导言
长期以来，人类一直未曾中断对宇宙起源及地外文明的探索。美国国家航空航天局(NASA)正在引领进入月球及深空的下一步行动。月球附近的空间区域提供了一个良好的深空环境，可为人类探索整个太阳系积累经验。在此处搭建空间探索中转站——“门户”，使宇航员可以在数天而不是数周或数个月内返回地球。NASA计划在2024年将首位女性宇航员和一名男性宇航员送往月球表面。目前，NASA选择了三家美国公司来设计和开发载人着陆系统，这些商业合作伙伴将在合同基准期内完善其着陆器概念。
背景介绍
NASA的Artemis 1任务计划在2021年11月发射无人驾驶的航天器，以测试将执行后续任务的载人航天器。2023年，Artemis 2任务计划携四名宇航员进行为期一周的绕月飞行，但不会着陆。Artemis 3计划于2024年10月将首位女性宇航员与一名男性宇航员送往月球南极附近着陆。此外，NASA还计划将“门户”(Gateway)置于绕月轨道上。“门户”将成为其进行科学研究和测试新技术的平台及月球着陆器的码头。NASA于2020年4月30日宣布，已将着陆器研制合同授予三个商业团队，每个商业团队将开发一种载人着陆系统(HLS)，以供美国国家航空航天局(NASA)的Artemis计划使用。蓝色起源公司(Blue Origin)、动力学公司(Dynetics)以及由太空探索技术公司(SpaceX)领导的团队将获得9.67 亿美元的资金来开发着陆器。2021年，NASA将决定与其中一个或多个团队继续合作，以期在2024年之前将人类再次送上月球。
月球着陆器停靠在绕月航天器上
产品介绍
NASA已与三家商业团队紧密合作，共同构建下一代载人着陆系统，利用数十年的载人航天经验和商业领域的速度，实现2024年的月球着陆。 载人着陆系统( HLS)计划经理将指派NASA人员来支持每个承包商的工作，并根据公司提案中的要求(例如，设计、分析、测试)向公司提供直接的在线专业知识。蓝色起源公司(Blue Origin)正在开发综合着陆器(ILV)，这是一种三段式着陆器，将在其自己的新格伦（New Glenn）运载火箭和联合发射联盟（ULA）正在研发的火神（Vulcan）运载火箭上进行发射;动力学公司(Dynetics)正在开发动力学载人着陆系统(DHLS)，这是一种具有上升和下降能力的单段式结构，可在火神（Vulcan）运载火箭上发射;太空探索技术公司(SpaceX)正在研发一款星舰着陆器(Starship)，这是一款完全集成的着陆器，将使用SpaceX超级重型⽕箭（SuperHeavy）发射。
美国Artemis计划三种着陆器概念图
1. 蓝色起源综合着陆器
由蓝色起源公司(Blue Origin)领导的国家团队为美国国家航空航天局(NASA)的载人着陆系统设计了一款月球着陆器模型。该模型高40英尺，现在被安置在约翰逊航天中心的太空飞行器样机设施中，具有两个主要元件，即上升元件和下降元件。国家团队于2020年12月提交了“方案A”提案，拟议的解决方案利用飞行传统和模块化来管理风险，快速移动并实现月球上的可持续运营。仅在基础阶段，国家团队就完成了25场技术演示，为NASA的任务取得了重要进展。
国家团队整合了四家公司，致力于为NASA的载人着陆系统(HLS)工作提供灵活、多元、商业和可持续的解决方案。国家团队由蓝色起源公司、洛克希德·马丁公司、诺斯罗普·格鲁曼公司和德雷珀公司组成，其共同为NASA的Artemis计划开发一种载人着陆系统，以使美国人在2024年之前返回月球表面。这些合作伙伴共同指导了阿波罗号，建立了常规的轨道货物运输方式，发展了当今唯一的载人月球飞船，并率先使用液氢/液氧飞行器进行行星表面精确着陆。
Blue Origin领导的国家团队拟议的月球着陆器模型
表：蓝色起源(Blue Origin)国家团队构成
蓝色起源——下降元件
蓝色起源公司(Blue Origin)正在提供基于Blue Moon月球着陆器及其BE-7发动机开发了3年的下降元件，可以将乘员和货物运送到月球表面的任何地方(包括月球南极)。着陆器的自主制导性和垂直着陆结构、功能强大且可节流的液体发动机以及精益操作——利用了新谢泼德开发并投入使用的技术。
洛克希德·马丁——上升元件
洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)正在提供机组人员上升元件，并领导乘员的飞行操作和培训。上升元件借鉴了洛克希德·马丁公司开发NASA的“猎户座”飞船的经验，从直接按需制造的物品到多个通用子系统。
诺斯罗普·格鲁曼——转移元件
诺斯罗普·格鲁曼公司(Northrop Grumman)提供了将地面着陆系统向月面部署的转移元件，从而最大程度地提高了机组人员和货物的运输质量。转移元件基于其天鹅座货运飞船，该飞船已向国际空间站进行了十余次补给任务。
左图：上升元件 ；右图：下降元件
左图：转移元件 右图：BE-7发动机的第四次推力室测试
此外，蓝色起源公司(Blue Origin)的BE-7发动机测试进一步证明了其着陆能力。Blue Origin的BE-7发动机在NASA马歇尔太空飞行中心进行了第四次推力室测试。在这项测试中，对推力室进行了20秒的测试。这使BE-7推力室的累计测试时间达到了1245秒。BE-7是一款增材制造的液氧/液氢高性能双机循环发动机，可产生40 KN(10000 lbf)的推力，并可节流至2000 lbf的推力，以便在月球上精确降落。蓝色起源公司(Blue Origin)高级开发计划副总裁Brent Sherwood表示：“BE-7是使用最高效推进剂和基于涡轮机的发动机，是深空机动和登月的最佳选择”。
BE-7发动机
2. 动力学载人着陆系统
动力学公司(Dynetics)是美国Artemis月球探测计划和未来火星及其他地区探险的关键参与者。动力学公司(Dynetics)与NASA 签署了2.53亿美元的协议，用以研究载人月球着陆器。其领导的团队位于美国17个州和一个国际国家。该团队由众多不同的中小型企业以及具有行业公认的技术专长和编程经验的NASA现场中心组成。动力学公司(Dynetics)正在为NASA的Artemis计划设计一个载人着陆系统(DHLS)。DHLS可以通过联合发射联盟的火神/半人马座（Vulcan Centaur）火箭发射。在设计DHLS时，动力学公司(Dynetics)计划通过利用传统航天计划中的生存、电力、热力和其他子系统来确保可负担性，还利用现代技术实现短期重复利用和可持续性。其将提供一种强大的、商业支持的着陆器，适用于民用和商业探测。
动力学载人着陆器
动力学公司(Dynetics)开发的载人着陆器两段式架构具有上升和下降元件以及随时可中止的能力。动力学公司(Dynetics)空间战略总监兼月球计划经理Andy Crocker称，其团队已开始着手设计某些下降元件的原型，并完成与该元件有关的若干硬件开发任务。其计划进行推进系统点火测试，进行低温流体管理技术的演示，提高航电设备在航天领域的可靠性，并采取关键步骤来开发制导、导航和控制系统。NASA马歇尔太空飞行中心称，动力学公司(Dynetics)的着陆器的乘员舱允许容纳2~4名宇航员往返月球轨道，在月球表面停留约一周。
动力学载人着陆系统(DHLS)的概念是动力学公司(Dynetics)根据2.53亿美元的NASA合同而改进的一种低空着陆器，离地面约1.5米。由德雷珀实验室开发的自主导航软件可将可重复使用的着陆器引向地面，同时抛出两个外部燃料箱，这些燃料箱将补充从月球轨道动力下降时消耗的燃料。两名宇航员将通过圆形舱口两侧的小窗户监视进度，并准备在必要时通过窗户下方的操纵杆和油门控件手动操控。
动力学载人着陆器内部图
一旦宇航员爬下1.5米的梯子并移开安全距离，着陆器就会用剩下的两个燃料箱向引擎点火，然后返回月球轨道运送更多乘客或货物。动力学公司(Dynetics)的着陆器商业化负责人凯西·劳里尼在AIAA网络研讨会期间表示，这种方法最大程度地发挥了着陆器的效用，既可以满足NASA的任务需求，又可以吸引其他希望在月球上探索和工作的用户，还具有在月球表面上填充液氧储罐的能力，可以使新的探索任务成为可能。
动力学载人着陆器设计图
DHLS设计将由泰雷兹·阿莱尼亚航天公司建造的管状乘员模块组成。它将在发射之前安装在矩形航天器中，该航天器在轨道机动期间将在其两侧接收两个外部燃料箱。动力学公司(Dynetics)希望机组模块和航天器可以重复使用，在每次降落之前，将通过在轨加注将新的燃料箱安装在月球轨道上。
