美國正在研制“獵戶座”飛船，計劃在2020年將人類重新送上月球。這一次，他們不只是短期拜訪月球，還打算在那里長期駐扎，建立一個月球前哨基地。
　　
　　撰文 查爾斯•丁格爾（Charles Dingell）、威廉•A•約翰斯（William A. Johns）、朱莉•克雷默•懷特（Julie Kramer White）
　　翻譯 龐博
　　
　　月球，漆黑天空中的一輪明鏡，突然從新月狀的地球背後快速升起。自從“獵戶座”乘員探索飛行器（Orion crew exploration vehicle）進入地球上空大約300千米的繞行軌道以來，飛船里的4名宇航員已經多次目睹了如此壯觀的月出奇景。現在，隨著計時精準的火箭點火，宇航員們即將加速飛船，向前方遙遠的目的地進發。“10秒倒計時，飛船點火切入月球轉移軌道……”耳機里響起了指令，“5，4，3，2，1，點火……”炙熱的火焰從火箭尾部的噴口中噴射出來，一系列功能艙組成的飛船開始顫抖。飛船乘員們就此踏上了航程，奔向我們太空中最近的鄰居，人類已有近半個世紀未曾拜訪、仍然遮掩著神秘面紗的地方——月球。這一年是2020年，按照計劃，美國人將在這一年重返月球。不過這一次，他們的目標不只是拜訪月球，還要為新一代的太空探險家們建立一座前哨站。
　　“獵戶座”飛船是美國國家航空航天局（NASA）的“星座計劃”（Constellation program）的一個關鍵組成部分。這項雄心勃勃的計劃將花費數十億美元建立一套太空輸送體系，不僅可以讓人類往返于地球和月球之間，還能為“國際空間站”（ISS）提供補給，最終幫助人類登陸火星。自2006年該計劃確立以來，NASA和“獵戶座”飛船總承包商洛克希德馬丁公司的研究人員及工程師們，一直在致力于開發運載火箭、乘員艙及服務艙、火箭上面級（upper stage）和著陸系統。NASA現有的載人航天器——航天飛機將在2010年退役，這些正在研發的設備和技術，是繼續推動功能強大且費用低廉的載人航天探索所必需的。
　　為了最大限度地降低研發風險與成本，NASA的“星座計劃”將更多地應用成熟可靠的技術。這些技術都是在“阿波羅”計劃的執行過程中開發和驗證過的，曾在上世紀60年代末到70年代初安全地將人類送上了月球。NASA的工程師們還用最新的技術，重新設計了許多系統和部件。
　　“獵戶座”飛船的許多功能與“阿波羅”飛船相同，乘員艙的外形也相似。但“獵戶座”飛船將容納更多的宇航員︰它的加壓密封艙容積可達20立方米，4名宇航員將搭乘飛船前往月球（從2015年起，這種飛船就可以一次運送6名宇航員前往空間站）；相比之下，“阿波羅”飛船的3名宇航員（外加各類裝備）只能擠在一個大約10立方米的狹小空間之中。
　　最新的結構設計、電子技術、計算機技術及通訊技術，將幫助工程設計人員擴展新型飛船的操作適應性，遠遠超出“阿波羅”飛船的水平。“獵戶座”飛船可以自動與其他航天器對接，能夠在無人操作的情況下繞月飛行6個月。工程師們也在努力增強“獵戶座”飛船的安全性。如果發射時遇到緊急情況，強大的逃逸火箭（escape rocket）會迅速將乘員帶離危險境地，這項安全保障措施是航天飛機的宇航員享受不到的。不過，為了能對整個計劃有一個切身體會，還是讓我們先“回到”地面，“回到”宇航員離開地球之前。我們將從這里開始，全程跟蹤一次虛擬的登月任務。
　　
　　發射，再發射
　　
　　高達110米的發射塔聳立在美國佛羅里達肯尼迪航天中心的鹽堿灘之上，兩級式戰神5號（Ares V）貨運火箭靜靜地矗立，等待發射升空。戰神5號裝有5台強勁的火箭發動機，它的高度和周長幾乎與“阿波羅”計劃中的土星5號（Saturn V）巨型火箭不相上下。由航天飛機外貯箱改進而來的戰神5號中央推進燃料箱裝有液氫液氧推進劑，用于輸送給多台RS-68火箭發動機——這種發動機是由目前德爾塔4型軍事商業運載器中使用的發動機改進而來的。兩個根據航天飛機助推器改進而來的固體助推火箭捆綁在戰神5號主火箭的兩側，它們提供的額外推力幫助火箭將貌似甲蟲的月球著陸器及“地球離開級”（Earth departure stage）送入軌道。“地球離開級”是一個推進艙，包含一個以液氫液氧為燃料的J-2X火箭發動機（“阿波羅”時代土星5號火箭J-2發動機的改進型，由普拉蒂&惠特尼火箭發動機公司制造），將為“獵戶座”飛船提供推力，使它擺脫地球引力，奔向月球。
