月球，天空中一個發光的圓盤，突然出現在地球地平線寬闊的弧形之上。“獵戶座”乘員探索飛行器的四名宇航員已經目睹了幾次這樣壯觀的月出，因為他們的航天器已經到達我們家園星球廣闊的表面之上約300公里的軌道。但是現在，憑藉一次恰到好處的火箭助推，飛行員準備加速他們的飛船，朝向前方遙遠的目標。“跨月球軌道注入點火倒計時10秒……”耳機裡傳來呼叫。“五、四、三、二、一，標記……點火……”白熾的火焰從船尾遠處的火箭噴嘴中噴射而出，整個飛船——功能模組的堆疊體——都在震動，乘員們開始了前往我們最近的天體鄰居的旅程，這是一個仍然神秘的地方，人類已經近半個世紀沒有訪問過了。現在是2020年，美國人正在重返月球。然而，這一次的目標不僅僅是來去匆匆，而是要為新一代太空探險家建立一個前哨基地。
“獵戶座”飛行器是“星座計劃”的關鍵組成部分，這是NASA雄心勃勃、耗資數十億美元的計劃，旨在建立一個太空運輸系統，該系統不僅可以將人類送上月球並返回，還可以為國際空間站（ISS）補給，並最終將人類送上火星。自從該計劃於2006年中期確立以來，NASA以及“獵戶座”的主承包商洛克希德·馬丁公司的工程師和研究人員一直在努力開發火箭發射器、乘員和服務艙、上面級和著陸系統，以便美國在其當前的發射主力——太空梭於2010年退役後，能夠開展強大且經濟實惠的載人航天飛行工作。
為了最大限度地降低開發風險和成本，NASA的規劃人員將“星座計劃”建立在阿波羅計劃期間確立的許多久經考驗的技術原理和訣竅之上，阿波羅計劃是一項工程壯舉，在20世紀60年代末和70年代初將人類安全地送上了月球。與此同時，NASA的工程師們正在使用更新的技術重新設計許多系統和元件。
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“獵戶座”的起點與阿波羅飛船的功能大致相同，其乘員艙也具有相似的形狀，但這種相似性僅停留在表面。“獵戶座”例如將容納比阿波羅更多的乘員。在月球任務中，四個人將乘坐容積約為20立方米的加壓艙（從2015年左右開始訪問空間站時將乘坐六人），而阿波羅則是在約10立方米的狹小空間內容納三名宇航員（加上裝置）。
最新的結構設計、電子裝置以及計算和通訊技術將幫助專案設計師擴充套件新型航天器的操作靈活性，使其超越阿波羅。“獵戶座”，例如，將能夠自動與其他飛行器對接，並在無人值守的情況下在月球軌道上停留六個月。工程師們也在擴大安全裕度。例如，如果在發射過程中發生緊急情況，強大的逃生火箭將迅速將乘員從危險中轉移出來，這是太空梭宇航員無法享受到的好處。但為了讓您更好地瞭解該計劃涉及的內容，讓我們從地面開始，在“獵戶座”乘員離開地球之前。從那裡，我們將追蹤原型月球任務的進展以及計劃用於完成每個階段的技術。
升空，升空，再升空
在佛羅里達州肯尼迪航天中心鹽沼上方110米處，二級“戰神五號”貨運火箭發射器巍然屹立，準備發射。這艘無人飛行器包含一組五個強大的火箭發動機，其高度和周長幾乎與著名的阿波羅土星五號火箭相當。“戰神五號”的中央助推器罐源自太空梭的外部燃料箱，它將液氧液氫推進劑輸送到飛行器的RS-68發動機——每個發動機都是目前三角洲四號軍用和商用發射器中使用的發動機的改進型。兩個“捆綁式”固體燃料火箭助推器（從太空梭系統改裝而來）位於“戰神五號”中央圓柱體的兩側。它們增加了發射器將月球著陸器和“地球脫離級”（一個推進模組，包含液氧液氫燃料J-2X發動機（NASA阿波羅時代土星五號J-2發動機的後代，由普惠羅克特達因公司製造））送入太空所需的額外推力，該發動機將使“獵戶座”能夠逃脫地球引力並前往月球。
