互动科普

美国：乘“猎户座”飞船去月球

翻译 庞博

月球，漆黑天空中的一轮明镜，突然从新月状的地球背后快速升起。自从“猎户座”乘员探索飞行器（Orion crew exploration vehicle）进入地球上空大约300千米的绕行轨道以来，飞船里的4名宇航员已经多次目睹了如此壮观的月出奇景。现在，随着计时精准的火箭点火，宇航员们即将加速飞船，向前方遥远的目的地进发。“10秒倒计时，飞船点火切入月球转移轨道……”耳机里响起了指令，“5，4，3，2，1，点火……”炙热的火焰从火箭尾部的喷口中喷射出来，一系列功能舱组成的飞船开始颤抖。飞船乘员们就此踏上了航程，奔向我们太空中最近的邻居，人类已有近半个世纪未曾拜访、仍然遮掩着神秘面纱的地方——月球。这一年是2020年，按照计划，美国人将在这一年重返月球。不过这一次，他们的目标不只是拜访月球，还要为新一代的太空探险家们建立一座前哨站。

“猎户座”飞船是美国国家航空航天局（NASA）的“星座计划”（Constellation program）的一个关键组成部分。这项雄心勃勃的计划将花费数十亿美元建立一套太空输送体系，不仅可以让人类往返于地球和月球之间，还能为“国际空间站”（ISS）提供补给，最终帮助人类登陆火星。自2006年该计划确立以来，NASA和“猎户座”飞船总承包商洛克希德马丁公司的研究人员及工程师们，一直在致力于开发运载火箭、乘员舱及服务舱、火箭上面级（upper stage）和着陆系统。NASA现有的载人航天器——航天飞机将在2010年退役，这些正在研发的设备和技术，是继续推动功能强大且费用低廉的载人航天探索所必需的。

为了最大限度地降低研发风险与成本，NASA的“星座计划”将更多地应用成熟可靠的技术。这些技术都是在“阿波罗”计划的执行过程中开发和验证过的，曾在上世纪60年代末到70年代初安全地将人类送上了月球。NASA的工程师们还用最新的技术，重新设计了许多系统和部件。

“猎户座”飞船的许多功能与“阿波罗”飞船相同，乘员舱的外形也相似。但“猎户座”飞船将容纳更多的宇航员：它的加压密封舱容积可达20立方米，4名宇航员将搭乘飞船前往月球（从2015年起，这种飞船就可以一次运送6名宇航员前往空间站）；相比之下，“阿波罗”飞船的3名宇航员（外加各类装备）只能挤在一个大约10立方米的狭小空间之中。

最新的结构设计、电子技术、计算机技术及通讯技术，将帮助工程设计人员扩展新型飞船的操作适应性，远远超出“阿波罗”飞船的水平。“猎户座”飞船可以自动与其他航天器对接，能够在无人操作的情况下绕月飞行6个月。工程师们也在努力增强“猎户座”飞船的安全性。如果发射时遇到紧急情况，强大的逃逸火箭（escape rocket）会迅速将乘员带离危险境地，这项安全保障措施是航天飞机的宇航员享受不到的。不过，为了能对整个计划有一个切身体会，还是让我们先“回到”地面，“回到”宇航员离开地球之前。我们将从这里开始，全程跟踪一次虚拟的登月任务。

发射，再发射

高达110米的发射塔耸立在美国佛罗里达肯尼迪航天中心的盐碱滩之上，两级式战神5号（Ares V）货运火箭静静地矗立，等待发射升空。战神5号装有5台强劲的火箭发动机，它的高度和周长几乎与“阿波罗”计划中的土星5号（Saturn V）巨型火箭不相上下。由航天飞机外贮箱改进而来的战神5号中央推进燃料箱装有液氢液氧推进剂，用于输送给多台RS-68火箭发动机——这种发动机是由目前德尔塔4型军事商业运载器中使用的发动机改进而来的。两个根据航天飞机助推器改进而来的固体助推火箭捆绑在战神5号主火箭的两侧，它们提供的额外推力帮助火箭将貌似甲虫的月球着陆器及“地球离开级”（Earth departure stage）送入轨道。“地球离开级”是一个推进舱，包含一个以液氢液氧为燃料的J-2X火箭发动机（“阿波罗”时代土星5号火箭J-2发动机的改进型，由普拉蒂&惠特尼火箭发动机公司制造），将为“猎户座”飞船提供推力，使它摆脱地球引力，奔向月球。