　　
　　
　　突然，一股烈焰從戰神5號火箭的尾部噴射而出，滾滾濃煙騰空而起，將火箭、塔架和發射台包裹得嚴嚴實實。巨大的轟鳴聲響徹整座發射場，連鳥兒都嚇得四下飛散。巨大的火箭先是緩緩上升，在尾部留下一條灰白色的氣柱，隨後穩定地加速，拖著那條煙尾劃過天空，消失在茫茫天際。幾分鐘後，火箭進入近地太空。戰神5號與助推火箭分離，後者落入大海，並被回收利用。隨後，火箭前端的整流罩也被丟棄，露出月球著陸器。無人乘坐的飛船將在地球上空300千米的軌道上環繞地球數圈，等待執行月球遠行計劃的下一步︰與“獵戶座”飛船交會對接。
　　同一天，4名登月宇航員在肯尼迪發射中心的另一座發射平台上待命，在距離地面98米的“獵戶座”乘員艙中等待升空。圓錐形的乘員艙下方是一個圓筒形的服務艙，它裝有為“獵戶座”飛船在軌飛行提供動力的推進發動機和大部分生命保障系統。保護性的整流罩包裹著乘員艙和服務艙，避免它們在升空時遭到強烈氣流及其他嚴苛環境的沖擊。乘員艙和服務艙被安置在NASA的兩級式戰神1號乘員運載火箭頂端。戰神1號比戰神5號縴細，它的第一級火箭是另一種由航天飛機助推器改造而來的固體火箭（由美國阿連特技術系統公司負責建造），第二級火箭則由一台J-2X發動機提供動力。“獵戶座”飛船和戰神1號火箭之間還有一個連接適配器，將兩者的結構與電力系統配套整合在一起。
　　位于整個火箭最頂端的是逃逸塔（escape tower），如果火箭發射失敗，它能帶著宇航員脫離危險境地。1986年挑戰者號航天飛機在發射升空過程中爆炸，機組乘員全部喪生。那場悲劇表明，如果航天飛機在發射或升空早期階段遭遇重大技術問題，機內的宇航員幾乎沒有機會幸存下來。相反，“獵戶座”飛船的“發射中斷系統”（LAS）可以在幾秒鐘內，提供一個相當于自身重力15倍的推力，驅使乘員艙與火箭系統分離。這種逃逸火箭隨時待命，一旦運載火箭在發射台上或在升空過程中發生故障，需要緊急中斷發射任務，它就會迅速點火，讓宇航員脫離險境。如果運載火箭在地面上發生嚴重故障，從運載火箭上逃逸出來的系統可以升到1,200米高空，讓降落傘展開，飄落到距離發射架大約1,000米的安全地帶。任務規劃者估計，“發射中斷系統”加上“獵戶座”飛船先進的導航及控制系統，可以在事故發生時，讓乘員的安全逃生率達到99.9%。
　　隨著發射時間的臨近，任何類似的擔憂都會迅速被愉悅的情緒代替。倒計時正在走向零點，指令長和導航員密切注視著“獵戶座”飛船玻璃座艙中的儀表盤（glass cockpit），上面全屏顯示著各種飛行數據。這種儀表盤是根據先進型客機（比如波音787夢幻客機）中使用的電子設備系統改進而來的。它使用了節能型電子設備，采用了電腦化的電傳操縱系統，幾乎沒有機械開關，與“阿波羅”飛船的操控面板完全不同。
　　突然而來的震動搖晃著整艘飛船，巨大的雷鳴聲接踵而來，細長的戰神1號火箭開始飛向天空。巨大的加速度將宇航員緊緊壓在座椅之中，隨著火箭一起迅速升空。

　　經過兩分半鐘的飛行，在固體火箭推動下，戰神1號的速度達到了6馬赫。在大約61千米的高空，火箭第一級分離，在降落傘的保護下落回地球，然後被回收利用。與此同時，第二級火箭的J-2X發動機點火，將“獵戶座”飛船的乘員艙、服務艙和“發射中斷系統”送出大氣層。飛船脫離大氣層後，整流罩完成使命，從船體上脫落以減輕重量，從而進一步增強飛船的爬升性能。此時，飛船已經獲得足夠的速度，因發生故障需要緊急脫離的風險大大降低，因此“發射中斷系統”及其防護整流罩與飛船分離。當乘員艙和服務艙抵達大約100千米的高空時，第二級火箭發動機關閉。
