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猎户座飞船

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猎户座飞船
NASA's Orion spacecraft at Kennedy Space Center
2020年10月，由阿耳忒弥斯1号搭载的猎户座飞船
制造
运营美国国家航空航天局[1]
应用近地轨道以外的载人探测[2]
技术指标
航天器类型载人航天器
设计寿命21.1天[3]
发射重量
  • 载人模块：22,900磅（10,400千克）
  • 欧洲服务模块：34,085磅（15,461千克）
  • Total (with LAS): 73,735磅（33,446千克）
  • Injected lunar mass: 58,467磅（26,520千克）
净重
  • 载人模块：20,500磅（9,300千克） landing weight
  • 欧洲服务模块：13,635磅（6,185千克）
载荷能力220磅（100千克） return payload
乘员2–6[4]
体积
  • Pressurized: 690.6 cu ft（20 m3）[5]
  • Habitable: 316 cu ft（9 m3）
能源太阳能
轨道地月转移轨道、绕月轨道
大小
长度10英尺10英寸（3.30米）
直径16英尺6英寸（5.03米）
建造
状态现役
已建造4
已订购6–12 (+3 ordered before 2019) [6]
已发射1
首次发射2014年12月5日
相关飞行器
源自ATV

猎户座飞船（英语：Orion）是美国国家航空航天局（NASA）委托洛克希德·马丁公司和空中客车集团研发的新一代载人航天器，其每一架可以承载4名宇航员。这是原有星座计划中的一部分，该计划旨在2020年将人类再次送往月球，并接着征服如火星等太阳系内目标。[7][8][9]

美国总统奥巴马在2010年2月1日正式提议取消星座计划，因为这一计划是“超预算、进度落后而且缺乏新意”[10][11]。有关法案于同年10月成为法律，星座计划宣告终结。[12]不过，猎户座飞船的订单获得保留、现称为猎户座多功能载人飞船（英语：Orion Multi-Purpose Crew Vehicle）。

猎户座于2014年12月5日进行第一次飞行。[13]现在属于阿耳忒弥斯计划的主要航天器。

命名

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猎户座飞船飞近月球的构想图

“载人探索飞行器”（Crew Exploration Vehicle，CEV）原本是美国国家航空航天局所预定的名字，并打算在2006年8月31日公布。可惜在2006年8月22日之前，国际空间站上的美国宇航员杰夫·威廉斯对地球无线电通话时无意中说溜了嘴，提到了美国国家航空航天局刚刚选定的最后名称猎户座，消息很快传播开来。因此，美国国家航空航天局只得在2006年8月22日正式公布猎户座这个名字[14]。

该名称来自于猎户座，而猎户座是天空中最明亮的星座之一，也是大家十分熟悉而且极易辨认的星座。而该代号也曾用在约翰·杨和查尔斯·杜克所乘坐过的阿波罗16号的登月舱，该登月舱在1972年4月的时候降落在月球的表面。

概述

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正在与国际空间站对接的构想图
猎户座飞船与国际空间站接合假想图

猎户座飞船的外貌与阿波罗航天器相似，但内部空间比阿波罗航天器大2.5倍，最多可容纳6名宇航员，融入了电脑、电子、维生系统、推进系统及热防护系统等领域的诸多最新技术。同航天飞机比，猎户座的使用成本更加低廉，安全系数也提高10倍，而且与航天飞机一样可以回收再用。

猎户座飞船将替代航天飞机的计划，并要求现有航天飞机在2010年前退役。这是继航天飞机计划以后的另一个里程碑，太空探索方面的一大步。

按照计划，猎户座飞船将会在肯尼迪航天中心的39号发射场进行发射。该发射场的39A发射台目前被用于发射航天飞机，而39B则正在进行适应发射战神火箭的改造。美国国家航空航天局将在2011年进行最后一次航天飞机发射之后，用该飞船来执行载人航天任务。其首次任务被定于在2015年执行[15]，之后将用于访问国际空间站。如果商业轨道运输服务出现问题无法使用，则该飞船将会替代执行国际空间站的后勤运输任务[16]。此后，猎户座飞船将会作为载人月球及火星计划中的一个关键装备。