突然，一股烈焰从战神5号火箭的尾部喷射而出，滚滚浓烟腾空而起，将火箭、塔架和发射台包裹得严严实实。巨大的轰鸣声响彻整座发射场，连鸟儿都吓得四下飞散。巨大的火箭先是缓缓上升，在尾部留下一条灰白色的气柱，随后稳定地加速，拖着那条烟尾划过天空，消失在茫茫天际。几分钟后，火箭进入近地太空。战神5号与助推火箭分离，后者落入大海，并被回收利用。随后，火箭前端的整流罩也被丢弃，露出月球着陆器。无人乘坐的飞船将在地球上空300千米的轨道上环绕地球数圈，等待执行月球远行计划的下一步：与“猎户座”飞船交会对接。

同一天，4名登月宇航员在肯尼迪发射中心的另一座发射平台上待命，在距离地面98米的“猎户座”乘员舱中等待升空。圆锥形的乘员舱下方是一个圆筒形的服务舱，它装有为“猎户座”飞船在轨飞行提供动力的推进发动机和大部分生命保障系统。保护性的整流罩包裹着乘员舱和服务舱，避免它们在升空时遭到强烈气流及其他严苛环境的冲击。乘员舱和服务舱被安置在NASA的两级式战神1号乘员运载火箭顶端。战神1号比战神5号纤细，它的第一级火箭是另一种由航天飞机助推器改造而来的固体火箭（由美国阿连特技术系统公司负责建造），第二级火箭则由一台J-2X发动机提供动力。“猎户座”飞船和战神1号火箭之间还有一个连接适配器，将两者的结构与电力系统配套整合在一起。

位于整个火箭最顶端的是逃逸塔（escape tower），如果火箭发射失败，它能带着宇航员脱离危险境地。1986年挑战者号航天飞机在发射升空过程中爆炸，机组乘员全部丧生。那场悲剧表明，如果航天飞机在发射或升空早期阶段遭遇重大技术问题，机内的宇航员几乎没有机会幸存下来。相反，“猎户座”飞船的“发射中断系统”（LAS）可以在几秒钟内，提供一个相当于自身重力15倍的推力，驱使乘员舱与火箭系统分离。这种逃逸火箭随时待命，一旦运载火箭在发射台上或在升空过程中发生故障，需要紧急中断发射任务，它就会迅速点火，让宇航员脱离险境。如果运载火箭在地面上发生严重故障，从运载火箭上逃逸出来的系统可以升到1,200米高空，让降落伞展开，飘落到距离发射架大约1,000米的安全地带。任务规划者估计，“发射中断系统”加上“猎户座”飞船先进的导航及控制系统，可以在事故发生时，让乘员的安全逃生率达到99.9%。

随着发射时间的临近，任何类似的担忧都会迅速被愉悦的情绪代替。倒计时正在走向零点，指令长和导航员密切注视着“猎户座”飞船玻璃座舱中的仪表盘（glass cockpit），上面全屏显示着各种飞行数据。这种仪表盘是根据先进型客机（比如波音787梦幻客机）中使用的电子设备系统改进而来的。它使用了节能型电子设备，采用了电脑化的电传操纵系统，几乎没有机械开关，与“阿波罗”飞船的操控面板完全不同。

突然而来的震动摇晃着整艘飞船，巨大的雷鸣声接踵而来，细长的战神1号火箭开始飞向天空。巨大的加速度将宇航员紧紧压在座椅之中，随着火箭一起迅速升空。

经过两分半钟的飞行，在固体火箭推动下，战神1号的速度达到了6马赫。在大约61千米的高空，火箭第一级分离，在降落伞的保护下落回地球，然后被回收利用。与此同时，第二级火箭的J-2X发动机点火，将“猎户座”飞船的乘员舱、服务舱和“发射中断系统”送出大气层。飞船脱离大气层后，整流罩完成使命，从船体上脱落以减轻重量，从而进一步增强飞船的爬升性能。此时，飞船已经获得足够的速度，因发生故障需要紧急脱离的风险大大降低，因此“发射中断系统”及其防护整流罩与飞船分离。当乘员舱和服务舱抵达大约100千米的高空时，第二级火箭发动机关闭。

