讓人類在沒有SLS和NRHO的情況下重返月球
文 | Ajay Kothari
最近的媒體報道表明，即將上任的特朗普政府可能會尋求取消太空發射系統（SLS）。然後，我們必須考慮其他選擇，讓美國人儘快登上月球。這裡描述的一種方法可能是成本最低、最安全、有利潤的，也是和中國競爭的最快方法。
麥克·格里芬和麗莎·波特提出了一個有趣且有前景的解決方案，讓美國人比目前的阿爾忒彌斯計劃更快地重返月球。它描述了在一週內分別將著陸器和獵戶座發射到低月球軌道（LLO），在那裡對接，並使用阿波羅型別的著陸器將兩名宇航員降落在月球表面。這位作者認為，SLS既不是一種可持續的、也不是一種具有成本效益的發射工具。因此在這裡，我們打算透過採用重型獵鷹火箭而不是SLS來進行計算。其餘的設計，包括載人登陸月球的機動，保持不變，除了進入月球表面的上面級可以重新利用。
這裡沒有考慮星艦，是因為雖然星艦可以將大型有效載荷運送到月球表面，但它還沒有達到載人的成熟度，這可能需要幾年時間。另一個問題是大量的加油需求（根據太空探索技術公司、美國政府問責局和NASA的資料，分別需要8次、16次和20次飛行），這使得其可靠性是有問題的，正如格里芬-波特的論文所述。原因是星艦末級的幹質量（DM）非常高，接近100噸。
藍色起源的藍月Mark 2月球著陸器重達45噸（溼質量），可以從近直線光環軌道（NRHO）和LLO將四名宇航員帶到月球表面，這為這兩傢俬營公司參與NASA登月專案提供了誘人的可能性。
重型獵鷹火箭實施四次飛行，其末級進入低地球軌道，將提供足夠的速度增量用於地月軌道轉移（TLI）和月球捕獲（LOI）。藍月飛行器依賴於藍色起源的太陽能液氫製冷方案，在30天內實現接近20開爾文的液氫儲存。此外，NRHO不需要太空拖船或在軌燃料補充。
中國的嫦娥四號於2019年1月在月球背面著陸。嫦娥五號於2020年12月著陸，並從月球表面取樣返回。嫦娥六號從南極附近取樣返回，南極是未來任何居住和就地資源利用的非常有吸引力的地點，可能存在大量的水冰，這是月球計劃的關鍵要素。中國將在2030年代透過建立國際月球研究站（ILRS）在月球上實現永久存在，中國載人登月的時間可能比這更早。因此美國的時間緊迫。
星艦是一種非常有前景的可能性，但有兩個注意事項。星艦上面級的幹質量對於月球任務來說太大了，火星任務才是它的主要目的。它的可重複使用性在阿爾忒彌斯3號任務中並不是最重要的，超重型助推器也是如此。這裡的問題是幹質量接近100噸。這需要8到20次燃料補加飛行，才能滿足TLI、LOI和著陸的速度增量要求。低地球軌道上的加油將需要多次試飛，才能將技術成熟度提高到令人滿意的水平，而本文提出的低地球軌道對接自1965年以來一直以手動和自動模式進行。如果太空探索技術公司要為月球和地月空間開發一個較小版本的上面級，那麼考慮這個選項是合適的。但在當前這個階段，我們需要考慮其他可能性。
該選項將使用重型獵鷹火箭，這是一種經過驗證的飛行器，八次飛行八次成功。下面的計算數字將證明，採用這種火箭是非常可行的，並且留有餘量。雖然獵戶座需要在低地球軌道上對接三次，但不需要加油，而且這個數字比星艦HLS的加油量估算要小得多。如果SpaceX設計一個幹質量低得多的末級，它將改變其作為月球著陸器的潛力，這將大大提高其作為HLS的潛力。
由於本文采用灰背隼發動機的重型獵鷹火箭上面級，因此不會出現液氫汽化問題，這與藍色起源為藍月和藍環拖船選擇的方案不同。會存在液氧蒸發的問題，但與液氫相比，問題要輕得多。此外，本文方案不需要格里芬和波特在《人類重返月球》中描述的單獨月球捕獲級（半人馬座3）。重型獵鷹火箭的上面級將完成TLI和LOI的工作。
