阿尔忒弥斯2号厕所故障! 10天绕月险变生化危机, 宇航员急修马桶
有小伙伴强烈要求我讲一讲阿尔忒弥斯计划。好吧，我就好好从头到尾讲一下这个项目的前世今生。这回的节目时间有点长，咱们还是有点耐心。
这事儿还得从2003年说起，这年出了一件大事，那就是哥伦比亚号航天飞机从外太空返回的时候，在6万米高空突然解体。酿成极其严重的一场事故。航天飞机上可坐了7个人呢，只要一出事就是7条命，代价极其严重。
哥伦比亚号航天飞机化作一串流星碎片
那这次航天飞机到底是怎么出事的呢？道理很简单呀，就是飞机发射的时候，掉落的泡沫击中了机翼，砸坏了隔热瓦。上去的时候没事，下来的时候隔热瓦是要承受极高的温度的，在这个地方有个缺陷，就导致高温空气像氧气切割一样把整个机翼给切掉了，然后整个航天飞机失去平衡。就在空中解体了。
这一下，NASA的整个航天飞机计划就陷入了困境之中。一方面，航天飞机是没有任何逃逸系统的。这个玩意儿本来就不安全，而且每次发射费用居高不下，吞噬了NASA大部分的预算。再说，航天飞机飞了几十年了。整个机体变得非常老旧，而且电子技术日新月异的发展，航天飞机上的那些零部件就变得极其的老化，再找配件都很难找了。人家厂商都已经不生产了。整个航天飞机的机队撑死了坚持到2010年左右，是肯定要逐步退役的。
那么好了，美国必须在航天飞机退役之前，制造出下一代的载人航天工具，否则就会有一个巨大的空窗期，作为世界头号航天强国的美国居然没有能力把人送上国际空间站。不但如此，美国还会丧失掉往深空发展的可能性，就永远被困死在近地轨道。
所以呢，在2004年的时候，小布什政府就提出了太空展望。希望NASA能在2020年的时候重返月球，而且以此为跳板前往火星。这么多年来，NASA的工程师们深深的感到航天飞机这种构型是非常不划算的，因为那个巨大的翅膀在太空里压根没用。航天飞机的本体太重了，重达80吨，它的运货能力太差了，只能运20吨的货。每次发射用了那么大的火箭，烧了那么多的燃料，实际上是在运航天飞机自己，而不是运货。这种构型太亏了。所以新的运载工具一定是飞船，而不是带翅膀的飞行器。
于是美国人就提出了一个星座计划，核心思想就是人货分离。咱们设计两种火箭，一种是专门运人的，另外一种是专门运货的。具体点说，就是专门运月球着陆器的。咱们打一发月球着陆器，打一发载人飞船，然后二者在地球轨道上对接，咱们一块奔月球去了。这种人货分离的思路就是为了安全。万一货运火箭炸了，不至于搭上宇航员的性命。
整个星座计划有4个独立的组件。首先就是猎户座飞船，飞船当时设计了两个版本，一个是去国际空间站的，能运6个人，一个是去月球的，能运4个人。这个飞船比当初的那个阿波罗飞船要大多了，直径5米，内部容积是阿波罗的2.5倍，里边特别的宽敞。
猎户座飞船
既然你要重返月球，那么总得有个月球着陆器啊。所以NASA提出了一个“牵牛星号着陆器”。它能够运载4名宇航员下到月球上，而且支持他们在月球上住7天。美国人这一次可不是打个卡就回去，而是要在月球表面建立基地，所以货运版的牵牛星号着陆器，可以一次性往月球上运载14.5吨的物资。美国人是真的打算在月球的南极盖房子。
接下来就是运载工具了，运载工具分两种，一种叫战神1号，是专门运人的。一种叫战神5号，是专门运货的，那个牵牛星号着陆器拿什么火箭来运呢？就用它来运。