交会，飞向月球

接下来，服务舱发动机点火，将“猎户座”飞船顺利送入轨道，开始实施必要的轨道机动，以便与先前发射升空的“地球离开级”和月球着陆器交会。“猎户座”飞船主发动机是根据经过实际飞行检验的航天飞机轨道机动发动机演变而来的，在推进力和推进效率方面都有所改进。服务舱包括发电和蓄电系统、能将多余热量散入太空的散热系统，以及任务执行过程中所需的科学设备和所有液体。为了给乘员舱腾出最大的空间，服务舱也装有一些航空电子系统，以及一部分环境控制和生命保障子系统。服务舱的舱体由采用蜂窝状结构的轻型铝增强型聚合物制成。这种简便的制造方法有利于降低此类一次性消耗部件的成本。

“猎户座”飞船与“阿波罗”飞船最显著的区别之一，就是给服务舱添加了伞形太阳能电池帆板，可以在轨道飞行过程中展开。“阿波罗”飞船是为短短几天的月球任务设计的，飞船上只携带了能满足短期任务需求的氢燃料电池，而“猎户座”飞船必须能为至少6个月的探测任务提供足够的电力。

“猎户座”飞船逐渐追上早已等候在近地轨道上的“地球离开级”和月球着陆器。当这两个航天器终于交会时，宇航员实施（或监控）最后几组轨道机动，密切监测自动“软捕获”（soft capture）系统，让两个航天器对准并缓慢对接。当力反馈和机电组件“感受”到负载，就自动捕获航天器的接合环，主动减弱所有的触点压力。这时对接已经完成，飞船和乘员做好了飞往月球的准备。

乘员舱是“猎户座”飞船上唯一可以经历整个旅程的组件，也许能够重复利用10次之多。舱体结构主要由轻型钛增强型铝锂合金材料构成。乘员舱的外部覆盖有热防护系统，不仅能保护居住舱免受再入地球大气层时高温灼烧的影响，还与坚硬的防撞击保护层携手，保护乘员舱的外壁免受微流星体和其他碎片的高速撞击。

乘员舱的反馈控制机动系统采用的推进剂是气态氧和甲烷，这项技术的基础是在NASA开发X-33单级入轨飞行器的过程中奠定的，不过X-33的研制计划已在2001年取消。氧气—甲烷推进系统的一大优点是，燃料本身无毒（以前使用的自燃推进剂都是有毒的），这有助于确保飞行安全，还能保障飞船返回地球后地面人员的安全。

一切就绪之后，“地球离开级”的火箭发动机点火，推动飞船奔向月球。工程师们可以配置“猎户座”飞船，让它既能支持“月球出击任务”（lunar sortie mission），也可支撑“月球前哨任务”（lunar outpost mission）。前者是指宇航员在月球表面停留4~7天，用以验证“猎户座”飞船系统有能力实现货运及载人登月；后者则要求在月球建立前哨基地，让人类常驻月球。由于受到氧气、水和其他消费品供给条件的限制，一组乘员最长能在月球表面停留210天，因此“猎户座”飞船的持续运行能力必须超过这一期限。完成不同的月球任务所需的推进剂总量，是设计“猎户座”飞船配置时需要考虑的最大问题。

经过长达4天的奔月之旅，飞船进入绕月轨道，这时“地球离开级”已被丢弃在旅途之中。4名宇航员从乘员舱爬入月球着陆器，然后月球着陆器与乘员舱和服务舱分离，其中月球着陆器下降到月面，而乘员舱和服务舱留在轨道上等待他们返回。与“阿波罗”飞船的登月舱一样，“猎户座”的月球着陆器也由两个组件构成。一部分被称为下降级（descent stage），包含4个用于支撑月球着陆器的支架，以及大部分乘员消耗品和科学设备。另一部分被称为上升级（ascent stage），是宇航员在月球上的临时住所。成功着陆，并完成探测任务之后，4位宇航员乘坐上升级从月球表面起飞，与等候在绕月轨道上的乘员舱和服务舱对接。然后上升级被丢弃在外层空间，而“猎户座”飞船则启动发动机，开始返回地球。

返回地球

“猎户座”飞船再入大气层和着陆地球的方式与“阿波罗”飞船不同。“阿波罗”飞船的着陆方式与美国早期的“双子星座”飞船（Gemini）和“水星”飞船（Mercury）如出一辙：一头扎入地球大气层，然后直接溅落在海中。不过，在水上着陆必须出动回收船队，成本很高，还会让飞船经受盐水的腐蚀，影响重复使用。因此，“猎户座”飞船计划像俄罗斯的联盟号（Soyuz）飞船一样，在陆地上着陆。采用陆地着陆模式是最大程度减小循环使用成本的关键。如果出现紧急情况或天气不利等因素，“猎户座”也能够在水上降落，这时它的着陆过程就会和“阿波罗”飞船差不多。

