载人航天，登月只是“中转站”
10月26日，神舟十七号载人飞船升空，运送3名航天员进入“天宫”。除在近地轨道活动外，中国航天员计划在2030年前登上月球。之前载人航天工程副总设计师杨利伟透露，载人登月可能作为“中转站”，将来中国航天员会到更深远的太空去探索。航天员为何要飞向深空？载人登月如何发挥“中转站”作用？广大航天人又需要突破和掌握哪些关键技术，以便帮助航天员克服困难呢？
一、近地轨道“打前站”
自美国阿波罗载人登月系列任务结束以来，各国载人航天任务长期被限制在近地轨道。即使如此，近地轨道载人航天任务的重要目标之一仍然是为深空载人飞行“打前站”。换句话说，在近地轨道上积累了足够的技术经验后，人类必然会飞向深空。
一方面，当前载人深空任务的首要目标是科学探索，尽管无人深空探测任务取得了诸多成就，但更加复杂精细、难度更大的任务仍希望得到专业航天员的帮助。在美国阿波罗登月系列任务中，地质学博士哈里森·施密特是不可或缺的科研专家。
美国阿波罗17号载人登月任务场景
在阿波罗17号登月任务中，他运用专业知识，收集了大量月球样品，其价值超过之前5次载人登月任务中获取的月球样品总和。而在更加遥远的火星等天体上，地面团队对任务作业环境更加陌生，高效筛选取样工作面临着更大的挑战，专家型航天员无疑能够发挥至关重要的作用。
另一方面，瞄准深空目标的航天器时刻承受着宇宙环境的严峻考验，在当前技术条件下，航天员近距离维护工作往往可以发挥奇效。
哈勃空间望远镜在发射后暴露镜片曲率偏差等问题，航天飞机多次运送航天员对其进行维护，解决了“近视眼”故障，还不断实施更新升级。随着人类的探索目光不断投向深空，飞出近地轨道的探测器越来越多。价值上百亿美元的韦伯空间望远镜等运行在宇宙空间中，还有多国的着陆器、月球车、火星车等“脚踏实地”开展工作。
事实上，深空探测器既要满足日益复杂的任务要求，又要克服更加严酷的环境条件，纯粹依靠自身维护，难度很大，几乎必然遭遇小事故。如果像航天时代早期那样轻易抛弃故障探测器，重新制造、发射，恐怕有关方面难以承受上涨的成本。因此，航天员及时伸出援手，定期提供航天器检修升级服务，有望收获事半功倍的成果。
更进一步，随着深空探测和载人航天技术不断进步，开发、利用地外资源的航天愿景已被多方提上日程，一系列官方或商业力量主导的计划初露端倪，航天员势必参与其中。至于科幻作品畅想的建设持续性地外人居设施，培养“太空人”“月球人”等，不仅是近百年来人类念念不忘的宏伟目标，更有望在本世纪内成为现实。
二、月球“中转”好处多
想要充分开发、利用太空资源，航天员乃至太空建设者未必总是从地球出发，追求看似便捷的“直达”旅程。未来，月球很有可能成为对他们至关重要的“中转站”。
根据各方研究和规划，月球的“中转站”作用主要体现在3个领域。
其一，开展月球资源原位利用。
在大众心中，月球是荒凉贫瘠的。其实，月球蕴藏的资源相当丰富。根据遥感探测和采样检测，月壤月岩含有大量氧化硅、氧化钙、氧化铝和氧化铁，还有硫、镓、铟等元素。月球极区潜藏的水冰资源更是引发了各方高度关注，未来航天员很可能尝试在月球表面制取液态水和液氢液氧推进剂，供应人类生活和航天器补加所需。
当然，月球极地的永久阴影区往往处于零下220摄氏度的酷寒中，现有机械设备难以运行，开采、利用水冰资源面临不少困难。有科学家提出了更有可行性的办法：航天员携带少量水登月，通过电解水，获取氢氧原料，氢再与月壤中的氧化铁等发生还原反应，重新生成水，从而维持氧气供给。
科幻电影中畅想的月球航天发射场
其二，显著提升航天发射效率。
