美国“阿尔忒弥斯”计划运载能力分析
2017年，美国特朗普政府宣布通过公私合作与国际合作，实现载人重返月球并进行可持续探索，为载人火星探索奠定基础。这一计划在 2019 年被定名为“阿尔忒弥斯”（Artemis）计划，在拜登政府时期得到延续，计划在 2027 年之前重点依靠“航天发射系统”（SLS）、“超重 - 星舰”系统（Super Heavy Starship）、“猎鹰重型”（Falcon Heavy）以及“新格伦”（New Glenn）等重型运载火箭实现载人重返月球目标，并在 2036 年左右具备多人长期（1 年）月面生活与科研能力。随着特朗普在 2024 年再次当选美国总统，“阿尔忒弥斯”计划备受关注。从 2017 年开始，美国国家航空航天局（NASA）相继启动月球“门户”（Gateway）、“商业月球有效载荷服务”（CLPS）、“阿尔忒弥斯大本营”（Artemis Base Camp）以及“月球门户后勤元素”（GLE）等计划，开展地月空间科学研究，建设月球“门户”与月球基地，通过月球轨道中转的方式，实现载人月球可持续探索。在“阿尔忒弥斯”计划下，运输需求主要包括以下几个方面。载人登月需求载人登月不仅可以展示美国的航天技术实力，还能够从政治、外交等多个层面巩固和扩大美国在空间探索领域的领导地位。“阿尔忒弥斯”计划下的载人登月任务被称为“阿尔忒弥斯”任务，当前已经规划了 11 次，包括已经成功执行的阿尔忒弥斯 - 1 无人绕月任务、计划 2026 年和 2027 年执行的阿尔忒弥斯 - 2载人绕月和阿尔忒弥斯 - 3 载人登月任务，以及从 2028 年起几乎一年一次的阿尔忒弥斯 - 4 ～ 11 载人登月任务。在“阿尔忒弥斯”载人登月任务中，单次发射将至少 4 名航天员由地面运输至月球“门户”，之后至少 2 名航天员将由月球“门户”运输至月球表面。月球科研载荷发射需求为了给载人登月和月球持续探索铺路， NASA一方面与国际伙伴开发立方星，计划将其部署至日心轨道、地月拉格朗日 L2 点、环月轨道、环绕月球南极高椭圆近月点轨道以及远地点飞越月球附近的大椭圆轨道，在深空科学研究（如：水冰资源分布、空间辐射等）、探测技术验证（如：地月自主定位、低温流体管理等技术）等领域发挥重要作用。另一方面， NASA 启动商业月球有效载荷服务计划，激励私营公司开发小型月球着陆器或月球车，目的是将质量在 500kg 以下的有效载荷由地面送入月面（主要着陆点为月球南极附近），以勘察月球资源、验证原位资源利用（ISRU）方案以及开展月面科学研究。月球“门户”建设与补给发射需求月 球“ 门户 ”是 一个位于近直线晕轨道（NRHO）的绕月飞行小型空间站，作为一个航天员往返于月面的前哨站和科研站，是“阿尔忒弥斯”计划开展的关键设施，其配置和功能可扩展，未来可作为火星探索的技术验证平台，其组成与开发机构 / 公司如图 1 所示。当前的月球“门户”主要由美国主导研制的动力与推进舱段（PPE）和居住与后勤前哨战（HALO），以及美国 NASA与加拿大、欧洲、日本等国家 / 地区的航天局合作开发的国际居住舱段（I - HAB）、燃料补给、基础设施与通信舱段（ESPRIT）、科学气闸舱等组成。上述舱段最大质量能达到 10t，需要靠重型火箭才能进入轨道。此外，NASA 在 2019 年发布了一份“门户”后勤服务计划，要求运载器在单次任务中可将至少 3.4t 的加压货物和 1t 的非加压货物运至“门户”。当前，NASA 已经签约了美国太空探索技术公司（SpaceX）一家供应商。月面基地建设与补给发射需求2024 年 7 月，NASA 发布“月球表面货物”白皮书，提出分“基础探索”（FE）和“持续月球演进”（SLE）两个阶段建设月球基地。