| 美国重返月球的着陆器为什么就搞不定？ |
| 送交者: 2025年10月16日12:43:24 于 [世界军事论坛] 发送悄悄话 |
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流纹岩：美国重返月球的着陆器为什么就搞不定？2025-10-16 09:17:33来源：观察者网阅读 43380 【文/观察者网专栏作者 流纹岩】 近日，知名航天记者Eric Berger在美国科技博客媒体Ars Technica上发表了一篇文章，文章的具体部分我们将在稍后讨论。
众所周知，NASA选择了太空探索技术公司基于“星船-超重”开发用于载人登月的“载人着陆系统”（HLS），但在整个2025年的上半年，“星船”系统遇到了巨大的困难，以至于基于“星船”的HLS系统很可能要到2028年甚至2029年才能准备好。目前授予任何简单两级着陆器合同或是催SpX搞快点都可能没什么用。而NASA航空航天安全咨询小组表示，如果2026年上半年的“星船”试飞不乐观，那么“星船”HLS将无法在2027年开始HLS合同。
IFT-10的圆满成功终于洗刷了“星船”v2在2025年上半年的耻辱 而Eric Berger的这篇文章指出了正在研究的另一个可能的载人登月模式：支持美国人重返月球的HLS将是蓝色起源的“蓝月亮Mk1”（Blue Moon），而不是原定计划的“星船”HLS或是稍晚选择的完全版“蓝月亮”Mk2着陆器。 无论如何，美国的载人登月计划确实是又延迟了，而其掣肘就是载人登月器。那么为什么会有这个问题呢？ 一 NASA代局长肖恩·达菲近日宣称美国要在月球计划上击败中国，后者正在谋求2030年代前开展首次载人登月任务。 从1961年启动“阿波罗计划”实现载人登月，且目前拥有全世界最强航天技术和最强空间进入能力的美国，按理来说在月球着陆这个问题上应该没什么困难的。在21世纪早期，美国也没少提重返月球的计划。 其中包括2005年小布什提出的“探索计划”，也就是所谓的星座计划，计划建造Atlair“牵牛座”低温月球着陆器、Orion“猎户座”载人飞船以及用于发射这种载荷的Ares V、Ares I火箭。计划由一发重型Ares V发射牵牛座飞船至近地轨道，再发射一发Ares I将载人飞船送入绕地轨道，随后交会对接并飞往月球。 作为一种着重前往月球极地的着陆器，牵牛座并未采用类似阿波罗月球着陆器的常温发动机，而是开发了一款基于RL-10发动机改造的、具备10%-100%深度变推力能力的“深度节流通用可扩展低温发动机”（CECE），并在实验中达到了10%-100%的变推比。虽然“牵牛座”登月舱仍然是一次性的，但其具备扩展能力，可以运输货物等。
“牵牛座”LSAM概念图 星座计划的宏大构想虽然十分诱人，但完全从零开始的计划带来了巨大的财政和经济压力。其全新的10米箭体和6台RS-68B发动机的过热问题直到项目结束都未能完全解决。2010年，星座计划下马。2000年代末提出的DIRECT 2.0计划则直接使用航天飞机的遗产改造为Jupiter 232火箭，通过地球轨道集合模式开展载人登月。而在2009年的DIRECT 3.0计划中研究了使用航天飞机主发动机SSME取代烧蚀冷却的RS-68发动机的想法。 最终，这些概念转化为了一款类似航天飞机但又不完全继承航天飞机的火箭——“太空发射系统”（SLS）。SLS采用类似航天飞机外贮箱的8.4米直径并安装4台SSME发动机。但其承包商、制造/总装方式和结构材料都有所改变，因此并不能说SLS火箭是航天飞机的遗产。不过它所使用的SSME发动机和五段式固体火箭助推器（RSRMV）均直接来自于航天飞机遗产。虽然产量拖沓、准备缓慢、成本高昂，但SLS火箭和猎户座飞船于2021年完成了自己成功的首飞。