重生or重蹈覆辙?登月,一场美国不忍心丢弃的豪赌(组图)

编者按： 北京时间2024年10月30日4时27分，神舟十九号载人飞船发射取得圆满成功，中国空间站建设再进一步。 根据此前中国载人航天工程办公室副主任、新闻发言人林西强在发布会上的透露，我国第四批预备航天员不仅要执行空间站任务，未来也将执行载人登月任务。 终于，中国人要登上月球了。 而这也是美国人心心念念的航天梦想。作为第一个把人类送上月球的国家，美国一直期待能够重新复制当年的壮举，然而今时不同往日，伴随美国国力的下降，尽管登月计划早早就被提上日程，但从实际执行情况来看，无论是顶层设计还是具体执行，都是漏洞百出。 本系列将开启对美国登月计划的全面回顾，它山之石可以攻玉，我们在学习的同时也能从中吸取经验教训，推动我国登月梦想的早日实现。 夕阳西下，肯尼迪航天中心的发射塔在太阳神阿波罗的余辉中闪耀。几十年前，这里见证了阿波罗载人登月计划，强大的“土星五号”火箭轰鸣着飞向月球的辉煌。而如今，美国再次站在通向深空的门槛上，热切地呼唤着月之女神阿耳忒弥斯，摩拳擦掌地计划重返月球。


2009年美国宇航局肯尼迪航天中心，正在建造的用于星座计划的新型移动发射台。图片来源：NASA 阿波罗和阿耳忒弥斯之间，还衔接了一个意外，这就是被历史遗忘的“星座计划”（Constellation Program）。“星座计划”大业未成而中道崩殂，没有等来登月的欢呼，而是被一场预算风暴和技术困境击得四分五裂。 星座计划的设想极其庞大：不仅要重返月球，还要将月球基地变为通往火星的中转站。2004年，当时的布什政府宣布这一雄心勃勃的计划时，声称要在2020年前让美国人重新踏上月球，甚至预示未来人类将站在火星的赤红色土地上。 然而，随着工程进展，理想逐渐被复杂的现实击溃。战神火箭的难产、猎户座飞船的缓慢进度，伴随着成本的飙升和时间的拖延，最终让这颗璀璨的星座陨落在航天史的尘埃中。但星座计划并非一无是处，从某种意义上来，对于中国载人登月计划亦有一定的借鉴意义。


星座计划的关键，从上到下依次为战神 I火箭、战神 V超重型火箭、猎户座飞船、牵牛星号月球着陆器 星座计划的背景 2004年，世界正进入一个新千年的拂晓，美国的目光重新投向深空。在冷战结束后的寂静中，阿波罗计划的余韵逐渐消散，太空探索的热度似乎也与当年不再相同。然而，新的全球格局和隐现的技术竞赛让美国意识到，“太空第一”的主导地位需要新一轮的航天计划来维持。 “星座计划”便在这样的背景下诞生，承载着美国重返月球、进军火星的战略抱负。 布什政府2004年提出的这一计划，不仅是对冷战时期阿波罗辉煌的回响，更是一种向未来太空探索的新承诺。布什政府强调，星座计划的目标并非仅仅到访月球，而是建立一个多层级的深空探索体系，将月球基地设为跳板，为未来的火星探测打下坚实的基础。 在这种战略愿景下，星座计划的提出标志着美国希望在新的世纪再度走向航天探索的前沿，并以月球任务重新点燃全球对深空探索的渴望。 与此同时，计划中的战神火箭、猎户座飞船和月球着陆器牵牛星号，成为了太空新征程的三大支柱，体现出美国政府对长期空间站建设和载人火星任务的野心。然而，这一庞大计划的雄心也预示着极大的技术挑战和资金压力，为星座计划的终局埋下了伏笔。


从左至右分别为航天飞机，战神 I火箭、战神 V超重型火箭和土星五号，注意战神 V的庞大 经典的双火箭设计 星座计划的技术设计体现了美国在深空探索中的野心，围绕三大核心组件展开：战神火箭系列、猎户座飞船（Orion）和月球着陆器牵牛星号。 星座计划最大的特点，是采用了双火箭设计，这跟阿波罗计划单一的土星五号完全不同。这可以说是星座计划的精华所在，但也是星座计划破产的主要原因之一。 作为载人任务火箭，战神 I被专门设计用于将猎户座飞船送入地球轨道。其结构采用了一级固体燃料助推器和二级液体燃料发动机的组合。一级固体助推器改自航天飞机的推进器，具有强大的初始推力，能够迅速提升火箭速度；而二级则采用液氧和液氢的推进系统，以更高的效率完成火箭的轨道入轨过程。 这种设计旨在优化燃料使用效率，确保飞船能够安全、稳定地进入轨道。战神 I的近地轨道（LEO）运载能力约为25吨，与中国的长征五号火箭相当，长征五号同样具备25吨的近地轨道运载能力，但当前形态下不直接适用于载人任务。