特点

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返回地球构想图
着陆构想图
  • 飞船并没有机翼和尾翼，不再像航天飞机那样通过滑翔方式返回地球，而是像航天器那样通过降落伞降落，因而不需要复杂的气动外形和防热系统，可提高返回时的安全性。
  • 发射时飞船将与火箭串联在一起，即飞行器在火箭的顶部，而不像航天飞机那样与火箭并联，所以能远离燃烧的发动机和坠落的碎片造成的危险，完全避开泡沫材料脱落的威胁。
  • 设置有载人火箭常用的‘逃逸塔’系统，一旦在发射时出现故障，引发燃料爆炸，可迅速将飞行器分离出去，通过降落伞安全降落。这些措施可使太空飞行事故率从以往航天飞机1/220降低为现在的1/2000，提升了安全系数。
  • 借鉴俄罗斯航天器的经验，把人、货分开运输，这样既安全又经济。

外界披露

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据《时代周刊》报道，猎户座飞船中与阿波罗航天器相比，既有相同点，也有不同之处：

  1. 空间更大，能携带4到6位宇航员，而阿波罗飞船最多只能承载3名宇航员。
  2. 装备有太阳能电池板，这将大大减少使用燃料电池和普通电池。
  3. 既能像阿波罗飞船一样降落于水中，也能依靠降落伞在干燥的沙漠地区着陆。
  4. 由高科技合成材料制成，重量显著降低，而具有强大处理能力的电脑令它的“大脑”更发达。

设计与结构

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猎户座飞船的组件结构图

猎户座飞船“载人及服务模块”（CSM）的结构包括两个主要的部分：一个圆锥形的载人舱，以及一个圆柱形的服务舱。后者除了提供飞船的推进动力之外，还提供额外的供给。这两者都是在1967年至1975年执行任务的阿波罗号飞船命令及服务模块的基础上进行设计的，除此以外，还参考了航天飞机计划中所衍生出来的新型技术。探索系统任务部综合办主任尼尔·伍德沃德认为“使用现有技术和解决方案能降低风险”[17]。

载人模块

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载人模块

猎户座飞船的载人模块计划由洛克希德·马丁公司建造[18]，可以容纳四至五名机组人员。与之对比，阿波罗飞船的载人模块只能接载三名人员，但航天飞机则可载七名人员。虽然猎户座飞船采用了与六十年代开发的阿波罗飞船相近的设计理念，其载人模块将会使用数项较为完善的技术，包括：

  • “玻璃驾驶舱”数字化控制系统衍生于波音787飞机中的驾驶舱[19]；
  • 类似俄罗斯进步号飞船和欧洲自动运载飞船的自动对接系统，该系统允许在紧急情况下由宇航员全权控制。此前的其他美国飞船，如双子座、阿波罗飞船，以及航天飞机等，在进行对接时都需要手动操作；
  • 改进过的废弃物管理设备，包括一个微型野营式马桶，以及一个在航天飞机和国际空间站中已投入使用过的不分性别的“便溺管”。其中航天飞机的“便溺管”系统是基于天空实验室上的系统开发的，而国际空间站的系统则是基于联盟号、礼炮和和平号国际空间站的同类系统。因此，在该航天器中将彻底取消遭人恨的“阿波罗袋子”。之所以称为“阿波罗袋子”，是因为阿波罗飞船上的宇航员必须使用这种“设备”。该“设备”其实就是一个开口处有粘性的塑料袋，排便时需要将其粘贴在屁股上，然后再进行排便[20]；
  • 一个氮气/氧气混合空气环境，保持海平面的大气压（101.3kPa），或者稍低（55.2至70.3kPa）；
  • 一个比之前任何载人飞船更加先进的计算机系统。
猎户座乘员舱实物模型（德莱登飞行研究中心）

该模块的另一个特性是可以部分重复使用。美国国家航空航天局计划让每一个该模块可以执行最多10次飞行任务，以便能形成包含载人及无人驾驶的猎户座飞船船队。无论是载人模块还是服务舱，都将会使用铝合金来建造。这种材料已被应用于航天飞机的外部燃料箱、德尔塔-4运载火箭以及宇宙神-5运载火箭的建造上。整个模块的隔热方式，和飞船中其它非关键部位如货舱门是一样的，都是用诺梅克斯（英语：Nomex）材料制成的隔热毡进行包裹。可重复利用降落伞是基于阿波罗号及航天飞机固体助推器的降落伞进行设计的，并同样使用了诺梅克斯布料来制作。猎户座的载人模块只能够通过在水上降落来实现回收，这也是载人飞行任务时唯一可行的在地球上降落的方式[21][22]。

