征服月球的壯舉：我國(guó)載人登月面臨的4大挑戰(zhàn)與技術(shù)突破

我國(guó)已經(jīng)公布2030年前實(shí)現(xiàn)首次載人登月的目標(biāo)計(jì)劃，載人登月的初步方案是：采用兩枚運(yùn)載火箭分別將月面著陸器和載人飛船送至地月轉(zhuǎn)移軌道，飛船和著陸器在環(huán)月軌道交會(huì)對(duì)接，航天員從飛船進(jìn)入月面著陸器。其后，月面著陸器將下降著陸于月面預(yù)定區(qū)域，航天員登上月球開(kāi)展科學(xué)考察與樣品采集。在完成既定任務(wù)后，航天員將乘坐著陸器上升至環(huán)月軌道與飛船交會(huì)對(duì)接，并攜帶樣品乘坐飛船返回地球。那么，我國(guó)在2030年前實(shí)現(xiàn)首次載人登月，將面臨著一系列重要的困難和挑戰(zhàn)。讓我們逐一探討這些挑戰(zhàn)，看看為了實(shí)現(xiàn)這一偉大目標(biāo)，科研人員們需要克服哪些挑戰(zhàn)和技術(shù)難題？

首先，實(shí)現(xiàn)載人登月的關(guān)鍵之一是擁有強(qiáng)大的重型運(yùn)載火箭。為了將載人飛船和月面著陸器送入近地軌道，需要具備巨大的運(yùn)載能力，大約140噸的近地軌道運(yùn)載能力。如果采用單次發(fā)射、環(huán)月組裝的方案，就需要研制一種全新的超重型運(yùn)載火箭，其起飛重量約為4000噸，箭體直徑約10米，這樣的運(yùn)載能力與美國(guó)阿波羅計(jì)劃的土星五號(hào)火箭相當(dāng)，能夠?qū)⒔剀壍肋\(yùn)載能力提升至140噸，地月轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力達(dá)到50噸。然而，這樣的方案研制難度極大，研發(fā)周期也較長(zhǎng)。

為了實(shí)現(xiàn)2030年前首次載人登月的目標(biāo)，我們選擇了運(yùn)載火箭研制難度較低的兩次發(fā)射、環(huán)月組裝方案。這就是我們研制長(zhǎng)征十號(hào)運(yùn)載火箭的目的。長(zhǎng)征十號(hào)火箭的長(zhǎng)度約為88.5米，最大起飛推力達(dá)到2678噸，其近地軌道運(yùn)載能力約為70噸，與美國(guó)的太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS火箭）相當(dāng)。在地月轉(zhuǎn)移軌道，長(zhǎng)征十號(hào)火箭的運(yùn)載能力達(dá)到27噸。預(yù)計(jì)長(zhǎng)征十號(hào)火箭將在2027年前后完成首次飛行。長(zhǎng)征十號(hào)火箭采用了模塊化組裝方案，并繼承了長(zhǎng)征五號(hào)的五米直徑箭體結(jié)構(gòu)和120噸推力的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。火箭的一級(jí)采用三個(gè)5米直徑模塊并聯(lián)，每個(gè)模塊裝備7個(gè)120噸推力的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，這樣的設(shè)計(jì)解決了重型火箭研制中的一系列難題。

再一個(gè)挑戰(zhàn)就是要研制新一代載人飛船。新一代載人飛船最大的困難和挑戰(zhàn)，就是從月球返回地球、沖入大氣時(shí)速度比近地軌道工作的神舟飛船更大，接近第二宇宙速度，約11公里/秒。這意味著更劇烈的摩擦，必須提高飛船耐熱能力。新載人飛船相較神舟飛船，在耐熱能力提升了3-4倍。此外新一代載人飛船在神舟飛船技術(shù)基礎(chǔ)上，在飛船結(jié)構(gòu)、推進(jìn)、回收、能源、熱控、電子等方面應(yīng)用了大量先進(jìn)技術(shù)，飛船具備可重復(fù)使用能力，乘組人員提高到4-7人，其試驗(yàn)船已經(jīng)在2020年發(fā)射成功。

第三個(gè)挑戰(zhàn)是月面著陸器。月面著陸器需要在月球表面完成著陸和返回任務(wù)，但這是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)的任務(wù)，必須克服月球表面復(fù)雜的地形和隕石坑等挑戰(zhàn)。尤其是返回時(shí)，著陸器需要再次起飛，這需要高度可靠的技術(shù)保障。根據(jù)月面著陸器展出的模型初步方案，該著陸器由兩部分組成：一個(gè)是“登月艙”，另一個(gè)是“推進(jìn)艙”。推進(jìn)艙不僅是組合體在接近月球時(shí)進(jìn)行制動(dòng)和軌道控制的動(dòng)力艙段，還在登月的下降過(guò)程中承擔(dān)動(dòng)力減速任務(wù)。直到距離月面較近時(shí)，登月艙才會(huì)分離出來(lái)，這樣的設(shè)計(jì)目的是為登月艙節(jié)省燃料。值得一提的是，登月艙不僅在著陸時(shí)充當(dāng)著陸器的一部分，同時(shí)也充當(dāng)?shù)窃潞教靻T離開(kāi)月面的上升器。這樣的設(shè)計(jì)方案使得月面著陸器更加靈活，對(duì)于載人登月任務(wù)的成功實(shí)施至關(guān)重要。

第四個(gè)挑戰(zhàn)總體的設(shè)計(jì)和飛行測(cè)試。在未來(lái)的七年里，我國(guó)將分為三個(gè)階段來(lái)實(shí)現(xiàn)載人登月的宏偉目標(biāo)。在第一階段，我們將著重完成關(guān)鍵子系統(tǒng)的研制和建設(shè)任務(wù)。這包括新一代載人運(yùn)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(chē)等飛行產(chǎn)品的研發(fā)。同時(shí)，我們將在文昌航天發(fā)射場(chǎng)建設(shè)長(zhǎng)征十號(hào)火箭的總裝發(fā)射設(shè)施，并完成測(cè)控通信著陸場(chǎng)等相關(guān)地面設(shè)備設(shè)施的建設(shè)。之后進(jìn)入第二階段，我們將利用新一代載人運(yùn)載火箭、新一代載人飛船和月面著陸器進(jìn)行無(wú)人飛行驗(yàn)證。通過(guò)實(shí)際飛行驗(yàn)證，我們將測(cè)試關(guān)鍵子系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)驗(yàn)證總體方案的可行性。這一階段是重要的飛行測(cè)試階段，為后續(xù)的載人登月做好充分準(zhǔn)備。一旦第二階段任務(wù)順利完成，我們將迎來(lái)第三階段，也就是實(shí)施真正的載人登月飛行。在2030年之前，我們的目標(biāo)是讓中國(guó)航天員登上月球，實(shí)現(xiàn)中國(guó)航天史上的世紀(jì)夢(mèng)想。

總體而言，我國(guó)載人登月計(jì)劃是一項(xiàng)宏偉而具有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)。通過(guò)科研人員和機(jī)構(gòu)的共同努力，充分解決上述困難和挑戰(zhàn)，我國(guó)必將實(shí)現(xiàn)載人登月，邁向更加廣闊的航天探索之路！

作者: 周炳紅 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員

出品: 科普中國(guó)