中國也要建月球空間站? 載人登月技術(shù)公布: 十大技術(shù) 幾百噸對接要求

老三的休閑書屋 2023-02-17 發(fā)布于湖北

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這個要求似乎暴露了我國未來在月球軌道上建設(shè)月球空間站的可能，因為只是登月的話完全用不上數(shù)百噸對接的高標(biāo)準(zhǔn)要求！

載人登月體系公布: 十大技術(shù)，缺一不可

我國在無人探測月球的技術(shù)上已經(jīng)相當(dāng)成熟，從嫦娥一號與二號的環(huán)月探測，到三號和四號的落月探測，再到五號的采樣返回，整一個一氣呵成的龐大工程。即使如此，載人登月和載人登月也存在很大的差異，《航天器工程》上列出了我國已經(jīng)突破或正在突破的十大技術(shù)體系：

1、載人登月的體系推進(jìn)技術(shù)；
2、月球軌道交會對接技術(shù)；
3、輕量化重載荷機(jī)構(gòu)對接機(jī)構(gòu)；
4、月面超軟著陸GNC技術(shù)；
5、月球晝夜溫差的熱控技術(shù)；
6、登月飛船返回地球著陸技術(shù)；
7、系統(tǒng)電路集成度和可靠性技術(shù)；
8、載人登月的通信天線技術(shù)；
9、安全性、可靠性與可維修性技術(shù)；
10、空間信息系統(tǒng)技術(shù)

1月19日，社交媒體上爆出一個新聞，長征十號換體重生成登月火箭，大意是我國載人登月火箭已經(jīng)被正式命名為CZ-10，此前一直的傳聞已經(jīng)被正式立項代替，目標(biāo)是在2030年前后完成登月任務(wù)。

CZ-10是一個重新啟用的“舊型號”，早在1970年代，錢學(xué)森錢老就曾提出過一個非常大膽的方案，10年內(nèi)研制成功近地軌道50噸至150噸的超級運載火箭，這就是傳說中的CZ-10火箭，但由于國力與技術(shù)所限，這個型號從未有付諸實施。時隔50多年我國再次重新啟用該命名，這是延續(xù)了我國曾經(jīng)的登月夢想，未來將會在我們這一代人中完成。

CZ-10對應(yīng)的技術(shù)則是此前龍樂豪院士透露的兩次發(fā)射、月軌對接的CZ-5DY版，由于使用了大量CZ-5的成熟技術(shù)，因此兩者繼承性很強(qiáng)，不過CZ-10的助推器和芯級使用的是采用泵后擺技術(shù)的增推型號YF-100K，性能要比CZ-5的YF-100高不少。

登月火箭可不止是發(fā)射用的重型火箭技術(shù)，還有地月轉(zhuǎn)移軌道火箭，姿態(tài)控制火箭、月球軌道捕獲減速火箭，月面登陸與返回起飛的火箭等等，這是一個龐大的體系，所以一次載人登月，卻基本要將大大小小不同型號推力的火箭突破個遍，缺一不可。

月球軌道交會對接與輕量化重載荷機(jī)構(gòu)對接機(jī)構(gòu)

我國采用的是CZ-10兩次發(fā)射，月球軌道對接的登月方式，因此月球軌道對接是一項繞不開的工程，當(dāng)然一次發(fā)射也會在月球軌道對接，因為登月飛船的分離、著陸月面后返回再對接也需要有一個對接過程。

在《航天器工程》的介紹中特別提出了這樣一個要求，對接接口需兼容近地軌道空間站，并且同一套對接機(jī)構(gòu)可以適應(yīng)從3噸到幾百噸的航天器的對接任務(wù)，這表示未來的載人登月實施后我國緊接著會開展月球空間站建設(shè)，并且飛船可能會在月球和天宮空間站之間往返成為定期航班。

月面超軟著陸GNC技術(shù)

