本文来自微信公众号：腾讯太空（ID：qqtaikong），作者：乔辉，原文标题：《一拖再拖，美国巨型登月火箭终于发射了！一文看尽十大精选知识点》，题图来自：视觉中国
北京时间2022年11月16日14时48分，美国研制的世界最大推力火箭（Block1）搭载猎户座载人飞船发射升空，执行阿尔忒弥斯1号绕月飞行任务，发射地点位于卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心。
本次是测试发射，飞船中有三个假人模型，身体内装有各种传感器，用于记录在飞往月球、绕月飞行以及返回地球过程中的科学数据。按照计划，从发射抵达月球，绕月飞行并返回地球，全程大约持续6个星期。
在此之前，阿尔忒弥斯1号任务因传感器故障、燃料泄漏及飓风逼近等各种因素多次推迟。
图注：固体助推器分离瞬间，图源：NASA
一、阿尔忒弥斯计划VS阿波罗计划
图源：NASA
阿尔忒弥斯计划类似于上世纪的阿波罗登月计划，这是由美国发起的载人航天项目，主要由太空发射系统（SLS）、猎户座飞船、月球轨道空间站以及商业化的登月系统（SpaceX的星舰是重要候选者）组成，最终目标是让宇航员重返月球，并建立长期的月球基地，甚至为未来载人登陆火星任务铺平道路。
在希腊神话中，太阳神阿波罗和月神阿尔忒弥斯是宙斯与勒托的子女。阿波罗是位多才多艺的男神，他的姐姐月亮女神阿尔忒弥斯常常手持弓箭，在林莽和山野间与侍奉她的众仙女狩猎。因此，阿尔忒弥斯计划与阿波罗计划遥相呼应，更适合给探月计划命名。
我们知道，从1969年到1972年，阿波罗计划共成功实施了6次载人登月，先后把12名宇航员送到月球表面。自从1972年阿波罗17号登月之后，时隔半个世纪，除了无人探测器，人类再也没踏上过月球表面，因此，阿尔忒弥斯计划的初期目标是让宇航员重返月球，结束半个世纪的人类登月“空窗期”。
图注：这是大家都熟悉的微信开机画面，图中的地球是1972年阿波罗17号宇航员在飞往月球的过程中拍摄的，当时距离地球约29000公里。
如果说阿波罗计划的主要目的是去月球打卡，那么阿尔忒弥斯计划更多是奔着科研和开发月球去的。
但美国的重返月球计划也是一拖再拖，比著名的“鸽王”韦布望远镜也好不到哪里去。单从研发经费上看，截至目前，太空发射系统本身的研发费用已经超过了230亿美元，单次发射的费用也高达20亿美元。
二、阿尔忒弥斯载人返月分三步走
按照目前的计划，载人登月安排在2025年执行的阿尔忒弥斯3号飞行任务中，届时将有4名宇航员搭乘猎户座飞船飞往月球，其中2名宇航员最终会降落到月球表面执行任务，包括1名女性。
8月19日，美国航天局公布了阿尔忒弥斯3号任务着陆月球的13个候选区域，全都在月球南极，科学家对南极的永久阴影区域非常感兴趣。
图注：美国航天局公布的位于月球南极附近的13个潜在的载人登月区域，图源：NASA
前面我们提到阿尔忒弥斯1号是无人绕月飞行，阿尔忒弥斯3号是载人登月飞行，那么阿尔忒弥斯2号执行什么任务呢？按计划，阿尔忒弥斯2号2024年执行首次载人绕月飞行，为阿尔忒弥斯3号载人登月做技术测试。
因此，总结一下，按照时间线是这样：2022年阿尔忒弥斯1号无人绕月飞行、2024年阿尔忒弥斯2号载人绕月飞行、2025年阿尔忒弥斯3号载人登月飞行。
三、飞往月球走什么轨道？几天能到？
火箭发射大约18分钟后，就能把上面级火箭和飞船送入484公里高的地球近地轨道，51分钟后，实施近地点升轨操作，1小时38分钟后，开始点火进入奔月轨道。
图注：阿尔忒弥斯1号任务奔月和返回路线图。其中，绿线是奔月轨道，白圈是绕月轨道，蓝线是返回轨道，图源：NASA
大约4天后，飞船来到月球附近，在月球引力的帮助下，把飞船射入一个所谓的绕月“远逆行轨道”上，这种轨道与地月拉格朗日L1点和L2点相交，航天器在上面能稳定运行。猎户座飞船在“远逆行轨道”上绕月飞行一段时间后，由飞控人员选择何时驶出轨道，继而返回地球。
图注：月球轨道中的猎户座飞船（艺术图），图源：NASA
当猎户座飞船返回地球附近时，返回舱与服务舱择机分离，返回舱最终降落在太平洋上。根据美国航天局公布的消息，从发射到返回全程大约耗时42天左右。
