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獵戶座太空船

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獵戶座太空船
NASA's Orion spacecraft at Kennedy Space Center
2020年10月，由阿提米絲1號搭載的獵戶座太空船
製造
營運美國太空總署[1]
應用近地軌道以外的載人探測[2]
技術指標
太空船類型載人太空船
設計壽命21.1天[3]
發射重量
  • 載人模組：22,900磅（10,400公斤）
  • 歐洲服務模組：34,085磅（15,461公斤）
  • Total (with LAS): 73,735磅（33,446公斤）
  • Injected lunar mass: 58,467磅（26,520公斤）
淨重
  • 載人模組：20,500磅（9,300公斤） landing weight
  • 歐洲服務模組：13,635磅（6,185公斤）
載荷能力220磅（100公斤） return payload
乘員2–6[4]
體積
  • Pressurized: 690.6 cu ft（20 m3）[5]
  • Habitable: 316 cu ft（9 m3）
能源太陽能
軌道地月轉移軌道、繞月軌道
大小
長度10呎10吋（3.30米）
直徑16呎6吋（5.03米）
建造
狀態現役
已建造4
已訂購6–12 (+3 ordered before 2019) [6]
已發射1
首次發射2014年12月5日
相關飛行器
源自ATV

獵戶座太空船（英語：Orion）是美國太空總署（NASA）委託洛歇·馬丁公司和空中巴士集團研發的新一代載人太空船，其每一架可以承載4名太空人。這是原有星座計劃中的一部分，該計劃旨在2020年將人類再次送往月球，並接着征服如火星等太陽系內目標。[7][8][9]

美國總統奧巴馬在2010年2月1日正式提議取消星座計劃，因為這一計劃是「超預算、進度落後而且缺乏新意」[10][11]。有關法案於同年10月成為法律，星座計劃宣告終結。[12]不過，獵戶座飛船的訂單獲得保留、現稱為獵戶座多功能載人飛船（英語：Orion Multi-Purpose Crew Vehicle）。

獵戶座於2014年12月5日進行第一次飛行。[13]現在屬於阿提米絲計劃的主要太空船。

命名

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獵戶座太空船飛近月球的構想圖

「載人探索飛行器」（Crew Exploration Vehicle，CEV）原本是美國太空總署所預定的名字，並打算在2006年8月31日公佈。可惜在2006年8月22日之前，國際太空站上的美國太空人傑夫·威廉斯對地球無線電通話時無意中說溜了嘴，提到了美國太空總署剛剛選定的最後名稱獵戶座，消息很快傳播開來。因此，美國太空總署只得在2006年8月22日正式公佈獵戶座這個名字[14]。

該名稱來自於獵戶座，而獵戶座是天空中最明亮的星座之一，也是大家十分熟悉而且極易辨認的星座。而該代號也曾用在約翰·楊和查爾斯·杜克所乘坐過的太陽神16號的登月艙，該登月艙在1972年4月的時候降落在月球的表面。

概述

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正在與國際太空站對接的構想圖
獵戶座太空船與國際太空站接合假想圖

獵戶座太空船的外貌與太陽神太空船相似，但內部空間比太陽神太空船大2.5倍，最多可容納6名太空人，融入了電腦、電子、維生系統、推進系統及熱防護系統等領域的諸多最新技術。同太空穿梭機比，獵戶座的使用成本更加低廉，安全系數也提高10倍，而且與太空穿梭機一樣可以回收再用。

獵戶座太空船將替代太空穿梭機的計劃，並要求現有太空穿梭機在2010年前退役。這是繼太空穿梭機計劃以後的另一個里程碑，太空探索方面的一大步。

按照計劃，獵戶座太空船將會在甘迺迪太空中心的39號發射場進行發射。該發射場的39A發射台目前被用於發射太空穿梭機，而39B則正在進行適應發射戰神火箭的改造。美國太空總署將在2011年進行最後一次太空穿梭機發射之後，用該飛船來執行載人太空飛行任務。其首次任務被定於在2015年執行[15]，之後將用於訪問國際太空站。如果商業軌道運輸服務出現問題無法使用，則該飛船將會替代執行國際太空站的後勤運輸任務[16]。此後，獵戶座太空船將會作為載人月球及火星計劃中的一個關鍵裝備。