這是載人登月中必不可少的技術(shù)，此前在嫦娥3、4、5的落月與采樣返回任務(wù)中，7500N的變推力發(fā)動機(jī)立下汗馬功勞，之所以這臺發(fā)動機(jī)那么重要，是因為嫦娥任務(wù)在落月過程中需要減速、懸停與重新選擇落月地點以及最終穩(wěn)穩(wěn)著陸的能力。特別是最后的推力減小、緩緩下降、最后落月需要“絲般順滑”，因此對發(fā)動機(jī)推力調(diào)節(jié)要求很高。

這臺7500N變推力發(fā)動機(jī)推力變比為6.87:1，可在8250N至1200N之間調(diào)節(jié)推力，啟動次數(shù)大于30次，累計工作時間大于4000秒。嫦娥三號、嫦娥四號、嫦娥五號三艘探測器連續(xù)成功登月，登月成功率100%，其變體將原有的低室壓動力方案更改為中室壓動力方案，助力天問一號著陸器成功登陸于火星。

但無人著陸器的嫦娥三號發(fā)射質(zhì)量也只有3.78噸，它抵達(dá)月面時的質(zhì)量只有1.2噸，大部分都是燃料，在地月轉(zhuǎn)移軌道與月球減速，月面降落過程中被消耗，月球的引力只有地球1/6的情況下，還需要一臺7500N的變推力發(fā)動機(jī)來提供降落減速，未來的載人飛船月面登陸至少也將達(dá)到10噸以上。

以阿波羅登月為參考，其月面登陸質(zhì)量在13~14噸之間，按比例配置變推力發(fā)動機(jī)，至少也要達(dá)到75~100千牛的變推力發(fā)動機(jī)，而且其調(diào)節(jié)比例可能要提高至10:1，這個難度肯定是不會小的。

月球晝夜溫差的熱控技術(shù)

載人登月任務(wù)需要在月面數(shù)天，由于月球白天時間接近半個月，所以這朝陽面的高溫與朝陰面的低溫問題都必須要同時解決，一般會使用艙壁循環(huán)散熱將熱量均分布并通過輻射方式散熱。

另一個方式是參考阿波羅登月時間選擇農(nóng)歷的初六~初八以及廿二至廿四期間、登月地點月球陽光斜射，月球表面尚未被“曬熱”，溫度會略低，可以降低一些散熱要求，但后期阿波羅登月是跨月中的，地點選擇也不再避開直射點，這表示阿波羅前期經(jīng)過考驗后發(fā)現(xiàn)散熱沒有問題，已經(jīng)可以“全時適應(yīng)”。

登月飛船返回地球著陸技術(shù)

從月球返回的飛船接近第二宇宙速度，原因是這樣的，從地球出發(fā)抵達(dá)月球航天器必須具有接近10.8千米/秒的速度，這個速度沒有達(dá)到逃逸地球的11.2千米/秒，但也差了不多。當(dāng)它返回地球附近時也將達(dá)到這個速度。

果要返回地面的話，基本會以10.8千米/秒的速度進(jìn)入大氣層，目前的載人飛船基本都是從空間站以及近地軌道返回地球，速度不會超過6.8千米/秒，與地月軌道返回整整相差4千米/秒的速度，可別小看這增加的4千米/秒，搞不好就能把飛船給燒毀了，此時飛船有幾個選擇：

1、加固飛船防熱大底；
2、飛船減速進(jìn)入地球軌道擇機(jī)再入；
3、飛船使用二次減速方式降低抗燒蝕要求；

阿波羅登月飛船的方法是加固防熱大底，以躍起再入方式進(jìn)入大氣層，這個方式是簡單暴力，軌跡控制要求比較低，缺點時會增加防熱大底的質(zhì)量，也會增加宇航員在返回過程中的過載，但比彈道返回要好一些，因為彈道返回過載最大可達(dá)10G，就算“久經(jīng)訓(xùn)練”的宇航員是一次相當(dāng)難受的經(jīng)歷。

減速再入技術(shù)要求低：宇航員舒適，但代價太大

減速進(jìn)入環(huán)地球軌道再擇機(jī)再入，這種方式可以達(dá)到從空間站返回的地球一樣的體驗，但問題是必須要卸除4千米/秒的速度增量，我國新一代飛船的返回艙著陸質(zhì)量可達(dá)5.6噸，各位可以計算下需要多少燃料才能從10.8千米/秒減速到6.8千米/秒？

