流紋岩：美國重返月球的着陸器為什麼就搞不定？

【文/觀察者網專欄作者 流紋岩】

近日，知名航天記者Eric Berger在美國科技博客媒體Ars Technica上發表了一篇文章，文章的具體部分我們將在稍後討論。

眾所周知，NASA選擇了太空探索技術公司基於“星船-超重”開發用於載人登月的“載人着陸系統”（HLS），但在整個2025年的上半年，“星船”系統遇到了巨大的困難，以至於基於“星船”的HLS系統很可能要到2028年甚至2029年才能準備好。目前授予任何簡單兩級着陸器合同或是催SpX搞快點都可能沒什麼用。而NASA航空航天安全諮詢小組表示，如果2026年上半年的“星船”試飛不樂觀，那麼“星船”HLS將無法在2027年開始HLS合同。

IFT-10的圓滿成功終於洗刷了“星船”v2在2025年上半年的恥辱

而Eric Berger的這篇文章指出了正在研究的另一個可能的載人登月模式：支持美國人重返月球的HLS將是藍色起源的“藍月亮Mk1”（Blue Moon），而不是原定計劃的“星船”HLS或是稍晚選擇的完全版“藍月亮”Mk2着陸器。

無論如何，美國的載人登月計劃確實是又延遲了，而其掣肘就是載人登月器。那麼為什麼會有這個問題呢？

一

NASA代局長肖恩·達菲近日宣稱美國要在月球計劃上擊敗中國，後者正在謀求2030年代前開展首次載人登月任務。

從1961年啓動“阿波羅計劃”實現載人登月，且目前擁有全世界最強航天技術和最強空間進入能力的美國，按理來説在月球着陸這個問題上應該沒什麼困難的。在21世紀早期，美國也沒少提重返月球的計劃。

其中包括2005年小布什提出的“探索計劃”，也就是所謂的星座計劃，計劃建造Atlair“牽牛座”低温月球着陸器、Orion“獵户座”載人飛船以及用於發射這種載荷的Ares V、Ares I火箭。計劃由一發重型Ares V發射牽牛座飛船至近地軌道，再發射一發Ares I將載人飛船送入繞地軌道，隨後交會對接並飛往月球。

作為一種着重前往月球極地的着陸器，牽牛座並未採用類似阿波羅月球着陸器的常温發動機，而是開發了一款基於RL-10發動機改造的、具備10%-100%深度變推力能力的“深度節流通用可擴展低温發動機”（CECE），並在實驗中達到了10%-100%的變推比。雖然“牽牛座”登月艙仍然是一次性的，但其具備擴展能力，可以運輸貨物等。

“牽牛座”LSAM概念圖

星座計劃的宏大構想雖然十分誘人，但完全從零開始的計劃帶來了巨大的財政和經濟壓力。其全新的10米箭體和6台RS-68B發動機的過熱問題直到項目結束都未能完全解決。2010年，星座計劃下馬。2000年代末提出的DIRECT 2.0計劃則直接使用航天飛機的遺產改造為Jupiter 232火箭，通過地球軌道集合模式開展載人登月。而在2009年的DIRECT 3.0計劃中研究了使用航天飛機主發動機SSME取代燒蝕冷卻的RS-68發動機的想法。

最終，這些概念轉化為了一款類似航天飛機但又不完全繼承航天飛機的火箭——“太空發射系統”（SLS）。SLS採用類似航天飛機外貯箱的8.4米直徑並安裝4台SSME發動機。但其承包商、製造/總裝方式和結構材料都有所改變，因此並不能説SLS火箭是航天飛機的遺產。不過它所使用的SSME發動機和五段式固體火箭助推器（RSRMV）均直接來自於航天飛機遺產。雖然產量拖沓、準備緩慢、成本高昂，但SLS火箭和獵户座飛船於2021年完成了自己成功的首飛。雖然仍然存在一點小問題，但已經得到了解決。

