǎo)航與通信系統(tǒng)的可靠性。
3. 自由返回段
飛船沿8字軌跡返回地球軌道，全程無(wú)需額外點(diǎn)火修正。這一軌道設(shè)計(jì)確保一旦出現(xiàn)故障，飛船可自動(dòng)返回地球，應(yīng)急能力比阿波羅任務(wù)提升120%。
4. 再入地球段
飛船以32馬赫高速進(jìn)入大氣層，通過(guò)升力控制“打水漂”減速，最終在太平洋軟著陸。

二、軌道設(shè)計(jì)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)以及與阿波羅十三號(hào)任務(wù)的區(qū)別
1.設(shè)計(jì)理念及優(yōu)勢(shì)
安全性優(yōu)先：相比阿波羅13號(hào)被動(dòng)啟用的應(yīng)急軌道，該方案將自由返回路線與測(cè)控通信系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)安全備份。
效率最優(yōu)解：8字軌道使飛船總?cè)剂舷谋葌鹘y(tǒng)轉(zhuǎn)移軌道降低30%，減少深空駐留時(shí)間至10天內(nèi)，大幅降低生命保障系統(tǒng)負(fù)荷。
2. 設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)的本質(zhì)區(qū)別
阿爾忒彌斯2號(hào)將自由返回軌道作為原生設(shè)計(jì)，本次任務(wù)本身是阿爾忒彌斯計(jì)劃的首次載人驗(yàn)證任務(wù)，選擇只掠月而不環(huán)月的自由返回，核心目的就是拉滿首次載人任務(wù)的安全性——哪怕飛船出現(xiàn)全動(dòng)力失效故障，也能依靠月球引力自然返回地球，無(wú)需外部救援。
而阿波羅13號(hào)原本是執(zhí)行載人登月任務(wù)，已經(jīng)切入了預(yù)定登月轉(zhuǎn)移軌道，是在服務(wù)艙氧氣罐爆炸、動(dòng)力和生命保障系統(tǒng)瀕臨失效的絕境下，臨時(shí)緊急變軌轉(zhuǎn)入自由返回軌道，完全是應(yīng)急求生方案。

獵戶座飛船飛行期間拍攝近月畫(huà)面

獵戶座舷窗回望地球

3. 軌道動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的差異
阿爾忒彌斯2號(hào)的8字形軌道設(shè)計(jì)更平緩安全：近月點(diǎn)高度達(dá)7400千米，遠(yuǎn)離月球表面的強(qiáng)引力擾動(dòng)，全程僅靠月球引力彈弓完成航向轉(zhuǎn)向，不需要額外的大推力修正，燃料消耗遠(yuǎn)低于應(yīng)急改裝軌道，也給10天任務(wù)留足了測(cè)試深空導(dǎo)航、通信、生命保障系統(tǒng)的時(shí)間。
而阿波羅13號(hào)的應(yīng)急軌道是從原有登月軌道硬改出來(lái)的，最終近月點(diǎn)僅254千米，需要宇航員手動(dòng)操作登月艙發(fā)動(dòng)機(jī)完成多次變軌修正，尤其是關(guān)鍵的加速燃燒（PC+2），燃料消耗遠(yuǎn)超計(jì)劃，以此來(lái)壓縮飛行時(shí)間，避免氧氣和電力提前耗盡。

4. 技術(shù)傳承與升級(jí)
兩者核心原理一致，都是利用月球引力改變航向、節(jié)省返回燃料，自由返回軌道的設(shè)計(jì)思路最早在阿波羅時(shí)代得到實(shí)戰(zhàn)驗(yàn)證；阿爾忒彌斯2號(hào)則把半個(gè)世紀(jì)前的應(yīng)急方案，優(yōu)化成了成熟的主動(dòng)安全設(shè)計(jì)，適配了現(xiàn)代載人深空任務(wù)更高的安全標(biāo)準(zhǔn)，是對(duì)經(jīng)典航天技術(shù)的繼承與升級(jí)。所以，雖然NASA近年來(lái)在制造工藝、品控方面愈顯拉胯，但是軌道設(shè)計(jì)和工程管理方面，咱們還是有很大距離需要追趕。

