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中国载人登月发展稳步推进,这些关键技术已获突破

京港台:2023-6-7 19:51| 来源:澎湃新闻 | 评论( 14 )  | 我来说几句


中国载人登月发展稳步推进,这些关键技术已获突破

来源:倍可亲(backchina.com)

  近日,航天科技集团六院研制的中国载人登月火箭主力发动机——130吨级泵后摆液氧煤油发动机完成上试车台后的第六次试车,发动机累计试车时长达到3300秒,工作时长超10余倍任务时间,验证了发动机工作可靠性的同时,再次创造中国百吨级发动机单台试车新纪录。

  之前,神舟十六号载人飞行任务新闻发布会上,中国载人航天工程办公室副主任林西强表示,中国载人月球探测工程登月阶段任务已启动实施,计划在2030年前实现中国人首次登陆月球。载人登月即使在今天也有巨大的难度,中国完成这样一项空前的航天伟业需要突破和掌握哪些关键的核心技术呢?

  

  

  

  珠海航展上展示的长征十号火箭模型。

  载人登月也要“三步走”

  中国载人登月计划的论证由来已久。早在本世纪初嫦娥无人探月工程论证阶段,以首任探月工程总指挥栾恩杰为首的科学家们就大胆地提出了“绕落回”和“探登驻”两个三步走战略规划。“绕落回”指的是环绕月球、着陆月球和月球取样返回的无人探测任务,2020年底嫦娥五号取样返回探测器成功携带月球样品返回地球,宣告着“绕落回”三步走规划的圆满完成。嫦娥五号探测器取回了1731克月球样本,远远超过了苏联三次无人取样返回任务取回样本质量的总和,其奥妙就在于嫦娥五号是一种由轨道器、着陆器、上升器和返回器组成的复杂航天器,还使用了独特的环月交会对接方案,从任务流程图上看,嫦娥五号任务几乎就是一次无人迷你版阿波罗任务。

  嫦娥探月工程通过“绕、落、回”的无人探测,尤其是嫦娥五号取样返回探测器的研制和成功,为中国载人登月计划在技术上奠定了坚实的基础。从某种意义上说,载人登月可以看作放大版的嫦娥五号任务,而且嫦娥五号的相关技术也广泛应用到载人登月计划,比如嫦娥五号的7500牛变推力主发动机YF-36也是载人月面着陆器的主发动机。随着“小三步走”战略规划的完成,“大三步走”即“探、登、驻”也自然而然地迈向了第二步:载人登月计划。中国载人航天工程办公室主任助理季启明近日接受媒体采访时表示:中国载人登月计划,未来七年将分三步走,实现在2030年前中国航天员登陆月球的目标。目前中国已经完成了登月任务相关飞行器的关键技术攻关和方案研制,并完成了登月总体方案的论证。

  

  嫦娥探月工程一步一个脚印,为中国载人登月计划在技术上奠定了坚实的基础。

  根据载人航天工程办公室的介绍,未来7年中国将分三个阶段实现载人登月的目标:第一阶段要完成关键子系统的研制和建设任务,包括完成新一代载人运载火箭、新一代载人飞船、月面着陆器以及登月服和载人月球车等飞行产品的研制,在文昌航天发射场建设长征十号火箭的总装发射设施,并完成测控通信着陆场等相关地面设备设施的建设;第二阶段将使用新一代载人运载火箭、新一代载人飞船和月面着陆器进行无人飞行验证阶段,通过实际飞行验证关键分系统的可靠性和总体方案的可行性;如果第二阶段任务一切顺利,随后中国载人登月计划将进入到第三阶段,也就是实施真正的载人登月飞行,在2030年前实现中国航天员登上月球的世纪梦想。

  2030年前实现载人登月并非中国载人月球工程的全部,这只是载人月球探测工程登月阶段的任务而已。未来中国还将实现月球工程大三步走战略的最后一步“驻月”,即在突破掌握载人登月关键技术,完成载人登月目标的基础上,建设以中国为主的、人机联合探测的国际月球研究站(ILRS),形成独立自主的载人月球探测能力,更遥远的未来中国将实现月面长期驻留生活和月球资源的开发利用。

  

  嫦娥工程下一步无人探测的目标是建立月球科研站。

  登月关键技术逐步被突破

  林西强副主任在神舟十六号任务发布会上还表示,中国将开展月球科学考察及相关技术试验,突破掌握载人地月往返、月面短期驻留、人机联合探测等关键技术,完成“登、巡、采、研、回”等多重任务,形成独立自主的载人月球探测能力。

