美国：乘“猎户座”飞船去月球

　　美国：乘“猎户座”飞船去月球

　　2007-11-10 《环球科学》2007年第11期

　　撰文 查尔斯·丁格尔(Charles Dingell)、威廉·A·约翰斯(William A. Johns)、朱莉·克雷默·怀特(Julie Kramer White)

　　翻译 庞博

　　月球，漆黑天空中的一轮明镜，突然从新月状的地球背后快速升起。自从“猎户座”乘员探索飞行器(Orion crew exploration vehicle)进入地球上空大约300千米的绕行轨道以来，飞船里的4名宇航员已经多次目睹了如此壮观的月出奇景。现在，随着计时精准的火箭点火，宇航员们即将加速飞船，向前方遥远的目的地进发。“10秒倒计时，飞船点火切入月球转移轨道……”耳机里响起了指令，“5，4，3，2，1，点火……”炙热的火焰从火箭尾部的喷口中喷射出来，一系列功能舱组成的飞船开始颤抖。飞船乘员们就此踏上了航程，奔向我们太空中最近的邻居，人类已有近半个世纪未曾拜访、仍然遮掩着神秘面纱的地方——月球。这一年是2020年，按照计划，美国人将在这一年重返月球。不过这一次，他们的目标不只是拜访月球，还要为新一代的太空探险家们建立一座前哨站。

　　猎户座飞船

　　“猎户座”飞船是美国国家航空航天局(NASA)的“

星座计划”(Constellation program)的一个关键组成部分。这项雄心勃勃的计划将花费数十亿美元建立一套太空输送体系，不仅可以让人类往返于地球和月球之间，还能为“国际空间站”(ISS)提供补给，最终帮助人类登陆火星。自2006年该计划确立以来，NASA和“猎户座”飞船总承包商洛克希德马丁公司的研究人员及工程师们，一直在致力于开发运载

火箭、乘员舱及服务舱、火箭上面级(upper stage)和着陆系统。NASA现有的载人航天器——

航天飞机将在2010年退役，这些正在研发的设备和技术，是继续推动功能强大且费用低廉的载人航天探索所必需的。

　　为了最大限度地降低研发风险与成本，NASA的“星座计划”将更多地应用成熟可靠的技术。这些技术都是在“阿波罗”计划的执行过程中开发和验证过的，曾在上世纪60年代末到70年代初安全地将人类送上了月球。NASA的工程师们还用最新的技术，重新设计了许多系统和部件。

　　“猎户座”飞船的许多功能与“阿波罗”飞船相同，乘员舱的外形也相似。但“猎户座”飞船将容纳更多的宇航员：它的加压密封舱容积可达20立方米，4名宇航员将搭乘飞船前往月球(从2015年起，这种飞船就可以一次运送6名宇航员前往空间站)；相比之下，“阿波罗”飞船的3名宇航员(外加各类装备)只能挤在一个大约10立方米的狭小空间之中。

　　最新的结构设计、电子技术、计算机技术及通讯技术，将帮助工程设计人员扩展新型飞船的操作适应性，远远超出“阿波罗”飞船的水平。“猎户座”飞船可以自动与其他航天器对接，能够在无人操作的情况下绕月飞行6个月。工程师们也在努力增强“猎户座”飞船的安全性。如果发射时遇到紧急情况，强大的逃逸火箭(escape rocket)会迅速将乘员带离危险境地，这项安全保障措施是航天飞机的宇航员享受不到的。不过，为了能对整个计划有一个切身体会，还是让我们先“回到”地面，“回到”宇航员离开地球之前。我们将从这里开始，全程跟踪一次虚拟的登月任务。

