導言

長期以來，人類一直未曾中斷對宇宙起源及地外文明的探索。美國國家航空航天局(NASA)正在引領進入月球及深空的下一步行動。月球附近的空間區域提供了一個良好的深空環境，可為人類探索整個太陽系積累經驗。在此處搭建空間探索中轉站——“門戶”，使宇航員可以在數天而不是數週或數個月內返回地球。NASA計劃在2024年將首位女性宇航員和一名男性宇航員送往月球表面。目前，NASA選擇了三家美國公司來設計和開發載人著陸系統，這些商業合作伙伴將在合同基準期內完善其著陸器概念。

背景介紹

NASA的Artemis 1任務計劃在2021年11月發射無人駕駛的航天器，以測試將執行後續任務的載人航天器。2023年，Artemis 2任務計劃攜四名宇航員進行為期一週的繞月飛行，但不會著陸。Artemis 3計劃於2024年10月將首位女性宇航員與一名男性宇航員送往月球南極附近著陸。此外，NASA還計劃將“門戶”(Gateway)置於繞月軌道上。“門戶”將成為其進行科學研究和測試新技術的平臺及月球著陸器的碼頭。NASA於2020年4月30日宣佈，已將著陸器研製合同授予三個商業團隊，每個商業團隊將開發一種載人著陸系統(HLS)，以供美國國家航空航天局(NASA)的Artemis計劃使用。藍色起源公司(Blue Origin)、動力學公司(Dynetics)以及由太空探索技術公司(SpaceX)領導的團隊將獲得9.67 億美元的資金來開發著陸器。2021年，NASA將決定與其中一個或多個團隊繼續合作，以期在2024年之前將人類再次送上月球。

月球著陸器停靠在繞月航天器上

產品介紹

NASA已與三家商業團隊緊密合作，共同構建下一代載人著陸系統，利用數十年的載人航天經驗和商業領域的速度，實現2024年的月球著陸。 載人著陸系統( HLS)計劃經理將指派NASA人員來支援每個承包商的工作，並根據公司提案中的要求(例如，設計、分析、測試)向公司提供直接的線上專業知識。藍色起源公司(Blue Origin)正在開發綜合著陸器(ILV)，這是一種三段式著陸器，將在其自己的新格倫（New Glenn）運載火箭和聯合發射聯盟（ULA）正在研發的火神（Vulcan）運載火箭上進行發射;動力學公司(Dynetics)正在開發動力學載人著陸系統(DHLS)，這是一種具有上升和下降能力的單段式結構，可在火神（Vulcan）運載火箭上發射;太空探索技術公司(SpaceX)正在研發一款星艦著陸器(Starship)，這是一款完全整合的著陸器，將使用SpaceX超級重型⽕箭（SuperHeavy）發射。

美國Artemis計劃三種著陸器概念圖

1. 藍色起源綜合著陸器

由藍色起源公司(Blue Origin)領導的國家團隊為美國國家航空航天局(NASA)的載人著陸系統設計了一款月球著陸器模型。該模型高40英尺，現在被安置在約翰遜航天中心的太空飛行器樣機設施中，具有兩個主要元件，即上升元件和下降元件。國家團隊於2020年12月提交了“方案A”提案，擬議的解決方案利用飛行傳統和模組化來管理風險，快速移動並實現月球上的可持續運營。僅在基礎階段，國家團隊就完成了25場技術演示，為NASA的任務取得了重要進展。

國家團隊整合了四家公司，致力於為NASA的載人著陸系統(HLS)工作提供靈活、多元、商業和可持續的解決方案。國家團隊由藍色起源公司、洛克希德·馬丁公司、諾斯羅普·格魯曼公司和德雷珀公司組成，其共同為NASA的Artemis計劃開發一種載人著陸系統，以使美國人在2024年之前返回月球表面。這些合作伙伴共同指導了阿波羅號，建立了常規的軌道貨物運輸方式，發展了當今唯一的載人月球飛船，並率先使用液氫/液氧飛行器進行行星表面精確著陸。

Blue Origin領導的國家團隊擬議的月球著陸器模型

表：藍色起源(Blue Origin)國家團隊構成

藍色起源——下降元件

藍色起源公司(Blue Origin)正在提供基於Blue Moon月球著陸器及其BE-7發動機開發了3年的下降元件，可以將乘員和貨物運送到月球表面的任何地方(包括月球南極)。著陸器的自主制導性和垂直著陸結構、功能強大且可節流的液體發動機以及精益操作——利用了新謝潑德開發並投入使用的技術。

