【阿爾忒彌斯二號任務(wù)】時空回旋鏢

4月1日SLS太空發(fā)射系統(tǒng)從美國東海岸發(fā)射升空

SLS上面級分離

NASA的阿爾忒彌斯2號任務(wù)自4月1日從佛羅里達州肯尼迪航天中心發(fā)射升空以來，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號任務(wù)（20世紀(jì)最后一次載人登月）以來，首次載人離開近地軌道（LEO）的任務(wù)，并且還將刷新人類“最遠”飛行紀(jì)錄，超越由美國宇航局阿波羅 13 號任務(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，遠高于阿波羅13號的254km）。

歷經(jīng)半個多世紀(jì)，人類再次向近地軌道以外的空間飛行

一、軌道總覽：號稱史上最安全的自由返回8字環(huán)月
阿爾忒彌斯2號首次采用主動式8字形自由返回軌道，而非阿波羅時代被動應(yīng)急方案。任務(wù)全程約10天，飛行里程約40萬公里，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：

阿爾忒彌斯相對于阿波羅飛船飛行更遠，方案更穩(wěn)妥

1. 地月轉(zhuǎn)移窗口段
發(fā)射首日：火箭點火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分鐘后進行第一次軌道機動，約1小時后第二次點火，3小時23分鐘后獵戶座飛船與推進艙分離進入地月轉(zhuǎn)移軌道。
核心意義：避開范艾倫輻射帶峰值區(qū)域，確保乘員免受高強度粒子輻射。
2. 地月交匯段
發(fā)射第4日：飛船通過月球引力捕獲區(qū)，利用月球背面引力彈弓減速，形成穩(wěn)定的繞月軌道。飛船將首次公開直播月球背面影像，并驗證深空導(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，全程無需額外點火修正。這一軌道設(shè)計確保一旦出現(xiàn)故障，飛船可自動返回地球，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馬赫高速進入大氣層，通過升力控制“打水漂”減速，最終在太平洋軟著陸。

二、軌道設(shè)計的獨特優(yōu)勢以及與阿波羅十三號任務(wù)的區(qū)別
1.設(shè)計理念及優(yōu)勢
安全性優(yōu)先：相比阿波羅13號被動啟用的應(yīng)急軌道，該方案將自由返回路線與測控通信系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)主動安全備份。
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%，減少深空駐留時間至10天內(nèi)，大幅降低生命保障系統(tǒng)負(fù)荷。
2. 設(shè)計出發(fā)點的本質(zhì)區(qū)別
阿爾忒彌斯2號將自由返回軌道作為原生設(shè)計，本次任務(wù)本身是阿爾忒彌斯計劃的首次載人驗證任務(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)全動力失效故障，也能依靠月球引力自然返回地球，無需外部救援。
而阿波羅13號原本是執(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、動力和生命保障系統(tǒng)瀕臨失效的絕境下，臨時緊急變軌轉(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面

獵戶座舷窗回望地球

3. 軌道動力學(xué)設(shè)計的差異
阿爾忒彌斯2號的8字形軌道設(shè)計更平緩安全：近月點高度達7400千米，遠離月球表面的強引力擾動，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，燃料消耗遠低于應(yīng)急改裝軌道，也給10天任務(wù)留足了測試深空導(dǎo)航、通信、生命保障系統(tǒng)的時間。
而阿波羅13號的應(yīng)急軌道是從原有登月軌道硬改出來的，最終近月點僅254千米，需要宇航員手動操作登月艙發(fā)動機完成多次變軌修正，尤其是關(guān)鍵的加速燃燒（PC+2），燃料消耗遠超計劃，以此來壓縮飛行時間，避免氧氣和電力提前耗盡。

4. 技術(shù)傳承與升級
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)計思路最早在阿波羅時代得到實戰(zhàn)驗證；阿爾忒彌斯2號則把半個世紀(jì)前的應(yīng)急方案，優(yōu)化成了成熟的主動安全設(shè)計，適配了現(xiàn)代載人深空任務(wù)更高的安全標(biāo)準(zhǔn)，是對經(jīng)典航天技術(shù)的繼承與升級。所以，雖然NASA近年來在制造工藝、品控方面愈顯拉胯，但是軌道設(shè)計和工程管理方面，咱們還是有很大距離需要追趕。

獵戶座飛船內(nèi)部

美麗的藍色星球

遠離近地軌道帶來的既視感是無盡的孤獨和恐懼，也需要技術(shù)的支撐

三、核心技術(shù)挑戰(zhàn)
阿爾忒彌斯2號作為50多年來首次載人深空任務(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. 熱防護系統(tǒng)的安全性
隔熱罩剝落隱患：在阿爾忒彌斯1號無人飛行中，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)沒有試圖解決隔熱層的問題，而是采用更快速激進的返回方案，僅試圖減少再入段之中暴露在高溫等離子體中的時間，由于載人返回時的再入速度高達32馬赫，表面溫度可達2700攝氏度，隔熱罩的結(jié)構(gòu)完整性是宇航員生還的絕對紅線。由于隔熱罩問題，本次任務(wù)在安全風(fēng)險評級中，被安全專家列為A級風(fēng)險，NASA在后續(xù)發(fā)射中必須通過復(fù)雜的地面模擬與傳感器監(jiān)控來對沖這一不確定性。

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
輻射防護：月球軌道的輻射強度是國際空間站的2-3倍。任務(wù)需驗證獵戶座飛船內(nèi)含聚乙烯的多層防護結(jié)構(gòu)能否有效屏蔽高能粒子，并保障長達10天的生命支持系統(tǒng)不間斷運行。
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多個測控站及中繼衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，確保飛船在掠過月球背面及深空時通信不中斷。

SLS火箭示意圖

獵戶座飛船示意圖

3. 運載工具的頑疾
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氦氣供應(yīng)中斷的問題，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)火箭上面級氦氣供應(yīng)中斷、氦氣流循環(huán)異常等問題，故障特征與阿爾忒彌斯1號任務(wù)類似，就是屢教不改啊，不過好在發(fā)射成功了，以后留給大洋彼岸犯錯的機會也不多了，畢竟大寶貝RS-25用一次少4發(fā)，氫氧神教寶貝好發(fā)動機存貨不多了，心疼啊。

組裝過程中的SLS芯一級

試車臺前的RS-25，是人類歷史上最昂貴也是性能最好的火箭發(fā)動機

阿爾忒彌斯II任務(wù)發(fā)射過程——固體推進器分離