突然，一道閃光從“戰神五號”的尾部噴出，成堆的滾滾濃煙很快吞沒了助推器、門架和發射臺。短暫的停頓後，巨大的轟鳴聲在航天港迴盪，驚得鳥兒四處逃散。首先緩慢地，大型火箭開始上升，頂部是一根不斷膨脹的灰白色尾氣柱。飛行器穩步加速，在天空中劃出一道煙霧瀰漫的軌跡，消失在天空中。幾分鐘後，在近地空間的寂靜中，“戰神五號”拋棄了捆綁式助推器，助推器墜入大海，將被回收。然後，它脫落了覆蓋在鼻錐上的保護性貨物外罩，露出了月球著陸艙。這艘機器人航天器以約300公里的高度繞地球執行，現在等待著月球遠足計劃的下一步：與“獵戶座”會合。
同一天，四名即將奔赴月球的宇航員棲身於另一個肯尼迪發射臺上方98米處，期待著即將到來的發射升空。就在他們錐形的“獵戶座”乘員艙下方是一個鼓形服務艙，其中包含航天器的軌道推進發動機和大部分生命支援系統。保護性整流罩將兩者包裹起來，以保護它們免受上升過程中遇到的強大空氣動力和惡劣條件的影響。乘員艙和服務艙位於NASA的二級“戰神一號”乘員發射器之上。“戰神一號”比它的老大哥更纖細，被一些人稱為“棍子”，它由另一個改裝的固體太空梭助推器（由阿連特技術系統公司製造）組成，頂部是一個由單個J-2X發動機提供動力的第二級。航天器介面卡充當“獵戶座”航天器和“戰神一號”之間的結構和電氣介面。
高聳的堆疊體的頂部是一個逃生塔，一旦發生故障，它將準備好將乘員彈射脫離危險。正如1986年“挑戰者號”事故所證明的那樣，如果太空梭在發射和早期上升過程中出現重大技術問題，乘員幾乎沒有生存機會。相比之下，“獵戶座”的發射中止系統（LAS）可以在幾秒鐘內產生相當於自身質量和分離乘員艙質量約15倍的推力。火箭塔被設定為在發射臺上或上升過程中發生任務中止時，迅速將宇航員從危險中轉移出來。如果地面發生嚴重故障，分離後的系統將達到約1200米的高度，以便部署降落傘，並在約1000米的水平距離上清除發射臺。任務規劃人員估計，LAS以及“獵戶座”先進的制導和控制系統，在需要時能夠安全地將乘員返回999次/1000次。
但是，隨著即將到來的發射的興奮感不斷增強，任何這樣的想法都迅速消退。當倒計時接近零時，指揮官和飛行員全神貫注地注視著“獵戶座”的“玻璃座艙”的平板顯示器上的飛行儀表，該座艙改編自安全冗餘版本的航空電子系統，該系統被先進的客機（如新推出的波音787夢想飛機）使用。對於阿波羅時代的宇航員來說，這個駕駛艙及其計算機化、全電動“電傳操縱”控制系統、節能電氣裝置和極少的機械開關幾乎是無法辨認的。
一陣顫動波及整個結構，隨後是雷鳴般的轟隆聲。“棍子”開始向天空移動。它每秒都在加速，迅速上升，將宇航員壓入座椅。
在飛行開始後大約兩分半鐘，固體火箭助推器正以馬赫數6的速度推動“戰神一號”向上飛行。在約61000米的高度，第一級分離並藉助降落傘返回地球，以便回收和後續迴圈利用。與此同時，J-2X第二級火箭發動機點火，將“獵戶座”乘員艙、服務艙和LAS送過大氣層的最後區域。現在航天器已經飛出大氣層，它們的用途已經結束，空氣動力整流罩脫落，以透過減輕重量來最大限度地提高上升效能。此時，飛行器已經獲得了足夠的速度來降低緊急中止的風險，因此LAS及其保護性整流罩也分離並脫落。當乘員艙和服務艙接近約100公里的高度時，第二級發動機關閉。