不過目前來看，登月艙，或者説“載人着陸系統”遇到了問題。

我們都知道，Artemis計劃的重點是月球南極，其配套的Gateway“門户”空間站也採用了能更方便到達南極地區的近直線Halo軌道（NRHO）。講道理，NRHO確實適合部署月球軌道空間站，因為其三體引力控制下的大橢圓軌道允許登月艙在遠點通過很小的一次點火就大幅調整軌道面，這幾乎允許從月球表面任何地區發射的航天器進入類似NRHO的軌道，並最終和空間站進行交會。而返回窗口也多於繞月低軌道。實際上，從地月轉移軌道進出NRHO加起來只需要1000m/s的速度增量，這就決定獵户座並不需要大量的速度增量。

為了給歐洲分一杯羹，NASA將獵户座飛船的推進模塊交由歐洲開發，而歐洲空間局使用了ATV這一低軌貨運飛船的推進系統進行改進，導致了獵户座飛船現在只有1250m/s的速度增量，只能進出NRHO並和Gateway對接。作為對比，阿波羅採用的月球軌道交會方案中，其指令艙-服務艙飛船具備超過2300m/s的速度增量，負責頂着月球軌道模塊直接進入繞月低軌道。

這並不是個壞事，但它最大的問題是增加了HLS的複雜度。相比於阿波羅月球着陸器只需要從LLO降下去，再起飛，HLS需要先到達NRHO，和Gateway交會對接，然後載着宇航員從NRHO下降至繞月低軌道，再從繞月低軌道下降至月球表面。起飛後也要從繞月低軌道多推一把進入NRHO，再和Gateway對接。這無疑增加了HLS的負擔。

不過對於美國來説，這又算什麼問題呢對吧，不就是多一點燃料量和發射質量嗎，美國有獵鷹9、重型獵鷹、新格倫、火神，不惜代價一點還有SLS Blk1B和SLS Blk2，打個重一點的着陸器又有什麼問題呢？

受到各種商業化浪潮的影響，NASA也沒有選擇自己負責採購着陸器，而是採用商業模式採購HLS。NASA認為商業採購可以減少所需的資金，此外也可以降低政治成本，商業公司可以在較低關注度下使用更新穎的技術，而不至於使NASA被追責等。

2019年10月25日，NASA發佈了HLS系統的招標。在截止日期11月5日之前，五家公司提交了招標。在把波音依靠SLS Blk1B而不需要使用Gateway的兩級着陸器和Vivace的兩級着陸器排除後，以藍色起源領導，洛馬、諾格和Draper組成的“國家隊”，Dynetics領導的“小企業隊”和SpX基於“星船-超重”開發的三款着陸器進入三選二競標。

波音HLS

Vivace的着陸器方案，類似牽牛座

“國家隊”的綜合着陸器（ILV）包括藍色起源的着陸段、諾格的轉移段和洛馬的上升段。ILV將使用三次藍色起源新格倫火箭或是聯合發射聯盟火神-半人馬座火箭發射至月球軌道並且交會對接。當然ILV也可以使用SLS Blk1B火箭發射，NASA認為“國家隊”開發ILV在時間管理上問題不大，而技術風險可以接受。Dynetics的方案是一個低矮的着陸器，需要兩次發射，且具備改裝為大型貨運着陸器的能力，NASA對Dynetics的方案的時間管理和技術風險都給出了非常好的評價。

“綜合着陸器”是一個需要三次商業火箭發射的着陸器

Dynetics的着陸器相當低矮且具備貨運能力，但超重了

相比之下，在2021年的當口，SpX確實沒什麼優勢。由於“星船-超重”當時甚至只有一個破爛不堪的原型機，且其涉及極其複雜的在軌交會和加註，且其熱氣姿控也不太成熟，NASA只評價為“可接受”。

相比那兩個看起來還算正常，只需要從NRHO到月面再回到NRHO的方案，SpX的“星船-超重”HLS方案極其激進：需要一枚“超重”將HLS送入繞地軌道，隨後發射4次（記住這個數字）補加飛船和HLS對接，隨後HLS自行爬進地月轉移軌道，剎車進入NRHO，和Gateway或是獵户座飛船直接對接後從NRHO着陸至月球表面，完成月表任務後起飛和Gateway對接。由於“星船”飛船是一個直徑9米、長50米的龐然大物，其對着陸區的限制和系統的複雜度超過另外兩家。在開標之前，SpX的HLS並未有非常高的期待值。

