NASA 阿提米絲登月計劃（上）
前言
川普在2017年執政期間，核准美國航空太空總署（NASA）的重返月球計劃；經過五年努力，現在終於露出曙光。距離上一次人類登陸月球已經整整有半個世紀之久，那是1972年12月7 - 19日的阿波羅17（Apollo 17）任務。這次的登月計劃取名為「阿提米絲」（Artemis）1，在希臘神話裏「阿提米絲」（月神）是「阿波羅」（太陽神）的孿生姐姐。
上世紀阿波羅登月計劃可以説是當時美蘇太空競賽下的產物，對於月球探索研究所花的功夫是有限的；NASA在這一次登月計劃，似乎是想從阿波羅登月計劃的經驗上，發展新一代的月球計劃，那就是在月球上建立永久性的人類探月工作站。
阿提米絲登月計劃未來將包括了三次任務（Artemis 1、2、3）。Artemis 1從2022年八月底開始嘗試發射2，截至目前連續幾次都因為燃料系統異常而取消。Artemis 1是無人繞月飛行，主要在測試所有次系統的性能。假如Artemis 1任務順利成功，Artemis 2 計劃將在2024年載人繞月飛行但不登月；直到Artemis 3才會有兩位太空人登上月球、並在月球待上七天 -- 這兩位太空人將會是一名女性以及一位有色人種，NASA之所以這樣安排是為達成這項計劃的首要宗旨「平權」。不過這個任務順利完成的話，最快也是2026年以後的事了。
儘管登月計劃終止了五十年，人們對於航天科技領域的發展卻從沒間斷，從火箭到太空服（Space Suit）以及目前開發出來的新技術，都需要驗證後為星際深空探索鋪路。或許是礙於美國聯邦政府財務狀況無法獨立運作，這次計劃另有英、加、澳、日、盧森堡及阿聯酋加入同盟，並大規模的與民營公司如波音、SpaceX 合作。
上世紀1960年代的阿波羅登月計劃，美國當時花了65億美金，相當於今天的500億美金；當時NASA 經費占美國聯邦政府總預算的4%，今天只佔不到0.5%，上述數據足以證明美國國力的逐漸衰退。有了過去阿波羅登月計劃的經驗，這次的阿提米絲登月計劃將會更有效的從月球取樣帶回地球，並規劃太空人在月球生活數週甚至數月 -- 針對月球水資源及礦物質進行研究，探索長遠開發的可能性評估。
「阿提米絲登月系統」
「阿提米絲登月系統」由四大系統組成（參見上圖），包括「太空發射系統」（Space Launch System, SLS）、「獵戶座太空船」（Orion spacecraft）、「月球門戶太空站」（Lunar Gateway Space Station） 以及「商用人類登月系統」（Commercial Human Landing System），總高度將近100公尺比紐約地標自由女神還高。本文為讀者介紹「阿提米絲登月系統」的骨幹 -- 「太空發射系統」（SLS）。
NASA的「太空梭」（Space Shuttle）在2011年7月完成最後一次任務後，美國聯邦政府於當年就批准了開發新一代的「太空發射系統」，由於國會議員強力介入而導致又一個外行領導內行的案例：首先政府把新任務規劃成太空梭的延伸計劃，必須利用現成的太空梭發射系統未使用完的組件，包括推進引擎、助推火箭等，以為這樣不但可以省錢而且可以降低風險。殊不知「太空梭」是上一世紀產物，雖然也是一個成功計劃，但是其系統由於過於複雜，曾經耗費龐大的財力、物力才能夠維持運作。所以坊間取笑說：SLS不是「太空飛射系統」而是Senate Launch Systems（參院發射系統）。其實SLS的前身應該是NASA的「戰神五號」（Ares V），但由於該計劃野心太大，花費不貲後來被歐巴馬總統取消了。
「太空發射系統」（Space Launch System, SLS）3
NASA的「太空推進系統」屬於超重型火箭，是目前全世界推力最強的火箭。基本上，SLS 分載人及載貨兩型，每一型中又有輕重型之分（參見上圖）。阿提米絲1號任務採用的是Block 1型，其推進段即是圖片中的褐色部分加上兩具固態燃料助推火箭。其設計概念說是完全複製1970年代太空梭造型也不為過，SLS 助推火箭只是把原有太空梭助推火箭的燃料增加了一段（從四段變成五段）以增加推力。SLS的「主要推進系統」（Main Propulsion System, MPS）包括一個巨大的液態氫燃料桶、一個液態氧氧化劑桶、再加上四具R25可轉向引擎 -- R25引擎是Aerojet Rocketdyne公司所製造用於太空梭，所以又稱「太空梭主引擎」（Space Shuttle Main Engine, SSME）。
以Block 1 為例，它的起昇推力比31架波音747的推力總合還大，可以把8架滿載的波音747推入太空，比當年阿波羅計劃的「農神五號」（Saturn V）總推力還多出15%。在480秒的推進階段，一具R25引擎就可以燒掉1500加崙燃料，四具R25引擎燒掉的燃料比一個奧運規格游泳池的水量還多。當初設計R25液態氫燃料引擎是為因應太空梭重複使用條件，曾經順利完成過135次太空梭飛行任務。因為連同兩具使用固態燃料的助推火箭都不回收，目前僅存的16具R25引擎最多只能履行四次阿提米絲登月任務。
