載人航天，登月只是“中轉(zhuǎn)站”

10月26日，神舟十七號載人飛船升空，運送3名航天員進(jìn)入“天宮”。除在近地軌道活動外，中國航天員計劃在2030年前登上月球。之前載人航天工程副總設(shè)計師楊利偉透露，載人登月可能作為將來中國航天員到達(dá)更深遠(yuǎn)的太空去探索的“中轉(zhuǎn)站”。航天員為何要飛向深空？載人登月如何發(fā)揮“中轉(zhuǎn)站”作用？廣大航天人又需要突破和掌握哪些關(guān)鍵技術(shù)，以便幫助航天員克服困難呢？

近地軌道“打前站”

自美國阿波羅載人登月系列任務(wù)結(jié)束以來，各國載人航天任務(wù)長期僅局限被限制在近地軌道。但這些即使如此，近地軌道載人航天任務(wù)的重要目標(biāo)之一仍然是為深空載人飛行“打前站”。換句話說，在近地軌道上積累了足夠的技術(shù)經(jīng)驗后，人類必然會飛向深空。

一方面，當(dāng)前載人深空任務(wù)的首要目標(biāo)是科學(xué)探索，盡管無人深空探測任務(wù)取得了諸多成就，但更加復(fù)雜精細(xì)、難度更大的任務(wù)仍希望得到專業(yè)航天員的幫助。

在美國阿波羅登月系列任務(wù)中，地質(zhì)學(xué)博士哈里森·施密特是不可或缺的科研專家。在阿波羅17號登月任務(wù)中，他運用專業(yè)知識，收集了大量月球樣品，其價值超過之前5次載人登月任務(wù)中獲取的月球樣品總和。而在更加遙遠(yuǎn)的火星等天體上，地面團(tuán)隊對任務(wù)作業(yè)環(huán)境更加陌生，高效篩選取樣工作面臨著更大的挑戰(zhàn)，專家型航天員無疑能夠發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

另一方面，瞄準(zhǔn)深空目標(biāo)的航天器時刻承受著宇宙環(huán)境的嚴(yán)峻考驗，在當(dāng)前技術(shù)條件下，航天員近距離維護(hù)工作往往可以發(fā)揮奇效。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在發(fā)射后暴露鏡片曲率偏差等問題，航天飛機(jī)多次運送航天員對其進(jìn)行維護(hù)，解決了“近視眼”故障，還不斷實施更新升級。隨著人類的探索目光不斷投向深空，飛出近地軌道的探測器越來越多。價值上百億美元的韋伯空間望遠(yuǎn)鏡等運行在宇宙空間中，還有多國的著陸器、月球車、火星車等“腳踏實地”開展工作。

事實上，深空探測器既要滿足日益復(fù)雜的任務(wù)要求，又要克服更加嚴(yán)酷的環(huán)境條件，純粹依靠自身維護(hù)，難度很大，幾乎必然遭遇小事故。如果像航天時代早期那樣輕易拋棄故障探測器，重新制造、發(fā)射，恐怕有關(guān)方面難以承受上漲的成本。因此，航天員及時伸出援手，定期提供航天器檢修升級服務(wù)，有望收獲事半功倍的成果。

更進(jìn)一步，隨著深空探測和載人航天技術(shù)不斷進(jìn)步，開發(fā)、利用地外資源的航天愿景已被多方提上日程，一系列官方或商業(yè)力量主導(dǎo)的計劃初露端倪，航天員勢必參與其中。至于科幻作品暢想的建設(shè)持續(xù)性地外人居設(shè)施，培養(yǎng)“太空人”“月球人”等，不僅是近百年來人類念念不忘的宏偉目標(biāo)，更有望在本世紀(jì)內(nèi)成為現(xiàn)實。

月球“中轉(zhuǎn)”好處多

想要充分開發(fā)、利用太空資源，航天員乃至太空建設(shè)者未必總是從地球出發(fā)，追求看似便捷的“直達(dá)”旅程。未來，月球很有可能成為對他們至關(guān)重要的“中轉(zhuǎn)站”。

根據(jù)各方研究和規(guī)劃，月球的“中轉(zhuǎn)站”作用主要體現(xiàn)在三個領(lǐng)域。

其一，開展月球資源原位利用。

在大眾心中，月球是荒涼貧瘠的。其實，月球蘊藏的資源相當(dāng)豐富。根據(jù)遙感探測和采樣檢測，月壤月巖含有大量氧化硅、氧化鈣、氧化鋁和氧化鐵，還有硫、鎵、銦等元素。月球極區(qū)潛藏的水冰資源更是引發(fā)了各方高度關(guān)注，未來航天員很可能嘗試在月球表面制取液態(tài)水和液氫液氧推進(jìn)劑，供應(yīng)人類生活和航天器補(bǔ)加所需。

當(dāng)然，月球極地的永久陰影區(qū)往往處于-220℃的酷寒中，現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備難以運行，開采、利用水冰資源面臨不少困難。有科學(xué)家提出了更有可行性的辦法：航天員攜帶少量水登月，通過電解水，獲取氫氧原料，氫再與月壤中的氧化鐵等發(fā)生還原反應(yīng)，重新生成水，從而維持氧氣供給。