“星船”HLS和獵户座飛船在NRHO上對接，注意Artemis III任務不涉及Gateway

但出人意料的是，2021年4月16日，NASA只選擇SpX基於“星船-超重”兩級重複使用重型運載火箭開發HLS着陸器，並授予了28.9億美元的合同，包括一次無人着陸和一次載人着陸（Artemis III）。NASA稱雖然“星船”方案具有較高的風險，但SpX可以通過快速迭代以解決方案中的風險。目前看來選擇SpX的可能性大概只是錢——Dynetics的方案要價最高，為85-90億美元，而“國家隊”的方案要價60億美元，SpX只要29億美元。

另一個可能打動NASA的因素是SpX的“星船”HLS足以將20噸貨物送到月球表面，但相比原來的三選二，只選擇SpX似乎確實有點偏心了。Dynetics的方案當時還存在問題，着陸器只能將負質量送到月球表面，而似乎十拿九穩的“國家隊”也落選讓藍色起源十分惱火，隨後向GAO起訴SpX被NASA所偏袒，最終敗訴。

二

現在我們知道，“星船-超重”系統雖然理念十分先進，但在過去幾年的開發中並不順利。拋開我們之前在“星船”SN-36爆炸的文章中提到的一系列問題，更大的一方面來自於該系統的嚴重超重。

相比於號稱的150噸兩級全回收運力，目前“星船-超重”v1版的運力只有區區15噸，在這篇文章發出來時已經打完了的v2版也只有35噸。而馬斯克號稱更換了“猛禽-3”的v2（也就是v3）可以達到100噸運載能力，而究極拉皮版的v4可以達到200噸以上的運載能力，而且這個數大概率是吹牛逼。由於運載能力不足而需要發射更多的“星船-超重”，愈加複雜的在軌集合加註對管理和技術提出了更高的要求，則會進一步拖延該系統能夠建立月球到達能力的時間點。

目前“星船”HLS系統因為超重，除去近地軌道集合加註外還計劃在大橢圓繞地軌道上再進行一次加註，而Eric Berger的文章指出目前來説一次HLS任務需要20-40次“星船-超重”火箭的支持，充分表明了這玩意超重的問題十分嚴峻。如果需要發射大量的補加飛船，則對“星船”的快速週轉和在軌加註等都提出了更高的需求。雖然目前SpX在“星城”建造第二個能夠支持全推力起飛的發射台，並且在卡納拉維拉爾角計劃建造一堆發射台，包括肯尼迪航天中心LC-39A和卡納拉維拉爾角天軍基地SLC-37B。但考慮到目前20-40發服務一次HLS的這個需求實在是過於離譜了。

“星船”HLS在軌加註推進劑

如果“星船”HLS瞄準2028年載人着陸，則2027年底“星船”HLS必須完成無人月球着陸，2027年初的時候就得具備極高的成熟度，能夠快速地在軌進行幾十噸推進劑的轉移、準“航班化”的運行、回收並複用，那2026年中下旬就得完成初步的推進劑船間在軌轉移驗證和具有較為客觀的運載能力，至少得實現二級複用發射。

那麼，SpX現在在幹什麼呢？他們似乎還沒有湊齊第一艘v3版“星船-超重”的猛禽-3發動機……

反正“星船”HLS的成熟節點已經甩到至少2028年底去了，就SpX今年在“星船”v2上的狼狽樣子，除非墨菲定律徹底失效，後面所有發展一路順利且進入快車道，不然2028年實現載人“重返月球”的可能性也不太大。不過沒關係，Artemis III的發射有傳言稱也得到2028年中期了，甚至有可能直接放棄Artemis III的着陸任務，改為Gateway對接，不過應該還不算板上釘釘。

三

2023年5月，藍色起源獲得了NASA頒佈的第二款HLS合同，價值為34億美元。該計劃將開發“藍月亮”Mk2（BlueMoon Mk2）着陸器以用於Artemis V任務，也是整個Artemis計劃的第二次月面任務。NASA號稱引入第二家能夠“增強競爭力、降低納税人的成本、支持定期登月、進一步投資月球經濟，並幫助NASA實現其在月球及其周邊地區的目標，為未來的火星宇航員任務做好準備”。由於Artemis V任務得到2032年，因此“藍月亮”Mk2的首次無人着陸也不早於2030年。

