让人类在没有SLS和NRHO的情况下重返月球
文 | Ajay Kothari
最近的媒体报道表明，即将上任的特朗普政府可能会寻求取消太空发射系统（SLS）。然后，我们必须考虑其他选择，让美国人尽快登上月球。这里描述的一种方法可能是成本最低、最安全、有利润的，也是和中国竞争的最快方法。
麦克·格里芬和丽莎·波特提出了一个有趣且有前景的解决方案，让美国人比目前的阿尔忒弥斯计划更快地重返月球。它描述了在一周内分别将着陆器和猎户座发射到低月球轨道（LLO），在那里对接，并使用阿波罗类型的着陆器将两名宇航员降落在月球表面。这位作者认为，SLS既不是一种可持续的、也不是一种具有成本效益的发射工具。因此在这里，我们打算通过采用重型猎鹰火箭而不是SLS来进行计算。其余的设计，包括载人登陆月球的机动，保持不变，除了进入月球表面的上面级可以重新利用。
这里没有考虑星舰，是因为虽然星舰可以将大型有效载荷运送到月球表面，但它还没有达到载人的成熟度，这可能需要几年时间。另一个问题是大量的加油需求（根据太空探索技术公司、美国政府问责局和NASA的数据，分别需要8次、16次和20次飞行），这使得其可靠性是有问题的，正如格里芬-波特的论文所述。原因是星舰末级的干质量（DM）非常高，接近100吨。
蓝色起源的蓝月Mark 2月球着陆器重达45吨（湿质量），可以从近直线光环轨道（NRHO）和LLO将四名宇航员带到月球表面，这为这两家私营公司参与NASA登月项目提供了诱人的可能性。
重型猎鹰火箭实施四次飞行，其末级进入低地球轨道，将提供足够的速度增量用于地月轨道转移（TLI）和月球捕获（LOI）。蓝月飞行器依赖于蓝色起源的太阳能液氢制冷方案，在30天内实现接近20开尔文的液氢储存。此外，NRHO不需要太空拖船或在轨燃料补充。
中国的嫦娥四号于2019年1月在月球背面着陆。嫦娥五号于2020年12月着陆，并从月球表面采样返回。嫦娥六号从南极附近采样返回，南极是未来任何居住和就地资源利用的非常有吸引力的地点，可能存在大量的水冰，这是月球计划的关键要素。中国将在2030年代通过建立国际月球研究站（ILRS）在月球上实现永久存在，中国载人登月的时间可能比这更早。因此美国的时间紧迫。
星舰是一种非常有前景的可能性，但有两个注意事项。星舰上面级的干质量对于月球任务来说太大了，火星任务才是它的主要目的。它的可重复使用性在阿尔忒弥斯3号任务中并不是最重要的，超重型助推器也是如此。这里的问题是干质量接近100吨。这需要8到20次燃料补加飞行，才能满足TLI、LOI和着陆的速度增量要求。低地球轨道上的加油将需要多次试飞，才能将技术成熟度提高到令人满意的水平，而本文提出的低地球轨道对接自1965年以来一直以手动和自动模式进行。如果太空探索技术公司要为月球和地月空间开发一个较小版本的上面级，那么考虑这个选项是合适的。但在当前这个阶段，我们需要考虑其他可能性。
该选项将使用重型猎鹰火箭，这是一种经过验证的飞行器，八次飞行八次成功。下面的计算数字将证明，采用这种火箭是非常可行的，并且留有余量。虽然猎户座需要在低地球轨道上对接三次，但不需要加油，而且这个数字比星舰HLS的加油量估算要小得多。如果SpaceX设计一个干质量低得多的末级，它将改变其作为月球着陆器的潜力，这将大大提高其作为HLS的潜力。
燃料蒸发问题
由于本文采用灰背隼发动机的重型猎鹰火箭上面级，因此不会出现液氢汽化问题，这与蓝色起源为蓝月和蓝环拖船选择的方案不同。会存在液氧蒸发的问题，但与液氢相比，问题要轻得多。此外，本文方案不需要格里芬和波特在《人类重返月球》中描述的单独月球捕获级（半人马座3）。重型猎鹰火箭的上面级将完成TLI和LOI的工作。