地球軌道會合
然後，服務艙發動機點火，完成將“獵戶座”送入軌道的任務，並啟動與地球脫離級和月球著陸器會合所需的機動。 “獵戶座”的主發動機改編自經過飛行驗證的太空梭軌道機動發動機，經過升級，具有更大的推進推力和效率。服務艙包含發電和儲能系統、將多餘熱量排放到太空的散熱器、所有必要的液體和一個科學裝置艙。為了最大限度地利用乘員飛行器中的空間，服務艙還攜帶了一些航空電子系統，以及環境控制和生命支援子系統的一部分。輕質聚合物複合蜂窩結構，用鋁加固，構成了其結構；簡單的製造方法應有助於降低這種消耗品的成本。
“獵戶座”和阿波羅之間更顯著的區別之一是在服務艙中增加了傘狀太陽能電池陣列，這些陣列在軌道上需要時展開。由於阿波羅飛船是為期數天的月球任務設計的，因此它攜帶的氫燃料電池只能在相對較短的時間內發電。“獵戶座”則不同，它必須能夠至少發電六個月。
“獵戶座”逐漸追上了“戰神五號”先前送入近地軌道的月球著陸器和脫離級。當兩艘飛行器最終會合時，乘員執行（或監控）最後的機動，並
密切關注自動“軟捕獲”系統，因為它對準了這對飛行器，然後平穩地對接它們。力反饋和機電元件感知載荷，自動捕獲飛行器的配合環，並主動抑制任何接觸力。飛船和乘員現在幾乎準備好前往月球了。
乘員艙是“獵戶座”中唯一將完成整個旅程的部件，它可以重複使用多達10次飛行。輕質鋁鋰合金與鈦增強材料構成了乘員艙結構的大部分。乘員飛行器的外部襯有一層熱防護系統，除了保護其居住艙免受再入的灼熱之外，還包含一層堅韌的抗衝擊層，可保護其免受高速微流星體或其他可能撞擊其外表面的碎片的侵害。
乘員艙的反應控制機動系統使用氣態氧氣和甲烷推進劑，這項技術建立在工程師在NASA的X-33單級入軌飛行器計劃（該計劃於2001年取消）期間取得的進展之上。氧甲烷推進系統的優勢之一是其燃料將是無毒的（不同於其使用自燃推進劑的前身），這將有助於確保飛行和地面人員在返回地球后的安全。
當一切準備就緒後，地球脫離級火箭發動機點火，推動航天器飛向月球。工程師們正在配置“獵戶座”，以支援“月球短期考察任務”和“月球前哨站任務”，在“月球短期考察任務”中，乘員成員在月球表面停留四到七天，以證明“獵戶座”系統將人類運輸和降落在地球衛星上的能力；在“月球前哨站任務”中，將在那裡建立半連續的人類存在。由於乘員在月球表面停留的最長時間為210天（由可用的氧氣、水和其他消耗品決定），因此“獵戶座”的連續執行能力必須超過該期限。“獵戶座”月球任務的最大設計驅動因素是滿足這些目標所需的推進劑數量。
經過四天的出程旅行後，乘員進入月球軌道，並在途中拋棄了地球脫離級。四名宇航員爬進著陸器，留下乘員艙和服務艙在軌道上等待他們。與阿波羅月球艙一樣，月球著陸器由兩個元件組成。一個是下降級，它有支腿以支撐航天器在表面，以及乘員的大部分消耗品和科學裝置。另一部分是容納乘員的上升級。在著陸和探索表面後，四人小組從月球表面升空，並在軌道上與乘員艙和服務艙對接。著陸器的上升級被丟棄到外太空，“獵戶座”火箭返回地球。
返回家園星球