战神1号火箭长得非常怪异。因为它的一级火箭用的是航天飞机的助推器。所以整个火箭显得非常的细长。二级火箭用的是氢氧发动机，只要是用到氢氧发动机，燃料罐的体积就小不下去，毕竟液氢的密度太低了，所以这根火箭看起来下边细上边粗，怎么看怎么别扭。NASA为了研发这根火箭，可是费了老鼻子劲了，但是有很多难题始终解决不了。
战神1号火箭是典型的“胖头瘦身子”
首先就是这枚火箭有巨大的震动隐患。一级火箭是一个极其巨大的固体火箭，固体火箭这玩意儿结构异常的简单，纯粹就是一根管子，里面的燃料是炸药他们家亲戚。然后在中间掏个洞，从中心往四周燃烧。燃烧产生的这个空腔，就像一根笛子，是会被高温燃气吹响的，整个管子里面的高温燃气会产生驻波共振。震动频率大概是在12~15赫兹，而且非常强烈。整个火箭本身也有共振频率，恰好也在这个范围内。您这一晃，上面宇航员受得了吗？晃到什么程度？就连宇航员的眼睛都没法聚焦，都已经看不清东西了。
NASA的工程师为这事操碎了心，那能不能像建筑物的防震锤那样加配重呢？要不干脆第二级火箭和一级火箭，咱们用弹性连接，中间的连接部分，咱们做成一个大弹簧行不行？反正各种办法都想了，始终无法根治，怎么测怎么超标。说白了，还是因为这个火箭实在是太细了，天生容易产生振动。马斯克的猎鹰9号火箭比他还细，但是人家是液体火箭，人家燃烧的部分只在火箭屁股上，它不像固体火箭那样，是在中间掏一个洞在整体燃烧。而且液体火箭可以精确控制。固体火箭点着了火以后就没法控制。
就因为这根火箭又细又长，引起的麻烦还不只是震动问题。谁让它太细了呢，发射的过程中，这根杆子也缺乏刚性，稍微有点风吹草动，它就有撞到旁边发射塔的风险。
J-2X发动机
另外，战神1号火箭的运载能力其实也很勉强。猎户座飞船加满了燃料以后，整体重量能达到26.5吨。所以战神1号火箭就得有能力把这么重的飞船送到近地轨道。偏偏他运力只有25吨，还不够用呢，主要是因为二级火箭的J-2X氢氧发动机达不到需要的标准。
J-2发动机本来是阿波罗计划之中用在二级火箭和三级火箭上的氢氧发动机。战神1号这个东西，一级火箭来自于航天飞机，二级火箭来自于阿波罗计划，这玩意儿纯粹是个混搭。但是因为飞船重量超标，就导致J-2火箭发动机的推力不够了。要想升级推力，跟重新设计也没啥区别。所以J-2X发动机的设计已经跟原来大不相同，改来改去始终不够用，NASA也非常的头疼。
另一边的重型货运飞船战神5号也好不到哪去，这家伙是一个巨大的超过土星5号的超级火箭。它的近地轨道运载能力达到了188吨，月球投送能力超过了70吨。这台火箭一级用了6台RS68发动机+两台超大固体助推器。火箭主体的直径达到了10米量级。二级火箭名字叫做“地球出发级”，用的也是J-2X发动机。
战神1号和战神5号的对比图
火箭设计就是一个面多了加水，水多了加面的过程。飞船重量超标，月球着陆器的重量超标。这俩一超，那么好了，一级二级火箭就全都不够用了。你还得想法子把火箭加大，火箭加大以后重量更大。这就会导致恶性循环，整个火箭的重量越来越大。
重量增长是很容易的一件事儿啊，你多装点东西重量就马上上去了。可发动机推力的增长是千难万难的事儿。原本计划用5台RS68氢氧火箭发动机。现在不够了，必须用6台。固体助推器原来用的就是航天飞机的那一套，只是航天飞机用的是4段药柱。这个推力不够，要加到5段药柱。固体火箭发动机参与燃烧的药柱越多，推力越大。现在随着载荷重量的增加，5段药柱也不够了，得增加到5段半。
RS-68发动机