为了使猎户座飞船能够与国际空间站或者其它星际飞船对接，对接系统采用了新的低冲击对接系统（英语：Low Impact Docking System）设计。该设计是航天飞机上所使用的通用对接环的简化版本，有趣的是航天飞机上的这一系统其实是源自于1975年俄罗斯为阿波罗-联盟测试计划而设计的对接系统。飞船及对接接合器均设置了水星号和阿波罗号上所使用的发射逃逸系统，以及源自阿波罗飞船上的玻璃纤维推进器保护罩。升空过程中的前2%时间内出现问题，这些装置将保证载人模块能安全逃逸。

猎户座载人模块的形状与阿波罗号指挥舱类似，是一个顶角为57.5°的圆台体。其投影直径为5.02米，长度为3.3米[23]，重8.5吨。它的总体积将会阿波罗号的2.5倍，内部空间容积约为5.9立方米，可承载4至6名宇航员[24]。经过长期的研究，美国国家航空航天局决定选用低密度碳化烧蚀材料（Avcoat）作为重返大气层时的热盾材料。低密度碳化烧蚀材料是由玻璃纤维及酚醛树脂构成的蜂窝结构，其中填充以石英纤维。该材料曾在阿波罗计划中使用，并在航天飞机早期飞行任务中用在了特定的部位[25]。

服务模块

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正在执行任务的构想图。图中右下角喷射气体的喷管，至离喷管最近的第一个深色环状部分，即为服务模块。

逃逸系统

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技师正在小心的将一个猎户座飞行测试模块移动至飞机上以便运输。该模块在发射台上第一次发射来进行终止飞行测试。

发射终止试验

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阿连特技术系统公司（ATK）在2008年11月20日成功的进行了第一次发射终止试验。该逃逸系统的发动机能提供2,200千牛的推力，以便在发射场上，或者发射后高度在91公里之前发生紧急情况时进行逃逸动作。这个逃逸测试是该发动机在上述范围内出现的逆向气流范围之内进行的第一次测试。

这一次逃逸点火试验对发动机和其他组件进行了一系列的测试，该测试是为了在2009年春天进行下一个主要的、具有里程碑性质的试验做准备。后者是一次全尺寸的实物模型试验[26]。

探路先锋

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猎户座发射失败逃逸系统试验品在美国国家航空航天局兰利研究中心装配完成

2009年3月2日，一个先行制作好的逃逸模块的试验品，从兰利研究中心运往新墨西哥州的白沙导弹靶场进行测试。这一个探路先锋除了含有一个真实的逃逸模块之外，还包括了猎户座的实物大小模型。在导弹靶场将会制作一个14米高的火箭，以进行第一次发射台终止逃逸试验[27]。

历史

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战神I号在上升阶段的构想图

2004年1月14日，时任美国总统的乔治·沃克·布什对外宣布了太空探索远景计划，其中包括了当时被称为“载人探索飞行器”的猎户座飞船：

……我们的次要目标是在2008年开始开发并测试新一代的航天器——载人探索飞行器，然后在2014年之前实施其首次载人航天任务。载人探索飞行器将可以替代（届时业已）退役的航天飞机，将宇航员及科学家运送至空间站中，但其主要目标是将宇航员运送到地球轨道之外的其它地方。这一飞船将是自阿波罗指令舱以来的首个同类型航天载具[28]。……

制造猎户座飞船的部分原因是哥伦比亚号航天飞机和之后的哥伦比亚号事故调查委员会的调查报告，以及白宫对美国航天载人太空任务现存问题的反思。它完全替代了还在概念阶段的轨道太空飞机（Orbital Space Plane，OPS），后者是之前X-33试验机计划失败后被提出来作为航天飞机的顶替方案。

在美国国家航空航天局前局长肖恩·奥基夫卸任后，该局的采购计划和策略发生了如上所述的重大变化。而在2004年7月，迈克尔·格里芬被任命为国家航空航天局署长之前，他以组长之一的身份参与了一个行星学会的研究“将人类送至更远的太阳系空间”[29]，该研究为星座计划提供了一个可负担且可实现的实施策略，因此可以从中探知未来猎户座相关计划的可能发展方向。由于格里芬是该研究的其中一个组长，因此可以推断他认同该研究的结论。而在他当上局长后也以实际行动支持达成该计划的目标。

