一“鸽”再“鸽”，“阿尔忒弥斯1号”终于发射升空！重型运载火箭有多重？

北京时间2022年11月16日14时48分，美国“阿耳忒弥斯-1“发射升空。重型运载火箭研制到底有多难？它对于实现人类登月甚至火星有多重要？

撰文/记者 段然 图文编辑/陈永杰

美国肯尼迪航天中心，一个高度接近百米的重型运载火箭被缓缓地从航天器装配大楼推到了LC-39B号发射台上。自1973年传奇般的土星五号重型火箭完成最后一次发射任务以来，在将近50年的时间里，整个肯尼迪航天中心的发射台就再没有出现这样的庞然大物。

而这次，这枚被命名为“空间发射系统”（简称SLS）的运载火箭，将执行与当年的土星5号相似的恢弘使命—成为美国“阿耳忒弥斯”登月计划的重要组成部分，为未来美国新型的登月飞船提供强大的动力支撑。
一“鸽”再“鸽”****“阿尔忒弥斯1号”终于发射升空

北京时间2022年11月16日14时48分，美国研制的世界最大推力火箭（Block1）搭载猎户座载人飞船发射升空，执行阿尔忒弥斯1号绕月飞行任务，发射地点位于卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心。

本次是测试发射，飞船中有三个假人模型，身体内装有各种传感器，用于记录在飞往月球、绕月飞行以及返回地球过程中的科学数据。按照计划，从发射抵达月球，绕月飞行并返回地球，全程大约持续6个星期。

▲猎户座飞船里搭载了三名假人模型，用于记录在飞往月球、绕月飞行以及返回地球过程中的科学数据

在此之前，阿尔忒弥斯1号任务因传感器故障、燃料泄漏及飓风逼近等各种因素多次推迟。

阿尔忒弥斯计划类似于上世纪的阿波罗登月计划，这是由美国发起的载人航天项目，主要由太空发射系统（SLS）、猎户座飞船、月球轨道空间站以及商业化的登月系统（SpaceX的星舰是重要候选者）组成，最终目标是让宇航员重返月球，并建立长期的月球基地，甚至为未来载人登陆火星任务铺平道路。

在希腊神话中，太阳神阿波罗和月神阿尔忒弥斯是宙斯与勒托的子女。阿波罗是位多才多艺的男神，他的姐姐月亮女神阿尔忒弥斯常常手持弓箭，在林莽和山野间与侍奉她的众仙女狩猎。因此，阿尔忒弥斯计划与阿波罗计划遥相呼应，更适合给探月计划命名。

▲希腊神话中的阿尔忒弥斯（艺术图）

我们知道，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名宇航员送到月球表面。自从1972年阿波罗17号登月之后，时隔半个世纪，除了无人探测器，人类再也没踏上过月球表面，因此，阿尔忒弥斯计划的初期目标是让宇航员重返月球，结束半个世纪的人类登月“空窗期”。

▲这是大家都熟悉的微信开机画面，图中的地球是1972年阿波罗17号宇航员在飞往月球的过程中拍摄的，当时距离地球约29000公里

阿尔忒弥斯载人返月分三步走，按照目前的计划，2022年阿尔忒弥斯1号无人绕月飞行、2024年阿尔忒弥斯2号载人绕月飞行和2025年阿尔忒弥斯3号载人登月飞行。

如果说阿波罗计划的主要目的是去月球打卡，那么阿尔忒弥斯计划更多是奔着科研和开发月球去的。

重型运载火箭：托举登月任务的臂膀

阿耳忒弥斯计划是一次雄心勃勃的项目，它原计划在2024年前实现人类再次登月，并将登陆地点选在了月球的南极地区，“之所以选择在南极登陆，是因为此前在该地区发现有水冰存在，这为将来月球基地的建设计划提供了基本条件。”全国航天科学普及首席科学传播专家、中国宇航学会顾问、《太空探索》杂志社原社长田如森解释道。截至目前，整个阿尔忒弥斯项目的预算已经达到了930亿美元，而每一次发射任务都将耗资超过40亿美元，而耗资如此巨大的阿耳忒弥斯计划，本身也只是此前更为庞大的“星座计划”的缩水版本。

