来源:中国科协创新战略研究院《创新研究报告》
第41期（总第373期）2020-08-09
编者按：2019年9月，美国航空航天局（NASA）发布了最新的《载人探月战略计划》（Forward to the Moon: NASA's Strategic Plan for Human Exploration），提出了载人太空探索的总体路径和重点任务。NASA将与商业伙伴和国际合作伙伴一道，引领一项富于创新且持久的宇宙探索计划，即Artemis计划，使人类能够在太阳系中拓展生存空间，并获取新知识和新机遇。从超越近地轨道开始，美国将使人类重返月球并开展长期探索和开发，为人类前往火星和其他目的地打好基础。
一、载人探月计划的背景和目标
2017年12月，美国总统签署了《空间政策指令-1》，在该指令中，要求NASA“与商业和国际合作伙伴共同领导一项创新和可持续的探索计划，以实现人类在整个太阳系的扩张，并为地球带回新的知识和机遇”。为了回应这一大胆的呼吁，并与《2017年NASA过渡授权法案》保持一致，NASA向国会提交了《国家空间探索计划》，旨在为NASA的长远目标明确方向，确保美国在空间科学和探索方面的领导地位。
1. 为什么要去月球？
验证火星载人登陆计划的技术和能力；
巩固美国在太空的领先地位和战略存在；
激励新一代投身科学、技术、工程和数学等理工科事业；
引领科技变革；
扩大美国全球经济影响力；
拓展美国在深空领域的产业和国际合作。
2．先月球后火星
登月计划中，宇航员距离地球只需要3天的航程，风险可以接受。因此，在实施为期2-3年的火星任务前，将首先在月球验证维系人类在地外环境中生活工作所必须的技术，并开发可靠的生命支持系统。
3. 美国在太空探索领域的领导地位
下表从不同维度列出了当前美国继续保持太空探索领导地位所需要完成的重点任务和未来目标。
来源：根据报告整理
4. Artemis计划
Artemis是希腊神话中阿波罗和月亮女神的孪生姐妹，象征着人类重返月球之路。因此，NASA 将2024年前宇航员重返月球计划命名为Artemis计划。Artemis计划中，宇航员将踏上人类从未涉足过的地方—月球南极。Artemis计划的远景目标是将人类送上火星，开启下一个探索时代。
二、ARTEMIS计划第1阶段任务：2024年前登陆月球南极
ARTEMIS计划第1阶段任务核心是在2024年前登陆月球南极，总体任务框架如下图所示：
图1 ARTEMIS计划第1阶段任务分解
1. 增加预算
2020财年预算修正案不但没有消减NASA已有项目，而且在总统最初的210亿美元预算请求的基础上额外增加了16亿美元。这是美国宇航局面向2024年的任务所需要的必要条件。
10亿美元用于商业合作伙伴加紧开发宇航员往返月球表面和月球轨道站的载人运输系统；6.51亿美元用于为实施2024年的登月任务而建造的太空发射系统（SLS）和猎户座飞船（Orion）；1.32亿美元用于开发新技术，以帮助宇航员在月球表面和深空的生活和工作；9000万美元用于科学研究，以实现载人登月前先期开展月球南极的机器人探测。
2. 太空发射系统（SLS）和猎户座飞船(Orian)
猎户座飞船：唯一能够执行载人深空任务、提供紧急中止能力和达到月球逃逸速度安全返航的航天器。
太空发射系统：唯一能够运送搭载着宇航员的猎户座飞船进入深空的火箭。
国家动员能力：SLS和猎户座计划（包括肯尼迪航天中心的地面探测系统支持）集成了50个州3800多家供应商和60000多名工人。
3. 月球轨道站
初始阶段的月球轨道站将由若干段舱体组成，既能支持2024年人类登月任务，又能支持第2阶段任务所需要的最低限度；
为2024年载人登月提供指挥中心和集结点；
在月球周围建立战略存在——体现美国的领导作用；
为月球的登陆体系提供灵活和坚实的保障；建造灵活且可靠的月球轨道站；
轨道站的开放性结构和操作标准的可兼容性使得积木式搭建成为可能，有助于国际合作和未来扩建。
4. 2024年登陆月球
NASA计划于2024年在月球南极目标地点登陆。NASA将和商业系统合作，共同完成这一目标，NASA主要负责运送人员，商业系统负责运送货物和设施。从当前到2024年，美国工业界提供从月球轨道站快速重返月球并可在月球轨道站持续存在的发射和载人着陆系统。
Artemis I：SLS发射系统和猎户座飞船作为一个综合系统的首次飞行试验。
Artemis II：机组人员首次乘坐SLS发射系统和猎户座飞船绕月飞行。
Artemis III：第一批宇航员到达月球表面；为2024年的月球地面任务提供后勤保障。
动力和推进元件（PPE）：通过商用火箭将PPE运到近直线晕轨道（NRHO）。
加压舱：在登月前供宇航员检查系统的区域。
载人着陆系统具备的功能：转移功能（将登陆器从月球轨道站转移到近月轨道），下降功能（从运载工具下降到月球表面），上升功能（从月球表面上升到月球轨道站）。
5. 2024年之前的月球科学研究
（1）极地登陆器和月球车：
首先直接测量极地挥发物，提高对其横向和纵向分布、物理状态和化学成分的理解；
提供太阳系最大撞击区南极Aitken盆地的地质情况。
（2）非极地登陆器和月球车：
探索阿波罗登月没有研究过的有科学价值的地域，包括在月涡登陆并首次进行月面磁场测量；
继续引导科学发现，如建立地理网络分析和探索月球火山区以了解火山演化。
（3）在轨数据收集：
在Artemis I阶段部署多个微型卫星；
通过月球荷载供应商或通信/中继航天器发射微型卫星获取新的科学价值数据集；
绘制月球矿物图，包括资源标识、月球元素分布图和改进的挥发成分图。
（4）资源就地利用的初步研究：
分析月冰的组成，寻找就地使用月冰维持基地运行并补给燃料的方法。
6. 月球/火星任务需要突破的技术
NASA在执行月球/火星任务的过程中需要具备多种前所未有的能力。包括：快速安全高效的太空运输能力、到达多个地表着陆点的能力、远离地球的可持续生活和工作的能力以及对太空资源的改造和发现能力，其涉及的主要相关技术如下图所示：
图2 Artemis计划任务的相关技术
三、ARTEMIS计划第2阶段任务：保持月球存在，建立前往火星的能力
ARTEMIS计划第2阶段任务框架如下图所示：
图3 ARTEMIS计划第2阶段任务分解
1. 维持月面存在，为登陆火星打好基础
主要完成以下主要工作：
保持美国主导的月球探测和战略存在；
发挥国际合作的潜力；
开展有意义的、长期的人类太空任务；
了解太空环境对人类工作能力的影响；
发展可重复使用的航天系统；
开展史无前例的地外科学研究；
在月球和火星上开拓崭新未来。
2. 2024年以后的科学研究
（1）月球轨道站任务
火星任务推进系统的深空试验；
主导开创性的科学研究和观测；
降低人类风险的火星运输试验台。
（2）月面勘探任务
寻找就地利用资源生产燃料和生活物资的方法；
全新认识月球起源和演化；
研究月球陨石坑及其形成机理；
构建复杂的月表科学测量仪器;
为人类在月球上的持续存在提供信息和支持。
（3）依靠遥控机器人的长期科学研究
投送遥控月球车对人类难以到达的月表区域开展探测。
文章来源：https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/america_to_the_moon_2024_artemis_20190523.pdf
编译：王楠 江晓波 罗彧