目前,美國正在進(jìn)行的“阿爾忒彌斯”載人登月計劃,最大隱患就是計劃制訂的相當(dāng)復(fù)雜。
美國當(dāng)年的“阿波羅”登月計劃,是用“土星五號”重型火箭直接將“阿波羅”飛船送入地月轉(zhuǎn)移軌道。在完成“登月”之后,再直接返回地球。
按照NASA官網(wǎng)的介紹,美國這次的計劃更加復(fù)雜:用“獵戶座載人飛船”與“月球著陸器”,分搭載4名宇航員,兩次發(fā)射。
月球著陸器上的兩名宇航員,在月球表面進(jìn)行“軟著陸”,開始為期一周的月面考察。
另外兩名宇航員,將會留在“獵戶座載人飛船”中,繼續(xù)繞月飛行。等到“登月首秀”完成任務(wù)之后,兩名宇航員再乘坐“月球著陸器”飛回繞月軌道。
接下來,兩艘飛船還要在太空中完成“合體對接”,等到宇航員全部轉(zhuǎn)移到飛船之后,“月球著陸器”將會被舍棄,飛船執(zhí)行重返地球任務(wù)。
越是復(fù)雜的方案,越是容易出錯。更何況“阿爾忒彌斯”的復(fù)雜計劃,造成了設(shè)計跟不上,造成了“登月計劃”屢屢推遲。
根據(jù)2025年9月3日,前NASA局長吉姆·布萊登斯坦在國會聽證會上的說法“阿爾忒彌斯”計劃的設(shè)計不當(dāng),導(dǎo)致了“登月計劃”屢次推遲。
根據(jù)NASA此前的報告:執(zhí)行阿爾忒彌斯計劃的“太空發(fā)射系統(tǒng)”(SLS)重型運載火箭、“獵戶座”飛船和月球著陸器都存在大量技術(shù)問題。其中SLS火箭多次因為燃料泄漏而推遲發(fā)射,“獵戶座”飛船也暴露出逃生系統(tǒng)和隔熱罩的可靠性問題。
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值得慶幸的是:在2022年,“阿爾忒彌斯1號”的不搭載人的系統(tǒng)測試任務(wù)中,它們的組合基本完成任務(wù)。
由于太陽、地球、月球三者本身組成一般意義下的三體問題。到了月球之后,就成了月系對于太陽的動力學(xué)模型。
在日-地-月系統(tǒng)中,空間雙圓模型(SBCM)具有足夠高的精度。SBCM 考慮到黃白交角的存在,并作如下假設(shè):地-月系作為整體與太陽構(gòu)成二體運動,且太陽不影響地-月的二體運動。
這是由于太陽到地-月系的距離遠(yuǎn)大于地球到月球的距離,故可以忽略太陽對地-月系的引力力矩的影響,只需考慮太陽對地-月系質(zhì)心的影響。
想用火箭把飛船發(fā)射到太空很容易,但是難點在于如何讓飛船上的科學(xué)家們“完成任務(wù)”,并安全回來。因為完成載人登月任務(wù)的重要條件,就是要實現(xiàn)穩(wěn)定、可重復(fù)的發(fā)射。
這次“登月任務(wù)”的核心,就是需要保障宇航員在月球表面停留時間更長,任務(wù)更加復(fù)雜的科學(xué)考察和資源勘探活動。
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探測器的動力學(xué)可以用探測器的動力學(xué)可以用Hamilton方程表示,其Hamilton函數(shù)為
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最有可能出現(xiàn)的問題,大概率出現(xiàn)在美國太空探索技術(shù)公司(SpaceX)負(fù)責(zé)的“月球著陸器”上。這艘“月球著陸器”,是由“星艦”超重型火箭的第二級“星艦”飛船改裝而來。
由于太陽的引力作用,使得CR3BP動力學(xué)存在周期性擾動。“月球著陸器”需要非常可靠的“月面著陸”和起飛能力,其熱防護(hù)系統(tǒng)、發(fā)動機可靠性、海上回收技術(shù),都還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到成熟。
對于地月系飛行的探測器,太陽的引力作用是不可忽視的。在一些三體模型下的穩(wěn)定運動,將會被太陽破壞引力。而“月球著陸器”降落月球之后,需要在沒有發(fā)射臺、充滿月塵的月球環(huán)境下完成點火起飛,這是一項要求極高的工程挑戰(zhàn)。
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按照美國“登月計劃”,阿爾忒彌斯3號計劃降落的地點是“月球南極地區(qū)”,這里有著“月球南極永久陰影區(qū)域”。這就意味著,美國的登月計劃,地形更加復(fù)雜,任務(wù)也更加艱巨。
宇航服中也要配備相應(yīng)的高清攝像機,以及安裝在頭盔面罩中的照明裝置,當(dāng)宇航員們在這片區(qū)域工作、行走時,可以提供更好的能見度。
相比于這些可以在地面上就能解決的困難,最大的麻煩,還要到太空中去解決的“在軌加油”任務(wù)。
按照原計劃,月球著陸器需要將大量的物資和宇航員送到月球表面,還要支持一個月的“駐留任務(wù)”。
但是,此前沒有任何一枚火箭有能力將這樣一個滿載燃料的“巨型著陸器”,從地球表面送入月球軌道。
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所以,美國人給出的方案是,首先發(fā)射十幾艘滿載燃料的“星艦”飛船,作為近地軌道的“太空加油站”,在太空中為“月球著陸器”補充前往月球的燃料。
這項技術(shù)的最大瓶頸在于,“月球著陸器”要在停泊軌道上進(jìn)行一次“在軌燃料加注”,然后飛往月球。
“繞月飛行器”跟“月球著陸器”對接之后,還要再進(jìn)行一次“燃料加注”。如此大規(guī)模的“低溫推進(jìn)劑”,在太空中如儲存?
即便是解決了“太空加油站”的存儲問題,“在軌燃料加注”在太空中的實驗也并不成熟,是否百分百成功,誰也不敢保證。
因此,美國目前的繞月飛行也只是“重返月球”的一小步,更多的困難和隱患還在深邃的太空中,亟待解決。
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