2009年10月28日，战神 I-X火箭成功发射。图片来源：NASA 战神 V超重型火箭是一个不折不扣的巨兽，性能空前强大。根据发展阶段不同，性能和配置有所变化。据NASA于2008年官宣数据，高116米，总起飞重量为3704.5吨。能够发射187.7吨到近地轨道，62.8吨到月球轨道，或71.1吨到地月转移轨道。使命是将大量物资、设备和牵牛星号着陆器送往月球。战神 V的这一近地轨道运载能力超过了阿波罗时代的土星五号（LEO约118吨），也比现代的SLS（约130吨）相当甚至稍强。 从某种意义上说，战神 V是土星五号的传承和延续。两者的核心任务都是将大量载荷送入地月转移轨道（TLI），以支持登月任务。土星五号一级采用了五台强大的F-1液体发动机，战神 V的设计则使用六台RS-68液体发动机。RS-68原本用于联合发射联盟的德尔塔4重型火箭，结构简单成本较低。土星五号的推力全部来自液体发动机，而战神 V则增加了两个固体火箭助推器（SRB），类似于航天飞机的设计。这种组合让战神 V具备更强的推力，能够在初始上升阶段提供更高的速度，使得其在推力和燃料效率之间获得平衡。 从理论上来说，战神 V完全有能力像土星五号一样，一次性地把指令舱、服务舱和登月舱打包，一同送入地月转移轨道。换而言之，可以不需要开发建造战神I火箭。 客观评价，美国星座计划搞双火箭载人登月，是有长远考虑的。土星五号是完全的登月专用火箭，是典型的美国面子工程，强大就是胜利，没有任何性价比可言。美国星座计划希望充分考虑近地任务和深空任务的性价比，在这一点还是有很大的进步性和建设性。 没有载人登月好看，但比载人登月更重要的是载人进入近地轨道，比如建造和运营国际空间站。这是个长效达到几十年的工程，实用价值远比载人登月更高。战神 I是火箭中的万金油，执行近地轨道任务，成本更低，适用性更广泛。


注意战神 V增加了两个固体火箭助推器 通过双火箭设计，NASA可以在不同任务需求之间灵活调配资源，而不必依赖单一的大型火箭。单独建造战神 I火箭专门运载猎户座飞船，确保了载人任务的专用设计，有助于提高任务安全性。例如，战神 I具备特别设计的固体助推器和液氧液氢二级系统，支持紧急逃逸程序，以便在发射过程中的突发情况下保护宇航员。而土星五号这种大型火箭无法在运载指令舱、服务舱和登月舱时提供单独的载人安全设计。 在星座计划初期，预算和技术资源受到限制。相比单一的巨型火箭系统，分开设计可以更有效地分摊开发成本，同时利用已有的固体助推器技术。战神 I的固体火箭助推器源自航天飞机技术，适合近地轨道发射，而战神 V则结合液体和固体助推器技术，以支持更重的货物运载。这样分步开发可以分摊开发成本，逐步过渡到重型任务需求。 星座计划的长期目标是支持火星任务，且不仅限于单次月球任务。设计独立的重型运载火箭战神 V用于未来的深空任务，为重型载荷的灵活部署和远程探测奠定了基础。同时，战神 V具备更强的运载能力，能够支持多次任务所需的货物运输，如深空探测设备或未来月球基地建设设备，这一点对于长期探索具有战略意义。


这张图片清晰地展示了星座计划载人登月任务全流程，需要进行太空对接。图片来源：NASA 双火箭设计并非原罪 星座计划的双火箭设计，增加了载人登月任务流程的复杂性，需要进行太空对接。 任务流程为： 战神 I发射：战神 I火箭首先将载人飞船猎户座送入近地轨道，确保宇航员安全入轨。 战神 V发射：在适当的窗口期，战神 V火箭发射并将牵牛星号着陆器及相关设备送入月球轨道，等待猎户座飞船的到来。 轨道对接：猎户座飞船在完成地月转移后，进入月球轨道与牵牛星号着陆器会合。宇航员通过轨道对接进入牵牛星号着陆器，为月球表面任务做准备。 着陆及返回：宇航员乘坐牵牛星号着陆器降落月球表面并完成探索任务。任务结束后，牵牛星号着陆器上升段从月球表面起飞，与轨道上的猎户座再次对接，宇航员进入猎户座并返回地球。 然而出现了意外，继承航天飞机大量技术遗产的战神 I和战神 V火箭，发展却双双不顺利。原本想要省钱的双火箭设计成了一个巨大的坑，烧钱更多，技术问题也更多。并不是说双火箭设计这个根本思路有问题，需要注意的是，中国载人登月计划也采用了双火箭设计，是2枚长征十号火箭。从某种意义上来说，是糟糕的工程管理和财务管理拖死了星座计划的双火箭。