RS68发动机是为德尔塔4型火箭研发的。这个火箭发动机的可靠性并没有想的那么高，6台并联，各种震动会叠加在一起，美国人也非常的头疼，他们已经很久没有造过这种大火箭了。而且战神1号和战神5号共享了大量的组件。战神1号上的剧烈震动问题，战神5号一样也有。战神1号的剧烈震动会把宇航员摇散黄，战神5号会摇坏登月舱。
到了2009年。美国人发现这个计划已经彻底玩不下去了。为了这个计划要设计两枚火箭，本身就是双份开销，再加上碰上了金融危机。财政开支压力太大，所以这个计划就被奥巴马政府给砍掉了。不过呢，因为国会的干预，那帮参议员的活动能量是非常大的，他们强行通过法案保留下来了两个核心项目，一个就是猎户座飞船，另外一个就是由战神5号缩水而来的太空发射系统，简称SLS，就是我们现在看到的这枚大火箭。
诺·格公司在犹他州的固体火箭试验场
说到底航天产业本身也是百万槽工衣食所系，也是参议员们的选票。阿拉巴马州是马歇尔太空中心的所在地，犹他州是固体火箭的生产地，路易斯安那州是核心级部门的组装厂，佛罗里达州是发射场。大家都是利益攸关方，所以这些州的参议员们就组成了一个强大的“航天核心小组”。既然航天飞机退役了，星座计划又被砍了。这帮参议员们说什么也得给老家保留下现在的饭碗。所以他们才会强行保留了一个太空发射系统。
这个太空发射系统一定要把航天飞机的遗产利用起来，比如说主发动机一定要用航天飞机遗留下来的RS25发动机。它的助推器一定要用到航天飞机的助推器。火箭本身一定要用航天飞机的那个巨大的燃料箱来改造。说白了，就是想尽办法用老部件老技术，重新攒出一枚新火箭。这对NASA的工程师来讲就是戴着镣铐跳舞。
NASA自己并不制造火箭，而是由各个国防承包商来建造。所以波音公司啦，洛克希德·马丁公司啦，诺斯罗普·格鲁门公司了这些老牌的国防巨头也没少上下其手。经过层层分包，SLS火箭由全美50个州的几百家公司来建造，这叫雨露均沾。这样的项目，效率显然高不上来。
SLS火箭的储氢罐在阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空中心做测试
当然，国会出手也只能保下这些项目，咱们火箭还是要继续造，飞船还是要继续造。但是造出来干什么用，现在还不得而知。后来嘛，川普川大统领上了台。2017年，他大手一挥，批准了重返月球的计划，也就是现在这个阿尔特弥斯计划。星座计划的遗产就派上用场了。
这个阿尔特弥斯，实际上就是希腊神话中的月亮女神，也是阿波罗的孪生姐姐，所以这个名字是有寓意的。一方面它意味着现在的阿尔特弥斯计划是当年阿波罗计划的延伸，同时也体现出男女各顶半边天。
这个项目现在就不是由美国政府大包大揽了，一方面拉欧洲人搞国际合作，另一方面拉商业航天提供服务。比如说猎户座飞船屁股后边那个服务舱就交给欧洲人来做了。登月舱就由NASA进行招标，由商业航天公司来竞标。NASA自己带领着老牌的国防承包公司要研发的就是这枚SLS火箭和猎户座飞船。
RS-25引擎是非常优秀的发动机，无奈太贵
SLS火箭的起飞推力是3900吨，芯级用了4台航天飞机遗留下来的RS-25氢氧发动机，另外加了两枚巨大的5段式固体助推器。初始版本二级火箭用了一个“临时上面级”（ICPS），用了一台RL10氢氧火箭发动机。目前来讲，它的近地轨道运载能力达到了95吨，月球轨道运载能力达到了27吨。猎户座飞船整个达到了26.5吨，所以打一枚猎户座飞船是勉强够用了。这就是现在我们看到的Block1版本。
