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一次花41亿美元!美国登月为何如此烧钱?

关键词:月球,火箭会,技术,发射,计划,阿波罗,SLS,星舰,NASA

是土星五火箭是将阿波罗飞船成功带上月球的火箭

丨划重点

  • 1阿波罗登月是事实,只不过当时由于技术限制才导致国旗出现褶皱,星星无法拍摄的情况。
  • 2“阿尔忒弥斯”计划最终会在第三期会实现载人登月,大概在2028年左右,它会作为未来人类火星探索的一个跳板。
  • 3土星五号由于当时的零部件都是外包给个别厂商,设计方法也在厂商手中,如今若想复刻难度极高。
  • 4一发SLS火箭价值41亿美元,堪比一艘不装载武器系统的航空母舰,尽管有性能方面的升级,但作为一次性火箭,成本仍然很贵。
  • 5NASA当年在启动SLS火箭项目时,马斯克的SpaceX太空探索公司还没有那么强,没有人预想到今天他会是一个强劲的竞争对手。

丨概述

时隔近半世纪之久,人类登月旅程又将再次开启,美国宇航局(NASA)的“阿尔忒弥斯1号”预计于当地时间8月29日8时33分进行发射,开展相关登月任务,但由于出现燃油泄漏导致本次发射时间不得已推迟。“阿尔忒弥斯1号”是一次无人测试飞行,搭载六人座太空舱“猎户座”,通过人体模型评估新一代宇航服和辐射水平。另外“阿尔忒弥斯1号”采用NASA有史以来最强大的运载系统:太空发射系统(SLS)undefined为其提供880万磅的核心级推力。NASA局长比尔·尼森表示,这次飞行将全面测试火箭和太空舱的能力,以确保人类太空飞行的安全性。人类再次登月又会在何时到来,我们还需要耐心等待。

8月29日星球电台04期:揭秘阿尔忒弥斯计划:美国再次登月之后,下一步做什么?特邀青年科学家彭天放线上直播解读阿尔忒弥斯1号发射任务的看点,美国未来的登月计划以及登月之后的下一站。

以下是本期直播文字精华版:

01

阿波罗登月是事实,技术限制导致大众怀疑

聂森: 许多网友认为从阿波罗计划拍摄的视频和照片是在摄影棚里面拍的?从航天界专业的背景来看阿波罗计划究竟是真的还是假?

彭天放:这个问题确实经常被提起,我觉得当作笑谈就好,阿波罗登月肯定是事实。一个国际性的事件是很难造假的,我国的欧阳自远院士也是多次对这件事情表达过自己的观点,不管是从技术的角度上还是其他角度,当时披露的信息,包括我们通过月球的观测也都拍摄到阿波罗登月切实存在,它的登月的痕迹证据都是非常完善的。另外如国旗展开,是不是有类似风吹的褶皱,包括像无法看见星星,都是能够解释的,可能确实因为当时传感器技术不够好所导致无法呈现星星。美国国旗也可能是在展开时有一些褶皱,并且月球上因为没有空气,它会让国旗抖动很难消除,都是很正常的现象。

阿波罗号中的宇航员登月,图源:BBC

聂森:我记得摄影爱好者还专门解释过,因为月球上明和暗的地方的,它的光比非常大,哪怕现在的摄像机、照相机的传感器去拍类似的画面,明亮的地方拍清楚,黑暗部分必然是一团黑,它们不会展示出任何的细节。要想把星星拍出来,亮处已经亮成一片白,什么细节也看不到。所以这是我们技术的原因。我国也曾发布过嫦娥环绕月球的轨道器,拍摄的月球表面照片。包括阿波罗登月的痕迹,月球上车开过的痕迹都能够显示出来,所以总体来看,阿波罗计划是不太可能造假的。

02

“阿尔忒弥斯计划”将承载人类再次登月的可能

聂森:需要给大家普及划一下什么是阿尔忒弥斯计划,马上就要发射的SLS火箭都要承担哪些任务,计划大致的过程是什么样的?