在基础探索阶段，主要完成诸如月面居住舱、增压漫游车、月面地形车、裂变能源站、原位资源利用装置等基础设施由地面至月球“门户”（如：SLS 重型火箭），以及月球“门户”至月面（如：“超重 - 星舰”货运着陆器）的发射，为2 ～ 4 名航天员月面驻留1 ～ 4周奠定基础。该阶段的单次货运需求在质量上最大可达到 15t。在持续月球演进阶段，为实现航天员的不间断月面驻留，主要开展月面补给运输，年度货运总需求为 2.5 ～ 10t。相比于向近地轨道发射航天器，探月载荷发射存在飞行距离远、飞行轨道复杂、发射窗口受限、成本高等特点，对运载器的性能和可靠性提出了更高的要求。在“阿尔忒弥斯”计划下，美国通过现役的猎鹰 - 9（Falcon - 9）、“猎鹰重型”“火神 / 半人马”（Vulcan Centaur）、电子号（Electron）等运载火箭，支持科研与技术验证载荷向地月转移轨道的发射。而对于载人登月以及持续载人探索，美国当前采取 4 种重型运载火箭搭配的方式，即：① SLS 重型火箭，用于“猎户座”（Orion）载人飞船、月球“门户”舱段、月面基地设施以及搭载立方星的发射；②“超重 - 星舰”系统，用于执行靠该系统着陆器的航天员登月以及月面基地设施登月与补给任务；③“新格伦”重型火箭，用于执行靠“ 蓝月亮”（Blue Moon）着陆器的航天员登月以及月面基地设施登月与补给任务；④“猎鹰重型”火箭，主要用于支持月球“门户”舱段发射及其后续的后勤补给运输。SLS 重型运载火箭SLS 系列是美国 NASA 面向载人深空探索开发的重型运载火箭，包括 SLS - 1、SLS - 1B 和 SLS - 2 三种构型（图 2）。SLS - 1 型采用两级串联加捆绑 2 枚五段式固体助推器的构型，芯级直径8.4m，采用4台RS - 25氢氧发动机，具备 65% ～ 111% 的节流能力，最大推力 2318kN，工作时长 480s；助推器继承了航天飞机四段式固体助推器技术，在隔热材料、推进剂组分、喷管尺寸和控制技术等方面进行改进，长 54m，直径3.7m，最大推力 16014kN；过渡型低温上面级沿用德尔他 - 4（Delta - 4）低温上面级的设计方案以及成熟可靠的 RL 10B- 2 氢氧发动机技术，长13.7m，直径 5.1m，最大推力 110kN。SLS - 1 已 经成功首飞，近地轨道和地月转移轨道运载能力分别达到了 95t 和 27t。SLS - 1B 在 SLS - 1 的基础上发展而来，主要改用探索上面级（EUS），由 4台RL- 10 氢氧发动机（RL 10C - 3）提供推力，贮箱直径增大至 8.4m，具备多次启动能力且留轨时长达到 8h，LEO 和月球转移轨道插入（TLI）运载能力分别提升至 105t 和 42t。而 SLS - 2 在 SLS - 1B 的基础上发展而来，主要改用先进固体助推器，保留五段式结构形式和现有直径，但会融入现代化生产制造与复合材料壳体技术，并采用新型固体推进剂以及电动推力矢量控制系统， LEO 和 TLI 运载能力进一步提升至 130t 和 46t。除了重型运载能力，NASA 还在不断优化 SLS 火箭整流罩与适配器技术，在充分利用现有直径 5m、长 14.4m/19.1m 整流罩（PLF）的基础上，设计开发直径8.4m、长19.1m/27.4m与直径10m、长19.1m/27.4m的整流罩，以及通用级适配器（USA）和有效载荷适配器（OSA/PLA）。不同尺寸的整流罩以及适配器可助力 SLS 火箭实现各种不同尺寸主要载荷（PPL）、共载载荷（CPL）以及次要载荷（SPL）的发射需求，如图 3 所示。图3 PPL、CPL 和 SPL三类有效载荷发射设计方案对比美国现有运载火箭，SLS - 1B 和 SLS - 2的载荷容量将分别达到“猎鹰重型”的 4 倍和 6 倍多（图 4），使得大直径深空探索载荷（如：光学空间望远镜、月面居住舱等）可通过一次发射完成，助力先进、复杂深空载荷的发展，并大大简化深空探索任务模式，降低任务风险和成本。