中國載人登月發展穩步推進,這些關鍵技術已獲突破

京港台:2023-6-7 19:51| 來源:澎湃新聞 | 評論( 14 )  | 我來說幾句

中國載人登月發展穩步推進,這些關鍵技術已獲突破

來源:倍可親(backchina.com)

  近日,航天科技集團六院研製的中國載人登月火箭主力發動機——130噸級泵后擺液氧煤油發動機完成上試車台後的第六次試車,發動機累計試車時長達到3300秒,工作時長超10餘倍任務時間,驗證了發動機工作可靠性的同時,再次創造中國百噸級發動機單台試車新紀錄。

  之前,神舟十六號載人飛行任務新聞發布會上,中國載人航天工程辦公室副主任林西強表示,中國載人月球探測工程登月階段任務已啟動實施,計劃在2030年前實現中國人首次登陸月球。載人登月即使在今天也有巨大的難度,中國完成這樣一項空前的航天偉業需要突破和掌握哪些關鍵的核心技術呢?

  

  

  

  珠海航展上展示的長征十號火箭模型。

  載人登月也要「三步走」

  中國載人登月計劃的論證由來已久。早在本世紀初嫦娥無人探月工程論證階段,以首任探月工程總指揮欒恩傑為首的科學家們就大膽地提出了「繞落回」和「探登駐」兩個三步走戰略規劃。「繞落回」指的是環繞月球、著陸月球和月球取樣返回的無人探測任務,2020年底嫦娥五號取樣返回探測器成功攜帶月球樣品返回地球,宣告著「繞落回」三步走規劃的圓滿完成。嫦娥五號探測器取回了1731克月球樣本,遠遠超過了蘇聯三次無人取樣返回任務取回樣本質量的總和,其奧妙就在於嫦娥五號是一種由軌道器、著陸器、上升器和返回器組成的複雜航天器,還使用了獨特的環月交會對接方案,從任務流程圖上看,嫦娥五號任務幾乎就是一次無人迷你版阿波羅任務。

  嫦娥探月工程通過「繞、落、回」的無人探測,尤其是嫦娥五號取樣返回探測器的研製和成功,為中國載人登月計劃在技術上奠定了堅實的基礎。從某種意義上說,載人登月可以看作放大版的嫦娥五號任務,而且嫦娥五號的相關技術也廣泛應用到載人登月計劃,比如嫦娥五號的7500牛變推力主發動機YF-36也是載人月面著陸器的主發動機。隨著「小三步走」戰略規劃的完成,「大三步走」即「探、登、駐」也自然而然地邁向了第二步:載人登月計劃。中國載人航天工程辦公室主任助理季啟明近日接受媒體採訪時表示:中國載人登月計劃,未來七年將分三步走,實現在2030年前中國航天員登陸月球的目標。目前中國已經完成了登月任務相關飛行器的關鍵技術攻關和方案研製,並完成了登月總體方案的論證。

  

  嫦娥探月工程一步一個腳印,為中國載人登月計劃在技術上奠定了堅實的基礎。

  根據載人航天工程辦公室的介紹,未來7年中國將分三個階段實現載人登月的目標:第一階段要完成關鍵子系統的研製和建設任務,包括完成新一代載人運載火箭、新一代載人飛船、月面著陸器以及登月服和載人月球車等飛行產品的研製,在文昌航天發射場建設長征十號火箭的總裝發射設施,並完成測控通信著陸場等相關地面設備設施的建設;第二階段將使用新一代載人運載火箭、新一代載人飛船和月面著陸器進行無人飛行驗證階段,通過實際飛行驗證關鍵分系統的可靠性和總體方案的可行性;如果第二階段任務一切順利,隨後中國載人登月計劃將進入到第三階段,也就是實施真正的載人登月飛行,在2030年前實現中國航天員登上月球的世紀夢想。

  2030年前實現載人登月並非中國載人月球工程的全部,這只是載人月球探測工程登月階段的任務而已。未來中國還將實現月球工程大三步走戰略的最後一步「駐月」,即在突破掌握載人登月關鍵技術,完成載人登月目標的基礎上,建設以中國為主的、人機聯合探測的國際月球研究站(ILRS),形成獨立自主的載人月球探測能力,更遙遠的未來中國將實現月面長期駐留生活和月球資源的開發利用。

  

  嫦娥工程下一步無人探測的目標是建立月球科研站。

  登月關鍵技術逐步被突破

  林西強副主任在神舟十六號任務發布會上還表示,中國將開展月球科學考察及相關技術試驗,突破掌握載人地月往返、月面短期駐留、人機聯合探測等關鍵技術,完成「登、巡、采、研、回」等多重任務,形成獨立自主的載人月球探測能力。

