NASA 阿提米絲登月計劃(下)

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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。

圖片來源:阿提米絲SLS Block 1的展開圖1

 

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。

圖片來源:「范艾倫輻射帶」(Van Allen belt)2

 

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。

圖片來源:獵戶座太空船(Orion)展開圖3

 

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)。

圖片來源:阿提米絲1號航程圖3

 

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。

 

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