科技日報記者 付毅飛
最近，美國華盛頓的夜晚，多了一道風景。
一周來，每晚21點30分開始，華盛頓紀念碑上都會出現土星五號運載火箭的動態投影。
兩座豐碑的交融，為紀念“阿波羅”載人登月50周年增添了壯美景觀。
1969年7月21日世界時2點56分，美國宇航員借助土星五號火箭和阿波羅飛船首次踏足月球。半個世紀過去了，美國“重返月球”的呼聲再起，“交通工具”卻遲遲未能準備好。
未來載人登月的飛船和火箭與當年有何區別？全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩向科技日報記者進行了介紹。
土星五號
與傳承太空梭技術的SLS
重型火箭是實現載人登月不可或缺的運輸工具。
所謂重型火箭是指起飛推力在3000噸上下、近地軌道運載能力在100噸左右的運載火箭。
土星五號是世界上第一種成功發射的重型火箭。起飛重量超過3000噸的它，目前仍保持著人類火箭的自重紀錄。而3408噸的起飛推力，也僅次於蘇聯的“能源號”。
這台高達110米，相當於40層樓的龐然大物，能將45噸重的載荷送到月球軌道。近地軌道運載能力更是達到120噸。
1969年7月16日，阿波羅11號飛船和土星五號火箭從肯尼迪航天中心發射台發射
從1967年到1973年，美國共發射13枚土星五號。其保持著完美的發射紀錄。雖然在發射阿波羅6號和13號過程中，火箭出現過發動機故障，但箭載電腦都能通過延長剩餘發動機工作時間的方法保持飛行。
相比當時蘇聯幾乎是發一次“炸”一次的N-1火箭，土星五號可以說是相當靠譜。
不過，1973年將“天空實驗室”送入近地軌道，成為土星五號的謝幕演出。實際上，美國早在1970年就關閉了它的生產線。原因是：太貴了！
你算算，土星五號發射13次，總耗資65億美元，平均打一發就是5億美元。企業號航空母艦造價也不過4.5億，足足開了50多年。土星五號三級發動機點火時間加起來不過十幾分鐘，就燒掉一艘航母，哪怕是土豪美國也心疼啊。
另外，隨著蘇聯推出登月競賽，美國也將太空戰略轉向了近地軌道。“月球火箭”不再有用武之地。
1970年代，美國將目光投向了“又經濟、又安全”的全新天地往返運輸工具——太空梭。事實證明，太空梭既不經濟也不安全，用了30年，它也退出了歷史舞台。
這時美國發現了一個尷尬的問題：曾經去過的月球，如今遙不可及，因為火箭手藝“失傳”了。
就算翻出土星五號的圖紙，斥巨資重建生產線，幾十年前的零配件上哪找去？當時的陳舊產物，如何與當今技術匹配？
於是美國決定研製新的火箭——太空發射系統（SLS）。
2014年，NASA公布了SLS的構想圖。其初始構型的近地軌道運載能力為70噸，改進後可達130噸，最終甚至可能超過160噸。它可以向近地軌道及更遠的太空，發載人飛船或大型有效載荷，滿足載人登月、載人登火等任務需求，還能作為國際空間站商業乘員運輸系統的備份工具。
相比土星五號，SLS更為經濟可靠。它採用兩級半構型，採用了大量太空梭的技術，也借鑒了已經下馬的戰神五號重型火箭設計思路。未來其發動機有可能實現重複使用。
不過SLS的研製進展緩慢，原計劃2017年首飛，卻被一再推遲。據最新消息，NASA剛剛將該火箭的首飛日期推遲到2021年。
阿波羅
服用類固醇變成獵戶座？
要說阿波羅飛船，先得從阿波羅計劃的登月方案說起。
當年，美國為確定登月方案花了很長時間。
一種方案是直接將整艘飛船送到月面，簡單直接，但對火箭要求太高，所需時間、資金最多。
另一種是地球軌道對接法，先分別將飛船的幾部分送到地球軌道，對接後飛向月球並著陸，工作完成後飛船拋掉下半截，僅由上升部分載人返回。用這種方法，火箭不需要太大推力，在地球軌道對接也比較安全。不過飛船太大，在月面著陸可能深陷塵土。
最終美國採用了月球軌道對接法：將飛船發射到月球軌道，2名航天員乘登月艙落月，第三人留在指令艙服務艙組合體裡繞月飛行。月面任務完成後，登月航天員僅乘登月艙的上升級離開，在月球軌道與組合體對接後拋掉上升級返回地球，再入大氣層前再拋掉服務艙，3人乘坐指令艙降落。
簡單說，去的時候是兩室一廳還掛台車，回來只剩一間書房。
所以阿波羅飛船就被設計成這樣
這種方案的好處是登月部分不大，燃料攜帶量也少，土星五號火箭的運載能力足以勝任。返回部分也很小，對回收有利。不過在月球軌道交會對接，給航天員的安全帶來的風險較大。
阿波羅飛船的飛行控制以自控為主，手控為輔。在一些緊急情況下，航天員手控操縱起到了決定性作用，例如阿波羅11號和13號，就是通過手控模式返回。
阿波羅飛船後來的境遇與土星五號類似，甚至失傳得更徹底。太空梭退役後，美國航天員甚至連去國際空間站都要找俄羅斯聯盟飛船“搭車”。
不過為了重返月球，美國打造了新一代多用途載人飛船“獵戶座”。
獵戶座與阿波羅有許多相似之處（這也說明阿波羅計劃設計得相當科學），外形就十分相像。
兩者也有許多不同的地方。例如獵戶座的乘員艙比阿波羅指令艙大兩倍，被稱為吃了類固醇的阿波羅。這使它可以搭載4到6名航天員，還能運送更多物資，為將來連續登月做準備。
獵戶座的服務艙由歐洲航天局研製，能以太陽能作為動力，而阿波羅用的是電池，提供的電力十分有限，無法用於建立月球基地。
相比一次性使用的阿波羅，獵戶座的外部防護層可以更換，因而該飛船能重複使用，可以顯著降低成本。
在月球上，阿波羅登月艙只能降落在赤道附近區域。但NASA稱，獵戶座的月球著陸器可以在任何區域著陸。
獵戶座還是多用途飛船，除了載人登月，還能用於載人登火、載人登小行星，以及空間站往返運輸。
此外，阿波羅返回時只能落在海裡，獵戶座不僅如此，還能通過空氣緩衝氣囊或者減速火箭，直接降落在陸地上。
除了上述“交通工具”，近年來美國也湧現出一批航天“新勢力”，紛紛喊出了登月口號。
例如SpaceX公司的獵鷹重型火箭已完成兩次發射，研製進度無疑遠超SLS，但以其運載能力來看只能算準重型火箭，而且還沒有證明具備載人能力。與之搭配的載人龍飛船目前只是針對近地軌道運輸而設計，僅攜帶一個假人試飛過一次，而且最近還在地面試驗中爆炸了。所以何時能依靠“獵鷹+龍”實現載人登月，現在還很難說。
藍色起源公司也提出了“新格倫”重型火箭計劃，聲稱計劃在2020年首飛。該公司還推出了一款“藍月”登陸器，不過這是貨運飛船，不能用來載人。
所以，人類下一次將乘坐哪種交通工具登上月球，還得走著瞧。
來源：科技日報 圖片由本文作者提供
編輯：陳小柒
審核：王小龍
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