月球，天空中一个发光的圆盘，突然出现在地球地平线宽阔的弧形之上。“猎户座”乘员探索飞行器的四名宇航员已经目睹了几次这样壮观的月出，因为他们的航天器已经到达我们家园星球广阔的表面之上约300公里的轨道。但是现在，凭借一次恰到好处的火箭助推，飞行员准备加速他们的飞船，朝向前方遥远的目标。“跨月球轨道注入点火倒计时10秒……”耳机里传来呼叫。“五、四、三、二、一，标记……点火……”白炽的火焰从船尾远处的火箭喷嘴中喷射而出，整个飞船——功能模块的堆叠体——都在震动，乘员们开始了前往我们最近的天体邻居的旅程，这是一个仍然神秘的地方，人类已经近半个世纪没有访问过了。现在是2020年，美国人正在重返月球。然而，这一次的目标不仅仅是来去匆匆，而是要为新一代太空探险家建立一个前哨基地。
“猎户座”飞行器是“星座计划”的关键组成部分，这是NASA雄心勃勃、耗资数十亿美元的计划，旨在建立一个太空运输系统，该系统不仅可以将人类送上月球并返回，还可以为国际空间站（ISS）补给，并最终将人类送上火星。自从该计划于2006年中期确立以来，NASA以及“猎户座”的主承包商洛克希德·马丁公司的工程师和研究人员一直在努力开发火箭发射器、乘员和服务舱、上面级和着陆系统，以便美国在其当前的发射主力——航天飞机于2010年退役后，能够开展强大且经济实惠的载人航天飞行工作。
为了最大限度地降低开发风险和成本，NASA的规划人员将“星座计划”建立在阿波罗计划期间确立的许多久经考验的技术原理和诀窍之上，阿波罗计划是一项工程壮举，在20世纪60年代末和70年代初将人类安全地送上了月球。与此同时，NASA的工程师们正在使用更新的技术重新设计许多系统和组件。
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“猎户座”的起点与阿波罗飞船的功能大致相同，其乘员舱也具有相似的形状，但这种相似性仅停留在表面。“猎户座”例如将容纳比阿波罗更多的乘员。在月球任务中，四个人将乘坐容积约为20立方米的加压舱（从2015年左右开始访问空间站时将乘坐六人），而阿波罗则是在约10立方米的狭小空间内容纳三名宇航员（加上设备）。
最新的结构设计、电子设备以及计算和通信技术将帮助项目设计师扩展新型航天器的操作灵活性，使其超越阿波罗。“猎户座”，例如，将能够自动与其他飞行器对接，并在无人值守的情况下在月球轨道上停留六个月。工程师们也在扩大安全裕度。例如，如果在发射过程中发生紧急情况，强大的逃生火箭将迅速将乘员从危险中转移出来，这是航天飞机宇航员无法享受到的好处。但为了让您更好地了解该计划涉及的内容，让我们从地面开始，在“猎户座”乘员离开地球之前。从那里，我们将追踪原型月球任务的进展以及计划用于完成每个阶段的技术。
升空，升空，再升空
在佛罗里达州肯尼迪航天中心盐沼上方110米处，二级“战神五号”货运火箭发射器巍然屹立，准备发射。这艘无人飞行器包含一组五个强大的火箭发动机，其高度和周长几乎与著名的阿波罗土星五号火箭相当。“战神五号”的中央助推器罐源自航天飞机的外部燃料箱，它将液氧液氢推进剂输送到飞行器的RS-68发动机——每个发动机都是目前三角洲四号军用和商用发射器中使用的发动机的改进型。两个“捆绑式”固体燃料火箭助推器（从航天飞机系统改装而来）位于“战神五号”中央圆柱体的两侧。它们增加了发射器将月球着陆器和“地球脱离级”（一个推进模块，包含液氧液氢燃料J-2X发动机（NASA阿波罗时代土星五号J-2发动机的后代，由普惠罗克特达因公司制造））送入太空所需的额外推力，该发动机将使“猎户座”能够逃脱地球引力并前往月球。