特點

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返回地球構想圖
着陸構想圖
  • 飛船並沒有機翼和尾翼，不再像太空穿梭機那樣通過滑翔方式返回地球，而是像太空船那樣通過降落傘降落，因而不需要複雜的氣動外形和防熱系統，可提高返回時的安全性。
  • 發射時飛船將與火箭串聯在一起，即飛行器在火箭的頂部，而不像太空穿梭機那樣與火箭並聯，所以能遠離燃燒的發動機和墜落的碎片造成的危險，完全避開泡沫材料脫落的威脅。
  • 設置有載人火箭常用的『逃逸塔』系統，一旦在發射時出現故障，引發燃料爆炸，可迅速將飛行器分離出去，通過降落傘安全降落。這些措施可使太空飛行事故率從以往太空穿梭機1/220降低為現在的1/2000，提升了安全系數。
  • 借鑒俄羅斯太空船的經驗，把人、貨分開運輸，這樣既安全又經濟。

外界披露

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據《時代週刊》報道，獵戶座飛船中與太陽神太空船相比，既有相同點，也有不同之處：

  1. 空間更大，能攜帶4到6位太空人，而太陽神飛船最多只能承載3名太空人。
  2. 裝備有太陽能電池板，這將大大減少使用燃料電池和普通電池。
  3. 既能像太陽神飛船一樣降落於水中，也能依靠降落傘在乾燥的沙漠地區着陸。
  4. 由高科技合成材料製成，重量顯著降低，而具有強大處理能力的電腦令它的「大腦」更發達。

設計與結構

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獵戶座太空船的組件結構圖

獵戶座太空船「載人及服務模組」（CSM）的結構包括兩個主要的部分：一個圓錐形的載人艙，以及一個圓柱形的服務艙。後者除了提供飛船的推進動力之外，還提供額外的供給。這兩者都是在1967年至1975年執行任務的太陽神號飛船命令及服務模組的基礎上進行設計的，除此以外，還參考了太空穿梭機計劃中所衍生出來的新型技術。探索系統任務部綜合辦主任尼爾·伍德沃德認為「使用現有技術和解決方案能降低風險」[17]。

載人模組

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載人模組

獵戶座太空船的載人模組計劃由洛歇·馬丁公司建造[18]，可以容納四至五名機組人員。與之對比，太陽神飛船的載人模組只能接載三名人員，但太空穿梭機則可載七名人員。雖然獵戶座太空船採用了與六十年代開發的太陽神飛船相近的設計理念，其載人模組將會使用數項較為完善的技術，包括：

  • 「玻璃駕駛艙」數碼化控制系統衍生於波音787飛機中的駕駛艙[19]；
  • 類似俄羅斯進步號飛船和歐洲自動運載飛船的自動對接系統，該系統允許在緊急情況下由太空人全權控制。此前的其他美國飛船，如雙子座、太陽神飛船，以及太空穿梭機等，在進行對接時都需要手動操作；
  • 改進過的廢棄物管理設備，包括一個微型野營式馬桶，以及一個在太空穿梭機和國際太空站中已投入使用過的不分性別的「便溺管」。其中太空穿梭機的「便溺管」系統是基於太空實驗室上的系統開發的，而國際太空站的系統則是基於聯盟號、禮炮和和平號國際太空站的同類系統。因此，在該太空船中將徹底取消遭人恨的「太陽神袋子」。之所以稱為「太陽神袋子」，是因為太陽神飛船上的太空人必須使用這種「設備」。該「設備」其實就是一個開口處有粘性的膠袋，排便時需要將其粘貼在屁股上，然後再進行排便[20]；
  • 一個氮氣/氧氣混合空氣環境，保持海平面的大氣壓（101.3kPa），或者稍低（55.2至70.3kPa）；
  • 一個比之前任何載人飛船更加先進的計算機系統。
獵戶座乘員艙實物模型（德萊登飛行研究中心）

該模組的另一個特性是可以部分重複使用。美國太空總署計劃讓每一個該模組可以執行最多10次飛行任務，以便能形成包含載人及無人駕駛的獵戶座太空船船隊。無論是載人模組還是服務艙，都將會使用鋁合金來建造。這種材料已被應用於太空穿梭機的外部燃料箱、三角洲-4運載火箭以及擎天神-5運載火箭的建造上。整個模組的隔熱方式，和飛船中其它非關鍵部位如貨艙門是一樣的，都是用諾梅克斯（英語：Nomex）材料製成的隔熱氈進行包裹。可重複利用降落傘是基於太陽神號及太空穿梭機固體推進器的降落傘進行設計的，並同樣使用了諾梅克斯布料來製作。獵戶座的載人模組只能夠通過在水上降落來實現回收，這也是載人飛行任務時唯一可行的在地球上降落的方式[21][22]。