随着国际空间站越来越老化。所以美国人就想另辟蹊径，在环绕月球的轨道上摆一个月球门户空间站，将来飞船和登月舱都可以和这个空间站进行对接，这个地方就成为一个停留在月球轨道上的中转站。为了把月球门户空间站的各个舱段打上去，SLS火箭必须有运货的能力，也就是说头上顶着猎户座飞船，身子里边还得放上空间站的舱段，现在这个临时上面级就根本不够用，所以美国人还得开发一个“探索上面级”（EUS）。这个探索上面级用了4台RL10发动机，推力达到了44吨。尺寸也比现在大了好多。如果用这个探索上面级的话，SLS火箭的总高度就从现在的98米增加到了111米。
SLS火箭的各种进化版本
所以，按照阿尔特弥斯原来的计划，使用探索上面级的版本就叫做Block-1B版本。这个新版本是可以一边运人一边运货的，也就是说，搭建月球门户空间站就成为了可能。当然了，地面的发射装备也得进行改造，否则你扛不动这么重的大火箭。当然了，谁也没想到，后来这个地面发射装备的改造，居然也成了拖后腿的因素之一。
道理很简单。如果将来Block-1B版本研发出来的话。要比现在的火箭高上一大截。你旁边的移动勤务塔就得进行升级改造了。你得把宇航员走的那个进入太空船的通道往上提升一截吧，你得把所有的管线往上提升一截吧。否则匹配不了新火箭的高度，这一升高，那可就不是一个系统要升高，是一大串的东西全都要升高，等于是发射塔架要重新搭建，这玩意儿麻烦事可就太多了。
原本呢，NASA计划是2028年登月。所以他们就可以不紧不慢的按部就班推进。但是川普大统领掐指一算，即便自己能连任，最多也就干到2024年，不行，一定要抢在2024年之前登月。
月球门户空间站想象图
原本NASA打算先把月球门户空间站建好了，然后再实现登月。既然你把时间提前了4年，月球门户空间站就没有时间再去建造了。就得直接让宇航员落到月球上。可是那个登月舱到现在八字还没一撇呢。所以NASA也只能火急火燎的进行招标啊，这玩意儿就交给商业公司去做了，这样大家可以平行推进。后来嘛，NASA就直接选了SpaceX的那个大火箭，拿星舰改做登月舱。这是后话了，暂且不表。
经过几番折腾，SLS火箭一直到2022年8月底才开始准备发射。氢氧火箭特别特别的难伺候，因为液氢的温度是零下253度，如果你让它直接接触常温的管道和储罐，那就相当于往烧红的铁板上浇水。所以先要用低温氦气冲进整个管道系统里面，先把整个火箭冷却下来，一直要到冷透了以后才能灌注液氢。结果到了8月29号这一天，发现3号RS25发动机没有达到预期的超低温，没冷却下来。NASA后来一查是发动机的传感器坏了，为了安全起见，这次发射就被迫取消。
SLS的燃料是从底部往里灌注
到了后面的9月3号又出问题了，液氢在一边灌注一边泄漏。折腾了好几次都没解决这个问题，没办法，只能把管子先断了，把整个大火箭挪回组装大楼进行大修。9月底又碰上了一场热带风暴，为了躲避飓风，这枚大火箭不得不又一次挪回了窝里。这进进出出已经来回好几趟了。
最后到了11月16号。液氢阀门再次出现微小泄漏。NASA实在是不能等了，派了三名技术人员。开车到了发射工位，爬上塔架，手动拧紧了阀门，这里边可是有几千吨的燃料。带着燃料拧阀门，本身就是一项很危险的工作，NASA没办法，也只能硬着头皮这么干。
经过一波三折，这枚大火箭终于发射成功。猎户座飞船终于实现了无人绕月飞行。再入大气层返回也是比较顺利的，但是大家把猎户座飞船捞起来以后一看，发现那个防热大底出问题了，有100多处裂纹，而且还大块脱落。NASA折腾了好长时间，还是没法解决这个问题，最后牙一咬脚一跺，把心一横。下次发射，咱们就不换隔热罩了。咱们改变一下飞船的再入轨迹，把大气制动时间从14分钟压到8分钟，再入时间短了，承受热负荷的时间也就短了。咱就先凑合着用吧。