當“獵戶座”宇航員接近藍色星球時，他們可能必須為與阿波羅截然不同的再入和著陸做好準備。與之前的雙子座和水星號飛船一樣，阿波羅在穿過大氣層後濺落在海洋中。但是，由於水上著陸將需要昂貴的回收船隊，並將可重複使用的航天器暴露於海水腐蝕，因此NASA的規劃人員可能會決定“獵戶座”應該像俄羅斯聯盟號飛船那樣在陸地上著陸。“獵戶座”更大的尺寸、重量和升力加劇了工程挑戰。“陸地著陸”模式對於最大限度地降低生命週期成本也很重要。如果該機構選擇在海洋中著陸，“獵戶座”將配備與阿波羅大致相同的功能。
不幸的是，在月球任務後在美國領土上著陸存在一個根本問題。幾乎半個月球月，軌道條件都會將任何著陸點置於南半球，遠離美國西部大陸的計劃地點。雖然從月球軌道出發的時間可以改變再入點的經度，但其緯度是由月球相對於地球在月球出發時的赤緯（與赤道的角度距離）決定的。因此，為了在月球月的不利時期到達美國西部或美國大陸附近水域的著陸點，“獵戶座”將透過利用其下降到地球外層大氣層時產生的空氣動力升力，將其著陸點延伸到北半球。這種型別的軌跡，其中航天器像石頭掠過池塘一樣掠過高層大氣層，有時被稱為跳躍式再入。
在花了四天的返程旅程從月球微調“獵戶座”的飛行路徑，以進行首次載人跳躍式再入機動後，隨著我們家園星球的藍白色面容在他們的顯示屏中變得越來越大，宇航員之間的期待感也在不斷增強。然而，他們很快就被重新定向飛船所佔據，以便可以拋棄服務艙，這是一項必要的操作，它暴露了乘員艙底側的保護性隔熱罩。稍後，在使用“獵戶座”的冗餘導航系統和飛行計算機檢查航天器的姿態是否已正確定位以進行再入，以及其軌跡是否遵循正確的淺角度路線後，乘員準備迎接當“獵戶座”遇到大氣層時產生的減速力。
跳躍式再入過程開始緩慢。起初，乘員開始注意到高空稀薄空氣的阻力引起的微弱g力。隨著發光隔熱罩材料碎片和電離氣體流劃過窗戶，將乘員壓在座椅上的g力穩步增強。在“獵戶座”開始擦過大氣層上層後不久，航天器短暫地反彈到更高的高度。跳躍之後，飛船沿著朝向著陸點的路徑深深地扎入空氣中。
2003年哥倫比亞號太空梭及其乘員的悲慘損失表明，返回飛行器的熱防護系統至關重要。大氣層再入會在航天器底面產生巨大的熱量（高達數千攝氏度），這是由以超音速掠過的空氣摩擦引起的。由於“獵戶座”從月球任務返回的再入速度（大約為每秒11公里）將比太空梭從近地軌道下降的速度快41%，因此熱負荷將高出數倍。“獵戶座”乘員艙比阿波羅的乘員艙更大，這一事實加劇了挑戰。
“獵戶座”基座隔熱罩的主要候選材料是一種名為PICA（酚醛浸漬碳燒蝕劑）的材料。PICA是由嵌入酚醛樹脂中的碳纖維基體。在高溫下，PICA層的外表面會燒蝕或燒掉，以帶走大部分極端熱量。燒蝕劑的表面在受熱時會熱解，留下耐熱的焦化材料層。PICA的低導熱性也阻止了熱量傳遞到乘員艙。PICA在2006年被使用，當時它保護了“星塵號”航天器（它攜帶了來自威爾德2號彗星的樣本），因為它以每秒13000米的速度返回地球——有史以來最快的受控再入。由於“獵戶座”的隔熱罩面積大40倍，因此需要分段建造，從而增加了新的複雜性。
陸地著陸
最後，三個大型降落傘——與阿波羅使用的降落傘非常相似——展開以減緩飛行器的下降速度。看到頭頂上方開啟的巨大的紅白色傘蓋的令人放心的景象告訴宇航員，他們驚人的旅程即將完成。不久之後，“獵戶座”因其大型隔熱罩的釋放而震動。懸掛在大型降落傘下方，乘員艙現在以大約每秒八米的速度下降。
在“陸地著陸”的情況下，乘員艙底部的一個安全氣囊系統會膨脹，以吸收和衰減即將到來的著陸衝擊。隨著一聲沉悶的震動，航天器最終在美國西部沙漠的乾燥陸地上著陸。“獵戶座”已返回家園。