為了使獵戶座太空船能夠與國際太空站或者其它星際飛船對接，對接系統採用了新的低衝擊對接系統（英語：Low Impact Docking System）設計。該設計是太空穿梭機上所使用的通用對接環的簡化版本，有趣的是太空穿梭機上的這一系統其實是源自於1975年俄羅斯為太陽神-聯盟測試計劃而設計的對接系統。飛船及對接接合器均設置了水星號和太陽神號上所使用的發射逃逸系統，以及源自太陽神飛船上的玻璃纖維推進器保護罩。升空過程中的前2%時間內出現問題，這些裝置將保證載人模組能安全逃逸。

獵戶座載人模組的形狀與太陽神號指揮艙類似，是一個頂角為57.5°的圓台體。其投影直徑為5.02米，長度為3.3米[23]，重8.5噸。它的總體積將會太陽神號的2.5倍，內部空間容積約為5.9立方米，可承載4至6名太空人[24]。經過長期的研究，美國太空總署決定選用低密度碳化燒蝕材料（Avcoat）作為重返大氣層時的熱盾材料。低密度碳化燒蝕材料是由玻璃纖維及酚醛樹脂構成的蜂窩結構，其中填充以石英纖維。該材料曾在太陽神計劃中使用，並在太空穿梭機早期飛行任務中用在了特定的部位[25]。

服務模組

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正在執行任務的構想圖。圖中右下角噴射氣體的噴嘴，至離噴嘴最近的第一個深色環狀部分，即為服務模組。

逃逸系統

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技師正在小心的將一個獵戶座飛行測試模組移動至飛機上以便運輸。該模組在發射台上第一次發射來進行終止飛行測試。

發射終止試驗

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阿連特技術系統公司（ATK）在2008年11月20日成功的進行了第一次發射終止試驗。該逃逸系統的引擎能提供2,200千牛的推力，以便在發射場上，或者發射後高度在91公里之前發生緊急情況時進行逃逸動作。這個逃逸測試是該引擎在上述範圍內出現的逆向氣流範圍之內進行的第一次測試。

這一次逃逸點火試驗對引擎和其他組件進行了一系列的測試，該測試是為了在2009年春天進行下一個主要的、具有里程碑性質的試驗做準備。後者是一次全尺寸的實物模型試驗[26]。

探路先鋒

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獵戶座發射失敗逃逸系統試驗品在美國太空總署蘭利研究中心裝配完成

2009年3月2日，一個先行製作好的逃逸模組的試驗品，從蘭利研究中心運往新墨西哥州的白沙導彈靶場進行測試。這一個探路先鋒除了含有一個真實的逃逸模組之外，還包括了獵戶座的實物大小模型。在導彈靶場將會製作一個14米高的火箭，以進行第一次發射台終止逃逸試驗[27]。

歷史

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戰神I號在上升階段的構想圖

2004年1月14日，時任美國總統的喬治·沃克·布什對外宣佈了太空探索遠景計劃，其中包括了當時被稱為「載人探索飛行器」的獵戶座太空船：

……我們的次要目標是在2008年開始開發並測試新一代的太空船——載人探索飛行器，然後在2014年之前實施其首次載人太空飛行任務。載人探索飛行器將可以替代（屆時業已）退役的太空穿梭機，將太空人及科學家運送至太空站中，但其主要目標是將太空人運送到地球軌道之外的其它地方。這一飛船將是自太陽神指令艙以來的首個同類型航天載具[28]。……

製造獵戶座太空船的部分原因是哥倫比亞號太空穿梭機和之後的哥倫比亞號事故調查委員會的調查報告，以及白宮對美國航天載人太空任務現存問題的反思。它完全替代了還在概念階段的軌道太空飛機（Orbital Space Plane，OPS），後者是之前X-33試驗機計劃失敗後被提出來作為太空穿梭機的頂替方案。

在美國太空總署前局長肖恩·奧基夫卸任後，該局的採購計劃和策略發生了如上所述的重大變化。而在2004年7月，米高·格里芬被任命為太空總署署長之前，他以組長之一的身份參與了一個行星學會的研究「將人類送至更遠的太陽系空間」[29]，該研究為星座計劃提供了一個可負擔且可實現的實施策略，因此可以從中探知未來獵戶座相關計劃的可能發展方向。由于格里芬是該研究的其中一個組長，因此可以推斷他認同該研究的結論。而在他當上局長後也以實際行動支持達成該計劃的目標。