根据执行概述，该研究制定了一个“分阶段将人类探索范围延伸至低地球轨道空间以外的方法”[29]，并具体建议分为如下三个阶段：

  1. “将重心放在开发新一代载人探索飞行器（CEV），完成国际空间站，以及退役过时的航天飞机之上。其中，在完成了国际空间站美国舱核心之后（大约需要6到7次的飞行任务），以及满足其它合作成员对完成国际空间站的需求所必须提供的最少附加分型任务之后，航天飞机将会尽快退役。航天飞机退役将会导致美国低轨道载人太空能力的缺失，而于此同时，退役所节省出来的资金，将用来加快新一代飞行器的开发计划，以尽可能减少甚至消除这一空缺时间。”[29]
  2. “必须开发更多附加组件，包括提高运载系统的功率以适应需要飞行数月的行星际载人太空探索扩展任务；以及居住舱、实验舱、燃料模块和推进模块，以适应将人类用送至月球、火星、拉格朗日点和某些近地小行星附近的目标。”[29]
  3. “载人行星着陆器的开发将在本阶段完成，以允许实施人类登陆月球，进而于2010年登陆火星的任务。”[29]

载人探索飞行器的原始策略后来出现了若干修改，这在美国国家航空航天局探索系统架构研究中进行了相关说明，相关的研究结果在2005年9月19日的新闻发布会上公布[30]。该研究建议2014年开始进行猎户座的载人飞行任务，并认同采用月球轨道集合的方法登陆月球。其中，低地球轨道版本的猎户座飞船，则可以将4到6人运至国际空间站，而登月版本则可以承载4人，登陆火星的版本可以承载6人。与此同时，还会发展一型类似于俄国进步号航天器的无人货运飞船版本。

2006年9月，美国国家航空航天局选定洛克希德·马丁为猎户座的合约商，后者同时也是当前宇宙神五号运载火箭外挂燃料箱的合约商。

猎户座的返回舱重达12吨[来源请求]，这几乎是阿波罗指令舱的两倍。和阿波罗指令舱一样，它也可以与一个服务模块连接，以提供诸如生命维持以及飞船推进等功能。猎户座的外壳类型和阿波罗号的相似，而隔热盾则与海盗号类似，这和航天飞机这种带有机翼的升力体结构完全不同。需要特别说明的是，它的烧蚀式隔热盾在每次使用之后便会抛弃，这与阿波罗的设计类似，而返回舱本身则可以重复使用大约10次。猎户座的着陆路方式则被设计为在陆地上着陆，而不是在海上着陆。采用这类着陆方式还包括俄国的联盟号飞船，以及中国的神舟号飞船。不过在紧急情况下，它也可以在水上着陆。目前已选定的可用着陆点包括加利福尼亚州的爱德华兹空军基地，内华达州的卡森平原，以及华盛顿州的摩西湖市。在西部海岸选择找陆点可以让大部分的着陆路径在太平洋上空，从而避开了人口密集的地区。

登月任务的开发计划在2010年航天飞机退役后立即开始提速。其中的月球表面登陆模块（登月舱）以及重型起飞推进器会同时并行开发，并且在2018年即进入可以执行任务的状态，并最终于2020年在月球表面着陆。登陆舱与阿波罗登月舱相比大很多，可以携带重量高达23吨的载筹抵达月球表面[来源请求]，甚至比整个阿波罗登月舱还要重。这么大载筹重量，甚至可以用于支持长期有人照料的月球基地。这一大载筹的特性，对于运送大量物资和科研设备至月球表面基地来说，是非常有意义的。

和阿波罗登月舱一样，猎户座的登月舱也包含降落和起飞两个过程。在起飞阶段，登月舱可以承载4人至环月轨道。按照原来的计划，登月舱应当使用使用甲烷-氧气燃料作为推进剂。在这一个基础上，还会衍生出结构近似的，用于火星任务的着陆器。选用甲烷作为燃料的一个重要原因是，它可以通过应用原位资源利用的理论方法在火星土壤中获得，而无需从地球运送过去。但由于该型推进系统仍然处于雏形阶段，为了避免因此拖后登月计划的整体进度而改为使用液氧-液氢燃料。

计划

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美国国家航空航天局计划猎户座飞船的首次飞行将在2014年或之前，届时宇航员将乘坐它飞往国际空间站，接下来在2020年之前，将首次执行飞往月球的任务。随后，美国将改进猎户座飞船和推力更大的运载火箭实现火星登陆，并飞往更遥远的太空。