著陸器必須由NASA建造。它就像阿波羅17號登月艙，名為挑戰者，從LLO將兩名宇航員帶到月球表面。它的質量為16.5噸，所以溼重為18噸，包括6.5天停留的消耗品。這需要一到兩年的時間才能準備好。著陸器使用偏二甲肼和四氧化二氮作為推進劑，因此沒有汽化問題。
著陸器先行：著陸器將是重型獵鷹火箭首次飛行的載荷，將18噸重的著陸器運送到低地球軌道並停放在那裡。重型獵鷹火箭的兩個上面級在兩次飛行後，可能在一天內停靠在低地球軌道上。
重型獵鷹低地球軌道有效載荷為38/54/63噸，取決於完全可重複使用、部分可重複使用（只返回兩個助推器而不返回芯級）和完全不重複使用。本文選擇了部分可重複使用選項。
其中一個上面級攜帶著陸器作為有效載荷（約18噸），而第二個上面級攜帶54噸額外的推進劑，這些推進劑將留在低地球軌道上。
因此，推進劑佔比可以有所增加，超過採用灰背隼1DV發動機執行TLI加LOI（3200+900 m/s）組合所需的0.7。
重型獵鷹火箭的末級幹質量為4.5噸。考慮加強儲罐強度（也可能將其用作月球上的住艙）和著陸腿，從而為其乾重增加1.5噸。
因此，低地球軌道上的推進劑總量為（36.4+54.4）=90.8噸；
低地球軌道組合體的總質量為（18+6*2+90.8）=120.8噸；
因此，該組合體的推進劑質量佔比為0.75，遠遠大於0.7。
使用兩臺灰背隼1Dv發動機就可以進行TLI和LOI。
TLI和LOI過程完成後，用掉的推進劑將是70噸。組合體進入LLO後剩餘的推進劑總量為20.8噸，足以在月球南極著陸。這個動作需要三到五天的時間。
兩個上面級（每個6噸）在LLO中分開，各自使用著陸腿降落在月球上，消耗約5噸推進劑（2000米/秒速度增量的著陸推進劑佔比為0.44）。
人們可能會假設使用上面級儲箱（已經加固並帶有窗戶）作為潛在的住艙。它們也可以先在太空排空，然後再安裝充氣式住艙。
著陸器仍在LLO等待乘員艙（獵戶座）到達。
在著陸器安全進入LLO後，使用獵戶座（28噸）的機組人員在地球上重複同樣的程式，但這次是重型獵鷹火箭在48小時內進行了三次飛行。
請注意，這種方式的TLI容量高於SLS Block 2，並且比SLS更容易、更便宜。
著陸器和獵戶座停靠在LLO，兩名機組人員轉移到著陸器上，如阿爾忒彌斯3號計劃所示。然後著陸器將宇航員降落到月球表面。
在預計停留（約一週）後，著陸器的上升段將宇航員帶回LLO，在那裡與獵戶座對接。並將兩名宇航員轉移到獵戶座。獵戶座進行TEI推進，並與所有四名宇航員帶回地球。
所有剩餘的程式將與阿爾忒彌斯三號任務中SLS的程式相同。
五次重型獵鷹飛行，每次約1.2億美元。
兩次SLS飛行單價約20億美元。這是NASA監察長的數字，不包括獵戶座和半人馬座3，如果考慮這兩個要素，單價將上漲到40億美元。
這一差異為NASA節省了大量成本：近85%。
這種工作方式也為我們的未來提供了思路。太陽系不同目的地所需的四個自由度排列組合（飛行次數、停靠與加油次數、有效載荷大小和ΔV），透過現有火箭和發動機可以提出數百種可能的解決方案。除非在特定情況下，否則沒有必要為新的目標開發新的火箭。
原文連結：https://www.thespacereview.com/article/4918/1
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