另一方面，SLS 火箭强大的共载（如：计划在 SLS -1B 载人首飞中搭载“门户”国际居住舱）和搭载发射能力，使得载人可持续深空探索更容易、低成本且更快速。“超重- 星舰”系统“超重 - 星舰”系统是 SpaceX 公司面向人类殖民火星以及星际探索研制的重复使用运输系统，采用两级构型方案，全长 120m，箭体直径 9m（图 5）。一级“超重”火箭级安装 33 台“猛禽”发动机，二级“星舰”飞船级安装 6 台“猛禽”发动机（3 台海平面版和 3 台真空版），后续可能会增加 3 台真空版，均采用过冷液氧和甲烷推进剂以及 3D 打印制造技术。全箭主体结构采用不锈钢材料，以减轻热防护压力和降低制造成本。二级“星舰”设有前部鸭翼和尾部气动舵用于再入飞行时的气动控制，底部设有 6 个着陆支架；一级“超重”火箭级设有 4 个菱形栅格舵和着陆支腿。在防热方面，采用六边形防热瓦实现“星舰”飞船级迎风面的隔热需求。在回收方面，“超重”火箭级采用垂直起降方案，利用发射架上称为 “筷子”的机构进行捕获，具备在不到 1 小时即可再次升空的能力；“星舰”飞船级采用升力式与垂 直起降相结合的方式，利用鸭翼和气动舵下降，在接近地面时通过反作用控制系统和发动机实现姿态翻转，之后垂直降落并由发射塔机械臂捕 获。为满足载人与载货需求，公司设计了类似航天飞机的大型翻盖式舱门，可容纳 100 人以及宽 8m、长 22m 的有效载荷。“超重 - 星舰”系统重复使用状态下的 LEO运载能力为 100 ～ 150t，可运送 50t 载荷返回地球。在“阿尔忒弥斯”计划中，“超重 - 星舰”系统通过中途加注的方式，承担航天员与大型货物载荷的登月任务，任务流程如图 6 所示。首先，向近地轨道发射一个用作存储舱的“星舰”飞船以及系列可重复使用“星舰”加油机。在“星舰”存储飞船被加满推进剂之后，“星舰”载人或者货运版月球着陆器被发射至近地轨道，与“星舰”存储舱对接并完成推进剂补加后，进入地月转移轨道，经过约 6 天时间的飞行，到达月球“门户”，等待与“猎户座”载人飞船或其他大型载荷对接，将其送往月球表面，并在任务结束后将航天员带回“门户”。“新格伦”运载火箭“新格伦”是蓝色起源公司（Blue Origin）从 2012 年开始研制的可重复使用重型火箭（图7），采用两级结构，长 98m，最大直径 7m。一子级采用 7 台自研的 BE- 4 液氧甲烷发动机，实现自生增压，单台发动机海平面推力达到 2441kN，具备 45% ～ 100% 的推力调节能力。一子级利用“新谢泼德”（New Shepard）亚轨道飞行器技术，可实现垂直返回着陆，经海上平台回收后再利用，至少可重复使用 25 次；二子级为一次性使用，采用2台BE- 3U 氢氧发动机。公司自 2010 年开始在“新谢泼德”飞行器 BE- 3 发动机基础上研制 BE - 3U 发动机，采用开式膨胀循环，使用可延伸大喷管，将真空推力提高到 707kN，可点火工作 4 次，增强了真空工作性能。该二子级除了可用于有效载荷的轨道运输，还可在不搭载载荷的情况下用做轨道加油机，实现在轨加注目标；整流罩直径 7m，高 21.9m，最小内部容积 450m3“新格伦”火箭的近地轨道运载能力为 45t，地月转移轨道运载能力为 7t，可有效支撑公司开发的蓝月亮载人或载货版月球着陆器发射任务。与“超重 - 星舰”系统在近地轨道加注不同，“新格伦”与“蓝月亮”着陆器的发射需分别在近地轨道和月球轨道进行加注操作，任务流程如图 8 所示。