洛克希德·馬丁——上升元件

洛克希德·馬丁公司(Lockheed Martin)正在提供機組人員上升元件，並領導乘員的飛行操作和培訓。上升元件借鑑了洛克希德·馬丁公司開發NASA的“獵戶座”飛船的經驗，從直接按需製造的物品到多個通用子系統。

諾斯羅普·格魯曼——轉移元件

諾斯羅普·格魯曼公司(Northrop Grumman)提供了將地面著陸系統向月面部署的轉移元件，從而最大程度地提高了機組人員和貨物的運輸質量。轉移元件基於其天鵝座貨運飛船，該飛船已向國際空間站進行了十餘次補給任務。

左圖：上升元件 ；右圖：下降元件

左圖：轉移元件 右圖：BE-7發動機的第四次推力室測試

此外，藍色起源公司(Blue Origin)的BE-7發動機測試進一步證明了其著陸能力。Blue Origin的BE-7發動機在NASA馬歇爾太空飛行中心進行了第四次推力室測試。在這項測試中，對推力室進行了20秒的測試。這使BE-7推力室的累計測試時間達到了1245秒。BE-7是一款增材製造的液氧/液氫高效能雙機迴圈發動機，可產生40 KN(10000 lbf)的推力，並可節流至2000 lbf的推力，以便在月球上精確降落。藍色起源公司(Blue Origin)高階開發計劃副總裁Brent Sherwood表示：“BE-7是使用最高效推進劑和基於渦輪機的發動機，是深空機動和登月的最佳選擇”。

BE-7發動機

2. 動力學載人著陸系統

動力學公司(Dynetics)是美國Artemis月球探測計劃和未來火星及其他地區探險的關鍵參與者。動力學公司(Dynetics)與NASA 簽署了2.53億美元的協議，用以研究載人月球著陸器。其領導的團隊位於美國17個州和一個國際國家。該團隊由眾多不同的中小型企業以及具有行業公認的技術專長和程式設計經驗的NASA現場中心組成。動力學公司(Dynetics)正在為NASA的Artemis計劃設計一個載人著陸系統(DHLS)。DHLS可以透過聯合發射聯盟的火神/半人馬座（Vulcan Centaur）火箭發射。在設計DHLS時，動力學公司(Dynetics)計劃透過利用傳統航天計劃中的生存、電力、熱力和其他子系統來確保可負擔性，還利用現代技術實現短期重複利用和可持續性。其將提供一種強大的、商業支援的著陸器，適用於民用和商業探測。

動力學載人著陸器

動力學公司(Dynetics)開發的載人著陸器兩段式架構具有上升和下降元件以及隨時可中止的能力。動力學公司(Dynetics)空間戰略總監兼月球計劃經理Andy Crocker稱，其團隊已開始著手設計某些下降元件的原型，並完成與該元件有關的若干硬體開發任務。其計劃進行推進系統點火測試，進行低溫流體管理技術的演示，提高航電裝置在航天領域的可靠性，並採取關鍵步驟來開發制導、導航和控制系統。NASA馬歇爾太空飛行中心稱，動力學公司(Dynetics)的著陸器的乘員艙允許容納2~4名宇航員往返月球軌道，在月球表面停留約一週。

動力學載人著陸系統(DHLS)的概念是動力學公司(Dynetics)根據2.53億美元的NASA合同而改進的一種低空著陸器，離地面約1.5米。由德雷珀實驗室開發的自主導航軟體可將可重複使用的著陸器引向地面，同時丟擲兩個外部燃料箱，這些燃料箱將補充從月球軌道動力下降時消耗的燃料。兩名宇航員將透過圓形艙口兩側的小窗戶監視進度，並準備在必要時透過窗戶下方的操縱桿和油門控制元件手動操控。

動力學載人著陸器內部圖

一旦宇航員爬下1.5米的梯子並移開安全距離，著陸器就會用剩下的兩個燃料箱向引擎點火，然後返回月球軌道運送更多乘客或貨物。動力學公司(Dynetics)的著陸器商業化負責人凱西·勞里尼在AIAA網路研討會期間表示，這種方法最大程度地發揮了著陸器的效用，既可以滿足NASA的任務需求，又可以吸引其他希望在月球上探索和工作的使用者，還具有在月球表面上填充液氧儲罐的能力，可以使新的探索任務成為可能。