四、航天飞机“投胎转世”：美国重型登月火箭
执行本次发射任务的是一款叫Block1的火箭，从外形和涂装上也能猜得出来，这款火箭实际上是从航天飞机演变而来。两侧细长的固体火箭助推器，橙色的芯级火箭，无不透露出航天飞机的影子。
图注：Block1火箭和航天飞机发射对比图，图源：NASA
Block1火箭的芯级采用液氢和液氧为燃料，这与航天飞机外挂燃料箱里面盛放的燃料一样，发动机也采用与航天飞机型号一样的发动机（RS-25），不同的是，航天飞机的主发动机有三个，Block1火箭芯级的主发动机有四个。
我们知道，氢和氧的燃烧能够释放出大量的热能，是目前最高效、能产生最高比冲的化学火箭燃料，但与此同时，液体状态的氢和氧也存在巨大的储存和运输困难。需要了解的是，液氧的沸点是零下183摄氏度，而液氢的沸点更是惊人的零下253摄氏度，仅高于绝对零度20度（绝对温度为零下273摄氏度），所以，直到临近发射才开始加注燃料。相比之下，固体燃料就要灵活的多，可以提前准备。
航天飞机两侧各有一枚巨大的固体火箭，发射时给航天飞机提供大部分推力。同样，Block1火箭两侧也各有一枚固体火箭，长度较航天飞机的更长一些，但推力相当。据计算，Block1火箭发射时，两枚固体火箭能提供75%的推力。
技术资料显示，固体火箭发动机的燃料比较复杂：氧化剂，最常用的是：过氯酸铵，其他的有过氯酸钾、钠、锂，硝酸铵、钾、钠、锂；金属燃料，最常用的是铝，特别是超细铝粉，其他有氢，碳，锂，铍，硼，镁粉末；粘结剂，使氧化剂和金属燃料等固体粒子粘结在一起成为弹性基体，并为燃烧提供C、H等燃料元素。有聚氯乙烯，聚氨酯，聚丁二烯等。
五、新型Block1登月火箭和土星五号谁更强？
图注：发射台上的土星五号火箭和半个世纪后的SLS首款Block1火箭，图源：NASA
太空发射系统（SLS）是指NASA自从2011年研发的新一代可扩展的重型火箭运输系统，在过去十年间，设计方案经过几次调整，目前最新的方案是：第一个版本的Block1；第二个版本的Block1B；第三个版本的Block2。
其中，Block1火箭用于执行前三次阿尔忒弥斯任务，后续五次采用运力更强的Block1B版本，最终迭代到运力最强的Block2版本。这三个版本的火箭采用相同的芯级结构，不同之处在于上级火箭和固体火箭助推器的升级。下面我们来比较一下Block1登月火箭与土星五号火箭参数：
Block1登月火箭高98米，重2500吨，起飞推力39100千牛（相当于接近4000吨的推力），近地轨道的运载能力为95吨，地月转移轨道的运载能力为27吨。
土星五号火箭高110米，重2800吨，起飞推力34500千牛（相当于3520吨的推力），早期版本的近地轨道运载能力为118吨，地月转移轨道的运载能力为41吨。
后来，执行阿波罗15、阿波罗16个阿波罗17号任务的土星五号，它在近地轨道的运载能力提升到了惊人的140吨。地月转移轨道的运载能力也提升至43.5吨！借助强大的运载能力，最后三次登月还把月球车一并带到了月球表面。
图注：阿波罗17号宇航员正在月球上驾驶电动月球车，图源：NASA
如果单从以上参数上看，土星五号除了推力不如Block1火箭外，其他方面几乎完胜对手，简直是跨越时代的产物，向土星五号致敬。
但从其他角度看，经过50多年的技术演进，Block1在很多细节方面是超过土星五号的，特别是计算机和信息传输系统。随着太空发射系统中火箭的升级迭代，到Block2火箭研发出来以后，其各方面性能是胜过土星五号的。
六、猎户座飞船和阿波罗飞船谁更先进？
虽然猎户座飞船的外观和阿波罗飞船比较相似，但内部空间是阿波罗飞船的2.5倍。根据目前的设计，猎户座飞船能够搭载4名宇航员飞往月球，而阿波罗飞船最多容纳3名宇航员奔月。
图注：猎户座飞船VS阿波罗飞船，图源：NASA
值得注意的是，阿波罗飞船由服务舱、返回舱和登月舱组成的三舱结构，而猎户座飞船没有登月舱，只有服务舱和返回舱。猎户座飞船要想把宇航员送到月球表面需要借助专门的登月系统，目前呼声比较高的是SpaceX正在研发的星舰飞船。
阿波罗飞船上只有一部功能低下的计算机，计算能力远远小于我们的手机。猎户座飞船上有两部互为备份的计算机。据NASA报道，猎户座飞船计算机的内存是阿波罗飞船计算机内存的12万倍，计算速度是后者的2万倍。