首先，采用两枚“新格伦”火箭将推进和导航模块以及推进剂存储模块发射至近地轨道，相互对接成为地月运输机，之后进行多次基本无载荷的“新格伦”火箭发射，由二子级充当的加油机（GS2 加油机）为地月运输机加注低温氢氧推进剂。加满推进剂之后，地月运输机飞往月球轨道。之后，“蓝月亮”月球着陆器由“新格伦”火箭发射，飞往月球轨道，与地月运输机对接后完成推进剂补加，之后飞往月球“门户”，等待与“猎户座”载人飞船或其他大型载荷对接，将其送往月球表面，并在任务结束后将航天员带回“门户”。图8 “阿尔忒弥斯”任务中“新格伦”/“蓝月亮”系统的登月模式“猎鹰重型”运载火箭SpaceX 公司在猎鹰 - 9 火箭的基础上，通过在一子级两侧捆绑 2 个通用芯级助推器（整体结构和猎鹰 - 9 一子级相同，在头部增加了锥形整流罩），形成了“猎鹰重型”火箭，起飞推力达到了 22819kN，起飞质量达到 1420t，近地轨道运载能力 63.8t，运载效率达到 4.5%。“猎鹰重型”充分继承了猎鹰 - 9 的技术特点，一子级和助推器全部能够回收复用。由于和猎鹰 - 9 采 用相同的一子级，一子级和 2 个助推器共 27 台灰背隼 - 1D（Merlin - 1D）发动机，同样具备动力冗余能力。“猎鹰重型”具备强大的运载能力，重复使用和一次性使用模式下的 TLI 运载能力分别达到6.8t 和 15.2t，但发射成本仅为 9000 万美元。基于高可靠性和运载能力以及低成本优势，“猎鹰重型”火箭已经获得 NASA 的青睐，用于政府高价值载荷的深空发射，如“欧罗巴快帆”（Europa Clipper）发射、PPE/HALO 月球“门户”组件等发射任务。不过，对于此类任务，“猎鹰重型”火箭当前的整流罩尺寸（内高 11m，全直径内高 6.7m）还无法满足要求，当前正在开发加长版整流罩，全长将达到 15m，全直径内高达到 11m。另外，公司斥巨资打造垂直总装设施，满足高价值敏感载荷的保护需求。明晰载人与货运需求构建多种运载火箭搭配的探月运载架构在经历近 20 年的发展变化后，美国明确了以月球“门户”为中转站和科研站的探月架构，分阶段实现少数航天员短期以及更多航天员长期月面探索需求，明晰地面至位于近直线晕轨道的月球“门户”以及月球“门户”至月面间的载人与货运需求，货运需求涉及立方星规模的科研载荷、小至几百千克大至十几吨的“门户”与月面设施以及常态化的后勤补给载荷。在需求牵引下，美国正在以在役和在研但即将形成能力的运输系统为基础，重点构建以 SLS、“超重 - 星舰”“猎鹰重型”以及“新格伦”等四型重型运载火箭相互配合的运输架构，实现航天员以及“阿尔忒弥斯”计划下大型与重型载荷的月球轨道发射与登月任务。而对于小规模载荷，主要靠具备成本和性能优势的猎鹰 - 9、“火神 / 半人马”、电子号等运载火箭实现从地面至月球轨道或月面的直接发射。美国鼓励商业航天力量参与“阿尔忒弥斯”计划降低深空运输成本美国政府在航天政策中强调公私合作，充分利用日益发展的商业航天能力，推进“ 阿尔忒弥斯”计划。在这一政策背景下，NASA 已与 SpaceX、蓝色起源、联合发射联盟（ULA）、火箭 实验室（Rocket Lab）等多家商业航天公司签订发射服务合同或航天合作协议，给予其经费或技 术支持，利用其重复使用运载技术为 NASA 提供低成本的发射服务；或使其攻克低温流体管理与在轨加注等关键技术，形成基于近地轨道加注的 “超重 - 星舰”、基于近地轨道和月球轨道加注的“新格伦”/“蓝月亮”等创新型探月运输系统，为 NASA 拓宽探月运输模式提供支持。随着特朗普再次当选美国总统及其对 NASA 机构改革的决心，未来会有更多的国内商业运载器与着陆器承包商获得 NASA 合同，参与“阿尔忒弥斯”计划下的有效载荷运输服务；而具备重型运载能力的 SpaceX 和蓝色起源公司或将在“阿尔忒弥斯”计划中承担更多的责任，从速度和效率两个维度助力计划实施。