着陆器架构
着陆器必须由NASA建造。它就像阿波罗17号登月舱，名为挑战者，从LLO将两名宇航员带到月球表面。它的质量为16.5吨，所以湿重为18吨，包括6.5天停留的消耗品。这需要一到两年的时间才能准备好。着陆器使用偏二甲肼和四氧化二氮作为推进剂，因此没有汽化问题。
着陆器先行：着陆器将是重型猎鹰火箭首次飞行的载荷，将18吨重的着陆器运送到低地球轨道并停放在那里。重型猎鹰火箭的两个上面级在两次飞行后，可能在一天内停靠在低地球轨道上。
重型猎鹰低地球轨道有效载荷为38/54/63吨，取决于完全可重复使用、部分可重复使用（只返回两个助推器而不返回芯级）和完全不重复使用。本文选择了部分可重复使用选项。
其中一个上面级携带着陆器作为有效载荷（约18吨），而第二个上面级携带54吨额外的推进剂，这些推进剂将留在低地球轨道上。
因此，推进剂占比可以有所增加，超过采用灰背隼1DV发动机执行TLI加LOI（3200+900 m/s）组合所需的0.7。
重型猎鹰火箭的末级干质量为4.5吨。考虑加强储罐强度（也可能将其用作月球上的住舱）和着陆腿，从而为其干重增加1.5吨。
因此，低地球轨道上的推进剂总量为（36.4+54.4）=90.8吨；
低地球轨道组合体的总质量为（18+6*2+90.8）=120.8吨；
因此，该组合体的推进剂质量占比为0.75，远远大于0.7。
使用两台灰背隼1Dv发动机就可以进行TLI和LOI。
TLI和LOI过程完成后，用掉的推进剂将是70吨。组合体进入LLO后剩余的推进剂总量为20.8吨，足以在月球南极着陆。这个动作需要三到五天的时间。
两个上面级（每个6吨）在LLO中分开，各自使用着陆腿降落在月球上，消耗约5吨推进剂（2000米/秒速度增量的着陆推进剂占比为0.44）。
人们可能会假设使用上面级储箱（已经加固并带有窗户）作为潜在的住舱。它们也可以先在太空排空，然后再安装充气式住舱。
着陆器仍在LLO等待乘员舱（猎户座）到达。
猎户座飞船架构
在着陆器安全进入LLO后，使用猎户座（28吨）的机组人员在地球上重复同样的程序，但这次是重型猎鹰火箭在48小时内进行了三次飞行。
请注意，这种方式的TLI容量高于SLS Block 2，并且比SLS更容易、更便宜。
着陆器和猎户座停靠在LLO，两名机组人员转移到着陆器上，如阿尔忒弥斯3号计划所示。然后着陆器将宇航员降落到月球表面。
在预计停留（约一周）后，着陆器的上升段将宇航员带回LLO，在那里与猎户座对接。并将两名宇航员转移到猎户座。猎户座进行TEI推进，并与所有四名宇航员带回地球。
所有剩余的程序将与阿尔忒弥斯三号任务中SLS的程序相同。
成本
五次重型猎鹰飞行，每次约1.2亿美元。
两次SLS飞行单价约20亿美元。这是NASA监察长的数字，不包括猎户座和半人马座3，如果考虑这两个要素，单价将上涨到40亿美元。
这一差异为NASA节省了大量成本：近85%。
这种工作方式也为我们的未来提供了思路。太阳系不同目的地所需的四个自由度排列组合（飞行次数、停靠与加油次数、有效载荷大小和ΔV），通过现有火箭和发动机可以提出数百种可能的解决方案。除非在特定情况下，否则没有必要为新的目标开发新的火箭。
原文链接：https://www.thespacereview.com/article/4918/1
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