突然，一道闪光从“战神五号”的尾部喷出，成堆的滚滚浓烟很快吞没了助推器、门架和发射台。短暂的停顿后，巨大的轰鸣声在航天港回荡，惊得鸟儿四处逃散。首先缓慢地，大型火箭开始上升，顶部是一根不断膨胀的灰白色尾气柱。飞行器稳步加速，在天空中划出一道烟雾弥漫的轨迹，消失在天空中。几分钟后，在近地空间的寂静中，“战神五号”抛弃了捆绑式助推器，助推器坠入大海，将被回收。然后，它脱落了覆盖在鼻锥上的保护性货物外罩，露出了月球着陆舱。这艘机器人航天器以约300公里的高度绕地球运行，现在等待着月球远足计划的下一步：与“猎户座”会合。
同一天，四名即将奔赴月球的宇航员栖身于另一个肯尼迪发射台上方98米处，期待着即将到来的发射升空。就在他们锥形的“猎户座”乘员舱下方是一个鼓形服务舱，其中包含航天器的轨道推进发动机和大部分生命支持系统。保护性整流罩将两者包裹起来，以保护它们免受上升过程中遇到的强大空气动力和恶劣条件的影响。乘员舱和服务舱位于NASA的二级“战神一号”乘员发射器之上。“战神一号”比它的老大哥更纤细，被一些人称为“棍子”，它由另一个改装的固体航天飞机助推器（由阿连特技术系统公司制造）组成，顶部是一个由单个J-2X发动机提供动力的第二级。航天器适配器充当“猎户座”航天器和“战神一号”之间的结构和电气接口。
高耸的堆叠体的顶部是一个逃生塔，一旦发生故障，它将准备好将乘员弹射脱离危险。正如1986年“挑战者号”事故所证明的那样，如果航天飞机在发射和早期上升过程中出现重大技术问题，乘员几乎没有生存机会。相比之下，“猎户座”的发射中止系统（LAS）可以在几秒钟内产生相当于自身质量和分离乘员舱质量约15倍的推力。火箭塔被设置为在发射台上或上升过程中发生任务中止时，迅速将宇航员从危险中转移出来。如果地面发生严重故障，分离后的系统将达到约1200米的高度，以便部署降落伞，并在约1000米的水平距离上清除发射台。任务规划人员估计，LAS以及“猎户座”先进的制导和控制系统，在需要时能够安全地将乘员返回999次/1000次。
但是，随着即将到来的发射的兴奋感不断增强，任何这样的想法都迅速消退。当倒计时接近零时，指挥官和飞行员全神贯注地注视着“猎户座”的“玻璃座舱”的平板显示器上的飞行仪表，该座舱改编自安全冗余版本的航空电子系统，该系统被先进的客机（如新推出的波音787梦想飞机）使用。对于阿波罗时代的宇航员来说，这个驾驶舱及其计算机化、全电动“电传操纵”控制系统、节能电气设备和极少的机械开关几乎是无法辨认的。
一阵颤动波及整个结构，随后是雷鸣般的轰隆声。“棍子”开始向天空移动。它每秒都在加速，迅速上升，将宇航员压入座椅。
在飞行开始后大约两分半钟，固体火箭助推器正以马赫数6的速度推动“战神一号”向上飞行。在约61000米的高度，第一级分离并借助降落伞返回地球，以便回收和后续循环利用。与此同时，J-2X第二级火箭发动机点火，将“猎户座”乘员舱、服务舱和LAS送过大气层的最后区域。现在航天器已经飞出大气层，它们的用途已经结束，空气动力整流罩脱落，以通过减轻重量来最大限度地提高上升性能。此时，飞行器已经获得了足够的速度来降低紧急中止的风险，因此LAS及其保护性整流罩也分离并脱落。当乘员舱和服务舱接近约100公里的高度时，第二级发动机关闭。