虽然仍然存在一点小问题，但已经得到了解决。 不过目前来看，登月舱，或者说“载人着陆系统”遇到了问题。 我们都知道，Artemis计划的重点是月球南极，其配套的Gateway“门户”空间站也采用了能更方便到达南极地区的近直线Halo轨道（NRHO）。讲道理，NRHO确实适合部署月球轨道空间站，因为其三体引力控制下的大椭圆轨道允许登月舱在远点通过很小的一次点火就大幅调整轨道面，这几乎允许从月球表面任何地区发射的航天器进入类似NRHO的轨道，并最终和空间站进行交会。而返回窗口也多于绕月低轨道。实际上，从地月转移轨道进出NRHO加起来只需要1000m/s的速度增量，这就决定猎户座并不需要大量的速度增量。 为了给欧洲分一杯羹，NASA将猎户座飞船的推进模块交由欧洲开发，而欧洲空间局使用了ATV这一低轨货运飞船的推进系统进行改进，导致了猎户座飞船现在只有1250m/s的速度增量，只能进出NRHO并和Gateway对接。作为对比，阿波罗采用的月球轨道交会方案中，其指令舱-服务舱飞船具备超过2300m/s的速度增量，负责顶着月球轨道模块直接进入绕月低轨道。 这并不是个坏事，但它最大的问题是增加了HLS的复杂度。相比于阿波罗月球着陆器只需要从LLO降下去，再起飞，HLS需要先到达NRHO，和Gateway交会对接，然后载着宇航员从NRHO下降至绕月低轨道，再从绕月低轨道下降至月球表面。起飞后也要从绕月低轨道多推一把进入NRHO，再和Gateway对接。这无疑增加了HLS的负担。 不过对于美国来说，这又算什么问题呢对吧，不就是多一点燃料量和发射质量吗，美国有猎鹰9、重型猎鹰、新格伦、火神，不惜代价一点还有SLS Blk1B和SLS Blk2，打个重一点的着陆器又有什么问题呢？ 受到各种商业化浪潮的影响，NASA也没有选择自己负责采购着陆器，而是采用商业模式采购HLS。NASA认为商业采购可以减少所需的资金，此外也可以降低政治成本，商业公司可以在较低关注度下使用更新颖的技术，而不至于使NASA被追责等。 2019年10月25日，NASA发布了HLS系统的招标。在截止日期11月5日之前，五家公司提交了招标。在把波音依靠SLS Blk1B而不需要使用Gateway的两级着陆器和Vivace的两级着陆器排除后，以蓝色起源领导，洛马、诺格和Draper组成的“国家队”，Dynetics领导的“小企业队”和SpX基于“星船-超重”开发的三款着陆器进入三选二竞标。
波音HLS
Vivace的着陆器方案，类似牵牛座 “国家队”的综合着陆器（ILV）包括蓝色起源的着陆段、诺格的转移段和洛马的上升段。ILV将使用三次蓝色起源新格伦火箭或是联合发射联盟火神-半人马座火箭发射至月球轨道并且交会对接。当然ILV也可以使用SLS Blk1B火箭发射，NASA认为“国家队”开发ILV在时间管理上问题不大，而技术风险可以接受。Dynetics的方案是一个低矮的着陆器，需要两次发射，且具备改装为大型货运着陆器的能力，NASA对Dynetics的方案的时间管理和技术风险都给出了非常好的评价。
“综合着陆器”是一个需要三次商业火箭发射的着陆器
Dynetics的着陆器相当低矮且具备货运能力，但超重了 相比之下，在2021年的当口，SpX确实没什么优势。由于“星船-超重”当时甚至只有一个破烂不堪的原型机，且其涉及极其复杂的在轨交会和加注，且其热气姿控也不太成熟，NASA只评价为“可接受”。 相比那两个看起来还算正常，只需要从NRHO到月面再回到NRHO的方案，SpX的“星船-超重”HLS方案极其激进：需要一枚“超重”将HLS送入绕地轨道，随后发射4次（记住这个数字）补加飞船和HLS对接，随后HLS自行爬进地月转移轨道，刹车进入NRHO，和Gateway或是猎户座飞船直接对接后从NRHO着陆至月球表面，完成月表任务后起飞和Gateway对接。由于“星船”飞船是一个直径9米、长50米的庞然大物，其对着陆区的限制和系统的复杂度超过另外两家。在开标之前，SpX的HLS并未有非常高的期待值。