所需要的能量大約為：4.48e+10J

目前這種減速發(fā)動機(jī)基本用的是肼類燃料，也就是各位俗稱的毒發(fā)，為偏二甲肼+四氧化二氮，偏二甲肼的熱值為：4.25×10^7J/kg

那么需要1,054.118千克偏二甲肼燃料作為減速使用，另外偏二甲肼只是燃料，讓其燃燒還需要氧化劑四氧化二氮，兩者的燃燒的質(zhì)量比為15:46，也就是還需要3232.627千克氧化劑四氧化二氮。兩者總和為4.286噸。

減速制動

以上是100%利用熱值時的減速方案，如果按發(fā)動機(jī)的效率/推力計算，估計至少得5~6噸以上的燃料才能保證其返回減速。這些燃料是從地球上帶出去的，然后帶到月球軌道（不登月）再返回地球，這個成本實在太高了。

跳躍式再入：成本低，技術(shù)要求太高

跳躍式再入也就是大家說的水漂彈道，其原理是以一定升力的再入角度進(jìn)入大氣，然后在大氣層與飛船的氣動升力作用下躍出大氣層再返回，第一次減速一部分，第二次再入直接穿越大氣層落地，經(jīng)歷兩次減速，降低對防熱大底的要求，也增加宇航員舒適度，這個方案成本最低，但技術(shù)控制要求最高。

阿波羅飛船返回時用的返回方式有些類似跳躍式返回，只是阿波羅飛船沒有躍出大氣層，還不能算是跳躍式返回，所以對防熱大底“加固”還是有要求的，而且在控制上也比半彈道要高一些，當(dāng)時能做到這個結(jié)果已經(jīng)算不錯了。

我國已經(jīng)在嫦娥五號T1飛行試驗器（CE-5/T1）上首次實現(xiàn)了跳躍式返回方式，在嫦娥五號采樣返回正式應(yīng)用了這種返回方式，這表示我們已經(jīng)解決了第二宇宙速度再入返回的技術(shù)難題，但對于載人飛船的返回，仍然需要做大量的技術(shù)驗證工作。

另外諸如通信與系統(tǒng)集成還有可維護(hù)性等，根據(jù)我國在載人航天上的經(jīng)驗，會在載人等約上來一個大爆發(fā)，將各種突破的技術(shù)應(yīng)用到載人登月上，雖然說我國現(xiàn)在還沒有登月，但隨著我國在載人航天上的進(jìn)展，已經(jīng)到了水到渠成的時刻。

幾百噸對接要求：中國也要建月球空間站?

阿爾忒彌斯計劃中最重要一個關(guān)鍵節(jié)點就是月球空間站，這是NASA在地球和月面之間的中轉(zhuǎn)站，月面著陸飛船可以重復(fù)使用，空間站與地球之間建立定期航班，未來基本可以在月球或者月球軌道上保持長期存在。

這種登月工程的架構(gòu)會更合理一些，這是NASA重返月球的重要計劃，也因為是第二次，NASA還有些追求，如果還是向阿波羅計劃那樣登月返回，那一定會被批50年都沒有進(jìn)步。所以阿爾忒彌斯計劃采用如此龐大的架構(gòu)也是必然的。

阿爾忒彌斯計劃的月球空間站構(gòu)成

我國是第一載人登月，關(guān)鍵是完成登月并安全返回，但以中國航天目前的技術(shù)，在載人登月的基礎(chǔ)上可以有一些突破，為未來的國際月球科研站打下一些基礎(chǔ)，國際月球科研站是在月球表面或月球軌道上建設(shè)可進(jìn)行月球自身探索和利用、月基觀測、基礎(chǔ)科學(xué)實驗和技術(shù)驗證等多學(xué)科多目標(biāo)科研活動并長期自主運行的綜合性科學(xué)實驗基地。