重返月球，世界最强火箭成功发射

1967年11月9日，肯尼迪空间中心，土星五号登月火箭首次发射。

SLS发射前登月火箭与月球同框画面（图源：NASA）

2022年11月16日，肯尼迪空间中心，太空发射系统（SLS）登月火箭首次发射。

时光一晃，人类唯二投入使用的登月火箭，竟然相隔了55年之久。但它们有个共同的目标：征服月球。曾经，是以古希腊神话中太阳神“阿波罗”命名的登月计划；而如今，则是用月亮神“阿尔忒弥斯”命名的重返月球计划。在传说中，这两位神是双胞胎，没有比用它们来命名两大计划更酷的了。

一、太空发射系统的前世今生

“阿波罗”登月计划是上世纪人类太空竞赛的巅峰，美国获得了巨大的成功：不仅有12名宇航员顺利登上月球表面，还获得了极大的国际影响力，彻底击败了苏联的登月梦。

成也萧何败也萧何，苏联最终决定放弃登月之后，“阿波罗”登月很快就显得性价比极低：一方面，进行到第17次任务后，已经很难再有新的发现，月球已被证明是贫瘠的星球；另一方面，项目花费太高，在1967年美国宇航局NASA甚至用掉了联邦预算的4.5%，是今天比例的10倍。例如，仅土星五号登月火箭单次发射费用就相当于今日的20亿美元，实在太贵。

土星五号火箭的历次发射（图源：NASA）

因而，土星五号火箭在使用了仅6年后遗憾落幕。与它有关的项目、资金和人力资源，投入到了后来的航天飞机计划中，成为1980-2010年代NASA最大的项目。但随后它也遇到了类似的问题，单次发射费用过高（15亿美元），在不少项目中犹如“杀鸡用牛刀”的效果，尤其是在商业航天崛起后航天飞机项目显得比较尴尬：与商业火箭同样的运力，10倍的价格，还得让7名宇航员冒生命危险，不太值。

在这种背景下，航天飞机项目最终在2011年谢幕。但为了保持航天飞机在深空发射和大型载荷的发射能力，同时支持未来的重返月球计划，NASA急需一款能扛起大梁的重型运载火箭，这就是SLS出现的时代背景。

SLS的设计方案，更像是航天飞机的“火箭版”，由于不用像航天飞机一样运送巨大的“机舱”进入太空，它能运送更重的载荷，实现跟土星五号接近的运力。

仅从外表看就能发现SLS和航天飞机有着明显的代际传承（图源：NASA）

SLS的四台核心发动机是RS-25D，是航天飞机的主力发动机，早就验证了优异的可靠性和可复用性，几乎从未出过重大问题，是人类液氢液氧火箭发动机技术的天花板。核心级，即不带任何涂装的“大橙罐”，主要装载液氢液氧推进剂和核心发动机。此外，它的核心推力来自两个固体助推器，也是升级版的航天飞机助推器。自重725吨，推力却高达1600吨，一个助推器就可以推起一枚长五火箭（起飞重量约870吨），确实是暴力怪兽。

按照核心发动机能力（RS-25D和RS-25E），上面级能力（三款）和固体助推器能力（三款）的组合，SLS会有Block-1、Block-1B和Block-2三个主要型号。在本次发射中，是近地轨道运力约100吨的Block-1型。而最终版本的Block-2型同等运力超过130吨，月球转移轨道运力达到45吨以上，直抵甚至超过了曾经的土星五号登月火箭。

总体上说，SLS将会成为扛起NASA发展一个时代的“大杀器”：轻易不出马，出马就是能上特大新闻的航天项目。

二、第一次发射的主要内容

兵马未动，粮草先行。登陆月球最需要的支撑不仅仅是SLS登月火箭，还要有猎户座深空探测载人飞船、深空门户环绕月球空间站、月球表面着陆器和上升器等项目先后上马，截至目前各项目已耗资超过500亿美元，堪用“吞金巨兽”来形容。

第一次发射，即“阿尔忒弥斯1”任务，就是这些大型项目的首次全系统检验。按照计划，这次任务持续4-6周，在月球附近释放猎户座飞船和一系列小卫星。猎户座在完成既定任务后，重返月球并溅落大洋被回收。

“阿尔忒弥斯1”任务的全系统流程（图源：NASA）

在具体实施阶段，这次任务包括了17个核心节点，基本把对火箭和飞船的所有核心指标测试完毕。其中，在离开地球时，需要测试升级过的LC39火箭发射平台全系统能力，这里曾经是“阿波罗”登月计划的起点，但时隔50年已经是截然不同的火箭，这个平台能否“老当益壮”，决定了任务的成败。

在离开地球阶段，需要经过复杂的双助推器/整流罩/逃逸塔分离、核心级分离、机动变轨、离开环绕地球轨道并切入月球转移轨道等一系列操作，这基本是当年土星五号火箭的固定业务流程，需要精准复现出来。在这个过程中，猎户座飞船会从火箭上面分离出去，后者随后布置10颗小卫星。

