NASA 阿提米絲登月計劃（下）

前言

上一期我們介紹了阿提米絲（Artemis）的骨幹¹ — 「太空推進系統（SLS）」。這一期繼續為讀者介紹阿提米絲系統的「上節」（Upper Stage）部位（參見下圖）。當SLS燃燒約420秒後與Upper Stage部位分離、並墜入大西洋，而Upper Stage部位繼續往月球方向推進。

 

阿提米絲Block 1 的Upper Stage系統包括「中段低溫推進段」（Interim Cryogenic Propulsion Stage, ICPS）以及「獵戶座太空船」（Orion Multi-Purpose Crew Vehicle, Orion）。ICPS可以視為第二節推進火箭，它是以液態氫及液態氧為燃料的單引擎液態火箭，其引擎採用也是Aerojet Rocketdyne生產的RL10 引擎，推力達24,750磅（110,088牛頓）。第二節推進火箭（ICPS）目的是將「獵戶座太空船」（Orion）快速穿過「范艾倫輻射帶」²（Van Allen belt）、並推向月球。

「范艾倫輻射帶」（參看下圖）是環繞在地球外圍的兩條高輻射帶，它是太空中帶電粒子，因為被地球磁場吸引而形成的 -- 其內層大部分是質子組成，外層是由高能電子組成，形成地球對太陽風暴的保護層，但是對探月太空人身體而言，曝露其中是有害的。這些看不見的高速高能粒子會破壞人體的DNA，所以太空船對輻射防護要求特別嚴格，不過再怎麼嚴格還是有高能粒子穿過太空船，所以必需快速通過輻射帶以降底風險。

 

獵戶座太空船³

座落在ICPS上面的就是獵戶座太空船（Orion），包含推進艙（Service Module）和人員艙（Crew Module）。在最頂端還加了有一組小火箭的逃生系統，這個「太空人逃生系統」（Launch Abort System, LAS）是方便在下節火箭點燃推進時，若發生嚴重意外時才會啓動的 -- LAS啓動後會連同太空人座艙與下節火箭脫離、快速飛離危險區、並啓動返航程序。LAS是在55年前阿波羅1號火箭在發射台上發生意外折損三位太空人後，由所得到的敎訓發展出來的，現今全世界的載人火箭都裝有逃生火箭系統。

太空船為什麼取名為「獵戶座」（Orion）呢？

因為Orion 和阿提米絲（Artemis）是一對情侶。在希臘神話故事裏，阿波羅和阿提米絲孿生姐弟是眾神之王宙斯和其六太太所生，從小被天后（大太太）欺負，他們的父親宙斯為了補償他們，於是將太陽授給了阿波羅，將月亮交給了阿提米絲。阿提米絲喜歡狩獵，因而愛上了同是獵人的Orion，後來阿提米絲中了她弟弟阿波羅的計，不慎將Orion誤射致死，當阿提米絲在海洋上見到被自己射死的情人時痛不欲生。宙斯看到月神如此悲傷，於是同意將Orion提升到天上，擺在太陽力量最弱的冬季，成為獵戶星座後就可以永遠陪伴阿提米絲。這是希臘神話裏的故事，NASA科學家們似乎也喜歡希臘神話，就將登月計劃冠上希臘神話中的名字。

 

獵戶座太空船（參看上圖）的推進艙是歐洲Airbus公司在德國製造，被稱為「歐洲推進艙」（European Service Module, ESM），ESM裝有四片太陽能板、一具AJ10引擎、八個R-4D-11輔助推進器（Auxiliary Thrusters）以及一套姿態控制系統。

除了可以把載人太空船推進到人類從未抵達的深空外，ESM也供給太空艙內人員所需要的空氣、飲水及電力，讓四位太空人可以存活21天。座落在ESM 上頭的是「人員艙」（Crew Module），是由美國洛克希德馬丁公司製造，它的錐形體形狀與上世紀的阿波羅太空艙沒有多大區別。

太空「人員艙」（Crew Module）設計的最大挑戰在於隔熱層 -- 當太空艙返回地球，衝入大氣層時，它的速度超過每小時4萬公里，相當於在一小時內就可以從台北到洛杉磯來回兩趟。為了減速目的，太空艙將較大面積（5公尺直徑）的鈍形底部當作「前緣」（Leading Edge）以衝入大氣層；太空艙底部與空氣磨擦所產生的溫度高達攝氏2700度，幾乎是太陽表面溫度的一半。

