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我国载人登月初步方案,有哪些亮点?

本文来自微信公众号:中国航天报(ID:wht_htb),作者:张雪松,编辑:高辰,原文标题:《巧妙均衡,我国载人登月初步方案解读》,题图来自:《流浪地球2》

7月12日,载人航天工程副总设计师张海联介绍了我国载人登月初步方案:采用两枚运载火箭,分别发射月面着陆器和载人飞船,在环月轨道进行交会对接。目前,科研人员正在研制长征十号火箭、新一代载人飞船、月面着陆器和月球车等关键装备。那么我国载人登月任务为何要分两次发射?选择环月轨道交会对接,有何考量?未来,将有哪些服务于我国航天员的月面装备有望公开亮相呢?

立足现实,性价比高

截至目前,“阿波罗计划”是唯一成功的载人登月计划,由1枚土星5号重型火箭发射载人飞船和登月舱。同时代,苏联研制了N1重型火箭,计划发射7K-LOK月轨模块和LK登月舱,同样选择了由重型火箭一次性发射的方案。而我国规划的载人登月任务分两次发射执行,体现了对于力求任务成功与降低潜在风险的权衡。

我国长征十号火箭、登月舱和新一代载人飞船模型

在美苏论证载人登月之初,航天器交会对接技术还不成熟,快速发射两枚甚至多枚火箭也有一定难度,如果分别发射月球着陆器和载人飞船,实施在轨对接,技术风险很大。为了降低风险,提高任务成功率,最简单也是最实用的办法就是研制运力惊人的重型火箭,将登月舱和载人飞船一次性送去月球。

然而,当前情况有所不同。一方面,新一代重型火箭研制难度大,耗费时间长,综合成本极高。比如,美国SLS重型火箭耗费了10多年时间、上百亿美元,至今却仍在使用过渡型号上面级。另一方面,航天器交会对接技术已经非常成熟可靠。综合衡量后,使用运力足够、研制费用更低的火箭分别发射载人飞船和登月舱,在轨交会对接,反而是可行且合理的选择。

其实,国外航天界“帮助”中国设想过更激进的载人登月方案。例如,美国宇航局前局长迈克尔·格里芬曾表示,中国使用4枚长征五号火箭,分别发射登月舱和飞船,有望很快实现载人登月。

我国当然不会采用这种“勉强”的方案,而是积极利用新技术成果,降低风险。据公开资料显示,我国正在研制长征十号火箭,其芯级直径为5米级,并联安装了7台液氧煤油发动机,又捆绑了两个芯级作为助推器,第二级使用2台液氧煤油发动机,第三级使用3台液氧液氢发动机,各级均采用共底储箱,降低结构质量。

据央视报道,依靠推力提升和结构创新,长征十号火箭的起飞质量约为2187吨,预计月球转移轨道运力会从长征五号火箭的8.2吨提高到27吨左右。这个指标与现役SLS重型火箭初期型相当,足以发射大型载人飞船和登月舱,为执行两次发射的载人登月方案奠定了坚实的基础。

考虑到长征十号火箭的研制耗费远远低于美国几款重型火箭,我国载人登月方案无疑将具备更出色的性价比和可持续性。

巧选轨道,稳中求新

我国载人登月初步方案的另一个亮点是双重环月轨道对接。长征十号火箭分别发射登月舱和载人飞船后,它们各自独立飞向月球,在环月轨道上交会对接。接下来,航天员从飞船进入登月舱,随登月舱下降,安全着陆月球,开展科考活动。完成既定任务后,航天员乘坐登月舱起飞,返回环月轨道,再次和飞船对接后,转移进入飞船并返回地球。

我国航天员登月想象图

环月轨道对接是半个世纪前的美苏“登月竞赛”选中的高效可靠方案。不过,我国的环月轨道对接方案既借鉴了“阿波罗”环月轨道对接设计,又有很大的创新,与美国“阿尔忒弥斯计划”部分登月方案不谋而合。

