近日,美國國家航空暨太空總署(NASA)在位於佛羅里達州甘迺迪太空中心(Kennedy Space Center)的發射台上安裝了一枚火箭,為50多年來NASA首次載人繞月飛行任務做準備,火箭將搭載4名太空人飛行10天,完成阿提米絲2號(Artemis 2)任務,也為下階段的載人登月奠定基礎;目前原定2月的時程延後,最早或3月發射。
這枚超重型運載火箭名為「太空發射系統」(SLS),它由超過70萬加侖(約265萬公升)的液態氧和液態氫燃料提供動力,並配備兩台令人聯想到太空梭時代的固體火箭推進器。這枚橘白相間的龐然大物將搭載阿提米絲2號任務的太空人團隊——NASA太空人魏斯曼(Reid Wiseman)、葛洛佛(Victor Glover)、科赫(Christina Koch)和加拿大太空總署太空人韓森(Jeremy Hansen),進行為期10天的繞月飛行。這次任務的飛行距離也將超過以往任何太空人的飛行距離。
1月17日,數百名參與火箭組裝的工作人員冒著嚴寒,見證了火箭從組裝大樓運往發射場。
不過,火箭在真正發射升空前,還有很多工作要做,確切的發射日期也尚未確定。
阿提米絲2號任務是什麼?
NASA的「阿波羅計畫」曾在1969年至1972年間,完成6次載人登月任務。此次「阿提米絲計畫」則以希臘月亮女神、太陽神阿波羅(Apollo)的孿生姐妹阿提米絲(Artemis)命名,該計畫目的不只是人類重返月球,還預定在2030年之前,於月球表面和月球軌道上建立可持續的、永久的人類基地。「阿提米絲1號」任務是不載人繞月試飛,已在2022年11月完成。
至於阿提米絲2號,任務飛行指揮拉迪根(Jeff Radigan)表示,魏斯曼、葛洛佛、科赫和韓森將成為首批搭乘太空發射系統以及NASA獵戶座(Orion)太空船的太空人,獵戶座太空船包括乘員艙和由歐洲太空總署(ESA)提供的服務艙(又稱推進艙)。
NASA此次試飛的優先事項包括:成功驗證太空船和地面團隊能夠保障太空人完成整個任務並安全返回地球;成功驗證未來載人登月任務所需的關鍵操作流程;以及驗證緊急系統和應變作業等。
這些驗證內容將包括證明各項關鍵功能已準備就緒,例如生命維持系統、輻射防護,以及未來任務對接所需的機動性,同時還將完善日常艙內操作流程。其中包括如何在狹小的乘員艙內妥善收納飛行服,並滿足體能訓練要求。
太空人還將測試一種新型雷射通訊陣列,與國際太空站(ISS)進行艦對艦通訊,以及開展人體科學實驗。這些實驗不僅將加深人們對深空(deep space)如何影響人體的了解,還將提升NASA為每位太空人量身訂製醫療與健康方案的能力。
「這是一次試飛,肯定會有一些意想不到的情況發生。」拉迪根在1月16日的記者會上強調,「我認為我們已經盡最大努力為此做好準備,也非常期待與機組人員一起成功完成這次任務,並從中學習阿提米絲2號未來需要改進的地方,為未來的阿提米絲任務鋪路。」
模擬發射出狀況 任務延至3月
阿提米絲2號原先最早可能在2月6日發射,最晚可能在4月6日發射。也就是說,NASA若要確保該任務將在4月底之前發射升空,就必須在上述時間窗口內完成發射。
由於任務目標和飛行器限制等因素,NASA劃定的首批發射窗口期為2月6日、7日、8日、10日和11日。之後,NASA將在3月6日、7日、8日、9日和11日安排發射機會,如有必要,還將在4月1日、3日、4日、5日和6日安排發射機會。
火箭燃料外洩
不過,NASA在2月3日表示,阿提米絲2號巨型火箭在進行最終測試時,發生燃料外洩問題,發射時程將延後。據中央社引述法新社報導,除了燃料外洩,測試過程中也出現其他狀況,粉碎了載人繞月任務最快可於2月8日執行的希望。下一個可能的發射窗口將於3月6日開啟。
NASA署長艾薩克曼(Jared Isaacman)在聲明中表示,團隊起初還能應對部分氫氣外洩問題,但在模擬發射倒數逼近最後5分鐘時,洩漏問題再度加劇。艾薩克曼強調,「安全始終是我們的優先事項」,只有在做好充分準備,並且確定足夠安全時,才會進行發射。
NASA官員在簡報中指出,氫氣的能量密度很高,而體積密度非常低,且極難封存。
除此之外,在測試過程中,團隊也必須排除與艙門加壓有關的閥門故障,以及地面音訊不時中斷的問題。
這次出現的燃料外洩問題,與2022年導致「阿提米絲1號」發射任務延宕數月的狀況類似。
發射的限制因素
限制因素包括在發射當天,地球和月球的位置及自轉必須精確對齊,以便太空發射系統(SLS)能夠將太空船送入正確的高地球軌道。
與此同時,由於服務艙(又稱推進艙)的太陽能電池板翼提供電力,太空船及其服務艙不能在黑暗中待超過90分鐘。
除了上述條件外,登月火箭在獲准發射前還需要進行一些測試和系統整合,包括一次「溼式演練」(wet dress rehearsal)。溼式演練是指模擬發射日當天的各種情況,例如火箭燃料的裝卸、關鍵系統的啟動和關閉等,並且須解決在演練中出現的各種問題。