“星船”HLS和猎户座飞船在NRHO上对接，注意Artemis III任务不涉及Gateway 但出人意料的是，2021年4月16日，NASA只选择SpX基于“星船-超重”两级重复使用重型运载火箭开发HLS着陆器，并授予了28.9亿美元的合同，包括一次无人着陆和一次载人着陆（Artemis III）。NASA称虽然“星船”方案具有较高的风险，但SpX可以通过快速迭代以解决方案中的风险。目前看来选择SpX的可能性大概只是钱——Dynetics的方案要价最高，为85-90亿美元，而“国家队”的方案要价60亿美元，SpX只要29亿美元。 另一个可能打动NASA的因素是SpX的“星船”HLS足以将20吨货物送到月球表面，但相比原来的三选二，只选择SpX似乎确实有点偏心了。Dynetics的方案当时还存在问题，着陆器只能将负质量送到月球表面，而似乎十拿九稳的“国家队”也落选让蓝色起源十分恼火，随后向GAO起诉SpX被NASA所偏袒，最终败诉。 二 现在我们知道，“星船-超重”系统虽然理念十分先进，但在过去几年的开发中并不顺利。抛开我们之前在“星船”SN-36爆炸的文章中提到的一系列问题，更大的一方面来自于该系统的严重超重。 相比于号称的150吨两级全回收运力，目前“星船-超重”v1版的运力只有区区15吨，在这篇文章发出来时已经打完了的v2版也只有35吨。而马斯克号称更换了“猛禽-3”的v2（也就是v3）可以达到100吨运载能力，而究极拉皮版的v4可以达到200吨以上的运载能力，而且这个数大概率是吹牛逼。由于运载能力不足而需要发射更多的“星船-超重”，愈加复杂的在轨集合加注对管理和技术提出了更高的要求，则会进一步拖延该系统能够建立月球到达能力的时间点。 目前“星船”HLS系统因为超重，除去近地轨道集合加注外还计划在大椭圆绕地轨道上再进行一次加注，而Eric Berger的文章指出目前来说一次HLS任务需要20-40次“星船-超重”火箭的支持，充分表明了这玩意超重的问题十分严峻。如果需要发射大量的补加飞船，则对“星船”的快速周转和在轨加注等都提出了更高的需求。虽然目前SpX在“星城”建造第二个能够支持全推力起飞的发射台，并且在卡纳拉维拉尔角计划建造一堆发射台，包括肯尼迪航天中心LC-39A和卡纳拉维拉尔角天军基地SLC-37B。但考虑到目前20-40发服务一次HLS的这个需求实在是过于离谱了。
“星船”HLS在轨加注推进剂 如果“星船”HLS瞄准2028年载人着陆，则2027年底“星船”HLS必须完成无人月球着陆，2027年初的时候就得具备极高的成熟度，能够快速地在轨进行几十吨推进剂的转移、准“航班化”的运行、回收并复用，那2026年中下旬就得完成初步的推进剂船间在轨转移验证和具有较为客观的运载能力，至少得实现二级复用发射。 那么，SpX现在在干什么呢？他们似乎还没有凑齐第一艘v3版“星船-超重”的猛禽-3发动机…… 反正“星船”HLS的成熟节点已经甩到至少2028年底去了，就SpX今年在“星船”v2上的狼狈样子，除非墨菲定律彻底失效，后面所有发展一路顺利且进入快车道，不然2028年实现载人“重返月球”的可能性也不太大。不过没关系，Artemis III的发射有传言称也得到2028年中期了，甚至有可能直接放弃Artemis III的着陆任务，改为Gateway对接，不过应该还不算板上钉钉。 三 2023年5月，蓝色起源获得了NASA颁布的第二款HLS合同，价值为34亿美元。该计划将开发“蓝月亮”Mk2（BlueMoon Mk2）着陆器以用于Artemis V任务，也是整个Artemis计划的第二次月面任务。