遥想当年，阿波罗飞船仅靠一部能力如此有限的计算机就成功进行了6次载人登月，成就了无法超越的航天史传奇。
七、搭乘猎户座飞船的三名特殊乘客
本次虽然是一次无人的绕月飞行试验，但猎户座飞船里搭载了三名假人模型，其中，一个假人的名字叫穆尼金·坎波斯（Arturo Campos），坎波斯是参与过阿波罗和航天飞机计划的电气工程师，在他的帮助下，遇险的阿波罗13号飞船成功返回地球。假人坎波斯身穿橘黄色的新款宇航服躺在猎户座飞船中，模拟载人飞行时的状态。
图注：猎户座飞船里搭载了三名假人模型，用于记录在飞往月球、绕月飞行以及返回地球过程中的科学数据，图源：NASA
除了假人坎波斯之外，还有两个用环氧树脂制成的两个女模特，分别命名为Helga和Zohar，她们体内放置了各种传感器，包括辐射计，以便记录飞船在远离地球飞行途中的辐射水平，为后续载人登月提供参考。
八、低调搭便车的10颗立方体小卫星
图注：镶嵌在飞船与火箭转接环内壁上的小卫星们，将跟随猎户座飞船一同前往月球，图源：NASA
跟随本次发射的还有10颗立方体小卫星，其中包括：一颗用于绘制月球水冰分布的小卫星、一颗盛放有酵母的小卫星、用于验证长期深空飞行过程中辐射对生命体的影响的小卫星、一颗探测空间天气的小卫星、一颗用于探测月球光谱和热辐射的小卫星，甚至还有一颗日本的小型月球着陆器。
如果成功，日本将成为世界上第四个软着陆月球的国家。
九、中国在2030年具备载人登月能力
最近，据中国航天科技集团消息，我国新一代载人火箭和重型运载火箭未来将承担起载人登月、火星探测、木星探测和小行星探测等任务。此外，新一代载人火箭将在2030年左右具备送航天员登陆月球的能力；重型运载火箭研制成功后，地月转移轨道的运载能力提升至50吨，支撑月球开发活动，这太令人期待了。
此外，中国月球科研站更是受到外界的高度关注。探月工程总设计师、中国工程院院士吴伟仁此前向媒体透露，探月工程四期经过多年论证，已于2021年底正式立项，进入实施阶段。
他具体谈到：“探月工程四期的主要目标是对月球南极开展科学探测，建立起月球科研站的基本型。后续将分3次任务实施，分别是嫦娥六号、嫦娥七号和嫦娥八号，计划在2030年之前完成。目前研制工作进展顺利。”
十、探月热情全球高涨
2018年，俄罗斯设想利用名为“叶尼塞”的重型火箭，作为载人登月和兴建月球基地的关键运载工具，这款火箭的设计地月转移轨道的运载能力至少为20吨，以满足2030年俄罗斯载人登月的能力。但在2021年，俄罗斯又宣布暂停叶尼塞火箭的研发，登月任务改为由多枚安加拉A5火箭执行。安加拉A5火箭在运载能力方面与长征五号相当。
当然，目前来看，俄罗斯载人登月计划变数还比较大，不确定因素还比较多。
印度对月球探测也充满兴趣， 2008年成功发射了月船一号绕月飞行器；2019年成功发射了月船二号绕月飞行器，但其搭载的着陆器坠毁在月球表面，没能成功软着陆。根据目前的计划，印度将在2023年发射飞行器、着陆器和月球车组合体到月球，一次性完成对月球的环绕、着陆和巡视任务。此前印度官方表示，他们正在做载人航天任务的工作，同时也在论证载人登月任务。
除了中国、俄罗斯和印度之外，澳大利亚、加拿大、意大利、日本、卢森堡、阿联酋和英国等国家都在以各种方式加入阿尔忒弥斯计划，期待能搭便车实施自己的月球任务。
月球被誉为人类的第八大州，有着丰富的自然资源和地球上稀有的矿物，比较有名的是月壤中的氦3资源，氦3是氦元素的一种同位素，可以作为核聚变的燃料，且反应过程中不产生放射性物质。理论上，几十吨氦3聚变产生的能量相当于全世界的全年用电量。当然，鉴于目前人类连第一代核聚变（氘-氘）还没有完全驯服，更新一代的氦3核聚变的研发还有更长的路要走。
月球是离地球最近的天体，相对于广袤的宇宙空间，月球犹如在家门口，月球的引力只有地球六分之一，航天器的逃逸速度只有2.4千米每秒，非常适合作为人类向深空发射航天器的基地，也是人类向深空进发的跳板。因此，非常期待未来各国月球任务能按计划实施，早日实现百舸竞相飞月球的场景。
本文来自微信公众号：腾讯太空（ID：qqtaikong），作者：乔辉