中国探月“绕落回”完美收官 载人探月最大难关待解

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中国嫦娥五号返回器带着月球土壤样本成功返回,标志着中国探月工程“绕落回”三步走战略完美收官,下一步着手载人登月顺理成章。中国距离载人探月还有多远,还有那些步骤尚未走完,哪些技术难关尚待攻破?

从嫦娥一号到嫦娥五号中国探月进步神速(点击大图浏览):

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迄今仅美国在1969年实现载人登月,美国载人登月计划——“阿波罗计划”历程正是中国最好的参照。从1967年1月27日“阿波罗1号”到1969年7月16日“阿波罗11号”,美国在短短两年半时间里就实现了载人登月,可谓神速。

当然,在推行载人登月计划前,美国已经分别通过1964年“徘徊者6号”、1966年“勘测者1号”先后实现月球硬着陆与软着陆。与之相对应,中国直接绕过硬着陆,于2013年通过“嫦娥三号”实现软着陆。目前,日本、印度及欧洲空间局(ESA)等都处于硬着陆阶段,仅美国、前苏联、中国实现了月球软着陆,无论是无人还是载人登月必须掌握软着陆技术。

在“阿波罗11号”载人登月前,美国共进行了10次“阿波罗X号”实验。“阿波罗1号”原定于1967年2月21日发射,搭载宇航员在地球轨道停留14天,但在1月27日地面测试中发生火灾导致3名宇航员全部死亡,打乱了美国的节奏。因而,“阿波罗2号”、“阿波罗3号”仅进行地面测试,直到“阿波罗4号”才首次进行飞行试验,经历3次无人飞行试验后才于“阿波罗7号”进行载人飞行试验,经历4次载人试验后才于“阿波罗11号”实现载人登月。

“阿波罗2”地面测试了主发动机点火,检验了生命维持和控制系统的可靠性;“阿波罗3号”地面测试了“土星五号”火箭第三极;“阿波罗4号”在太空测试了“土星五号”火箭第三极,阿波罗飞船首次以接近月球返回轨道速度的速度返回地球大气层;“阿波罗5号”在太空测试了登月舱;“阿波罗6号”计划在太空测试指令舱再入系统模拟在极坏的条件下从月球回到地球,但因火箭发动机故障未实现;“阿波罗7号”首次载人发射,搭载3名宇航员在地球轨道进行测试;“阿波罗8号”即第二次载人飞行,就离开地球进入月球轨道绕月飞行;“阿波罗9号”在地球轨道测试了登月舱与指令和服务舱的分离与重新对接,以及登月舱降落部分与起飞部分的推进器;“阿波罗10号”首次将登月舱带到了绕月轨道,再从月球返回地球;“阿波罗11号”载人登月成功。

美国两年多就实现载人登月经验与教训值得借鉴(点击大图浏览):

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从“阿波罗计划”登月历程来看,美国最初出于美苏太空竞赛需要,试图在早已实现的载人航天技术基础上直接进行载人飞行测试以节省时间,在事故后不得不重归循序渐进。中国同样早已实现了载人航天,至今已经7次将11位宇航员送入太空,载人航天技术成熟,但鉴于载人登月毕竟属于新课题,必然要遵循从无人到载人、地面到太空、地球到月球的科学规律循序渐进,这也符合中国科研一贯“小步快走”的风格。

美国的登月历程大致可以分为,火箭测试、登月舱无人地球轨道测试、登月舱载人地球轨道测试、指令和服务舱载人月球轨道测试及返回、登月舱地球轨道载人分离与对接测试、登月舱及指令和服务舱载人月球轨道测试、载人登月等6个阶段,大致遵循了科学规律,但越过无人月球轨道测试直接载人月球轨道测试、越过登月舱无人登月直接载人登月,也是够大胆的。

此次“嫦娥五号”的成功,表明中国已经掌握无人登月与返回技术。理论上,将嫦娥五号放大再经历地面测试、无人太空测试、载人太空测试、无人绕月测试、载人绕月测试、无人登月测试后,就可以进行载人登月了,目前唯一困扰中国的还在于这一系列测试之前的火箭。

美国执行载人登月任务的“土星五号”火箭,是迄今人类制造的运载能力最强大的火箭。“土星五号”长110.6米、直径10.1米,重量高达3,090吨,可将高达140吨的航天器送入近地轨道、48.6吨的航天器送入地月转移轨道,可以直接将重达46.8吨的“阿波罗11号”送入地月转移轨道。

世界各国超级火箭:前苏联能源火箭、美国SpaceX猎鹰重型火箭、俄罗斯叶尼塞火箭、中国长征九号、美国空间发射系统1、前苏联N1火箭、美国土星五号、美国空间发射系统2、美国SpaceX星舰(从左至右)。中国载人登月有待“长征九号”火箭,美国则需要等待“空间发射系统”。(维基百科公有领域)

与之相对应,前苏联为载人登月研制N1火箭,使用前所未有的五级设计、共计多达44台火箭发动机试图“大力出奇迹”,但性能仍逊于美国“土星五号”火箭,仅能将95吨的航天器送入近地轨道、23.5吨的航天器送入地月转移轨道。然而,五级设计、44台发动机在使火箭运载能力大幅提升的同时,也使火箭的复杂性指数级上升,导致可靠性指数级下降,最终4次发射4次失败葬送了苏联载人登月。

中国目前运载能力最强的火箭为“长征五号”,高57米,直径5米,起飞重量约870吨,能够将32吨航天器送入近地轨道、14.4吨航天器送入地月转移轨道。嫦娥五号就是由“长征五号”直接送入地月转移轨道,而嫦娥五号重量不过8.2吨,不到“阿波罗11号”的五分之一。

中国要实现载人登月,重载火箭这一关必须过,没有任何取巧的余地。中国规划中的“长征九号”超重型火箭,高100米,直径9.5米,重约4,000吨,近地轨道运载能力200吨、地月转移轨道运载能力50吨,运载能力比肩“土星五号”,正适合载人探月,计划于2028年至2030年首飞。

美国目前运载能力最强的是太空探索技术公司(SpaceX)猎鹰重型运载火箭,其地月转移轨道载荷也不过26.7吨,同样远低于“土星五号”,因而美国再次载人登月也要寄希望于下一代重载火箭。美国国家航天局(NASA)为再次载人登月的“阿尔忒弥斯计划”研制了“空间发射系统”火箭,预计将于2021年首次发射。

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