彭天放:阿尔忒弥斯名字的来历,来源于希腊神话中的狩猎女神,是阿波罗的同胞姐姐,所以与阿波罗计划相当于是一脉相承的关系,是美国第二次重返月球的计划。当然,美国重返月球的想法,从20年前小布什那时有星座计划,但是他们重返月球的意愿一直不是那么强,只是口头上喊一喊。所以很多的事情,虽然在零几年时也在开发,比如说阿尔忒弥斯用到的猎户座飞船,其实在2006年就开始承包给诺格公司去开发。但是,当时并不叫阿尔忒弥斯计划。

直到奥巴马时期,星座计划因为花钱太多又被取消掉。特朗普上任之后,认为需要重返月球,最后终于下决心并以阿尔忒弥斯计划命名,但是重返又不能像阿波罗一样再去一趟,显得没有技术含量,所以当时阿尔忒弥斯计划设定的最终目标,不是完成登月目标,而是希望能够在月球的南极附近建立一个相对永久的科研型的主流地。所以阿尔忒弥斯计划就比阿波罗计划听起来更吸引人。

第一艘搭载的SLS太空发射系统的火箭算是第一期计划,SLS火箭携带猎户座飞船飞至月球,飞船上会携带几个假人,绕月一周,对整个系统进行测试,这是第一期。第二期为载人计划,但是第二期载人,但是也会绕月一周不做登月。预计是在2022年完成,但是现在这些计划大概率会延期,NASA方面也一直在推迟时间点。最终会在第三期会实现载人登月,大概在2028年左右,我们希望美国能够在月球上建立一个基地完成某些科研任务,甚至作为未来人类火星探索的一个跳板。所以这也是阿尔忒弥斯计划的完整想法。

聂森: 它还要发射一个叫月球门户的一个空间站,围绕着月球来运行。也就是说未来探索火星也会从月球门户空间站来出发前往火星。这种轨道规划方面是比从地球直接出发有优势?还是有什么其他的道理?

彭天放:其实社会一直在讨论,怎么去火星?地球上直接发射火箭的成本实在过高,脱离地球的引力就比月球强很多,假设人类将来移民火星,每一次都从地球坐车,成本太贵,所以不光是美国,我认为中国也会去构想需要月球作为一个跳板。比如一个火箭飞到月球的附近或者飞到月球的基地上,补充燃料和补给,再去飞往火星,从长期来看是一个可持续运营的结构。目前NASA披露的也是他们将来会将月球作为迈向深空的跳板。当然,只是现在提出的一个大致的想法,要说真正披露的工程细节,成本最终能够降低多少?在月球上究竟要实现哪些零部件或者燃料的加注或者补充现在也没有明确的表明,只能留给之后的工程师慢慢的去探讨。

03

设计方法特殊,让土星5号难以复刻

聂森: 美国为何不复制土星五火箭,传说中的土星五的火箭设计图都已经丢失了,这是真的吗?

彭天放:设计图丢失,我觉得也不是完全没有可能,但概率确实很低,阿波罗计划作为美国一个国家的工程,据了解它的设计图当时会微缩成胶片,设计的图纸应该都是在的。但是,不复制土星五火箭其实我觉得有几方面的原因:第一方面原因,是土星五火箭是将阿波罗飞船成功带上月球的火箭,它本身的技术目前看来有一些是比较落后的,安全性也不是很高,举个例子,首先土星五火箭,它是烧煤油燃料,这次发射的火箭是用氢氧作为燃料。所以就燃料本身上来讲,它的推力,包括相关的发动机性能都会有一些提升。

另外土星五火箭也是将近半个世纪之前的产品,根据美国的体制,很多零部件都会外包给民营厂商去生产,在经历半个世纪之久,再去把当年的厂商找出来,合力造一个火箭,可能很多公司已经倒闭了。产业链断连,是一个很重要的原因。土星五火箭它相对性能上比较落后,很多安全性的设计因为当时美苏航天竞赛,所以有一个竞速的问题,土星五火箭上的很多设计相对来讲牺牲了一些安全性的考虑,所以很多方面需要重新设计。

还有一个很重要的原因,S L S火箭早期的来源,是从航天飞机改造而成的,很多的零部件是外包给波音,但是它的火箭发动机,整体的结构设计,在当零几年美国取消航天飞机的计划时,当时很多的技术,正在开发的很多东西,也需要利用起来不能浪费,所以NASA把它用来开发一个新的火箭,它是有技术惯性存在的,将原来航天飞机很多技术应用在此。这也是一个很重要的原因。为什么不去造土星五号是因为有这样一个惯性存在。

04

41亿一发火箭,用钱砸出来的SLS

聂森: 下一个问题是SLS火箭都使用哪些新技术和旧技术?