遗憾的是，完成探月之后，飞船如何在美国国土上着陆，是一个相当棘手的问题。在一个朔望月里，有将近一半的时间，轨道条件只适合在南半球着陆，距离NASA规划的美国西部着陆点相去甚远。尽管调整脱离绕月轨道的时间可以改变再入点（reentry point，即飞船再入地球大气层的确切位置）的经度，但再入点的纬度却是由飞船脱离绕月轨道时，月球所处的赤纬（即月球与天球赤道的夹角）决定的，无法改变。因此，为了在不利的条件下让飞船在美国西部或美国附近水域着陆，“猎户座”飞船必须在进入地球外层大气时，借助气动升力（aerodynamic lift）使着陆点向后延伸，进入北半球。换句话说，飞船在进入上层大气层时需要弹跳一次，要像石头在池塘上打了个水漂一样，这类轨道有时候被称为跳跃式再入大气层（skip reentry）。

这将是人类航天史上首次尝试载人的跳跃式再入大气层，为此，“猎户座”飞船在离开绕月轨道时精细调整了飞行路线。此时，飞船踏上返程已有4天，窗外的蓝白色地球越来越大，宇航员们的思乡之情也越发浓重。不过，他们很快就忙碌起来，要给飞船重新定向，以便抛弃服务舱，将乘员舱底部的热防护罩暴露出来。随后，宇航员利用“猎户座”飞船上的冗余导航系统和飞行计算机，检测飞船的再入姿态和再入轨道是否正确。检测结果一切正常后，“猎户座”飞船再入大气层，踏上最后一段返程路。

跳跃式再入过程刚开始时，乘员只会注意到微弱的地球力（在飞行过程中因加速度而产生的惯性力），这是由稀薄的高空空气的阻力引起的。热防护材料在高温灼烧下散溅出点点火花，随着火花和电离气体流从窗边滑过，这种地球力变得越来越强，将乘员紧紧压在座椅之中。乘员舱在上层大气中飞掠而过，飞船轻轻向上弹跳了一下，随后又重重地落下来，一头扎入大气层中，朝着着陆点飞奔而去。

2003年，哥伦比亚号航天飞机在返航途中解体，宇航员全部遇难。这场悲剧表明，返回舱的热防护系统非常关键。再入大气层时，以超音速行进的飞船与空气摩擦，会在飞船底部产生极高的热量，温度高达上千摄氏度。由于“猎户座”飞船从月球返航时的再入速度（大约11千米/秒）要比航天飞机从近地轨道的返航速度高出41%，因此热量负荷要高出好几倍。此外，“猎户座”乘员舱比“阿波罗”指挥舱更大，这也增加了热防护系统的制造难度。

“猎户座”乘员舱底部热防护罩的首选材料是苯酚浸渍碳烧蚀材料（PICA），是在酚醛树脂中嵌入碳纤维充填物而制成的。在高温下，PICA层的外侧表面会被烧蚀，带走大量热量。烧蚀材料表面受热分解之后，会留下一层烧焦物质构成的耐热层。PICA较低的导热性也能阻碍热量传向乘员舱内部。PICA曾被应用在2006年的“星尘号”探测器（Stardust spacecraft）上，当探测器携带着从怀尔德2号彗星（Comet Wild 2）上采集的样品返回地球时，速度高达13千米/秒——这是迄今为止最快的受控再入速度。不过，“猎户座”飞船热防护层的面积是星尘号的40倍，因此飞船的热防护层需要分块建造，使复杂性大大增加。

最终，三个巨大的降落伞徐徐展开，减缓飞船的下降速度。这些降落伞与“阿波罗”飞船使用的降落伞非常相似。看到红白相间的伞盖出现在飞船的上方，宇航员们就放心了，他们知道自己的奇妙旅程就要结束了。不久，飞船抛掉了巨大的热防护罩。在大伞的牵引下，乘员舱以大约8米/秒的速度缓缓下降。

如果是在陆地着陆，乘员舱下侧的气囊系统会充气膨胀，吸收和削弱着陆时的震动。一阵剧烈的摇晃之后，飞船最终降落在美国西部沙漠的干旱地带——“猎户座”飞船回家了。