1972年12月19日，美国阿波罗计划的收官之作——阿波罗17号飞船顺利返回地球。从那以后，人类就再未亲身涉足月球。之后的几十年时间里，美国国内一直有重返月球的呼声。直到2005年，美国公布了名为“星座”的航天计划，该计划不仅要实现美国梦寐以求的重返月球目标，还要以此为基础，完成载人登陆火星的壮举。显然如此疯狂的计划，背后是天文数字一般的巨额经费，在维持了五年之后，星座计划终于因严重超支而流产。2017年新公布的阿耳忒弥斯计划接过星座计划的接力棒，不过星座计划预算超支的殷鉴不远，阿耳忒弥斯计划要保守许多，目标只限定在重返月球上，从飞船到火箭都尽可能利用现有技术进行开发，尽可能节约开支。

▲阿耳忒弥斯计划是美国公布的继上世纪阿波罗计划之后的第二个登月计划，于2017年宣布。图为NASA官网公布的阿耳忒弥斯计划示意图（图片来源/NASA）

相对于发射绕地运行的航天器，探月和登月航天器对运载火箭载荷能力的要求非常之高，特别是载人航天器本身质量颇大，要摆脱地球引力，并实现从地球到月球的这两个天体间的穿梭，必须依靠拥有足够载荷能力的重型甚至超重型运载火箭。而探月与登月任务的特殊之处就在于运行轨道极为复杂，月球虽然是离地球最近的天体，但地月之间的平均距离依然超过了38万公里，要在有限的动力下，完成如此漫长的旅途，还要实现在月表的平稳着陆，就必须要利用月球的引力作用，“借力打力”以节约燃料。探月和登月航天器在被送入太空后，需要进入到所谓的“地月转移轨道”（简称TLI） ，这是一个地月之间的大椭圆形轨道，航天器只要沿着这条轨道运行，不需要通过发动机进行加速，就能被月球的引力俘获，在经过制动减速后进入绕月轨道，然后就能进行降落和着陆等工作。

▲SLS重型运载火箭拆解图（图片来源/NASA）

地月转移轨道就好似链接地球与月球的天体间高速公路，但要进入这个高速公路，门槛可要远超过近地轨道，目前哪怕是小巧的无人探月器，要将其直接送入地月转移轨道，也只有大型或重型运载火箭的载荷能力能够承担，以阿耳忒弥斯计划使用的SLS火箭为例，如果将其用于近地轨道发射任务，那它的有效载荷将在100吨上下（未来的B2型可能超过130吨），而用于发射到地月转移轨道，其有效载荷就锐减到只有30吨上下。

而作为我国探月第三期工程的主角，嫦娥五号要实现探月工程中“绕、落、回”三步中的“回”阶段任务，其整体质量达到了8.2吨，为迄今为止各型嫦娥探测器之最，同时也是我国目前发射的最重的太空探测器，要将这么个大家伙送入地月转移轨道，在我国现役的运载火箭名单里，也只有大块头的长征五号大型运载火箭能够胜任，其到地月转移轨道的载荷能力（以下简称TLI运力）超过了9吨。

▲长征五号示意图（资料来源：视觉中国）

相比之下，早先的嫦娥二号是由长征三号丙运载火箭执行任务，嫦娥三号与四号则依靠长征三号乙火箭，这两者的TLI运力分别只有2.5吨和3.8吨，而发射嫦娥一号的长征三号甲火箭TLI运力只有区区1.7吨，可是嫦娥一号本身的发射质量就超过2.3吨，显然火箭是没有能力直接将其送入地月转移轨道，只能依靠探测器自身携带的动力，连续经过三次变轨机动，才能抵达地月转移轨道，这无论对于探测器本身，还是对地面控制人员，都是极为耗时费力的。

