我國載人登月初步方案：高性價比與可持續(xù)性

文/張雪松

7 月12 日，載人航天工程副總設(shè)計師張海聯(lián)介紹了我國載人登月初步方案：采用兩枚運載火箭，分別發(fā)射月面著陸器和載人飛船，在環(huán)月軌道進行交會對接。目前，科研人員正在研制長征十號火箭、新一代載人飛船、月面著陸器和月球車等關(guān)鍵裝備。那么我國載人登月任務(wù)為何要分兩次發(fā)射？選擇環(huán)月軌道交會對接，有何考量？未來，將有哪些服務(wù)于我國航天員的月面裝備有望公開亮相呢？

▲ 中國航天員登月想象圖

立足現(xiàn)實 性價比高

截至目前，“阿波羅計劃”是唯一成功的載人登月計劃，由1 枚土星5號重型火箭發(fā)射載人飛船和登月艙。同時代，蘇聯(lián)研制了N1 重型火箭，計劃發(fā)射7K-LOK 月軌模塊和LK 登月艙，同樣選擇了由重型火箭一次性發(fā)射的方案。而我國規(guī)劃的載人登月任務(wù)分兩次發(fā)射執(zhí)行，體現(xiàn)了對于力求任務(wù)成功與降低潛在風(fēng)險的權(quán)衡。

在美蘇論證載人登月之初，航天器交會對接技術(shù)還不成熟，快速發(fā)射兩枚甚至多枚火箭也有一定難度，如果分別發(fā)射月球著陸器和載人飛船，實施在軌對接，技術(shù)風(fēng)險很大。為了降低風(fēng)險，提高任務(wù)成功率，最簡單也是最實用的辦法就是研制運力驚人的重型火箭，將登月艙和載人飛船一次性送去月球。

然而，當前情況有所不同。一方面，新一代重型火箭研制難度大，耗費時間長，綜合成本極高。比如，美國SLS 重型火箭耗費了10 多年時間、上百億美元，至今卻仍在使用過渡型號上面級。另一方面，航天器交會對接技術(shù)已經(jīng)非常成熟可靠。綜合衡量后，使用運力足夠、研制費用更低的火箭分別發(fā)射載人飛船和登月艙，在軌交會對接，反而是可行且合理的選擇。

其實，國外航天界“幫助”中國設(shè)想過更激進的載人登月方案。例如，美國宇航局前局長邁克爾·格里芬曾表示，中國使用4 枚長征五號火箭，分別發(fā)射登月艙和飛船，有望很快實現(xiàn)載人登月。

我國當然不會采用這種“勉強”的方案，而是積極利用新技術(shù)成果，降低風(fēng)險。據(jù)公開資料顯示，我國正在研制長征十號火箭，其芯級直徑為5 米級，并聯(lián)安裝了7 臺液氧煤油發(fā)動機，又捆綁了兩個芯級作為助推器，第二級使用2 臺液氧煤油發(fā)動機，第三級使用3 臺液氧液氫發(fā)動機，各級均采用共底儲箱，降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

▲ 長征十號火箭主發(fā)動機正在加緊研發(fā)

據(jù)央視報道，依靠推力提升和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，長征十號火箭的起飛質(zhì)量約為2187 噸，預(yù)計地月轉(zhuǎn)移軌道運力會從長征五號火箭的8.2 噸提高到27 噸左右。這個指標與現(xiàn)役SLS 重型火箭初期型相當，足以發(fā)射大型載人飛船和登月艙，為執(zhí)行兩次發(fā)射的載人登月方案奠定了堅實的基礎(chǔ)。

考慮到長征十號火箭的研制耗費遠遠低于美國幾款重型火箭，我國載人登月方案無疑將具備更出色的性價比和可持續(xù)性。

巧選軌道 穩(wěn)中求新

我國載人登月初步方案的另一個亮點是雙重環(huán)月軌道對接。長征十號火箭分別發(fā)射登月艙和載人飛船后，它們各自獨立飛向月球，在環(huán)月軌道上交會對接。接下來，航天員從飛船進入登月艙，隨登月艙下降，安全著陸月球，開展科考活動。完成既定任務(wù)后，航天員乘坐登月艙起飛，返回環(huán)月軌道，再次和飛船對接后，轉(zhuǎn)移進入飛船并返回地球。

▲ 長征十號火箭、登月艙、新一代載人飛船模型

環(huán)月軌道對接是半個世紀前的美蘇“登月競賽”選中的高效可靠方案。不過，我國的環(huán)月軌道對接方案既借鑒了“阿波羅”環(huán)月軌道對接設(shè)計，又有很大的創(chuàng)新，與美國“阿爾忒彌斯計劃”部分登月方案不謀而合。