動力學載人著陸器設計圖

DHLS設計將由泰雷茲·阿萊尼亞航天公司建造的管狀乘員模組組成。它將在發射之前安裝在矩形航天器中，該航天器在軌道機動期間將在其兩側接收兩個外部燃料箱。動力學公司(Dynetics)希望機組模組和航天器可以重複使用，在每次降落之前，將透過在軌加註將新的燃料箱安裝在月球軌道上。

3. 星艦著陸器

星艦著陸器由太空探索技術公司(SpaceX)設計研發，這是一種比其他提議大得多的航天器，並且該系統達到或超過了NASA的所有閾值，以滿足功能和效能要求。太空探索技術公司(SpaceX)與NASA 簽訂了1.35億美元的合同用以改進其航天器——星艦的設計。這座航天器高約50米，直徑約9米，一次最多可搭載100人，每臺引擎都可以在全功率下產生將近50萬磅的推力。這座航天器將在名為“超級重型”的巨型火箭上從地球上發射出去。星艦能夠將100噸有效載荷運送到月球表面，是一種完全可重複使用的發射和著陸系統，旨在前往月球、火星和其他目的地。

SpaceX星艦渲染圖

該系統設計基於該公司經過測試的Raptor發動機以及Falcon和Dragon飛船的飛行歷史。星艦包括一個寬敞的客艙和兩個用於宇航員月球漫步的氣閘。每個航天器在實現載人著陸任務時具有不同的目的，但都基於通用的星艦設計。推進劑儲存星艦將停泊在低地球軌道上，由油輪星艦提供補給。太空探索技術公司(SpaceX)的“超級重型”火箭助推器也將由Raptor發動機提供動力並且完全可重複使用，它將從地球發射星艦。星艦能夠在“獵戶座”或“門戶”和月球表面之間運送機組人員。經過最佳化的月球星際飛船可以在月球表面和月球軌道之間飛行多次，而無需襟翼或熱遮蔽來保證返回地球。星際飛船具有大的可居住空間和儲存量，能夠運送大量貨物用於研究和支援強大的月球表面操作，以實現可持續的月球基地建設。

關於新型“星艦”月球著陸器與郵輪星艦和“超級重型”一起使用的猜測

NASA的載人著陸系統專案經理麗莎·沃森-摩根認為，星艦代表著登月降落的單階段方法。該設計支援NASA的長期月球探測計劃，強調了可持續性及在月球表面停留更長的時間。太空探索技術公司(SpaceX)的提議提供了具有實質性和靈活性的任務設計，並大大減少了過渡到可持續階段任務運營所需的時間和成本。但是，這種方法帶有風險。評估人員還認為太空探索技術公司(SpaceX)的運營概念存在缺陷，其中涉及使用其他星艦作為油輪和推進劑倉庫為將要用作著陸器的星艦加油。這種方法“需要大量、高度複雜的發射、會合和加註操作，所有這些操作都必須快速成功才能成功執行。評估人員認為，這將對2024年載人登月造成威脅。太空探索技術公司(SpaceX)提案中的另一個弱點涉及其推進系統的開發，該推進系統非常複雜，並且由同樣複雜的單個子系統組成，這些子系統尚未開發、測試和認證，只有很少的時間表餘量來適應延遲。因此，太空探索技術公司(SpaceX)的開發計劃沒有充分解決開發中可能出現的延誤風險。

SpaceX星艦場景與概念對比圖

總結

美國上述三家公司參與了NASA的Artemis 2024 宇航員登月計劃的著陸器設計。其中，藍色起源公司(Blue Origin)率先提交了著陸器設計模型，並且其評估結果良好；而太空探索技術公司(SpaceX)的設計方案雖然具有創新性但是風險較大，評估結果最差。這三款航天器都有自身的特點，重複使用性與可持續性是大多數公司考慮的創新點。而對於NASA來說，構造簡單、可重複使用、安全效能強、靈活度高的著陸器認可度較高。

參考材料[1]Stephen Clark. NASA identifies risks in SpaceX’s Starship lunar lander proposal. Spacelight Now. 2020.05.01.[2]Richard Tribou, Orlando Sentinel.Blue Origin and partners hand NASA a mock up of their moon lander. 2020.08.20.[3]NASA. NASA Selects Blue Origin National Team to Return Humans to the Moon. blueorigin.com. 2020.08.30.[4]Inside one company’s moon-landing proposal. aerospaceamerica.aiaa.org. 2020.09.16.[5]Dynatics.Lunar Exploration Fact Sheet.www.dynetics.com. 2020.