彭天放:SLS火箭首先肯定是一个新型号的火箭,十几年前就已经开始设计,当时美国的航天飞机项目下马,下一代的深空探测,月球探测用什么技术?当时没人会想到马斯克这么厉害,猎鹰九号都没试验成功,更别说星舰。所以NASA自己研发SLS太空发射系统,这样一个新的火箭项目,它肯定是美国新一代NASA官方开发的发射系统。它的新技术我个人理解主要体现在它的结构设计理念上,比如它的整体两边捆绑两个固体。

阿尔忒弥斯1号,图源:NASA

主推系统使用与土星五号不同的氢氧发动机,叫做rs-25,性能很不错的。当然,你说旧技术就是rs-25,这个发动机本身当时是为航天飞机研制的,SLS火箭本次发射就是四枚rs-25火箭拼到底部,这本来都是当时给航天飞机研发的库存翻新一下,而且四个发动机的编号,也表明很早之前就生产出来,它不是专门为这个火箭新造的,所以这些也传承了以前航天飞机很多旧的技术的。

聂森: SLS火箭比土星五火箭的运载能力大了多少?

彭天放:我觉得是一个很有趣的点,就是SLS火箭它分两个型号,一个叫Block 1一型,Block 2二型,即将要发射的是一型,一型现在披露的最大近地轨道的运载能力是95吨,土星五号其实是140吨,也就是说SLS火箭它的运载能力其实比半个世纪之前的土星五号还要还要降低一些。NASA自己也有解释,这次型号一个是性能更好,机动性也更强。甚至表明可以做得更便宜,尽管没有阿波罗计划所花费的那么多,但是业界对此也有争论,SLS火箭的研发经费接近两百亿美元,巨额开销但只拿到95吨的运载能力,到底改进了什么?包括很多部分是沿用航天飞机的零部件,就是翻修一下为什么要花那么多钱?美国媒体也有争论,但是新型号的火箭比土性五号确实在安全性上有提升是一定可以确定的。

聂森: SLS火箭到底有多贵?它已经花了200多亿美元,按照美国媒体公布的连续三发它的成本应该都是四十一亿美元一次发射,对吗?

彭天放:四十一亿美元一发。当于建一个航空母舰的成本,而且还是一次性的。虽然航空母舰不包括它里面的武器系统大概就有四十多亿美金,但再有钱也承受不了这样的消耗。这也与土星五号很相似,当年在美苏登月竞赛时,土星五号的一发成本也相当于当年建一艘航空母舰的价格。如果发射一发火箭就相当于报销一艘航空母舰,贵的很离谱。对比一下,整个阿波罗计划,当时在半个世纪之前花费近280多亿美元的量级,换算到今天大概是2800亿美元,SLS火箭到现在为止,研发第一枚花了两百亿美元。

现在阿尔忒弥斯计划披露可能最终会发射5-8次,最保守也要将近小一千亿美元,也因为是NASA主导的,所以按照NASA花钱的特征,估计仍然会上涨。SLS火箭我个人觉得还是很贵的,而且它是一次性的,这是最大的问题,现在整个航天界也正在逐渐进入可回收的时代,在这样的情况下研发一次性的火箭,成本上来讲确实有点贵。

05

NASA未曾设想SpaceX会成为竞争对手

聂森:登月计划要使用两种新火箭,除了SLS火箭以外,还有马斯克的星舰,这是为什么?