溅落在海里的猎户座飞船（阿尔忒弥斯1号任务）
通过这次实践，NASA的官员们意识到在2024年或者2025年登月全是幻觉，那是根本不可能的了，所以他们就做了比较务实的调整，他们把阿尔特弥斯2号的发射时间推迟到了今年的4月份。
4月1号发射的阿尔忒弥斯2号任务相对来讲就比较顺利，毕竟接受了1号任务的教训。这一次灌注液氢液氧燃料的时候，采用了比较温和保守的计划，现在看来效果显著，没有像上次那么折腾。阿尔特弥斯2号任务是一个载人绕月的任务。上一次是无人任务，这一次，猎户座飞船一共搭载着4名宇航员，包括指令长怀斯曼，飞行员格洛弗以及任务专家克里斯蒂娜·科赫和杰里米·汉森。这4个人的搭配组合也非常有讲究。指令长是白人，飞行员是黑人。两位任务专家，一位是女性，一位是外国人，方方面面全都照顾到。
阿尔忒弥斯2号的轨迹
这一次阿尔特弥斯2号采用的是高椭圆自由返回轨道。发射后的第1天，飞船运行在地球轨道上。首先要进行飞船姿态的测试。飞船和上面级脱离了以后。宇航员要手动操控这艘飞船，不断的靠近上面级，其实就是模拟对接动作。因为将来这个飞船是要和登月舱对接的，现在必须完成所有的演练步骤。
猎户座飞船拿临时上面级当做对接的练习道具
就在发射之后的6个小时，任务专家克里斯蒂娜·科赫在尝试启动猎户座飞船的“通用废物管理系统”的时候，发现系统亮起了红灯。啥叫“通用废物管理系统”呢？说白了就是厕所。到底出了啥故障呢？呃……是厕所的风扇卡住了。在太空里边可是没有重力的，拉屎是不会往下掉的，所以必须靠风扇把所有的排泄物都吸进去，风扇坏了，这玩意就不能用了。
未来还有10天的旅程呢，还要绕过月亮再返回地球呢，为了不让这10天的月球之旅变成生化危机，地面控制中心和宇航员就一块开始忙活着修理这个马桶。在维修期间，至少有一名宇航员被迫使用了折叠应急尿袋。看来他是真憋不住了。
宇航员克里斯蒂娜·科赫正在研究“通用废物管理系统”的说明书
地面上的工程师分析了飞船上的所有数据，认为啊要么就是控制器软件出问题了，要么就是出了某种碎屑导致的。按照地面的指引，宇航员拆开了部分地板，手动清理了风扇区域，然后重新启动了系统。一直忙活到4月2号的凌晨。厕所终于修好了，这下好了，生化危机算是解除了。
那阿波罗时代有没有遇上过这种问题呢？压根没考虑这档子事儿，因为阿波罗飞船上压根就没厕所。反正大家都是男的，拿个尿袋子接着就行了。这回不行，这回有女性。另外，猎户座飞船这不是升级了吗？你比阿波罗飞船大了那么多，搭配一个专用的厕所也是理所应当的嘛。
经过24小时的检查以后，猎户座飞船屁股后边那个欧洲服务舱开发动机，把飞船推进地月转移轨道。为啥叫欧洲服务舱呢？因为这东西是欧洲人做的。现在宇航员正在去往月球的轨道之上，预计是美国东部时间4月5号的上午10:15。飞船将飞掠过月球的背面，距离月球表面最近的距离是7400公里。到时候，宇航员会暂时和地球失去联系。谁让他们没有中继卫星呢？
猎户座飞船的屁股后边连接的就是欧洲服务舱
很可能小伙伴听到节目的时候，这4位宇航员就已经从月亮后边转出来了，但愿他们顺利。
阿尔特弥斯3号的发射任务推迟到了2027年。NASA也在折腾了这么多次以后开始反思，SLS这么贵的火箭，发射节奏如此之慢。能不能支撑人类在月球上长期的生存？原来的那些计划是不是太快了，大量的该做的测试并没有做？