天氣也可能導致延誤。例如,如果發射台的溫度低於設定的溫度限制值,且持續30分鐘,登月任務將無法啟動。根據風力和相對溼度而定,該溫度範圍為華氏38度至49度(約攝氏3.3度至9.4度)。此外,如果在發射台10海里範圍內探測到閃電或雷暴,發射也可能被延後或取消。
儘管NASA只公布至4月的發射窗口,但阿提米絲發射主管布萊克維爾-湯普森(Charlie Blackwell-Thompson)表示,今年每個月都有合適的發射窗口,火箭在需要被運回太空船組裝大樓前,可以在發射台上暴露於各種天氣條件下,停留兩個發射窗口的時間。
10天飛行計畫 為登月鋪路
無論何時發射,NASA領導層預計阿提米絲2號的10天飛行將在夜間發射,並在夜間完成濺落。
機組人員和飛行主管形容,任務的前兩天工作量非常繁重。第一天將從甘迺迪太空中心的39B發射台出發,經過三個多小時的飛行,進入高地球軌道,飛行高度可達4萬6千英里(約7萬4千公里)。相比之下,國際太空站(ISS)通常在距離地球約250英里的高度運行。
進入高地球軌道之後,阿提米絲2號任務的4名太空人將對太空船進行大約23小時的檢查,此時太空船仍相對靠近地球。這項檢查包括NASA所稱的「近距操作示範」。葛洛佛將手動控制獵戶座太空船,測試太空船在對接方面的機動性。獵戶座太空船必須能夠與SpaceX或藍源公司(Blue Origin)建造的月球著陸器對接,才能讓未來的太空人成功登月。
這項示範將使葛洛佛成為第一個手動駕駛NASA新型登月太空船的太空人,使他與過去的阿波羅太空人並肩而立。
發射後4天進入月球引力範圍
任務負責人表示,太空人將在第一天休息大約4個小時,之後再起床進行最後一次軌道調整,以準備接下來的地月轉移(trans-lunar injection)。地月轉移是指太空船離開地球軌道、朝月球前進的過程。
如果所有檢查和測試都表明太空船狀況良好,阿提米絲2號將在任務開始僅25小時37分鐘後進行「地月轉移點火」,屆時太空人將點燃太空船的主發動機,使其從地球出發,沿著「自由返回軌道」(free-return trajectory)前往月球。
太空船及其太空人需要3天時間才能抵達月球。在這3天裡,太空人們將進行三次軌道修正點火,測試深空網路通訊,並示範新太空船內部的操作,包括快速穿戴太空服。他們還將檢視月球飛掠時的影像拍攝計畫,為即將到來的地質觀測做好準備。
太空船將在發射後4天7小時進入月球引力範圍,大約15小時後,阿提米絲2號預計將飛越阿波羅載人任務到達的距離地球最遠的點。在發射後大約5天,太空人們將進行距離月球最近的飛掠。他們將有3個小時觀測月球背面。
任務負責人表示,當太空人從距離月球表面4千至6千英里(約6,400至9,600公里)的高度飛過時,月球看起來就像伸直手臂拿著一個籃球那麼大。當月球正好位於太空人和地球之間時,信號會短暫中斷。
月球背面常被誤稱為「月球暗面」,因人們以為背向地球的一側處於黑暗之中,但實際上,月球背面也會被太陽光照射,而且受光程度可能超過任何一次阿波羅任務。若真是如此,阿提米絲2號的飛掠任務,或能揭示人類肉眼從未見過的月球區域。
重返地球 濺落南加州附近海岸
返回地球需要3天時間。機組人員將進行更多軌道修正,參加月球科學任務匯報會,並示範輻射防護操作,以及另一次手動駕駛示範。
重返大氣層程序將在發射後8天22小時開始,屆時機組人員將穿上飛行服並開始進行檢查。他們的大氣層穿越之旅將在發射後9天1小時多一點的時間從40萬英尺(約120萬公尺)的高空開始,並在不到20分鐘後在南加州海岸附近濺落。太空艙的隔熱罩溫度將達到華氏3千度(攝氏約1,649度)。
阿提米絲2號之後的任務
如果阿提米絲2號的試飛任務成功,它將為2027年或2028年的阿提米絲3號任務鋪路,該任務計畫藉助SpaceX或藍源公司建造的月球著陸器,將太空人送上月球表面。之後,阿提米絲4號任務將把繞月太空站「門戶」(Gateway)的首批零件送入月球軌道。
「這是一段漫長旅程的開始。」NASA署長艾薩克曼1月17日告訴記者,「過去我們以阿波羅17號,也就是阿波羅的第17次任務結束了人類的最後一次登月探索。我希望有一天,也許是幾十年後,我的孩子們能夠觀看阿提米絲100號任務。」
他說,大家所見太空發射系統(SLS)和獵戶座太空船的架構只是個開始,「隨著時間的推移,透過執行這樣的發射任務,將積累豐富的經驗,飛行器架構也會隨之變化。隨著架構的改變,我們應該就有能力執行可重複、經濟實惠的往返月球任務。」◇


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