  针对载人登月这一宏伟目标,中国载人航天工程办公室在前期关键技术攻关及方案论证的基础上,已经全面启动各项研制和建设工作,包括研制新一代载人运载火箭(长征十号)、新一代载人飞船、月面着陆器和登月服等飞行产品,以及新建发射场和相关测试发射设施设备等工作。

  1、 长征十号火箭

  运载火箭的能力有多大,航天的舞台就有多大。为了完成中国载人登月任务,必须掌握超大型运载火箭技术,中国正在研制新一代载人运载火箭,它是一种兼顾载人和货运任务的超大型运载火箭,于2018年的第12届珠海航展上首次正式公开亮相,后来被正式命名为长征十号火箭。

  长征十号火箭已经正式立项,它的总体方案为5米芯一级并联7台YF-100K发动机,第一级3个芯级并联装有21台发动机,第二级两台高空型YF-100K发动机的方案,为了支持载人登月任务,第三级将使用三台YF-75D液氧液氢发动机,提供足够的速度增量。

  长征十号火箭的近地轨道(LEO)运载能力可达70吨,奔月轨道(LTO)运载能力27吨,运力和美国SLS Block1火箭相当,它是中国载人登月的基石。中国载人登月的任务规模和美国阿波罗载人登月任务也大致相当,根据目前的方案规划,一次载人登月任务将发射两枚长征十号火箭,分别将载人飞船和月面登陆器送入奔月轨道,环月轨道对接后进行登月。长征十号火箭继承了长征五号火箭的5米直径箭体,以及YF-75D发动机和YF-100发动机发展而来的泵后摆YF-100K发动机,通过类似“猎鹰重型”火箭的芯级并联方式,实现了LEO70吨级/LTO27吨级的运载能力,其总体方案合理,技术成熟度高,各项研制工作正在有序快速推进中,火箭计划在2027年前后进行首飞。

  

  长征十号火箭的第一级3个芯级并联装有21台发动机。

  2、新一代载人飞船

  中国刚刚发射了神舟十六号载人飞船,神舟飞船的可靠性和稳定性毋庸置疑,不过对于载人登月来说,神舟飞船就力不从心了,尤其是服务舱提供的机动变轨能力太弱。载人登月需要突破掌握载人地月往返技术,除了研制新一代载人运载火箭,还需要研制满足登月需求的新一代载人飞船。

  根据官方消息,新一代载人飞船是面向中国载人航天未来发展需求研制的新一代载人天地往返运输飞行器。新一代载人飞船放弃了神舟飞船的三舱构型,采用更简单的返回舱加服务舱两舱构型,飞船全长约9米,最大发射重量约25吨,其中锥形返回舱重量约7吨,根据估算服务舱能提供2200米/秒以上的速度增量,满足独立进出环月轨道的变轨机动需求。新一代载人飞船充分继承了神舟飞船已有的技术基础,又在飞船结构、推进、回收、能源、热控、电子等方面应用了大量先进技术,使飞船具备可重复使用能力,也有更好的人机交互界面和更大的舱内活动空间,乘组人员提高到4~7人。

  新一代载人飞船继承成熟可靠的神舟飞船技术,又应用了大量新技术,整体设计上实现了高可靠性和高安全性,又通过重复使用实现了低成本。新一代载人飞船还采用模块化设计,统一的返回舱搭配不同的服务舱模块,提供相应的变轨机动能力,适应近地轨道飞行任务、载人月球探测任务,以及更遥远的载人小行星或火星探测等多种类型的载人飞行任务,是名副其实的多用途载人飞船。

  

  新一代载人飞船的试验船已经发射成功。

  3、地面支持系统

  中国实施载人登月计划不仅需要新一代运载火箭和载人飞船,发射新一代火箭的地面发射场,以及支持载人登月的测控、通信和着陆场等设施也必不可少。

  中国即将在海南文昌发射场大兴土木,为长征十号火箭建造新的总装大楼和发射工位,以及配套的转运发射平台。长征五号火箭总长约57米,发射重量约880吨,已经是一个庞然大物,而新一代长征十号火箭载人运载火箭总长约89米,发射重量超过2200吨,起飞推力约2700吨,火箭总体规模是长征五号的两倍以上,现有发射长征五号的地面发射设施无法直接用于发射长征十号火箭,必须新建性能更强大的发射工位等配套设施,新一代载人运载火箭还将使用新三垂测发模式,简化发射场和发射区的支持工作设施,具备快速发射能力,满足未来载人登月任务中快速发射两枚长征十号火箭的需求。