獵戶座飛船內(nèi)部

美麗的藍(lán)色星球

遠(yuǎn)離近地軌道帶來(lái)的既視感是無(wú)盡的孤獨(dú)和恐懼，也需要技術(shù)的支撐

三、核心技術(shù)挑戰(zhàn)
阿爾忒彌斯2號(hào)作為50多年來(lái)首次載人深空任務(wù)，其技術(shù)挑戰(zhàn)集中在極端環(huán)境下的生存保障與硬件可靠性。
1. 熱防護(hù)系統(tǒng)的安全性
隔熱罩剝落隱患：在阿爾忒彌斯1號(hào)無(wú)人飛行中，獵戶座飛船的隔熱罩出現(xiàn)了非預(yù)期的材料剝落。本次任務(wù)沒(méi)有試圖解決隔熱層的問(wèn)題，而是采用更快速激進(jìn)的返回方案，僅試圖減少再入段之中暴露在高溫等離子體中的時(shí)間，由于載人返回時(shí)的再入速度高達(dá)32馬赫，表面溫度可達(dá)2700攝氏度，隔熱罩的結(jié)構(gòu)完整性是宇航員生還的絕對(duì)紅線。由于隔熱罩問(wèn)題，本次任務(wù)在安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)中，被安全專家列為A級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，NASA在后續(xù)發(fā)射中必須通過(guò)復(fù)雜的地面模擬與傳感器監(jiān)控來(lái)對(duì)沖這一不確定性。

獵戶座飛船的復(fù)合防熱層

阿爾忒彌斯1號(hào)任務(wù)獵戶座飛船返回后防熱層出現(xiàn)了多處燒蝕剝離

2. 深空環(huán)境的生存考驗(yàn)
輻射防護(hù)：月球軌道的輻射強(qiáng)度是國(guó)際空間站的2-3倍。任務(wù)需驗(yàn)證獵戶座飛船內(nèi)含聚乙烯的多層防護(hù)結(jié)構(gòu)能否有效屏蔽高能粒子，并保障長(zhǎng)達(dá)10天的生命支持系統(tǒng)不間斷運(yùn)行。
通信延遲與可靠性：由于涉及繞月飛行，任務(wù)需依靠全球50多個(gè)測(cè)控站及中繼衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，確保飛船在掠過(guò)月球背面及深空時(shí)通信不中斷。

SLS火箭示意圖

獵戶座飛船示意圖

3. 運(yùn)載工具的頑疾
SLS火箭多次因發(fā)射前故障推遲發(fā)射，在多次濕彩排和發(fā)射嘗試中，頻繁出現(xiàn)臍帶塔接口液氫泄漏及上面級(jí)氦氣供應(yīng)中斷的問(wèn)題，這已是同一位置三年內(nèi)重復(fù)發(fā)生的故障。這些底層硬件的重復(fù)性故障直接導(dǎo)致了任務(wù)從2月延至4月。而且發(fā)射前準(zhǔn)備階段先后出現(xiàn)火箭上面級(jí)氦氣供應(yīng)中斷、氦氣流循環(huán)異常等問(wèn)題，故障特征與阿爾忒彌斯1號(hào)任務(wù)類似，就是屢教不改啊，不過(guò)好在發(fā)射成功了，以后留給大洋彼岸犯錯(cuò)的機(jī)會(huì)也不多了，畢竟大寶貝RS-25用一次少4發(fā)，氫氧神教寶貝好發(fā)動(dòng)機(jī)存貨不多了，心疼啊。

組裝過(guò)程中的SLS芯一級(jí)

試車臺(tái)前的RS-25，是人類歷史上最昂貴也是性能最好的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

阿爾忒彌斯II任務(wù)發(fā)射過(guò)程——固體推進(jìn)器分離