设计修改及更新

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2006年7月下旬，美国宇航局的第二次设计评审，导致了飞船设计的重大变化。[31] 起初，美国国家航空航天局想使用液体甲烷(LCH4)作为猎户座飞船（SM）的燃料，但是因为氧气/甲烷动力的火箭技术还不成熟，并且需要在2012年发射猎户座飞船，其在2006年七月下旬批准换成了自燃式推进器。该替换使得美国国家航空航天局能在2011年前对猎户座飞船和战神I号火箭进行安全评估[来源请求]，并且能够填补将于2010年退役的航天飞机和第一次猎户座飞船的载人飞行之间潜在的空缺。[32]2007年4月20日，美国国家航空航天局和波音公司签订了猎户座飞船合同的一项修改。更新后的合同延长了猎户座飞船计划2年设计时间，加入了2次猎户座飞船发射中断系统的飞行测试，并且删除了能对国际空间运送密封货物的原始设计。[33]2007年5月《太空日报和防御报道》中的一片文章指出，被称为结构“606”的猎户座飞船登月舱的最新设计修订本中，服务模块会有一个外部的面板，其会在战神一号运载火箭火箭的第二次点火阶段后不久就脱落。相比之前的结构“605”，这项设计会节省1000磅的重量。[34] 2007年8月5日，一份报告称安全气囊着陆系统从下一轮猎户座飞船的设计（代号607）中移除了，其考虑到节省总重量，改成在任务结束时使用阿波罗形式的返回舱。[35]

2009 载人航天计划委员会

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2009年9月8日，奥巴马政府委托载人航天计划委员会（英语：Review of United States Human Space Flight Plans Committee）发布了有关多个美国政府载人航天计划的长期规划检讨简报。其中需要实现的多个目标包括：对国际空间站的支持，低地球轨道以外空间（包括月球）的任务进展，以及商业空间工业的利用情况等。这些目标必须在有限的预算内实现[36]。

这份检讨简报中需要考虑的参数包括“人员及任务的安全性、生命周期成本、开发时间、对国内空间产业根基的冲击、促进创新鼓励竞争的潜力、从当前载人航天飞行系统过渡到未来系统所产生的影响和冲击”。此外还会考虑到研究及开发量的估算，以及“为支持各种载人航天飞行活动所需要的辅助机器人活动”，并探讨2016年之后延长国际空间站运作时间的各种选项。[37]

资金来源及预计成本

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布什总统在2005财年要求的预算中，包括了“4.28亿美元的预算用于开发新一代载人探索飞行器的星座计划（5年内总计66亿美元）”，这一预算在2004年11月的国会会议中全额通过了。

2006财年的预算要求为7.53亿美元，用于继续开发载猎户座飞船。而依照截至2005年的开发情况看，其总预算估计为150亿美元。[38]

洛克希德·马丁在2006年8月31日获得了猎户座计划合同中最初的“时间表A”部分，该部分价值39亿美元，将持续执行至2013年。合约中更多可选开发的“时间表B”部分，则可能价值高至35亿美元。[39]

虽然迄今为止该计划得到了充分的资金保障以及众议院的支持[40]，仍然存在航天飞机复飞计划成本升高导致的投入猎户座开发的资金出现极端困难的可能性。关于这个问题，也曾经讨论过是寻求国会提供航天飞机额外开销的特殊资金，还是让私人企业参与到猎户座的开发和运作中[41]。到2025年为止，不考虑通货膨胀因素，以及给美国国家航天局增加的额外预算，预计的总预算额为2100亿美元。而空间探索系统架构研究对截至2025年的总成本的估算为2170亿美元，比预算仅多出70亿美元[42]。实际的最终成本可能会比这个估计更低，因为这个估算包括了为发射猎户座的运载火箭中的地球出发级开发全新的发动机，而实际上可能会采用J-2发动机的衍生型号[42]。

白宫的奥古斯丁委员会预计，在猎户座及战神一号开发完毕之后，还会发生每次发射近10亿美元的成本[43]。

飞行任务

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首次测试飞行

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主条目：探索飞行测试1号
首次测试飞行，由德尔塔4号重型运载火箭发射升空

2014年12月5日进行第一次飞行。

上升中止2号

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主条目：上升中止2号

2019年7月2日，猎户座测试飞船从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地的航天发射场发射升空。测试飞船飞到了近10公里的高度时，中止程序启动，发动机中止，并将航天座舱与火箭分离，将航天员舱弹射出去，使其成功坠入大西洋[44]。

阿耳忒弥斯1号

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主条目：阿耳忒弥斯1号

参见

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参考文献

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