根據執行概述，該研究制定了一個「分階段將人類探索範圍延伸至低地球軌道空間以外的方法」[29]，並具體建議分為如下三個階段：

  1. 「將重心放在開發新一代載人探索飛行器（CEV），完成國際太空站，以及退役過時的太空穿梭機之上。其中，在完成了國際太空站美國艙核心之後（大約需要6到7次的飛行任務），以及滿足其它合作成員對完成國際太空站的需求所必須提供的最少附加分型任務之後，太空穿梭機將會儘快退役。太空穿梭機退役將會導致美國低軌道載人太空能力的缺失，而於此同時，退役所節省出來的資金，將用來加快新一代飛行器的開發計劃，以儘可能減少甚至消除這一空缺時間。」[29]
  2. 「必須開發更多附加組件，包括提高運載系統的功率以適應需要飛行數月的行星際載人太空探索擴展任務；以及居住艙、實驗艙、燃料模組和推進模組，以適應將人類用送至月球、火星、拉格朗日點和某些近地小行星附近的目標。」[29]
  3. 「載人行星着陸器的開發將在本階段完成，以允許實施人類登陸月球，進而於2010年登陸火星的任務。」[29]

載人探索飛行器的原始策略後來出現了若干修改，這在美國太空總署探索系統架構研究中進行了相關說明，相關的研究結果在2005年9月19日的新聞發佈會上公佈[30]。該研究建議2014年開始進行獵戶座的載人飛行任務，並認同採用月球軌道集合的方法登陸月球。其中，低地球軌道版本的獵戶座太空船，則可以將4到6人運至國際太空站，而登月版本則可以承載4人，登陸火星的版本可以承載6人。與此同時，還會發展一型類似於俄國進步號太空船的無人貨運飛船版本。

2006年9月，美國太空總署選定洛歇·馬丁為獵戶座的合約商，後者同時也是當前擎天神五號運載火箭外掛燃料箱的合約商。

獵戶座的返回艙重達12噸[來源請求]，這幾乎是太陽神指令艙的兩倍。和太陽神指令艙一樣，它也可以與一個服務模組連接，以提供諸如生命維持以及飛船推進等功能。獵戶座的外殼類型和太陽神號的相似，而隔熱盾則與海盜號類似，這和太空穿梭機這種帶有機翼的舉升體結構完全不同。需要特別說明的是，它的燒蝕式隔熱盾在每次使用之後便會拋棄，這與太陽神的設計類似，而返回艙本身則可以重複使用大約10次。獵戶座的着陸路方式則被設計為在陸地上着陸，而不是在海上着陸。採用這類着陸方式還包括俄國的聯盟號飛船，以及中國的神舟號飛船。不過在緊急情況下，它也可以在水上着陸。目前已選定的可用着陸點包括加利福尼亞州的愛德華茲空軍基地，內華達州的卡森平原，以及華盛頓州的摩西湖市。在西部海岸選擇找陸點可以讓大部分的着陸路徑在太平洋上空，從而避開了人口密集的地區。

登月任務的開發計劃在2010年太空穿梭機退役後立即開始提速。其中的月球表面登陸模組（登月艙）以及重型起飛推進器會同時並行開發，並且在2018年即進入可以執行任務的狀態，並最終於2020年在月球表面着陸。登陸艙與太陽神登月艙相比大很多，可以攜帶重量高達23噸的載籌抵達月球表面[來源請求]，甚至比整個太陽神登月艙還要重。這麼大載籌重量，甚至可以用於支持長期有人照料的月球基地。這一大載籌的特性，對於運送大量物資和科研設備至月球表面基地來說，是非常有意義的。

和太陽神登月艙一樣，獵戶座的登月艙也包含降落和起飛兩個過程。在起飛階段，登月艙可以承載4人至環月軌道。按照原來的計劃，登月艙應當使用使用甲烷-氧氣燃料作為推進劑。在這一個基礎上，還會衍生出結構近似的，用於火星任務的着陸器。選用甲烷作為燃料的一個重要原因是，它可以通過應用原位資源利用的理論方法在火星土壤中獲得，而無需從地球運送過去。但由於該型推進系統仍然處於雛形階段，為了避免因此拖後登月計劃的整體進度而改為使用液氧-液氫燃料。

計劃

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美國太空總署計劃獵戶座太空船的首次飛行將在2014年或之前，屆時太空人將乘坐它飛往國際太空站，接下來在2020年之前，將首次執行飛往月球的任務。隨後，美國將改進獵戶座飛船和推力更大的運載火箭實現火星登陸，並飛往更遙遠的太空。

