理性看待美国重返月球计划科技导报

　　2017年10月，美国国家宇航局（NASA）正式公布了重返月球的阿尔忒弥斯（Artemis）计划。这个计划以希腊神话中太阳神阿波罗的孪生姐姐月亮女神阿尔忒弥斯的名字命名，目标是航天员将重返月球并在月球建立永久基地，为载人登陆火星进行准备。但开发月球资源是一项长远的设想，目前的美国重返月球计划，只可能进行初步的探索和试验。
　　北京时间11月16日14时47分，被美国宇航局（NASA）称为有史以来最强大的火箭的太空发射系统（SpaceLaunchSystem，SLS）Block1重型火箭，在推迟发射多次之后，终于发射升空。这款累计耗资达200多亿美元，单枚成本达20亿美元的火箭承载着美国重返月球的梦想。
　　SLS火箭的发射成功，正在引发全球的登月热。但在航天业界仍有许多人对美国重返月球并引发的登月热，却仍然谨慎，呼吁对此要理性分析。
　　命运多舛的美国重返月球计划
　　从1969年到1972年，阿波罗计划共成功实施了6次载人登月，先后把12名航天员送到月球表面。自从1972年阿波罗17号登月之后，除了无人探测器，人类再也没踏上月球表面。2004年，布什总统提出了重返月球的星座（Constellation）计划。奥巴马总统在2010年取消了这个计划，突出强调前往火星的重要性。奥巴马总统反对的主要理由是，重复美国多年前早已实现的任务，难于保持美国在太空的优势地位。
　　特朗普总统当选后，把重返月球置于更加重要的位置。2017年10月，美国国家宇航局（NASA）正式公布了重返月球的阿尔忒弥斯（Artemis）计划。这个计划以希腊神话中太阳神阿波罗的孪生姐姐月亮女神阿尔忒弥斯的名字命名，目标是航天员将重返月球并在月球建立永久基地，为载人登陆火星进行准备。
　　阿尔忒弥斯计划由太空发射系统火箭、猎户座（Orion）载人飞船、月球探索的地面系统、门户月球轨道空间站、商业化的载人登月系统（主要是SpaceX的星舰）和月球基地组成。这次阿尔忒弥斯计划的首发，将测试SLS重型火箭系统，同时验证猎户座飞船的性能和安全性。
　　此次发射的SLSBlock1型火箭高达98。3米，起飞重量达到2603吨。该型火箭采用二级半构型设计，一子级配置4台单台推力约189吨的RS25氢氧发动机，二子级则配置1台RL10B2氢氧发动机，真空推力约11。2吨。此外，该型火箭还有两枚3。7米直径的5分段固体火箭助推器，单枚助推器的起飞推力约1498吨。
　　SLSBlock1型火箭的起飞推力约为3752吨，虽然超过了美国用于阿波罗探月计划的土星五号火箭起飞推力3408吨，但其近地轨道的运力只有95吨，地月转移轨道的运力只有27吨，这两项指标都逊于土星五号火箭近地轨道118吨，地月转移轨道45吨的性能数据。
　　NASA的任务书显示，SLSBlock1型将把不载人的猎户座飞船送到约3700公里的轨道高度，然后猎户座飞船将与火箭上面级箭体分离，点燃推进器继续前往月球，环绕月球619天后返回地球。在这次任务中，它与地球的最远距离将达到45万公里。
　　阿尔忒弥斯2任务将于2024年发射，在这次飞行中航天员会搭乘猎户座飞船环绕月球。阿尔忒弥斯3计划将于2025年发射，飞船将搭载4名航天员，其中两人搭乘SpaceX公司研制的载人着陆系统降落在月球表面（航天员中将有一名女性），实现人类重返月球的目标。登月航天员将在月球表面停留6。5天。这次任务已经选定了位于月球南极附近的13个候选着陆区域。
　　阿尔忒弥斯计划并非完成载人登月就告结束，而是进一步要让人类能永久性地在月球和月球轨道定居。计划中起关键作用的门户月球轨道空间站，将不仅作为人类登月的转运站，而且将为今后的登陆火星服务。
　　在原先的方案中，飞船运送航天员先抵达门户空间站，然后换乘载人着陆系统降落在月面；从月球表面返回时，同样先在门户空间站中转，再换乘猎户座返回地球。但由于门户空间站的研制进度，远远落后于预期，NASA不得不决定它将不再存在于2025年登月任务的关键路径上。
　　星舰在美国重返月球计划中的作用
　　在新世纪到来后，美国在总结了在登月和发展航天飞机中的经验教训后，决定大力鼓励民企参加美国载人航天事业。目前以SpaceX公司为代表的新航天公司，表现十分靓丽，在美国重返月球中，肯定将发挥十分重要作用。
　　不难发现，此次的重返月球计划，NASA沿袭了许多美国此前成熟的航天技术，整体方案趋于保守。无论是SLS火箭还是猎户座载人飞船，都直接沿袭了许多美国此前已成熟的航天技术。例如SLS火箭的助推器固体火箭发动机和和芯级主发动机，都来自于美国的航天飞机，而猎户座载人飞船，基本上可以视为是阿波罗载人飞船的放大版，两个关键工程都采用比较成熟的技术。