彭天放:业界说法有很多,可以从两个角度可以去理解。SLS火箭负责发射月球空间站还有早期的一些基础设施包括探测搭建,月球的登月舱可能是由马斯克的星舰发射,与空间站对接,分工不一样,这是一种说法。另外一种说法个人感觉会更贴近实际,NASA当年在启动SLS火箭项目时,马斯克的SpaceX太空探索公司还没有那么强,没有预想是未来一个强劲的竞争对手。今天来看,星舰计划也好包括像蓝色起源(贝索斯的商业太空公司)很多的商业的航天在最近的五六年发展非常快,所以NASA考虑到将来也可能面临着来自于美国国会对于成本的压力,就将这个任务交付马斯克完成,所以这也从侧面反映,为什么要去用两款大火箭。

星舰实物图,图源:未来汽车日报

聂森: 实际上这马斯克的星舰到目前为止连一次轨道飞行都还没有进行,原计划是今年可能进行第一次轨道飞行,但是要保证成功,估计马斯克自己也不敢拍胸脯说一定成功,这个需要看马斯克自己的努力。

聂森: 这个计划还涉及一个猎户座飞船,但是这个飞船并不会降落到月球表面上去。您能给大家介绍一下猎户座飞船是怎么回事吗?

彭天放:了解到阿尔忒弥斯计划,它的整个登月过程与阿波罗略微有区别。猎户座飞船是与洛马公司联合开发的飞船,预计将六名宇航员承载到月球周边的轨道上围绕着月球飞行,更多的是作为一个通信和指挥的功能而存在,至于未来真正要实现登陆,可能要专门去发射月球所谓的着陆舱,比如说猎户座跟它进行对接到一起发射还是单独另外发一个火箭作为它的二级或者三级的载荷发射上去。不过NASA还没有完全确定,大概是这样的情况。

聂森: 登陆包括着陆在月球上的部分是到底是由S L S发射还是由将来的马斯克的星舰发射?在月球表面降落如此大的一个火箭,能够直接在月球表面的降落,它的体积可比月球的门户的空间站还要大。

彭天放: 因为星舰连一次成功完整的发射还没有完成,而且应用了一些风险性的技术。所以我觉得包括NASA最后会把登月舱的订单交给谁,选择偏保守的,还是偏激进的方案,都还是一个未知数。猎户座我了解到它是有重复使用的功能,猎户座飞船比如将来有登月舱,就可以载人回到猎户座飞船上,自己再推一把,便可以返回地球。整个猎户座中的通信系统、指挥系统,都是可以装到下一次发生任务时再继续使用,所以猎户座它的设计考虑到可重复使用的问题。

聂森: 包括猎户座飞船,其实美国波音公司也有一个飞船是载人飞船,它似乎是跟猎户座是有区别的,猎户座是可以做到星际旅行飞到月球上,但是波音的载人飞船是无法进行星际旅行的。而且据说星际飞船,它对于宇宙射线防护要比低轨的载人飞船更高,因为月球已经飞出地球的防护层之外了,所以猎户座要更牛一些,比波音的载人飞船更加复杂,况且波音飞船毛病有许多尚未解决。

聂森:阿尔忒弥斯计划的月球登陆器是什么?

彭天放: NASA也是与时俱进,月球登陆器现在采用的方式就是外包给商业航天类型的公司来完成,目前应该有三个型号,准备去做登陆器,而且其中最显眼的就是星舰,个头非常大,有将近50米高,一个巨大的月球着陆器。星舰的一级火箭将二级的着陆器推到太空中之后,再自己落回地球,可重复使用,第二节飞到月球着陆,也可以返回地球,所以利用到可回收这种非常前沿的概念,而且运载能力大,登陆月球运货、建立基地,但是技术难度也大,而且现在距离技术成熟,还有一段距离。月球的登陆舱还有一个非常神奇的功能,它是可以在太空中完成类似于地球上战斗机在空中加油的效果。月球登陆舱是号称可以发射一个燃料仓,再发射一个月球的着陆舱,公布过模拟动画,两者对接燃料为着陆舱加注,这样着陆舱可以飞得更远或者是能够再重返地球。运用很多新的概念,目前是最激进的。

不太激进的就是亚马逊创始人贝索斯的蓝色起源,现在也在研发着路器,但是体积较小,高度在11米,整体感觉虽然更新了一些设计,但与当年的阿波罗实现的功能是相接近的,达到完成一些实验再返回的效果。另外还有一家Dynetics公司,它们研制的绿色登录舱比阿波罗甚至还要略小一点,整体结构设计看起来更像传统的登录舱。目前主要应该是这三款在相互之间竞争了。

聂森:网友们很多都看好马斯克的登陆舱,尤其是他的星舰,不过马斯克的星舰真的能登陆月球吗?星舰比起S L S来说有什么优势?