　　
　　交會，飛向月球
　　
　　接下來，服務艙發動機點火，將“獵戶座”飛船順利送入軌道，開始實施必要的軌道機動，以便與先前發射升空的“地球離開級”和月球著陸器交會。“獵戶座”飛船主發動機是根據經過實際飛行檢驗的航天飛機軌道機動發動機演變而來的，在推進力和推進效率方面都有所改進。服務艙包括發電和蓄電系統、能將多余熱量散入太空的散熱系統，以及任務執行過程中所需的科學設備和所有液體。為了給乘員艙騰出最大的空間，服務艙也裝有一些航空電子系統，以及一部分環境控制和生命保障子系統。服務艙的艙體由采用蜂窩狀結構的輕型鋁增強型聚合物制成。這種簡便的制造方法有利于降低此類一次性消耗部件的成本。
　　“獵戶座”飛船與“阿波羅”飛船最顯著的區別之一，就是給服務艙添加了傘形太陽能電池帆板，可以在軌道飛行過程中展開。“阿波羅”飛船是為短短幾天的月球任務設計的，飛船上只攜帶了能滿足短期任務需求的氫燃料電池，而“獵戶座”飛船必須能為至少6個月的探測任務提供足夠的電力。
　　“獵戶座”飛船逐漸追上早已等候在近地軌道上的“地球離開級”和月球著陸器。當這兩個航天器終于交會時，宇航員實施（或監控）最後幾組軌道機動，密切監測自動“軟捕獲”（soft capture）系統，讓兩個航天器對準並緩慢對接。當力反饋和機電組件“感受”到負載，就自動捕獲航天器的接合環，主動減弱所有的觸點壓力。這時對接已經完成，飛船和乘員做好了飛往月球的準備。
　　乘員艙是“獵戶座”飛船上唯一可以經歷整個旅程的組件，也許能夠重復利用10次之多。艙體結構主要由輕型鈦增強型鋁鋰合金材料構成。乘員艙的外部覆蓋有熱防護系統，不僅能保護居住艙免受再入地球大氣層時高溫灼燒的影響，還與堅硬的防撞擊保護層攜手，保護乘員艙的外壁免受微流星體和其他碎片的高速撞擊。
　　乘員艙的反饋控制機動系統采用的推進劑是氣態氧和甲烷，這項技術的基礎是在NASA開發X-33單級入軌飛行器的過程中奠定的，不過X-33的研制計劃已在2001年取消。氧氣—甲烷推進系統的一大優點是，燃料本身無毒（以前使用的自燃推進劑都是有毒的），這有助于確保飛行安全，還能保障飛船返回地球後地面人員的安全。
　　一切就緒之後，“地球離開級”的火箭發動機點火，推動飛船奔向月球。工程師們可以配置“獵戶座”飛船，讓它既能支持“月球出擊任務”（lunar sortie mission），也可支撐“月球前哨任務”（lunar outpost mission）。前者是指宇航員在月球表面停留4~7天，用以驗證“獵戶座”飛船系統有能力實現貨運及載人登月；後者則要求在月球建立前哨基地，讓人類常駐月球。由于受到氧氣、水和其他消費品供給條件的限制，一組乘員最長能在月球表面停留210天，因此“獵戶座”飛船的持續運行能力必須超過這一期限。完成不同的月球任務所需的推進劑總量，是設計“獵戶座”飛船配置時需要考慮的最大問題。
　　經過長達4天的奔月之旅，飛船進入繞月軌道，這時“地球離開級”已被丟棄在旅途之中。4名宇航員從乘員艙爬入月球著陸器，然後月球著陸器與乘員艙和服務艙分離，其中月球著陸器下降到月面，而乘員艙和服務艙留在軌道上等待他們返回。與“阿波羅”飛船的登月艙一樣，“獵戶座”的月球著陸器也由兩個組件構成。一部分被稱為下降級（descent stage），包含4個用于支撐月球著陸器的支架，以及大部分乘員消耗品和科學設備。另一部分被稱為上升級（ascent stage），是宇航員在月球上的臨時住所。成功著陸，並完成探測任務之後，4位宇航員乘坐上升級從月球表面起飛，與等候在繞月軌道上的乘員艙和服務艙對接。然後上升級被丟棄在外層空間，而“獵戶座”飛船則啟動發動機，開始返回地球。
　　
　　返回地球
　　