　　交会，飞向月球

　　接下来，服务舱发动机点火，将“猎户座”飞船顺利送入轨道，开始实施必要的轨道机动，以便与先前发射升空的“地球离开级”和月球着陆器交会。“猎户座”飞船主发动机是根据经过实际飞行检验的航天飞机轨道机动发动机演变而来的，在推进力和推进效率方面都有所改进。服务舱包括发电和蓄电系统、能将多余热量散入太空的散热系统，以及任务执行过程中所需的科学设备和所有液体。为了给乘员舱腾出最大的空间，服务舱也装有一些航空电子系统，以及一部分环境控制和生命保障子系统。服务舱的舱体由采用蜂窝状结构的轻型铝增强型聚合物制成。这种简便的制造方法有利于降低此类一次性消耗部件的成本。

　　月球着陆器

　　“猎户座”飞船与“阿波罗”飞船最显著的区别之一，就是给服务舱添加了伞形太阳能电池帆板，可以在轨道飞行过程中展开。“阿波罗”飞船是为短短几天的月球任务设计的，飞船上只携带了能满足短期任务需求的氢燃料电池，而“猎户座”飞船必须能为至少6个月的探测任务提供足够的电力。

　　“猎户座”飞船逐渐追上早已等候在近地轨道上的“地球离开级”和月球着陆器。当这两个航天器终于交会时，宇航员实施(或监控)最后几组轨道机动，密切监测自动“软捕获”(soft capture)系统，让两个航天器对准并缓慢对接。当力反馈和机电组件“感受”到负载，就自动捕获航天器的接合环，主动减弱所有的触点压力。这时对接已经完成，飞船和乘员做好了飞往月球的准备。

　　乘员舱是“猎户座”飞船上唯一可以经历整个旅程的组件，也许能够重复利用10次之多。舱体结构主要由轻型钛增强型铝锂合金材料构成。乘员舱的外部覆盖有热防护系统，不仅能保护居住舱免受再入地球大气层时高温灼烧的影响，还与坚硬的防撞击保护层携手，保护乘员舱的外壁免受微流星体和其他碎片的高速撞击。

　　乘员舱的反馈控制机动系统采用的推进剂是气态氧和甲烷，这项技术的基础是在NASA开发X-33单级入轨飞行器的过程中奠定的，不过X-33的研制计划已在2001年取消。氧气—甲烷推进系统的一大优点是，燃料本身无毒(以前使用的自燃推进剂都是有毒的)，这有助于确保飞行安全，还能保障飞船返回地球后地面人员的安全。

　　一切就绪之后，“地球离开级”的火箭发动机点火，推动飞船奔向月球。工程师们可以配置“猎户座”飞船，让它既能支持“月球出击任务”(lunar sortie mission)，也可支撑“月球前哨任务”(lunar outpost mission)。前者是指宇航员在月球表面停留4~7天，用以验证“猎户座”飞船系统有能力实现货运及载人登月；后者则要求在月球建立前哨基地，让人类常驻月球。由于受到氧气、水和其他消费品供给条件的限制，一组乘员最长能在月球表面停留210天，因此“猎户座”飞船的持续运行能力必须超过这一期限。完成不同的月球任务所需的推进剂总量，是设计“猎户座”飞船配置时需要考虑的最大问题。

　　经过长达4天的奔月之旅，飞船进入绕月轨道，这时“地球离开级”已被丢弃在旅途之中。4名宇航员从乘员舱爬入月球着陆器，然后月球着陆器与乘员舱和服务舱分离，其中月球着陆器下降到月面，而乘员舱和服务舱留在轨道上等待他们返回。与“阿波罗”飞船的登月舱一样，“猎户座”的月球着陆器也由两个组件构成。一部分被称为下降级(descent stage)，包含4个用于支撑月球着陆器的支架，以及大部分乘员消耗品和科学设备。另一部分被称为上升级(ascent stage)，是宇航员在月球上的临时住所。成功着陆，并完成探测任务之后，4位宇航员乘坐上升级从月球表面起飞，与等候在绕月轨道上的乘员舱和服务舱对接。然后上升级被丢弃在外层空间，而“猎户座”飞船则启动发动机，开始返回地球。