彭天放: 星舰可能要看有几项关键的技术能否真正实现突破,比如说星舰的发动机,火箭发动机与猎鹰九号是不一样的,猎鹰九号的发动机梅林发动机燃烧的是煤油,整体成本比较低,技术上也比较落后,主打的概念就是拿特别便宜的发动机,拼一个重型火箭进行发射,但是梅林发动机推力比较差,不可能拼凑多个梅林发动机,星舰无法做到,所以它为此专门开发新的火箭发动机:猛禽发动机。

猛禽一型、猛禽二型的火箭发动机目前来讲,是以全循环的概念为主,它将所有的燃料做成两套,压缩机循环后注入到火箭的燃烧舱室中,再去发射,再去燃烧,将气体喷出去,这个技术相当困难。而且它烧的燃料是是甲烷。还不是SLS火箭用到的氢氧燃料,所以甲烷的火箭发动机也是一个创新的路数。通过此方式实现一款性能很好、可靠度很高的火箭发动机是需要去了解的,毕竟这款型号也没有经历过多次的发射,是否会出问题?另外星舰为了轻量级去做火箭里面尝试了很多新的技术,发动机的零部件用到3D打印,燃料仓用碳纤维包裹,实现轻质化的燃料仓,这些技术可靠性都需要经过单独的实验进行验证。前景很好,但是实现起还是有待考虑,我个人是个比较乐观的,所以是期待能够成功的。

另外对于马斯克将33台猛禽发动机并联,我觉得这是马斯克一贯的创新思路。他在做特斯拉电动车时就将很多特别小的18650电池绑到一起变成电池包,然后多个电池包再整绑到一起,变成大的电池盘。通过很多小的便宜的东西,做成一个大的可靠的给大型装备去使用。它最终核心的一个技术,叫做电池管理系统。把整个电池均匀放电,不要有单独的出现问题、故障,如果出现必须控制在可控的范围内,不要影响整体的可靠性能,我觉得这个方法论是可以迁移的,像猎鹰九号也好或者是星舰33个发动机绑在一起进行控制,怎么去进行可靠性的调控,有些方法论是可以迁移过来的。这就是马斯克一贯的用一些低成本的阵列式元器件去组成一个大型的装备,他有这方面的经验。

星舰与SLS的优势怎样去比较?刚才提到一个最重要的优势,就是星舰主打的可回收概念,这个是非常重要的,因为它便宜。SLS火箭一次就将四十亿美元扔掉,美国现在也没那么有钱,消耗不起这样的发射。印象中马斯克号称它实现一次发射的成本,对外宣称可能会有一些水分,但就是千万美元的级别,可能都不到一亿美元,就是四十分之一,这是保守估计,这确实让NASA脸上没有光。

另外一个优势是星舰用甲烷做燃料为什么会要用到甲烷?其实是因为星舰并不是一款只面向月球探测用的火箭,将来这个技术是号称能够在火星上发射的。火星上发射用甲烷有一个比较重大的好处,火星大气层里面有很多的二氧化碳。借由一些简单的化学或者生物合成的技术在火星本地是可以现实以比较低廉的成本去生产甲烷,所以未来可能从火星上加注甲烷燃料,还能回到月球,或者回到地球。

聂森: 阿尔忒弥斯的月球门户空间站会起到什么作用?空间站的建造规划是怎么样的?能不能最终实现? 建立月球基地是否已进入实施阶段?

彭天放: Gateway就翻译过来就是深空门户或者叫门户空间站,这是与阿波罗登月计划最主要的一个显著区别。要建立一个空间站,持续围绕着月球表面一两百公里高的水平去运行。起到两个作用,一个是对月球表面的一些探测器进行信号的支持指挥,另外则是为了维持将来在月球上要有一个长期的基地,很多东西与其放到月球表面不如放到环绕月球高速旋转的空间站更划算,如果将货物放到月球表面相当于把速度降到接近为零,那样会损失很多动能。