太空艙底部的隔熱層採用1300片與太空梭相同的絕熱瓷片，厚度大約一英吋。這種以二氧化硅（SiO₂）為材質的絕熱體不但隔熱效果佳、重量也輕。從測試中可以看到，瓷片的一邊被燒得通紅，另一邊卻可以以手觸摸。

這次阿提米絲1號任務的人員艙雖然不載真人，但還是載了穿上實際太空服的假人，並安裝了各種傳感器，以測試昇空及返回大氣層時，假人所遭受的環境指數包括震動、加速、溫度等。另外，還有兩具假人其材質是根據人骨、軟組織以及女性器官仿製而成，其中一具穿著輻射防護背心，另一具則沒穿著輻射防護背心，用來測試太空中艙內輻射量。

 

阿提米絲1號任務航程

下圖是阿提米絲1號航程圖：綠色軌跡是去程，藍色軌跡是回程，繞月飛行軌跡是灰色，另外虛線是搭乘這次任務便車的十顆人造微衛星，由ICPS載體釋放的軌跡。當Upper Stage部位和核心推進火箭SLS分離後（圖示3號位置），再從4號位置啓動入軌推進，到5號位置時基本上已經進入繞地衞星軌道了，因為是要前往月球，所以在6號位置要啓動ICPS很重要的20分鐘的跨月入軌推進（Trans Lunar Injection, "TLI" Burn），這一段也是開始準備加速穿越范艾倫輻射帶的部分，待ICPS完成推進並與獵戶座太空船分離後，就開始䆁放搭便車的十顆「立方衛星」（CubeSat）。

 

獵戶座太空船與ICPS 分離後，繼續奔向月球，最終要在10號位置進入繞月軌道，不過在此之前獵戶座太空船要先"靠近"一下月球，在近月高度約110公里處飛過同時，為進入繞月軌道做準備。

阿提米絲的繞月軌道稱為「遙遠反轉軌道」⁴（Distant Retrograde Orbit, DRO）。所謂遙遠distant是指獵戶座太空船航行了38萬公里，通過月球再飛6萬5千公里到月球的後方；所謂retrograde是指獵戶座太空船飛行方向和月球繞地球運行方向相反。DRO軌道是相當穩定的繞月軌道，因為它通過"地-月"引力系統中的「拉格朗點」（Lagrange Points, L1 / L2）。有關「拉格朗點」的介紹請參閱CASE 四月五日刊出的韋伯太空望遠鏡⁵一文。

DRO軌道繞月一圈需時6.5天，阿提米絲1號計劃待6 到19天探月，完成繞月後，將脫離DRO軌道在12號位置啓動回程近月飛行並在14號位置為進入地軌道做調整；獵戶座太空船的人員艙在15號位置與其推進艙分離並啓動「重返大氣層程序」（Re-entry）。人員艙（Crew Module）有調整Re-entry飛行姿態的功能，將貼有隔熱瓷片的鈍形底部作為前緣，衝進大氣層；當Re-entry速度降至約每小時560公里時，人員艙（Crew Module）會陸續打開11片降落傘，最後以每小時32公里的速度降落在太平洋上。

阿提米絲探月計劃還包括另外兩項重要工程：「月球門戶太空站」⁶（Lunar Gateway Space Station）、以及「商用人類登月系統」（Commercial Human Landing System）。「月球門戶太空站」將由NASA 主持、並結合「歐洲太空總署」（European Space Agency, ESA）、以及「日本宇航開發機構」（Japan Aerospace Exploration Agency, AJXA）共同開發。

「商用人類登月系統」NASA於2021年四月發布，由馬斯克的SpaceX公司得標，合約金額為26億美金。連同上一期，我們為讀者大致的介紹了NASA 阿提米絲登月計劃，往後會繼續為讀者提供更多相關探月與登月的資訊。

 

 

參考資料：

附註一、Artemis Program - Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Artemis_program

附註二、Van Allen radiation belt, Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Van_Allen_radiation_belt

附註三、NASA Artemis Moon Missions: launch date and fact. NASA Artemis Moon https://www.rmg.co.uk/stories/topics/nasa-moon-mission-artemis-program-launch-date

附註四、Distant retrograde orbit, Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Distant_retrograde_orbit

附註五、有關「拉格朗點」的介紹，請參閱CASE 四月五日刊出的「韋伯太空望遠鏡」一文。http://case.ntu.edu.tw/blog/?p=39586

附註六、Lunar Gateway, NASA, Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Lunar_Gateway

 

 

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。