地月转移轨道还涉及到另一个不容忽视的问题：就是火箭的“发射窗口”。相比于向近地轨道发射航天器，探月和登月计划对发射时机的精准把握有着更高的要求，地球与月球相对位置的变化，使得适合将航天器发射到地月转移轨道的时间窗口只有几天而已。

“月球的自转与公转周期基本都是30天左右，那么月球探测器的发射窗口就是以月为单位来计算，也就是说每个月有连续几天是适合发射的窗口期。”田如森说，“而一旦这个月错过了窗口期，就只能等到下个月了。”发射窗口的存在就对火箭的可靠性提出了更高的要求，简而言之就是在发射窗口的关键时期，火箭要能“支棱起来”，不掉链子。而此前“阿尔忒弥斯1号”原本计划在8月底至9月初这个窗口期进行发射，但就是由于发动机故障未能及时排除而错过。

从探月到登月：脚踏实地的中国航天人

载人登月任务，有赖于重型运载火箭，而这类火箭的研制，就算对航天强国而言都是桂冠上的钻石，难以摘取。“运载火箭是一套拥有成千上万个部件的复杂系统，如果把这些零部件拆散开来排成队，能够排到几十公里开外！” 田如森这样谈道，“那怕是一个细微之处出现问题，也会酿成严重事故！”在20世纪60-70年代就推出过土星五号这样的经典之作的美国，其火箭研发能力位居世界首位，但如今根据现有技术开发的SLS火箭，至今依然被各种顽疾所困，无法实现首航。而当年苏联也曾为了比肩土星五号，而研制了N-1系列重型运载火箭，但四次试射均遭遇失败，最后无奈下马，更直接导致苏联登月计划流产，重型运载火箭研制之难，可想而知。

“目前我国的探月工程已经圆满完成了‘绕、落、回’这三步，特别是嫦娥四号还首次实现了在月球背面着陆，嫦娥五号还进行了月壤采样并返回，这都是了不起的壮举。”田如森这样评价道。而就在此前，我国探月工程四期正式立项，将执行包括嫦娥六号、七号和八号在内的探月任务，其中嫦娥六号将前往月球背面执行采样任务并返回，嫦娥七号则将目的地定为月球的南极。

在探月工程的新阶段，我国的长征五号大型运载火箭将大展拳脚，成为再次实现“嫦娥奔月”的有力臂膀。而正是有了探月工程前期多年的积累与铺垫，我国未来更为宏大的载人登月计划才有可能变为现实。“到2030年前后，我国将具备实现载人登月的能力，届时就需要有更大推力和运载能力的重型运载火箭。”田如森说道。

▲2022年7月24日14时22分，搭载问天实验舱的长征五号B遥三运载火箭，在中国文昌航天发射场准时点火发射，约495秒后，问天实验舱与火箭成功分离并进入预定轨道（图片来源/视觉中国）

目前，我国新一代的重型运载火箭正在研制中，与此同时，我国也在积极探究不同的登月方案。除了使用一枚重型运载火箭直接将登月飞船送入地月转移轨道这一传统方式外，我国航天领域的专家学者还提出其他备选方案，比如利用三枚长征五号加强型火箭，将载人飞船、登月舱等部分分三次送入地月转移轨道，再进入绕月轨道进行对接。“还有一种方案是利用两枚运载火箭，采用‘人货分离’的方式，将搭载航天员的飞船，以及登月舱和推进舱等分两次送入近地轨道并进行对接组合，再飞向月球。”田如森介绍道。这两者都避开了研制相对困难的重型载人运载火箭，虽然同时也存在航天员滞留太空时间长，发射场发射压力大等短板，但却为我国未来的登月计划提供了另外一种可能。

“相信在不远将来，我国会制定出最适合国情的登月方案，在月球上留下国人的足迹。”田如森如是说。

（部分内容来自“腾讯太空”微信公众号）