SLS vs. Starship 4
談到SLS就不得不提SpaceX馬斯克的「星艦飛船」（Starship）5。一個是由聯邦機構主持、策劃並按照政府各種法規程序執行的計劃，這種大型計劃在各州國會議員都要為自己的州爭取參與機會，因而造成連繫、溝通、管理上的種種挑戰。而且這是在太空計劃日漸緊縮的預算下，執行一項只許成功不許失敗的任務，NASA經驗豐富的工程師們也就不敢大膽嘗試創新的設計，只求走一條穩當不出錯的路，殊不知這條路是走不遠的，並遲早會被淘汰。
反觀SpaceX 處處都以創新的思維解決問題，要把太空計劃做長做遠。就以最重要的推進系統言，SLS 採用阿波羅農神火箭的概念，以四具大引擎R25為主力，相較於「星艦飛船」（Starship）的超重量級推進系統則採用33具「猛禽引擎」，Starship的推昇能力是SLS的兩倍。阿波羅時代的電子設備、控制系統均無法與今天的技術相比，超過四具引擎的控制就可能無法執行，所以為了足夠的推力，只能SLS將引擎做大（代表推力大），所以只要一具引擎異常，整個火箭就報銷。反之，Starship的一、兩具猛禽引擎故障的影響就相對有限。
猛禽引擎採用甲烷為燃料，而R25以液態氫為燃料，除了甲烷比氫燃料便宜外，Elon Musk認為在火星上生產甲烷的可能性高。甲烷分子CH4比氫分子H2要大得多，比較不存在漏氣的問題。最近兩次取消阿提米絲發射就是因為氫氣管線漏氣。再加上，氫氣必需儲存在高壓低溫桶中，甲烷較穩定儲存相對單純許多。
假設NASA的「太空發射系統」（SLS）和SpaceX的「星艦發射系統」（Starship）都能順利運作，預估NASA 的系統發射一次的費用需要20億美金，而SpaceX的系統只要二百萬美金，發射費用差距如此之大，主要是因為SLS是用完即丟的一次性發射系統，而星艦則是可重複使用的，這就是政府與私人企業，加上守舊與創新的差別。
阿提米絲登月計劃這一期談到這裡，下一期將介紹她的上節火箭包括獵戶座太空船等等。
參考資料:
附註一、Artemis Program - Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Artemis_program
附註二、NASA Artemis Moon Missions: launch date and fact. NASA Artemis Moon Missions: launch dates & facts https://www.rmg.co.uk/stories/topics/nasa-moon-mission-artemis-program-launch-date
附註三、NASA Space Launch System. Space Launch System | NASA https://www.nasa.gov/exploration/systems/sls/index.html
附註四、SLS vs Starship, SLS vs Starship: the battle of the mega rockets continues https://www.aerotime.aero/articles/32113-sls-vs-starship-the-battle-of-megarockets-continues
附註五、有關Elon Musk的Starship讀者可參閱CASE在2022年3月8日所刊出的「漫談太空旅行 (五)」一文。http://case.ntu.edu.tw/blog/?p=39413
作者：
黃國華博士退休前在美國Huntsville的Troy7, Inc. 擔任總工程師(Chief Engineer)，這家公司提供美國國防部飛彈防禦署(Missile Defense Agency, MDA)及NASA技術支援。黃博士有多年導航與控制(Guidance and Control)及彈道軌跡設計經驗，他全職支援MDA，並在靶彈部門的導彈軌跡組擔任組長。
王志强博士曾任美國麥道太空系統公司 (MDSSC) 的空氣動力學專家 (Senior Technical Specialist)，1992年返台加入台翔航太(TAC)協助發展民航機產業；他的斜槓人生還擔任過：安達信 (Andersen Consulting) 企業戰略經理，中國和光集團戰略長、鴻海董事長特別助理、友達光電(AUO)營銷高階主管、美國林肯電氣 (Lincoln Electric)在台合資公司廣泰執行副總、美世顧問 (Mercer) 台灣區總經理、以及上海佳格 (Shanghai Standard Foods) 營運長。