3. 星舰着陆器
星舰着陆器由太空探索技术公司(SpaceX)设计研发，这是一种比其他提议大得多的航天器，并且该系统达到或超过了NASA的所有阈值，以满足功能和性能要求。太空探索技术公司(SpaceX)与NASA 签订了1.35亿美元的合同用以改进其航天器——星舰的设计。这座航天器高约50米，直径约9米，一次最多可搭载100人，每台引擎都可以在全功率下产生将近50万磅的推力。这座航天器将在名为“超级重型”的巨型火箭上从地球上发射出去。星舰能够将100吨有效载荷运送到月球表面，是一种完全可重复使用的发射和着陆系统，旨在前往月球、火星和其他目的地。
SpaceX星舰渲染图
该系统设计基于该公司经过测试的Raptor发动机以及Falcon和Dragon飞船的飞行历史。星舰包括一个宽敞的客舱和两个用于宇航员月球漫步的气闸。每个航天器在实现载人着陆任务时具有不同的目的，但都基于通用的星舰设计。推进剂储存星舰将停泊在低地球轨道上，由油轮星舰提供补给。太空探索技术公司(SpaceX)的“超级重型”火箭助推器也将由Raptor发动机提供动力并且完全可重复使用，它将从地球发射星舰。星舰能够在“猎户座”或“门户”和月球表面之间运送机组人员。经过优化的月球星际飞船可以在月球表面和月球轨道之间飞行多次，而无需襟翼或热屏蔽来保证返回地球。星际飞船具有大的可居住空间和存储量，能够运送大量货物用于研究和支持强大的月球表面操作，以实现可持续的月球基地建设。
关于新型“星舰”月球着陆器与邮轮星舰和“超级重型”一起使用的猜测
NASA的载人着陆系统项目经理丽莎·沃森-摩根认为，星舰代表着登月降落的单阶段方法。该设计支持NASA的长期月球探测计划，强调了可持续性及在月球表面停留更长的时间。太空探索技术公司(SpaceX)的提议提供了具有实质性和灵活性的任务设计，并大大减少了过渡到可持续阶段任务运营所需的时间和成本。但是，这种方法带有风险。评估人员还认为太空探索技术公司(SpaceX)的运营概念存在缺陷，其中涉及使用其他星舰作为油轮和推进剂仓库为将要用作着陆器的星舰加油。这种方法“需要大量、高度复杂的发射、会合和加注操作，所有这些操作都必须快速成功才能成功执行。评估人员认为，这将对2024年载人登月造成威胁。太空探索技术公司(SpaceX)提案中的另一个弱点涉及其推进系统的开发，该推进系统非常复杂，并且由同样复杂的单个子系统组成，这些子系统尚未开发、测试和认证，只有很少的时间表余量来适应延迟。因此，太空探索技术公司(SpaceX)的开发计划没有充分解决开发中可能出现的延误风险。
SpaceX星舰场景与概念对比图
总结
美国上述三家公司参与了NASA的Artemis 2024 宇航员登月计划的着陆器设计。其中，蓝色起源公司(Blue Origin)率先提交了着陆器设计模型，并且其评估结果良好；而太空探索技术公司(SpaceX)的设计方案虽然具有创新性但是风险较大，评估结果最差。这三款航天器都有自身的特点，重复使用性与可持续性是大多数公司考虑的创新点。而对于NASA来说，构造简单、可重复使用、安全性能强、灵活度高的着陆器认可度较高。
参考材料 [1]Stephen Clark. NASA identifies risks in SpaceX’s Starship lunar lander proposal. Spacelight Now. 2020.05.01.[2]Richard Tribou, Orlando Sentinel.Blue Origin and partners hand NASA a mock up of their moon lander. 2020.08.20.[3]NASA. NASA Selects Blue Origin National Team to Return Humans to the Moon. blueorigin.com. 2020.08.30.[4]Inside one company’s moon-landing proposal. aerospaceamerica.aiaa.org. 2020.09.16.[5]Dynatics.Lunar Exploration Fact Sheet.www.dynetics.com. 2020.