設計修改及更新

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2006年7月下旬，美國太空總署的第二次設計評審，導致了飛船設計的重大變化。[31] 起初，美國太空總署想使用液體甲烷(LCH4)作為獵戶座太空船（SM）的燃料，但是因為氧氣/甲烷動力的火箭技術還不成熟，並且需要在2012年發射獵戶座太空船，其在2006年七月下旬批准換成了自燃式推進器。該替換使得美國太空總署能在2011年前對獵戶座太空船和戰神I號火箭進行安全評估[來源請求]，並且能夠填補將於2010年退役的太空穿梭機和第一次獵戶座太空船的載人飛行之間潛在的空缺。[32]2007年4月20日，美國太空總署和波音公司簽訂了獵戶座太空船合同的一項修改。更新後的合同延長了獵戶座太空船計劃2年設計時間，加入了2次獵戶座太空船發射中斷系統的飛行測試，並且刪除了能對國際空間運送密封貨物的原始設計。[33]2007年5月《太空日報和防禦報道》中的一片文章指出，被稱為結構「606」的獵戶座太空船登月艙的最新設計修訂本中，服務模組會有一個外部的面板，其會在戰神一號運載火箭火箭的第二次點火階段後不久就脫落。相比之前的結構「605」，這項設計會節省1000磅的重量。[34] 2007年8月5日，一份報告稱安全氣囊着陸系統從下一輪獵戶座太空船的設計（代號607）中移除了，其考慮到節省總重量，改成在任務結束時使用太陽神形式的返回艙。[35]

2009 載人航天計劃委員會

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2009年9月8日，奧巴馬政府委託載人航天計劃委員會（英語：Review of United States Human Space Flight Plans Committee）發佈了有關多個美國政府載人太空飛行計劃的長期規劃檢討簡報。其中需要實現的多個目標包括：對國際太空站的支持，低地球軌道以外空間（包括月球）的任務進展，以及商業空間工業的利用情況等。這些目標必須在有限的預算內實現[36]。

這份檢討簡報中需要考慮的參數包括「人員及任務的安全性、生命週期成本、開發時間、對國內空間產業根基的衝擊、促進創新鼓勵競爭的潛力、從當前載人太空飛行飛行系統過渡到未來系統所產生的影響和衝擊」。此外還會考慮到研究及開發量的估算，以及「為支持各種載人太空飛行飛行活動所需要的輔助機械人活動」，並探討2016年之後延長國際太空站運作時間的各種選項。[37]

資金來源及預計成本

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布什總統在2005財年要求的預算中，包括了「4.28億美元的預算用於開發新一代載人探索飛行器的星座計劃（5年內總計66億美元）」，這一預算在2004年11月的國會會議中全額通過了。

2006財年的預算要求為7.53億美元，用於繼續開發載獵戶座太空船。而依照截至2005年的開發情況看，其總預算估計為150億美元。[38]

洛歇·馬丁在2006年8月31日獲得了獵戶座計劃合同中最初的「時間表A」部分，該部分價值39億美元，將持續執行至2013年。合約中更多可選開發的「時間表B」部分，則可能價值高至35億美元。[39]

雖然迄今為止該計劃得到了充分的資金保障以及眾議院的支持[40]，仍然存在太空穿梭機重飛計劃成本升高導致的投入獵戶座開發的資金出現極端困難的可能性。關於這個問題，也曾經討論過是尋求國會提供太空穿梭機額外開銷的特殊資金，還是讓私人企業參與到獵戶座的開發和運作中[41]。到2025年為止，不考慮通貨膨脹因素，以及給美國國家航天局增加的額外預算，預計的總預算額為2100億美元。而空間探索系統架構研究對截至2025年的總成本的估算為2170億美元，比預算僅多出70億美元[42]。實際的最終成本可能會比這個估計更低，因為這個估算包括了為發射獵戶座的運載火箭中的地球出發級開發全新的引擎，而實際上可能會採用J-2引擎的衍生型號[42]。

白宮的奧古斯丁委員會預計，在獵戶座及戰神一號開發完畢之後，還會發生每次發射近10億美元的成本[43]。

飛行任務

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首次測試飛行

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主條目：探索飛行測試1號
首次測試飛行，由三角洲四號重型運載火箭發射升空

2014年12月5日進行第一次飛行。

上升中止2號

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主條目：上升中止2號

2019年7月2日，獵戶座測試飛船從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地的太空發射場發射升空。測試飛船飛到了近10公里的高度時，中止程序啟動，引擎中止，並將航天座艙與火箭分離，將太空人艙彈射出去，使其成功墜入大西洋[44]。

阿提米絲1號

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主條目：阿提米絲1號

參見

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參考文獻

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外部連結

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