在飞往月球的途中，猎户座需要进行长时间机动，以确保能准确与月球相遇。不同于其他的月球探测任务，飞船主体在本次任务中并不会环绕月球，而是借力月球进入一种叫做“远距逆行轨道（DRO）”的特殊轨道。这是一种地月系统内极其稳定的轨道家族，在这里维持运营所需的推进剂消耗极少，因而成为未来地月空间探测乃至载人空间站的不二之选，是近些年月球研究的一大热点。我国在嫦娥五号任务和中科院新一批“先导专项”中，都把DRO轨道研究作为重点突破，意义可见一斑。

“阿尔忒弥斯”首次任务，也自然是通过对DRO轨道的实际飞行，为未来任务积累宝贵的飞行经验。预计猎户座会在这里飞行不低于6天，在充分获取数据后，自主离开，最终返回地球大气并溅落海上。

需要注意的是，从月球附近返回的航天器抵达地球的速度会接近第二宇宙速度（11.2km/s），远超从环绕地球轨道返回的第一宇宙速度（7.9km/s），与大气摩擦产生的热量差距有近3倍，对航天器防热和结构强度的要求大幅提高，这也是猎户座飞船“最艰难”的时刻。

时隔50年后，Arturo Campos获得了“飞行”去月球的机会（图源：NASA）

SLS是个载人登月火箭，自然最核心的测试是猎户座载人飞船的载人能力。首次任务带真实宇航员冒险不现实，取而代之的是真人比例模型。这次发射携带了一个叫做“Campos船长”的假人，该模型以曾经解决了阿波罗13任务重大问题的工程师Arturo Campos命名。相应的，还有一个假人与之伴飞。它们一个会被严格防护，一个则会尽可能暴露，以测试空间辐射等对人体的影响。两个模型上搭载了各种复杂的传感器，用以检验飞行过程中的各项指标。此外，还有NASA载人航天象征的“史努比”玩偶和欧空局载人航天象征的“小羊肖恩”玩偶陪同。

强大的运力不能浪费，SLS给不少科研机构留下了搭载空间，用以完成各种月球探测任务。如前文所述，它将搭载并释放来自美国、意大利和日本的十颗小卫星，这是探月历史上前所未有的新纪录。这些小卫星功能各不相同，包括空间天气、月球遥感、地球观测和新技术验证等诸多方面，可谓是一个庞大的月球探测舰队。

三、SLS的未来

在首次任务之后，“阿尔忒弥斯”将会继续使用Block-1型号进行两次任务。在第二次任务中，就会直接进行载人环绕月球的飞掠探索，预计将于2024年进行。而在2025年就将进行第三次任务，携带4名宇航员飞往月球，其中两人实现月球登陆，真正实现“重返月球”的探测目标。而最终选定的月球表面着陆器方案，由于有SpaceX等商业公司的参与，完全不同于曾经“国家队”主导的航天发展环境，也让人充满期待。

“月球门户”月球空间站艺术构想图（图源：NASA）

而在后续的任务中，月球“空间门户”空间站将会逐步建立完毕。它将稳定运营在地月空间内，一方面保持与地球客运航班的稳定交流以实现长期驻人，另一方面按需登陆月球表面并维护稳定的月球基地。而在更长远的打算中，这里也会成为最佳“跳板”，为火星探测、小行星探测和其他深空探测任务提供稳定的平台。毫无疑问，这意味着一个庞大的国际合作框架，有二十余个国家参与其中。

不过，几乎不出意外，SLS又成了一款“火箭刺客”。目前，它的单次发射价格预计不低于20亿美元一次，达到甚至超过了土星五号的水平。仅以核心发动机RS25-D为例，以洛克达为SLS火箭供应发动机的合同来看，单台发动机的费用就高达约1亿美元，然而SLS一次发射就要扔掉4台。要知道，当年昂贵的航天飞机可是3台反复使用啊。

虽然出发伊始就是为了干重大项目的，但这价格也实在是太过离谱。而且由于研发大幅超过预期，导致SLS的首次发射连续推迟了18次，延迟超过5年之久。相应的，整体研发费用进一步飙升，量产速度也不如预期，后续的发射排期反而紧张起来，导致它未来基本只计划用来服务于“阿尔忒弥斯”计划。

NASA新一代木星探测器“欧罗巴快船”（图源：NASA）

以之前的“欧罗巴快船”订单为例。作为NASA新一代旗舰级木星探测任务，这个项目预算极高、本被SLS的发射费用没那么敏感，但SLS的排期不断延后，导致这个任务似乎很难如期拿到火箭发射机会，最终订单流失。“欧罗巴快船”的订单最终被SpaceX的猎鹰重型火箭拿走。它的深空运力虽然大不如SLS，但依然是SLS服役前世界最强火箭，遥遥超过其他所有现役火箭。关键是，报价仅为SLS的十分之一，即便是发射能力导致任务不能直抵木星，也无法让NASA抵抗的住这超高的性价比。

星舰已经进行过了推进剂加注和点火试验，等待首飞（图源：SpaceX）

与此同时，与SLS同等级别近地轨道运力的星舰也在摩拳擦掌等待测试。SpaceX已在这个项目投入了巨大资源，先后炸掉了近20架原型机，终于要等来首飞时刻。如果星舰真的能实现全舰复用和单次千万美元发射费用，那SLS就更显尴尬了。

二者能力相当，价格差20倍，谁会更香呢？