其二，顯著提升航天發(fā)射效率。

有研究指出，一方面，相比幾乎完全失重的空間站和“太空港”，月球表面存在重力，更符合人員的工作生活習(xí)慣；另一方面，月球引力僅有地球的1/6，引力半徑約為地球的1/10，又不存在空氣阻力，因此有望顯著降低航天發(fā)射難度。經(jīng)初步計算，相比地球，從月球發(fā)射航天器到地月引力平衡點所需的能量和成本差距達(dá)到3個數(shù)量級。采用特殊設(shè)計后，航天器的強(qiáng)度和質(zhì)量也有望顯著降低。可以說，月球是未來人類理想的航天發(fā)射場。

其三，助力“太空超級工程”。

長期以來，人類暢想了一系列“太空超級工程”，比如發(fā)電潛力巨大的空間太陽能電站、容納大量人口定居的太空城市等。不過，受限于航天發(fā)射能力、綜合成本、能源轉(zhuǎn)化效率等，這些設(shè)想遲遲無法成真。

如果把“太空超級工程”的建設(shè)和發(fā)射基地放到月球上，情況很可能大不一樣。月球蘊藏礦產(chǎn)資源豐富，科研人員已在嘗試?yán)媚M月壤3D打印制造建筑材料、太陽能電池板、超導(dǎo)設(shè)備等，加上月球發(fā)射基地的先天性優(yōu)勢，“太空超級工程”似乎更適合從月球取材。這種美好前景很可能促使各方進(jìn)一步加大探測、開發(fā)月球的投入，形成良性循環(huán)，支持更遙遠(yuǎn)的深空探索活動。

“攔路虎”不可小視

盡管載人深空探索存在可觀需求和光明前景，但仍有一系列“攔路虎”等待著航天人去戰(zhàn)勝，從而為大規(guī)?？茖W(xué)探索和開發(fā)活動奠定基礎(chǔ)。

首要的“攔路虎”恐怕是速度。根據(jù)齊奧爾科夫斯基公式，對于同一枚火箭來講，火箭和航天器所需達(dá)到的末速度越高，有效運力越低。比如，火箭奔向月球所需速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于進(jìn)入近地軌道，因此地月轉(zhuǎn)移軌道運力僅有近地軌道運力的一小部分。在落月任務(wù)中，航天器進(jìn)入月球軌道后，近月制動等會消耗大量推進(jìn)劑，削弱有效運力。最終，近地軌道運力118t的美國土星5號火箭僅向月面投送了不足7t的登月艙。

載人深空任務(wù)促進(jìn)了重型火箭研發(fā)，為此付出了很大的時間和經(jīng)濟(jì)成本，而且應(yīng)用范圍狹窄，不利于充分吸引社會力量參與。隨著技術(shù)進(jìn)步，一度被拋棄的多臺中小推力發(fā)動機(jī)并聯(lián)、多枚芯級捆綁的火箭設(shè)計方案重新受到青睞，有望顯著降低綜合成本，應(yīng)用于更多類型的發(fā)射任務(wù)。至于核熱推進(jìn)、核電推進(jìn)等新概念動力方案，隨著基礎(chǔ)技術(shù)和工程方法獲得突破，在不遠(yuǎn)的未來有望實用化。

解決了運力問題后，載人深空探索還會面臨健康生存方面的“攔路虎”。由于飛行時間長，航天器需要攜帶更多的空氣、水和食物等，提供更大的人員活動空間和工作更長時間的生命維持系統(tǒng)。有研究表明，持續(xù)飛行7天，單人適居性空間只需5.19m3，而持續(xù)飛行半年，單人適居性空間會增加到26.85m3。深空載人航天器的體積、質(zhì)量必然大增，對動力和運力提出了更高的要求。

目前航天器的動力和速度意味著，除了載人登月外，載人深空探索往往要持續(xù)飛行數(shù)百天，必須增加深空居住艙，且防護(hù)輻射性能更強(qiáng)，保障航天員健康和電子設(shè)備正常運行。航天員的心理情緒隱患、深空通信等問題也需要進(jìn)一步研究。

航天員想要登陸外星球，專門的著陸器必不可少。作為“初級”載人深空探索，在載人登月任務(wù)中，著陸器主要做好精確反推減速工作。在火星著陸期間，航天器不僅減速幅度更劇烈，還要處置大氣層中高速摩擦生熱、減速傘“力不從心”等問題。至于小行星著陸任務(wù)，更復(fù)雜微妙的引力場、地質(zhì)條件等都是影響成敗的關(guān)鍵因素。

當(dāng)航天器從深空返回地球時，再入大氣層的速度顯著超過近地軌道返回，因此再入控制、熱防護(hù)等必須滿足更苛刻的指標(biāo)。

總之，載人深空任務(wù)全流程普遍存在技術(shù)不成熟之處，有待攻關(guān)和驗證。拿載人登月充分“練手”，以月球為飛向更遙遠(yuǎn)深空的“中轉(zhuǎn)站”，很可能是航天人最高效的選擇。

圖文來源：中國航天報