“藍月亮”Mk2包括一個採用3台BE-7氫氧發動機的着陸器本體和一個低温着陸器拖船。在最初的CG效果圖中，似乎只需要3次發射即可完成。得益於460秒比衝的強大BE-7發動機，“藍月亮”Mk2的效率似乎並不差。但藍色起源為“藍月亮”Mk2配備了採用氣氫氣氧的姿態控制系統這一風險更大的選擇，因此其技術風險也固然存在。

舊方案的“藍月亮”Mk2及它配套的低温拖船

新一點的方案

可能由於藍色起源“新格倫”運載能力不足重等一系列原因，將“藍月亮”Mk2和油船推進至NRHO的發射量可能達到10次以上。以藍色起源目前這個慢吞吞生產“新格倫”的速度來看，即使LC-11也投入使用，10+次發射恐怕也得打上近1年。

而更大的問題還是“藍月亮”MK2是瞄準2030年代完工的，它無論如何也沒法趕在2027-2028年就具備載人能力。不過它的前型“藍月亮”MK1着陸器將於2026年首飛，並於2027年運送打贏復活賽的VIPER巡視器前往月球南極。“藍月亮”MK1是一個自重21.3噸的着陸器，計劃由新格倫火箭送入繞地軌道。新格倫發射“藍月亮”MK1最多可以將3噸載荷送達月面。

“藍月亮”MK1着陸器

根據Ars Technica的報道，藍色起源已經開始研究基於“藍月亮”MK1進行初步的載人改裝研究。雖然NASA尚未正式要求藍色起源公司研發這項技術，但據一位NASA官員稱，該公司認識到了這一需求的緊迫性。

根據目前的説法，“藍月亮”Mk1版本登月只需要發射三個着陸器頭尾相連，就可以將宇航員送至月表且返回軌道。兜兜轉轉了好幾年，又回到了“國家隊”綜合着陸器的復刻版。這種方案並不需要涉及最大的不確定性——在軌加註，因此藍色起源公司的工程師們有信心這種方法能夠奏效，雖然看起來不是很體面。當然了，作為一個無人着陸器，如果想在幾年內將其快速魔改為載人着陸器所涉及的改變和認證很可能也是一個無底洞，但相比HLS目前的困境來説這似乎不算什麼短板了。

四

NASA為什麼選擇了SpX呢？根本問題還是NASA在國會的指示下，將其所有探索資金都用於開發獵户座飛船、SLS火箭以及未來某項任務的地面系統。這讓大型承包商們欣喜若狂，但他們的成本加成合同吞噬瞭如此多的資金，以至於NASA沒有錢來購買有效載荷或其他真正能搭載這些硬件飛行的裝置。由於缺乏着陸系統，SLS被懷疑論者稱為“無處可去的火箭”。而現在證明他們大概是説對了。

由於缺乏資金，NASA不得不只能選擇最便宜的SpX“星船”HLS方案，而相比獲得昂貴資金支持和長線開發的SLS火箭，HLS系統甚至到現在也就過了4年，而其獲得的資金遠少於SLS，複雜程度又遠高於SLS，馬斯克從2024年底去“激情鍵政”而減少了對項目的管理使得問題雪上加霜，“星船”HLS自然拉垮了。不過如果在整個2026年取得完全順利的話，“星船”HLS倒是似乎還能保住自己的名聲，但其優化的需求也是十分迫切的。

即使我們不看HLS商業採購帶來的困境，其縮小版CLPS商業月球貨運服務也在NASA一味的“商業”下取得了最初一批幾個着陸器幾乎全滅的結果。NASA顯然是在ISS的COTS服務中吃到了商業化的甜頭，但僅僅一個“商業化”並不是萬能的靈丹妙藥。有些時候，一味強調降成本，最後實現的目的就只有“降成本”一個。特別是深空探測，其環境遠比近地軌道惡劣，測控更為困難，變軌等操作也更為複雜，CLPS尚且如此，更加複雜的HLS能變成現在這個地步也就合情合理了。

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