　　尽管方案较为保守，但研制SLS火箭的美国国家队波音公司的研制，却进展十分缓慢，从论证到首飞花费了10多年，而费用却又不断增加，并三番五次推迟发射，凸显了管理上存在许多问题。实际上，SLS火箭的任务只是将猎户座飞船和航天员送到绕月轨道，而星舰系统，则负责载人登月和返回月球轨道，起到登陆器和上升器的作用。所以美国重返月球的任务，是由SLS火箭和星舰系统合力完成的。
　　SpaceX公司在猎鹰9号重型火箭基础上，继续研发出了新的超重型火箭，在对超重型火箭进行改造后，它可用于新一代载人登月系统。
　　星舰系统由超重型火箭和星舰飞船组成。系统全高120米、直径9米，其中超重型火箭高70米、使用28台猛禽发动机、推力3400吨。星舰飞船高50米，使用6台猛禽发动机、推力1200吨。星舰系统的近地轨道运载能力大于100吨，地月轨道运载能力大于25吨。星舰系统的运载能力和土星五号相差不大，因此，星舰系统也具备实施载人登月的能力，而最大的优势在于发射成本极低。
　　据马斯克透露，在星舰系统技术成熟之后，一次发射成本仅为200万美元。由此可见，星舰系统不仅可以作为SLS火箭的备份，而且若星舰系统，能在2025年前完成研制，SLS火箭甚至可能会失去登月第一梯队的资格。
　　美国重返月球意欲何为？
　　上个世纪六、七十年代的美国执行的载人登月阿波罗计划，完全是希望在美苏太空争霸中能获得领先地位。随着美苏太空争霸落幕，美国对探月的狂热逐渐冷却。现在美国再次提出登月计划，宣称其最终目标是在月球建立基地，进一步为将来登陆火星做准备。我们对整个计划进行分析后看到，美国重返月球实际上仍然是要争夺太空的霸权，证明美国在太空中的领先地位。另外，美国期望这个计划能像50年前阿波罗计划一样，能点燃美国举国上下对探索太空的热情，乃至激发美国民众的爱国情怀。
　　此外，航天事业是一种战略性的先导产业，在美国经济不振的大环境下，期望通过探月工程可以带动其他产业高速发展，从而带来新的科技革命。
　　美国国家科学技术委员会地月技术战略跨机构工作组，在11月发布了首个《国家地月科学技术战略》报告，以指导美国政府在推进地月空间的科学、探索和经济发展的行动。
　　报告指出：人类在月球上的活动，仍然激励着世界各地的人们，为推进科学、技术和探索，提供了巨大希望。地月空间提供了回答行星科学中许多最优先问题的机会，提供了回答探索太阳系和太阳历史的机会，可以催化新一代射电天文学的无线电安静环境和和提供太空经济增长的潜力，并成为测试人类太空探索技术和操作的宝贵区域，以使人类实现载人探索火星和到达更远的地方。从这个文件可见，美国科技界对重返月球最关心的是建设月球天文台。
　　探索和开发月球的经济价值，首先是开采月球的矿物（例如钛和稀土金属）、原位资利用和建设月球太阳能电站，但至今NASA还没有提出具体方案和费效比估算。至于氦3，美国阿波罗计划和苏联月球探测器取回的月球样本，都证明氦3在月球表面的含量远高于地壳含量。
　　因此，曾有许多人提出了从月球上提取氦3的设想。但美NASA对此却十分谨慎。由于氦3聚变条件相当苛刻，属于第三代核聚变技术，现在人类连第一代的氘氚核聚变都没有完全掌握，距离大规模开采月球的氦3，为时尚早。许多专家对于从月球提取氦3的经济可行性，也提出许多质疑。由于氦3在月壤中没有形成类似地球矿脉那样的富集区域，因此想要分离足够多的氦3，就必须处理海量的月壤，从而需要许多运输车辆和庞大的处理设施，而目前往返地月的太空运载器的成本还很高，估计前期投入可能大大超出预期。
　　由此可见，开发月球资源是一项长远的设想，目前的美国重返月球计划，只可能进行初步的探索和试验。
　　结束语：理性看待美国重返月球计划
　　国际航天领域正在涌现新一轮探月热潮，除美国之外，中国、俄罗斯、印度乃至韩国，都提出了载人登月计划，中国和俄罗斯还计划联合在月球建立科研站。但是SLSBlock1火箭的发射成功，也不一定意味着美国重返月球计划，将是一片坦途。
　　虽然美国在50多年前已经成功登月，但由于费用昂贵和目标只局限于大国竞争，从而使美国的载人探月计划只能中断。目前美国的重返月球，似乎仍然停留在竞争层面，而建设月球基地又面临着技术和资金上的双重阻碍，因此，由国家完全负担月球基地的建设，其前景将会有很大的不确定性。
　　我们积极支持人类探索月球的计划，但载人登月的历史告诉我们，制订载人登月的发展计划时，既要考虑提高国家的威望，又要求这个计划是一项健全的科学试验、技术发展和综合利用的能够持续发展的计划。在执行计划的过程中，为了鼓励创新和节约费用，必然会采用新型举国体制，以充分发挥国家力量和商业航天企业的作用。
　　黄志澄，航天学者。前863计划航天领域专家委员会委员、921工程论证组办公室主任。长期从事航天犮展战略和高超声速技术研究。