事實上，美國“阿波羅計劃”曾對比研究直接上升式、地球軌道交會對接、月球表面交會、環(huán)月軌道對接等多種方案，最終選定環(huán)月軌道對接方案。

具體來說，直接上升式方案要求整個登月艙著陸月球表面，完成任務(wù)后，上升器從月面直接上升返回地球，這對火箭運力的要求太高；地球軌道交會對接方案需用多枚火箭發(fā)射登月艙，其各部分在地球軌道上完成組裝后，采用類似直接上升式方案，從而不必研制重型火箭；月面交會對接方案是發(fā)射兩個航天器，分別著陸月球表面，一個專門攜帶返程燃料，另一個就是登月艙，在月面補加燃料后返回地球，但“阿波羅時代”航天器月面著陸精度誤差高達千米級，故該方案可行性不高；環(huán)月軌道對接方案設(shè)計的登月組合體包括飛船和登月艙，兩者在月球軌道上分離后，登月艙著陸登月，完成任務(wù)后，上升對接飛船，飛船再變軌返回地球。

不難看出，環(huán)月軌道對接方案中，飛船不用付出著陸月面和返回軌道的過大代價，最大限度地壓縮了登月組合體的規(guī)模，有效降低了任務(wù)成本。

“阿波羅時代”該方案的風(fēng)險不小，而隨著載人航天和測控技術(shù)進步，這已不是難題。比如，美國“阿爾忒彌斯計劃”最終要求飛船在環(huán)月軌道對接空間站，“阿爾忒彌斯-3”任務(wù)則計劃讓登月艙和飛船在環(huán)月軌道對接。

我國載人登月初步方案與“阿爾忒彌斯-3”任務(wù)相似，但不必專門研制重型火箭，從而做到了節(jié)約成本，高效利用技術(shù)進步，消除風(fēng)險，更加穩(wěn)健可靠。

輕巧緊湊 注重實用

載人航天有句經(jīng)典的論述：造船為建站，建站為應(yīng)用。同理，載人登月任務(wù)絕非“到此一游”“插旗就是勝利”。即使在冷戰(zhàn)時期的“登月競賽”中，“阿波羅計劃”同樣開展了大量科考活動，部署了一批實驗裝置，收獲寶貴成果。

隨著航天工程越來越多地吸引社會資源投入，載人登月任務(wù)更加鮮明地體現(xiàn)出“探索月球和開發(fā)月球并重”，支持航天員月面長期有效活動的登月航天服、載人月球車等都是必不可少的裝備。在航天員登月前，我國還會先期開展無人登月飛行，隨登月艙搭載科學(xué)載荷。

根據(jù)國外經(jīng)驗，登月航天服和普通艙外航天服存在一些區(qū)別，重要目的是克服大量微小月塵的消極影響。這些月塵帶有電荷，極易黏附在物體上，曾讓“阿波羅”航天員們不勝其擾。為此，我國開展了面向月塵防護的艙外航天服面料功能化修飾研究。

另外，由于任務(wù)有效載荷限制，登月航天服不能太重?！鞍⒉_計劃”的登月航天服質(zhì)量約82 千克，比同時代近地軌道任務(wù)航天服更輕，因此我國登月航天服同樣要做好減重工作，與輕量化、一體化的登月艙形成完美搭配，共同保障航天員月面安全。

美國航天員在3 次登月任務(wù)中各攜帶了1 輛載人月球車，“月面飆車”影像也成為一代人的青春記憶。我國航天員開展長期遠距離月面科考活動，載人月球車更是必不可少的。

▲ 中國載人月球車示意圖

據(jù)公開報道稱，我國載人月球車依靠新材料、新能源、新結(jié)構(gòu)等，實現(xiàn)了高度緊湊化，重約200 千克，可搭載兩名航天員在10 千米范圍內(nèi)開展采樣和月面實驗，具備精確定位能力，可以提供交通運輸、通信保障等支持。

未來，我國還有望發(fā)射不同艙段，組裝成可以大范圍運動的月面移動實驗室，使其長期無人化自主活動，并支持航天員駐留，從而進一步高效利用月面原位資源，建造必要設(shè)施，擴展綜合功能。

總之，我國載人登月初步方案雖然僅披露了“冰山一角”，但已充分體現(xiàn)了對務(wù)實和創(chuàng)新的綜合權(quán)衡，總體設(shè)計是相當巧妙和高效的。

▲ 中國月面移動實驗室示意圖