　　“獵戶座”飛船再入大氣層和著陸地球的方式與“阿波羅”飛船不同。“阿波羅”飛船的著陸方式與美國早期的“雙子星座”飛船（Gemini）和“水星”飛船（Mercury）如出一轍︰一頭扎入地球大氣層，然後直接濺落在海中。不過，在水上著陸必須出動回收船隊，成本很高，還會讓飛船經受鹽水的腐蝕，影響重復使用。因此，“獵戶座”飛船計劃像俄羅斯的聯盟號（Soyuz）飛船一樣，在陸地上著陸。采用陸地著陸模式是最大程度減小循環使用成本的關鍵。如果出現緊急情況或天氣不利等因素，“獵戶座”也能夠在水上降落，這時它的著陸過程就會和“阿波羅”飛船差不多。
　　遺憾的是，完成探月之後，飛船如何在美國國土上著陸，是一個相當棘手的問題。在一個朔望月里，有將近一半的時間，軌道條件只適合在南半球著陸，距離NASA規劃的美國西部著陸點相去甚遠。盡管調整脫離繞月軌道的時間可以改變再入點（reentry point，即飛船再入地球大氣層的確切位置）的經度，但再入點的緯度卻是由飛船脫離繞月軌道時，月球所處的赤緯（即月球與天球赤道的夾角）決定的，無法改變。因此，為了在不利的條件下讓飛船在美國西部或美國附近水域著陸，“獵戶座”飛船必須在進入地球外層大氣時，借助氣動升力（aerodynamic lift）使著陸點向後延伸，進入北半球。換句話說，飛船在進入上層大氣層時需要彈跳一次，要像石頭在池塘上打了個水漂一樣，這類軌道有時候被稱為跳躍式再入大氣層（skip reentry）。
　　這將是人類航天史上首次嘗試載人的跳躍式再入大氣層，為此，“獵戶座”飛船在離開繞月軌道時精細調整了飛行路線。此時，飛船踏上返程已有4天，窗外的藍白色地球越來越大，宇航員們的思鄉之情也越發濃重。不過，他們很快就忙碌起來，要給飛船重新定向，以便拋棄服務艙，將乘員艙底部的熱防護罩暴露出來。隨後，宇航員利用“獵戶座”飛船上的冗余導航系統和飛行計算機，檢測飛船的再入姿態和再入軌道是否正確。檢測結果一切正常後，“獵戶座”飛船再入大氣層，踏上最後一段返程路。
　　跳躍式再入過程剛開始時，乘員只會注意到微弱的地球力（在飛行過程中因加速度而產生的慣性力），這是由稀薄的高空空氣的阻力引起的。熱防護材料在高溫灼燒下散濺出點點火花，隨著火花和電離氣體流從窗邊滑過，這種地球力變得越來越強，將乘員緊緊壓在座椅之中。乘員艙在上層大氣中飛掠而過，飛船輕輕向上彈跳了一下，隨後又重重地落下來，一頭扎入大氣層中，朝著著陸點飛奔而去。
　　2003年，哥倫比亞號航天飛機在返航途中解體，宇航員全部遇難。這場悲劇表明，返回艙的熱防護系統非常關鍵。再入大氣層時，以超音速行進的飛船與空氣摩擦，會在飛船底部產生極高的熱量，溫度高達上千攝氏度。由于“獵戶座”飛船從月球返航時的再入速度（大約11千米/秒）要比航天飛機從近地軌道的返航速度高出41%，因此熱量負荷要高出好幾倍。此外，“獵戶座”乘員艙比“阿波羅”指揮艙更大，這也增加了熱防護系統的制造難度。
　　“獵戶座”乘員艙底部熱防護罩的首選材料是苯酚浸漬碳燒蝕材料（PICA），是在酚醛樹脂中嵌入碳縴維充填物而制成的。在高溫下，PICA層的外側表面會被燒蝕，帶走大量熱量。燒蝕材料表面受熱分解之後，會留下一層燒焦物質構成的耐熱層。PICA較低的導熱性也能阻礙熱量傳向乘員艙內部。PICA曾被應用在2006年的“星塵號”探測器（Stardust spacecraft）上，當探測器攜帶著從懷爾德2號彗星（Comet Wild 2）上采集的樣品返回地球時，速度高達13千米/秒——這是迄今為止最快的受控再入速度。不過，“獵戶座”飛船熱防護層的面積是星塵號的40倍，因此飛船的熱防護層需要分塊建造，使復雜性大大增加。
　　最終，三個巨大的降落傘徐徐展開，減緩飛船的下降速度。這些降落傘與“阿波羅”飛船使用的降落傘非常相似。看到紅白相間的傘蓋出現在飛船的上方，宇航員們就放心了，他們知道自己的奇妙旅程就要結束了。不久，飛船拋掉了巨大的熱防護罩。在大傘的牽引下，乘員艙以大約8米/秒的速度緩緩下降。
　　如果是在陸地著陸，乘員艙下側的氣囊系統會充氣膨脹，吸收和削弱著陸時的震動。一陣劇烈的搖晃之後，飛船最終降落在美國西部沙漠的干旱地帶——“獵戶座”飛船回家了。