NASA号称引入第二家能够“增强竞争力、降低纳税人的成本、支持定期登月、进一步投资月球经济，并帮助NASA实现其在月球及其周边地区的目标，为未来的火星宇航员任务做好准备”。由于Artemis V任务得到2032年，因此“蓝月亮”Mk2的首次无人着陆也不早于2030年。 “蓝月亮”Mk2包括一个采用3台BE-7氢氧发动机的着陆器本体和一个低温着陆器拖船。在最初的CG效果图中，似乎只需要3次发射即可完成。得益于460秒比冲的强大BE-7发动机，“蓝月亮”Mk2的效率似乎并不差。但蓝色起源为“蓝月亮”Mk2配备了采用气氢气氧的姿态控制系统这一风险更大的选择，因此其技术风险也固然存在。
旧方案的“蓝月亮”Mk2及它配套的低温拖船
新一点的方案 可能由于蓝色起源“新格伦”运载能力不足重等一系列原因，将“蓝月亮”Mk2和油船推进至NRHO的发射量可能达到10次以上。以蓝色起源目前这个慢吞吞生产“新格伦”的速度来看，即使LC-11也投入使用，10+次发射恐怕也得打上近1年。 而更大的问题还是“蓝月亮”MK2是瞄准2030年代完工的，它无论如何也没法赶在2027-2028年就具备载人能力。不过它的前型“蓝月亮”MK1着陆器将于2026年首飞，并于2027年运送打赢复活赛的VIPER巡视器前往月球南极。“蓝月亮”MK1是一个自重21.3吨的着陆器，计划由新格伦火箭送入绕地轨道。新格伦发射“蓝月亮”MK1最多可以将3吨载荷送达月面。
“蓝月亮”MK1着陆器 根据Ars Technica的报道，蓝色起源已经开始研究基于“蓝月亮”MK1进行初步的载人改装研究。虽然NASA尚未正式要求蓝色起源公司研发这项技术，但据一位NASA官员称，该公司认识到了这一需求的紧迫性。 根据目前的说法，“蓝月亮”Mk1版本登月只需要发射三个着陆器头尾相连，就可以将宇航员送至月表且返回轨道。兜兜转转了好几年，又回到了“国家队”综合着陆器的复刻版。这种方案并不需要涉及最大的不确定性——在轨加注，因此蓝色起源公司的工程师们有信心这种方法能够奏效，虽然看起来不是很体面。当然了，作为一个无人着陆器，如果想在几年内将其快速魔改为载人着陆器所涉及的改变和认证很可能也是一个无底洞，但相比HLS目前的困境来说这似乎不算什么短板了。 四 NASA为什么选择了SpX呢？根本问题还是NASA在国会的指示下，将其所有探索资金都用于开发猎户座飞船、SLS火箭以及未来某项任务的地面系统。这让大型承包商们欣喜若狂，但他们的成本加成合同吞噬了如此多的资金，以至于NASA没有钱来购买有效载荷或其他真正能搭载这些硬件飞行的装置。由于缺乏着陆系统，SLS被怀疑论者称为“无处可去的火箭”。而现在证明他们大概是说对了。 由于缺乏资金，NASA不得不只能选择最便宜的SpX“星船”HLS方案，而相比获得昂贵资金支持和长线开发的SLS火箭，HLS系统甚至到现在也就过了4年，而其获得的资金远少于SLS，复杂程度又远高于SLS，马斯克从2024年底去“激情键政”而减少了对项目的管理使得问题雪上加霜，“星船”HLS自然拉垮了。不过如果在整个2026年取得完全顺利的话，“星船”HLS倒是似乎还能保住自己的名声，但其优化的需求也是十分迫切的。 即使我们不看HLS商业采购带来的困境，其缩小版CLPS商业月球货运服务也在NASA一味的“商业”下取得了最初一批几个着陆器几乎全灭的结果。NASA显然是在ISS的COTS服务中吃到了商业化的甜头，但仅仅一个“商业化”并不是万能的灵丹妙药。有些时候，一味强调降成本，最后实现的目的就只有“降成本”一个。特别是深空探测，其环境远比近地轨道恶劣，测控更为困难，变轨等操作也更为复杂，CLPS尚且如此，更加复杂的HLS能变成现在这个地步也就合情合理了。 |
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