地球轨道会合
然后，服务舱发动机点火，完成将“猎户座”送入轨道的任务，并启动与地球脱离级和月球着陆器会合所需的机动。 “猎户座”的主发动机改编自经过飞行验证的航天飞机轨道机动发动机，经过升级，具有更大的推进推力和效率。服务舱包含发电和储能系统、将多余热量排放到太空的散热器、所有必要的液体和一个科学设备舱。为了最大限度地利用乘员飞行器中的空间，服务舱还携带了一些航空电子系统，以及环境控制和生命支持子系统的一部分。轻质聚合物复合蜂窝结构，用铝加固，构成了其结构；简单的制造方法应有助于降低这种消耗品的成本。
“猎户座”和阿波罗之间更显著的区别之一是在服务舱中增加了伞状太阳能电池阵列，这些阵列在轨道上需要时展开。由于阿波罗飞船是为期数天的月球任务设计的，因此它携带的氢燃料电池只能在相对较短的时间内发电。“猎户座”则不同，它必须能够至少发电六个月。
“猎户座”逐渐追上了“战神五号”先前送入近地轨道的月球着陆器和脱离级。当两艘飞行器最终会合时，乘员执行（或监控）最后的机动，并
密切关注自动“软捕获”系统，因为它对准了这对飞行器，然后平稳地对接它们。力反馈和机电组件感知载荷，自动捕获飞行器的配合环，并主动抑制任何接触力。飞船和乘员现在几乎准备好前往月球了。
乘员舱是“猎户座”中唯一将完成整个旅程的部件，它可以重复使用多达10次飞行。轻质铝锂合金与钛增强材料构成了乘员舱结构的大部分。乘员飞行器的外部衬有一层热防护系统，除了保护其居住舱免受再入的灼热之外，还包含一层坚韧的抗冲击层，可保护其免受高速微流星体或其他可能撞击其外表面的碎片的侵害。
乘员舱的反应控制机动系统使用气态氧气和甲烷推进剂，这项技术建立在工程师在NASA的X-33单级入轨飞行器计划（该计划于2001年取消）期间取得的进展之上。氧甲烷推进系统的优势之一是其燃料将是无毒的（不同于其使用自燃推进剂的前身），这将有助于确保飞行和地面人员在返回地球后的安全。
当一切准备就绪后，地球脱离级火箭发动机点火，推动航天器飞向月球。工程师们正在配置“猎户座”，以支持“月球短期考察任务”和“月球前哨站任务”，在“月球短期考察任务”中，乘员成员在月球表面停留四到七天，以证明“猎户座”系统将人类运输和降落在地球卫星上的能力；在“月球前哨站任务”中，将在那里建立半连续的人类存在。由于乘员在月球表面停留的最长时间为210天（由可用的氧气、水和其他消耗品决定），因此“猎户座”的连续运行能力必须超过该期限。“猎户座”月球任务的最大设计驱动因素是满足这些目标所需的推进剂数量。
经过四天的出程旅行后，乘员进入月球轨道，并在途中抛弃了地球脱离级。四名宇航员爬进着陆器，留下乘员舱和服务舱在轨道上等待他们。与阿波罗月球舱一样，月球着陆器由两个组件组成。一个是下降级，它有支腿以支撑航天器在表面，以及乘员的大部分消耗品和科学设备。另一部分是容纳乘员的上升级。在着陆和探索表面后，四人小组从月球表面升空，并在轨道上与乘员舱和服务舱对接。着陆器的上升级被丢弃到外太空，“猎户座”火箭返回地球。
返回家园星球