星座计划2006年的艺术家想象图，载人飞船与月球着陆器及出发级，各自发射后在太空对接，然后飞往月球。 不曾出生的牵牛星号 猎户座飞船作为星座计划的主要遗产，被月之女神继承，接下来有专文讲解，在此不再赘述。我们将注意力放在牵牛星号月球着陆器上。 牵牛星号是NASA在星座计划中为重返月球任务设计的一款月球着陆器，其体积五倍于阿波罗登月舱，极为庞大。名称来源于天鹰座中的主星牵牛星号，这颗星在夜空中明亮且易见，象征着NASA再次登月的宏大目标。其名称在阿拉伯语中意为“大鸟”或“飞行者”，延续了阿波罗11号登月舱“鹰号”（Eagle）的精神传承，标志着NASA对历史的致敬和对未来的展望。 牵牛星号被设计为模块化的两部分。上升段的作用是将宇航员从月球表面送回月球轨道，并与轨道上的猎户座飞船对接。 牵牛星号最值得注意的是下降段，体现了比阿波罗计划进步之处。它用于从月球轨道安全着陆在月面，承担货物和设备的运载任务。下降段配备液氧和液氢推进系统，以保证着陆的稳定性。其设计还考虑到作为“基础平台”留在月球，为后续月球任务和基地建设提供资源。 随着每次任务新增的下降段留在月球表面，这种模式逐步增加了月球表面设备和设施的数量，目标是在月球上建立一个逐步完善的基础设施网络，支持长期的人类探索——星座计划打算建造月球基地，并非阿波罗打卡式的到访。 先进设计导致了技术的难度和成本的严重超支，牵牛星号在三大核心工程中进展最慢，甚至未能实际建造。


牵牛星号月球着陆器相当庞大，把这么大的玩意送上月球，成本和费用超出美国预期。 星座之死 最初NASA预计星座计划2005至2009年的预算为88亿美元，实际支出为119亿美元，超支31亿美元。2009年NASA预测，到2014年星座计划的总成本会攀升至287亿美元，增幅达到140%。其中战神 V和牵牛星号着陆器的部分预算被削减，以优先支持战神 I和猎户座飞船，使得战神 V开发进度受阻，计划不断推迟。 战神 I火箭遇到严重的技术问题，尤其是推力震动和安全性方面的问题，使其在人类乘员发射任务中存在潜在风险。NASA多次调整设计并追加投入来解决震动问题，但进展缓慢，预算也因技术难题而增加。此外，战神 V作为重型运载火箭，其设计要求高达160吨的低地轨道运力，技术复杂度和开发成本都远超预期。 在项目管理上，NASA选择双火箭系统后，优先资源被用于战神 I和猎户座飞船，以确保美国在航天飞机退役后的轨道运输能力，这削弱了对战神 V的长期支持。进一步的成本削减和管理不善，使得战神 V的开发周期不断延长，最终导致整个星座计划陷入困境。2009年奥巴马政府的“奥古斯丁委员会”分析认为，计划缺乏可行的资金支持与管理，难以按时完成登月任务。


早在2008年，洛马公司就在折腾猎户座飞船，到2024年了，猎户座飞船传给了月之女神，洛马公司还没把猎户座飞船折腾明白。图片来源：NASA 永不消逝的星座 然而，星座计划的故事并未就此结束。几年后，新的“阿耳忒弥斯计划”在美国重返月球的蓝图中再度浮现，将未竟的星座梦接续下去。阿耳忒弥斯虽然换了新装，但其核心依旧延续着星座计划的基础设计和遗产。对一些人来说，这象征着坚韧不拔的航天精神，但在批评者看来，这或许只是美国一场“不忍心丢弃的豪赌”。 阿耳忒弥斯从星座计划中学到和没学到什么，后续专栏文章敬请期待。 是重生，还是重蹈覆辙？历史和未来仿佛交织成一段未完的航天叙事，美国“重返月球”这一雄伟梦想，究竟能否以阿耳忒弥斯之名，跃出重重的政治、技术桎梏，实现突破？