  針對載人登月這一宏偉目標,中國載人航天工程辦公室在前期關鍵技術攻關及方案論證的基礎上,已經全面啟動各項研製和建設工作,包括研製新一代載人運載火箭(長征十號)、新一代載人飛船、月面著陸器和登月服等飛行產品,以及新建發射場和相關測試發射設施設備等工作。

  1、 長征十號火箭

  運載火箭的能力有多大,航天的舞台就有多大。為了完成中國載人登月任務,必須掌握超大型運載火箭技術,中國正在研製新一代載人運載火箭,它是一種兼顧載人和貨運任務的超大型運載火箭,於2018年的第12屆珠海航展上首次正式公開亮相,後來被正式命名為長征十號火箭。

  長征十號火箭已經正式立項,它的總體方案為5米芯一級並聯7台YF-100K發動機,第一級3個芯級並聯裝有21台發動機,第二級兩台高空型YF-100K發動機的方案,為了支持載人登月任務,第三級將使用三台YF-75D液氧液氫發動機,提供足夠的速度增量。

  長征十號火箭的近地軌道(LEO)運載能力可達70噸,奔月軌道(LTO)運載能力27噸,運力和美國SLS Block1火箭相當,它是中國載人登月的基石。中國載人登月的任務規模和美國阿波羅載人登月任務也大致相當,根據目前的方案規劃,一次載人登月任務將發射兩枚長征十號火箭,分別將載人飛船和月面登陸器送入奔月軌道,環月軌道對接後進行登月。長征十號火箭繼承了長征五號火箭的5米直徑箭體,以及YF-75D發動機和YF-100發動機發展而來的泵后擺YF-100K發動機,通過類似「獵鷹重型」火箭的芯級並聯方式,實現了LEO70噸級/LTO27噸級的運載能力,其總體方案合理,技術成熟度高,各項研製工作正在有序快速推進中,火箭計劃在2027年前後進行首飛。

  

  長征十號火箭的第一級3個芯級並聯裝有21台發動機。

  2、新一代載人飛船

  中國剛剛發射了神舟十六號載人飛船,神舟飛船的可靠性和穩定性毋庸置疑,不過對於載人登月來說,神舟飛船就力不從心了,尤其是服務艙提供的機動變軌能力太弱。載人登月需要突破掌握載人地月往返技術,除了研製新一代載人運載火箭,還需要研製滿足登月需求的新一代載人飛船。

  根據官方消息,新一代載人飛船是面向中國載人航天未來發展需求研製的新一代載人天地往返運輸飛行器。新一代載人飛船放棄了神舟飛船的三艙構型,採用更簡單的返回艙加服務艙兩艙構型,飛船全長約9米,最大發射重量約25噸,其中錐形返回艙重量約7噸,根據估算服務艙能提供2200米/秒以上的速度增量,滿足獨立進出環月軌道的變軌機動需求。新一代載人飛船充分繼承了神舟飛船已有的技術基礎,又在飛船結構、推進、回收、能源、熱控、電子等方面應用了大量先進技術,使飛船具備可重複使用能力,也有更好的人機交互界面和更大的艙內活動空間,乘組人員提高到4~7人。

  新一代載人飛船繼承成熟可靠的神舟飛船技術,又應用了大量新技術,整體設計上實現了高可靠性和高安全性,又通過重複使用實現了低成本。新一代載人飛船還採用模塊化設計,統一的返回艙搭配不同的服務艙模塊,提供相應的變軌機動能力,適應近地軌道飛行任務、載人月球探測任務,以及更遙遠的載人小行星或火星探測等多種類型的載人飛行任務,是名副其實的多用途載人飛船。

  

  新一代載人飛船的試驗船已經發射成功。

  3、地面支持系統

  中國實施載人登月計劃不僅需要新一代運載火箭和載人飛船,發射新一代火箭的地面發射場,以及支持載人登月的測控、通信和著陸場等設施也必不可少。

  中國即將在海南文昌發射場大興土木,為長征十號火箭建造新的總裝大樓和發射工位,以及配套的轉運發射平台。長征五號火箭總長約57米,發射重量約880噸,已經是一個龐然大物,而新一代長征十號火箭載人運載火箭總長約89米,發射重量超過2200噸,起飛推力約2700噸,火箭總體規模是長征五號的兩倍以上,現有發射長征五號的地面發射設施無法直接用於發射長征十號火箭,必須新建性能更強大的發射工位等配套設施,新一代載人運載火箭還將使用新三垂測發模式,簡化發射場和發射區的支持工作設施,具備快速發射能力,滿足未來載人登月任務中快速發射兩枚長征十號火箭的需求。