  载人登月工程配套的地面设施除了新的发射工位,还要为登月任务更新或新建完善的测控通信网。自2004年正式实施嫦娥探月工程以来,中国深空测控系统从无到有,有力的支持了探月工程“绕落回”三步走的顺利实施,并为首次火星探测任务作出重要贡献。未来随着探月工程四期、小行星探测以及载人登月任务的实施,中国深空测控系统还将进一步发展壮大,现有三个深空站新建大型测控天线,更新后端设备,完善阵列接收能力,以及应用诸如激光通信等大容量通信技术,保障未来载人登月任务的顺利实施和圆满完成。

  

  月面着陆器是往返于月球表面和月球轨道的运输工具。

  4、月面着陆器

  载人登月工程任务中,火箭飞船固然必不可少,但关键一步还是载人落月和返回,这就需要研制载人月面着陆器。今年2月24日举办的中国载人航天工程三十年成就展上,载人航天工程办公室首次展出了月面着陆器模型,为我们展示了着陆器的设计方案。

  月面着陆器是往返于月球表面和月球轨道的运输工具。美国阿波罗计划的着陆器是一种包含下降级和上升级的二级结构,而中国的月面着陆器采用独特的推进舱加登月舱的总体方案。综合央视等媒体报道,中国载人登月着陆器推进舱主动力为一台80千牛推力的变推力液氧煤油发动机,这是一种具备多次启动能力和深度节流能力的高压补燃发动机,据称真空比冲340秒到360秒,具备推力节流到10%的深度节流能力。推进舱将负责地月之间的轨道修正,执行近月制动减速,还覆盖了大部分下降段飞行,承担着陆过程所需的绝大部分减速任务。推进舱燃料耗尽后分离,登月舱完成最后阶段的着陆,并负责后续月面起飞到环月对接的飞行任务。

  中国月面着陆器方案和美国阿波罗计划以及新世纪的阿尔忒弥斯计划的着陆器都不同,与苏联载人登月着陆器方案非常相似。苏联N1火箭Block D上面级负责地月轨道修正、近月制动和大部分下降段飞行,而LK着陆器负责最后4千米高度的降落和上升返回月球轨道。虽然苏联N1-L3登月计划失败了,但这种着陆器方案相当紧凑,能最大限度利用火箭的运载能力,还有利于后续实现复用。中国选择这种总体方案有利于降低技术风险,多快好省地完成登月。

  

  月球车可扩展航天员在月面的活动范围。

  5、航天服和月球车

  我们中国人的载人登月计划中,航天员登上月球还要开展人机联合探测任务,进行较为复杂的月球科考,对航天员的月面活动能力提出了很高的要求,而月球苛刻的自然环境,需要为此研制专门的配套设备,尤其是登月航天服和月球漫游车。

  月球表面只是低重力,重力加速度为地面的约1/6,而中国空间站上使用的飞天二代舱外航天服,重量约100千克,如果直接用于登月就太重了。另外月球表面温度高温差大,还有极易吸附上来的月尘,对航天员和各种设备威胁很大,而锋利的岩石也容易划伤航天服。为了应对苛刻的月面环境,载人登月需要研制专门的航天服,需要具备更轻的重量,以及更好的移动灵活性,并做好防尘设计,避免吸入月尘污染生命支持系统。

  美国阿波罗计划6次登月,只有最后3次才带上了月球车,为了最大限度降低发射质量和占用空间,阿波罗的月球车是一种折叠式的两座四轮电动车,重量只有约210千克,为了适应月面严峻的地形和极端的温度,轮胎还使用手工编织的钢丝网。载人航天工程三十年成就展上,中国月面着陆器也将携带了四轮月球车,根据载人航天工程办公室招标信息,2030年前中国首次登月中,两名航天员就将驾驶月球车开展科考活动,它将具备载人驾乘、月面移动、定位支持、安全辅助等功能,为航天员提供移动、通信、探测辅助等保障支持。

  有趣的是,根据2024财年NASA预算申请报告,美国直到阿尔忒弥斯V任务中,才会将一辆LTV月球车送上月球。阿尔忒弥斯V任务最顺利也要等到2029年9月,而中国首次登月预定在2030年前,届时中美月球车谁先登月,还真不好说。

  结语

  中国在前期充分的方案论证和技术预研的基础上已启动了载人登月任务,预定在2030年前首次登陆月球。载人登月建设地面支持系统,掌握大运力运载火箭、载人登月飞船、载人月面着陆器到月面支持设备等诸多关键技术,目前这些相关子系统的研制工作已经全面展开推进。如果一切顺利的话,2030年前我们将看到中国人首次踏上月球表面,实现中国人的千年登月梦。

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