如果将一些东西放到空间站上去旋转,一方面,有信号的方面的优势,另外一方面,就是地球上发射一个东西过去,与空间站在高速情况下做对接是比较省能量的,空间站上想返回一些东西也是相对来讲容易的。再加上,月球表面的环境其实也没有那么差,但是肯定比太空的环境还是要略微复杂一点,至少对我们来讲还是相对陌生的环境,所以有一个空间站去对地面的人员进行支持,我认为作为一个系统工程来考虑,应该能让整个系统的可靠性会更高一点。空间站建造规划应该是分2-3次去完成搭建,但也只是说法,能不能实现搭建还不确定。而月球基地目前只是我理解提出的一个概念,因为月球基地真正要实现它需要克服的困难。

我觉得可以是整个阿尔忒弥斯计划中最大的:空间站,相比再登一次登月着陆的着陆舱,甚至星舰,比起长期的月球基地难度都要大很多,当然我理解的这个事情也是认真的在探讨。这一次火箭上,除了猎户座飞船之外还搭载了一些小的月球附近探测的卫星。去完成像细菌的生存情况实验,包括月球表面辐射环境的测量,以及各种各样方面的环境测量,我个人了解也是为将来在月球表面建立一个永久的实验站去做铺垫。最终能不能做到还需要看各个国家的决心。至少中俄也提出过月球科考的国际的月球站。

06

探索月球“0收益”?中国探月之路还很长

聂森:中国的未来的登月火箭有哪些?

彭天放: 我国的火箭就是长征系列,长征五号是了解到的运载能力最强,目前现役的火箭,运载能力方面飞到月球转移轨道也有将近八吨的运载能力。其实完成月球的登探月活动,甚至载人登月活动,这个运载能力也刚好满足够,未来很有可能长征五号成为未来我国探月的一个主力型的火箭,跟5号一起开发的还有6、7、8、11号,各自都有不同的目的,都承担了不同的发射任务,5号目前看来还是深空探测,比较主力的一个型号,6、7、8号,还是面对一些禁地包括太阳同步轨道,发射的11号是一个快速响应的固态火箭,当然另外还有传说中很少露面的长城九号,我个人是非常期待的,我们民间会期待它成为所谓的中国星舰,后期与俄罗斯一起在月球上建立科考站很有可能它会是未来这件事的主力。

长征5B运载火箭,图源:新华社

聂森:月球探索是非常常烧钱的,虽然是科学无价,但是一直烧钱也容易降低人们的支持率。所以人类可以从月球获得什么样的经济收益?

彭天放:社会上传播比较广的就是月球上有氦三可以运送回地球做核聚变发电的燃料。具体划不划算,可以类比阿波罗登月计划,它花了两千八百多亿美元,换算成今天的消耗1800多亿美元,花费虽多但是它创造的经济价值也是很大。举几个例子,因为人类找到一件共同能够认可的、特别艰难的科技性的任务,去攻关完成,在这一路上往往会非常意想不到的收获。很多新的分支的技术会给我们的生活,产生很大经济上的收益。举个例子,CCD相机的光学传感器,每年全世界的市场就有将近400-500亿美元的市场,这个技术之所以发展的成熟,得益于当时阿波罗计划需要去开发一个以便携式半导体工艺为基础的光图像传感器,再加上星际的通信技术。将来我国的6G网络所谓天地一体化网络,低延迟和实现高精度的卫星的遥感和控制,很多技术只有一个经济目标是没有动力去花那么多钱突破技术攻关,必须要定一个比这更难的目标,顺便把看起来不那么难的技术节点突破,还能创造经济收益,我觉得这个可能反而更切实际。

聂森: 经济效益的从目前来看,人类还没有在月球上发现什么价值非常高的矿产是地球上没有的,只能从月球上获得或者说是地球上有,但是从月球上可以相对容易获得再运回来,目前没有发现这种情况。哪怕在月球上发现一个金矿,运回地球比我们在地球上开采金矿能便宜多少?更不用说氦3开采,还都属于科幻小说的范畴,所以我们现在能直接发现在月球上有什么样的矿场给能够让我们登月能够直接获得经济收益几乎没有那,我们在实施登月的过程中能够发明更多的新技术可能会为人类带来更大的效益,这才正常的一种考虑。

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发布日期:2022-08-31 14:33:27

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