当“猎户座”宇航员接近蓝色星球时，他们可能必须为与阿波罗截然不同的再入和着陆做好准备。与之前的双子座和水星号飞船一样，阿波罗在穿过大气层后溅落在海洋中。但是，由于水上着陆将需要昂贵的回收船队，并将可重复使用的航天器暴露于海水腐蚀，因此NASA的规划人员可能会决定“猎户座”应该像俄罗斯联盟号飞船那样在陆地上着陆。“猎户座”更大的尺寸、重量和升力加剧了工程挑战。“陆地着陆”模式对于最大限度地降低生命周期成本也很重要。如果该机构选择在海洋中着陆，“猎户座”将配备与阿波罗大致相同的功能。
不幸的是，在月球任务后在美国领土上着陆存在一个根本问题。几乎半个月球月，轨道条件都会将任何着陆点置于南半球，远离美国西部大陆的计划地点。虽然从月球轨道出发的时间可以改变再入点的经度，但其纬度是由月球相对于地球在月球出发时的赤纬（与赤道的角度距离）决定的。因此，为了在月球月的不利时期到达美国西部或美国大陆附近水域的着陆点，“猎户座”将通过利用其下降到地球外层大气层时产生的空气动力升力，将其着陆点延伸到北半球。这种类型的轨迹，其中航天器像石头掠过池塘一样掠过高层大气层，有时被称为跳跃式再入。
在花了四天的返程旅程从月球微调“猎户座”的飞行路径，以进行首次载人跳跃式再入机动后，随着我们家园星球的蓝白色面容在他们的显示屏中变得越来越大，宇航员之间的期待感也在不断增强。然而，他们很快就被重新定向飞船所占据，以便可以抛弃服务舱，这是一项必要的操作，它暴露了乘员舱底侧的保护性隔热罩。稍后，在使用“猎户座”的冗余导航系统和飞行计算机检查航天器的姿态是否已正确定位以进行再入，以及其轨迹是否遵循正确的浅角度路线后，乘员准备迎接当“猎户座”遇到大气层时产生的减速力。
跳跃式再入过程开始缓慢。起初，乘员开始注意到高空稀薄空气的阻力引起的微弱g力。随着发光隔热罩材料碎片和电离气体流划过窗户，将乘员压在座椅上的g力稳步增强。在“猎户座”开始擦过大气层上层后不久，航天器短暂地反弹到更高的高度。跳跃之后，飞船沿着朝向着陆点的路径深深地扎入空气中。
2003年哥伦比亚号航天飞机及其乘员的悲惨损失表明，返回飞行器的热防护系统至关重要。大气层再入会在航天器底面产生巨大的热量（高达数千摄氏度），这是由以超音速掠过的空气摩擦引起的。由于“猎户座”从月球任务返回的再入速度（大约为每秒11公里）将比航天飞机从近地轨道下降的速度快41%，因此热负荷将高出数倍。“猎户座”乘员舱比阿波罗的乘员舱更大，这一事实加剧了挑战。
“猎户座”基座隔热罩的主要候选材料是一种名为PICA（酚醛浸渍碳烧蚀剂）的材料。PICA是由嵌入酚醛树脂中的碳纤维基体。在高温下，PICA层的外表面会烧蚀或烧掉，以带走大部分极端热量。烧蚀剂的表面在受热时会热解，留下耐热的焦化材料层。PICA的低导热性也阻止了热量传递到乘员舱。PICA在2006年被使用，当时它保护了“星尘号”航天器（它携带了来自威尔德2号彗星的样本），因为它以每秒13000米的速度返回地球——有史以来最快的受控再入。由于“猎户座”的隔热罩面积大40倍，因此需要分段建造，从而增加了新的复杂性。
陆地着陆
最后，三个大型降落伞——与阿波罗使用的降落伞非常相似——展开以减缓飞行器的下降速度。看到头顶上方打开的巨大的红白色伞盖的令人放心的景象告诉宇航员，他们惊人的旅程即将完成。不久之后，“猎户座”因其大型隔热罩的释放而震动。悬挂在大型降落伞下方，乘员舱现在以大约每秒八米的速度下降。
在“陆地着陆”的情况下，乘员舱底部的一个安全气囊系统会膨胀，以吸收和衰减即将到来的着陆冲击。随着一声沉闷的震动，航天器最终在美国西部沙漠的干燥陆地上着陆。“猎户座”已返回家园。