  載人登月工程配套的地面設施除了新的發射工位,還要為登月任務更新或新建完善的測控通信網。自2004年正式實施嫦娥探月工程以來,中國深空測控系統從無到有,有力的支持了探月工程「繞落回」三步走的順利實施,並為首次火星探測任務作出重要貢獻。未來隨著探月工程四期、小行星探測以及載人登月任務的實施,中國深空測控系統還將進一步發展壯大,現有三個深空站新建大型測控天線,更新後端設備,完善陣列接收能力,以及應用諸如激光通信等大容量通信技術,保障未來載人登月任務的順利實施和圓滿完成。

  

  月面著陸器是往返於月球表面和月球軌道的運輸工具。

  4、月面著陸器

  載人登月工程任務中,火箭飛船固然必不可少,但關鍵一步還是載人落月和返回,這就需要研製載人月面著陸器。今年2月24日舉辦的中國載人航天工程三十年成就展上,載人航天工程辦公室首次展出了月面著陸器模型,為我們展示了著陸器的設計方案。

  月面著陸器是往返於月球表面和月球軌道的運輸工具。美國阿波羅計劃的著陸器是一種包含下降級和上升級的二級結構,而中國的月面著陸器採用獨特的推進艙加登月艙的總體方案。綜合央視等媒體報道,中國載人登月著陸器推進艙主動力為一台80千牛推力的變推力液氧煤油發動機,這是一種具備多次啟動能力和深度節流能力的高壓補燃發動機,據稱真空比沖340秒到360秒,具備推力節流到10%的深度節流能力。推進艙將負責地月之間的軌道修正,執行近月制動減速,還覆蓋了大部分下降段飛行,承擔著陸過程所需的絕大部分減速任務。推進艙燃料耗盡後分離,登月艙完成最後階段的著陸,並負責後續月面起飛到環月對接的飛行任務。

  中國月面著陸器方案和美國阿波羅計劃以及新世紀的阿爾忒彌斯計劃的著陸器都不同,與蘇聯載人登月著陸器方案非常相似。蘇聯N1火箭Block D上面級負責地月軌道修正、近月制動和大部分下降段飛行,而LK著陸器負責最後4千米高度的降落和上升返回月球軌道。雖然蘇聯N1-L3登月計劃失敗了,但這種著陸器方案相當緊湊,能最大限度利用火箭的運載能力,還有利於後續實現復用。中國選擇這種總體方案有利於降低技術風險,多快好省地完成登月。

  

  月球車可擴展航天員在月面的活動範圍。

  5、航天服和月球車

  我們中國人的載人登月計劃中,航天員登上月球還要開展人機聯合探測任務,進行較為複雜的月球科考,對航天員的月面活動能力提出了很高的要求,而月球苛刻的自然環境,需要為此研製專門的配套設備,尤其是登月航天服和月球漫遊車。

  月球表面只是低重力,重力加速度為地面的約1/6,而中國空間站上使用的飛天二代艙外航天服,重量約100千克,如果直接用於登月就太重了。另外月球表面溫度高溫差大,還有極易吸附上來的月塵,對航天員和各種設備威脅很大,而鋒利的岩石也容易划傷航天服。為了應對苛刻的月面環境,載人登月需要研製專門的航天服,需要具備更輕的重量,以及更好的移動靈活性,並做好防塵設計,避免吸入月塵污染生命支持系統。

  美國阿波羅計劃6次登月,只有最後3次才帶上了月球車,為了最大限度降低發射質量和佔用空間,阿波羅的月球車是一種摺疊式的兩座四輪電動車,重量只有約210千克,為了適應月面嚴峻的地形和極端的溫度,輪胎還使用手工編織的鋼絲網。載人航天工程三十年成就展上,中國月面著陸器也將攜帶了四輪月球車,根據載人航天工程辦公室招標信息,2030年前中國首次登月中,兩名航天員就將駕駛月球車開展科考活動,它將具備載人駕乘、月面移動、定位支持、安全輔助等功能,為航天員提供移動、通信、探測輔助等保障支持。

  有趣的是,根據2024財年NASA預算申請報告,美國直到阿爾忒彌斯V任務中,才會將一輛LTV月球車送上月球。阿爾忒彌斯V任務最順利也要等到2029年9月,而中國首次登月預定在2030年前,屆時中美月球車誰先登月,還真不好說。

  結語

  中國在前期充分的方案論證和技術預研的基礎上已啟動了載人登月任務,預定在2030年前首次登陸月球。載人登月建設地面支持系統,掌握大運力運載火箭、載人登月飛船、載人月面著陸器到月面支持設備等諸多關鍵技術,目前這些相關子系統的研製工作已經全面展開推進。如果一切順利的話,2030年前我們將看到中國人首次踏上月球表面,實現中國人的千年登月夢。

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