有研究指出，一方面，相比几乎完全失重的空间站和“太空港”，月球表面存在重力，更符合人员的工作生活习惯；另一方面，月球引力仅有地球的1/6，引力半径约为地球的1/10，又不存在空气阻力，因此有望显著降低航天发射难度。经初步计算，相比地球，从月球发射航天器到地月引力平衡点所需的能量和成本差距达到3个数量级。采用特殊设计后，航天器的强度和质量也有望显著降低。可以说，月球是未来人类理想的航天发射场。
其三，助力“太空超级工程”。
长期以来，人类畅想了一系列“太空超级工程”，比如发电潜力巨大的空间太阳能电站、容纳大量人口定居的太空城市等。不过，受限于航天发射能力、综合成本、能源转化效率等，这些设想迟迟无法成真。
如果把“太空超级工程”的建设和发射基地放到月球上，情况很可能大不一样。月球蕴藏矿产资源丰富，科研人员已在尝试利用模拟月壤3D打印制造建筑材料、太阳能电池板、超导设备等，加上月球发射基地的先天性优势，“太空超级工程”似乎更适合从月球取材。这种美好前景很可能促使各方进一步加大探测、开发月球的投入，形成良性循环，支持更遥远的深空探索活动。
三、“拦路虎”不可小视
尽管载人深空探索存在可观需求和光明前景，但仍有一系列“拦路虎”等待着航天人去战胜，从而为大规模科学探索和开发活动奠定基础。
首要的“拦路虎”恐怕是速度。根据齐奥尔科夫斯基公式，对于同一枚火箭来讲，火箭和航天器所需达到的末速度越高，有效运力越低。比如，火箭奔向月球所需速度远远高于进入近地轨道，因此地月转移轨道运力仅有近地轨道运力的一小部分。在落月任务中，航天器进入月球轨道后，近月制动等会消耗大量推进剂，削弱有效运力。最终，近地轨道运力118吨的美国土星5号火箭仅向月面投送了不足7吨的登月舱。
载人航天器飞往遥远深空想象图
载人深空任务促进了重型火箭研发，为此付出了很大的时间和经济成本，但应用范围狭窄，不利于充分吸引社会力量参与。随着技术进步，一度被抛弃的多台中小推力发动机并联、多枚芯级捆绑的火箭设计方案重新受到青睐，有望显著降低综合成本，应用于更多类型的发射任务。至于核热推进、核电推进等新概念动力方案，随着基础技术和工程方法获得突破，在不远的未来有望实用化。
解决了运力问题后，载人深空探索还会面临健康生存方面的“拦路虎”。由于飞行时间长，航天器需要携带更多的空气、水和食物等，提供更大的人员活动空间和工作更长时间的生命维持系统。有研究表明，持续飞行7天，单人适居性空间只需5.19立方米，而持续飞行半年，单人适居性空间会增加到26.85立方米。深空载人航天器的体积、质量必然大增，对动力和运力提出了更高的要求。
目前航天器的动力和速度意味着，除了载人登月外，载人深空探索往往要持续飞行数百天，必须增加深空居住舱，且防护辐射性能更强，保障航天员健康和电子设备正常运行。航天员的心理情绪隐患、深空通信等问题也需要进一步研究。
航天员想要登陆外星球，专门的着陆器必不可少。作为“初级”载人深空探索，在载人登月任务中，着陆器主要做好精确反推减速工作。在火星着陆期间，航天器不仅减速幅度更剧烈，还要处置大气层中高速摩擦生热、减速伞“力不从心”等问题。至于小行星着陆任务，更复杂微妙的引力场、地质条件等都是影响成败的关键因素。
当航天器从深空返回地球时，再入大气层的速度显著超过近地轨道返回，因此再入控制、热防护等必须满足更苛刻的指标。
总之，载人深空任务全流程普遍存在技术不成熟之处，有待攻关和验证。拿载人登月充分“练手”，以月球为飞向更遥远深空的“中转站”，很可能是航天人最高效的选择。
本文原载于《中国航天报·飞天科普周刊》
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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