事实上,美国“阿波罗计划”曾对比研究直接上升式、地球轨道交会对接、月球表面交会、环月轨道对接等多种方案,最终选定环月轨道对接方案。

具体来说,直接上升式方案要求整个登月舱着陆月球表面,完成任务后,上升器从月面直接上升返回地球,这对火箭运力的要求太高;地球轨道交会对接方案需用多枚火箭发射登月舱,其各部分在地球轨道上完成组装后,采用类似直接上升式方案,从而不必研制重型火箭;月面交会对接方案是发射两个航天器,分别着陆月球表面,一个专门携带返程燃料,另一个就是登月舱,在月面补加燃料后返回地球,但“阿波罗时代”航天器月面着陆精度误差高达公里级,故该方案可行性不高;环月轨道对接方案设计的登月组合体包括飞船和登月舱,两者在月球轨道上分离后,登月舱着陆登月,完成任务后,上升对接飞船,飞船再变轨返回地球。

不难看出,环月轨道对接方案中,飞船不用付出着陆月面和返回轨道的过大代价,最大限度地压缩了登月组合体的规模,有效降低了任务成本。

“阿波罗时代”该方案的风险不小,而随着载人航天和测控技术进步,这已不是难题。比如,美国“阿尔忒弥斯计划”最终要求飞船在环月轨道对接空间站,“阿尔忒弥斯-3”任务则计划让登月舱和飞船在环月轨道对接。

我国载人登月初步方案与“阿尔忒弥斯-3”任务相似,但不必专门研制重型火箭,从而做到了节约成本,高效利用技术进步,消除风险,更加稳健可靠。

轻巧紧凑,注重实用

载人航天有句经典的论述:造船为建站,建站为应用。同理,载人登月任务绝非“到此一游”“插旗就是胜利”。即使在冷战时期的“登月竞赛”中,“阿波罗计划”同样开展了大量科考活动,部署了一批实验装置,收获宝贵成果。

我国载人月球车示意图

随着航天工程越来越多地吸引社会资源投入,载人登月任务更加鲜明地体现出“探索月球和开发月球并重”,支持航天员在月面长期有效活动的登月航天服、载人月球车等都是必不可少的装备。在航天员登月前,我国还会先期开展无人登月飞行,随登月舱搭载科学载荷。

根据国外经验,登月航天服和普通舱外航天服存在一些区别,重要目的是克服大量微小月尘的消极影响。这些月尘带有电荷,极易黏附在物体上,曾让“阿波罗”航天员们不胜其扰。为此,我国开展了面向月尘防护的舱外航天服面料功能化修饰研究。

另外,由于任务有效载荷限制,登月航天服不能太重。“阿波罗计划”的登月航天服质量约82公斤,比同时代近地轨道任务航天服更轻,因此我国登月航天服同样要做好减重工作,与轻量化、一体化的登月舱形成完美搭配,共同保障航天员在月面的安全。

美国航天员在3次登月任务中各携带了1辆载人月球车,“月面飙车”影像也成为一代人的青春记忆。我国航天员开展长期远距离月面科考活动,载人月球车更是必不可少的。

据公开报道称,我国载人月球车依靠新材料、新能源、新结构等,实现了高度紧凑化,重约200公斤,可搭载两名航天员在10公里范围内开展采样和月面实验,具备精确定位能力,可以提供交通运输、通信保障等支持。

我国月面移动实验室示意图

未来,我国还有望发射不同舱段,组装成可以大范围运动的月面移动实验室,使其长期无人化自主活动,并支持航天员驻留,从而进一步高效利用月面原位资源,建造必要设施,扩展综合功能。

总之,我国载人登月初步方案虽然仅披露了“冰山一角”,但已充分体现了对务实和创新的综合权衡,总体设计是相当巧妙和高效的。

本文原载于《中国航天报·飞天科普周刊》7月22日一版

本文来自微信公众号:中国航天报(ID:wht_htb),作者:张雪松,编辑:高辰

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