所以到了今年的2月份，新上任的NASA局长艾萨克曼对阿尔特弥斯计划进行了一次最彻底的重组，它彻底改变了任务的性质。阿尔特弥斯3号不再是登月任务了。而是变成了一个地球轨道的测试任务。飞船要与登月舱对接，而且登月用的宇航服也要进行测试，在近地轨道进行测试，总比到了月球那么远的地方要安全，出了事也好救援。
蓝月亮登月舱想象图
至于到时候采用的登月舱是蓝色起源的蓝月亮登月舱，还是斯SpaceX的星舰登月舱呢？那就看它俩谁的进度比较快，谁快谁先上。
另外，NASA也对SLS的配置进行了冻结，也就是说，那个探索上面级已经被正式砍掉了。现在这个临时上面级只是凑合使用，将来正式载人登月的时候要采用成熟的半人马5号上面级。
半人马座5号上面级顶着猎户座飞船系统
因为你把“探索上面级”给砍掉了，所以SLS火箭就只能运人，不能运货了。换句话说，搭建月球门户空间站已经变得不可能。官方虽然没说把这个项目砍掉，但是看样子就是晾在那儿不执行了。因为以现在的路径来看，完全不需要这个多余的东西。
对了，第1次载人登月的阿尔特弥斯4号被推迟到了2028年。一开始NASA定的计划就是2028年，因为川普总统的干预，他非要在自己的任期内完成这个计划，所以被提前到了2024年。但是因为整个计划执行的不太顺利，一路上磕磕绊绊，所以不太可能在2024年完成登月，功劳算不到川普头上。
但是，大家千算万算没有算到，川普居然杀回来了，人家又一次赢得了总统选举。尽管中间夹了一个拜登的4年。即便是现在推迟到2028年的话，依然落在了川普总统的任期之内，他要到2029年的1月20号才正式卸任的，功劳依然会算在他头上，没想到载人登月还是逃不出他的手心。
当然这一切的前提都是计划推进没有任何延迟，现在美国人是再也拖不起了。如果再耽误个两年，很有可能要被咱们中国反超。目前看来，星舰的进度反而是拖后腿的一个。因为这枚火箭到现在还没有完全成熟，实现商业发射，更别说把它改成登月舱。再说星舰这种火箭，只适合近地轨道打大载荷。它自己就有100吨重。你别看马斯克的超重助推器+星舰的组合是世界上最重的火箭，起飞重量可以达到7000多吨。但是星舰作为上面级，必须在太空里完成十几次加油才能够攒足去月球的燃料。
太空加油的想象图
这个过程复杂无比，首先要往太空里发射一枚特殊的太空油库。然后发射十几枚星舰油船，往这个大油库里灌油。等彻底灌满了，再把登月舱发射上去。登月舱和油库对接，实现燃油的传输。然后登月舱才有足够的动力飞向月球。
这枚星舰火箭还必须特殊改装，因为反推发动机是不能放在屁股上的。必须放在火箭的腰上，因为火箭如果放在屁股上，降落的时候会掀起大量的月球尘埃。另外一个大问题就是星舰实在是太高了，足有50米高。这东西还得垂直落到月球上，如果地面不太平整的话，它是会倒下的，一旦倒下，这个登月舱就失去了起飞的能力，再也飞不到轨道上了，也就意味着宇航员再也没有办法离开月球表面。宇航员连哭都找不着坟头。
星舰登月想象图
所以在我看来，把星舰改造成登月舱实在不是一个合适的方案。但是除了马斯克的SpaceX，其他公司又不是那么给力。NASA自己做的那个牵牛星登月舱又实在是太贵太不靠谱，所以美国人也是实在没有办法了。
说白了，美国人并不缺乏制造火箭的能力，也不缺乏把各种载荷送到月球轨道的能力，也不缺乏制造登月着陆器的能力，但是他们的各种能力偏偏就组合不起来。未来这个计划到底会执行成个什么样子，我现在没法预计。还是先等阿尔特弥斯2号的宇航员返回地球以后再说吧。