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深空计划剑指何方? 精选

已有 3172 次阅读 2017-12-15 10:00 |个人分类:科普集锦|系统分类:科普集锦|关键词:深空计划,重返月球,阿波罗登月任务,长征五号| 重返月球, 深空计划, 阿波罗登月任务, 长征五号

深空计划剑指何方?

据中新社报道,美国总统特朗普12月11日在白宫签署命令,指示美国航空航天局(NASA)启动太空探索项目,送美国宇航员重返月球,并为登陆火星打基础。“愚者千虑必有一得”,这个决策特郎普总算是做对了。

美国的阿波罗登月任务结束在上世纪七十年代初,在过去的半个世纪中,美国的航天界左顾右盼、瞻前顾后,失去了前进的目标。究竟是重返月球,还是远征火星,或者登陆近地小行星?但一切只停留在辩论和文字上,然后消失在太空里,几乎没有一点实质性的行动和进展。美国的航天之路映射出了美国这半个世纪以来国运之坎坷。

 

最近,受新总统“让美国再次伟大”的感召,美国的航天界出现了一些值得关注的新动向。

首先,美国有计划重新启动《国家空间委员会》,这个由副总统迈克·潘斯领衔的委员会将为美国航空航天局(NASA)和美国的一些私人火箭公司(SpaceX,Blue Origin,波音,洛克希德·马丁等)设定新的发展空间。

接着,第48届月球和行星科学会议(LPSC)隆重举行。会议上,科学家发表了关于地球、月球、火星、小行星、彗星和无数其他宇宙物体的一些最新发现,并对未来深空探索计划进行了深入认真地讨论。与会的大多数科学家都认为下一个目标应该是重返月球,主要理由可归纳为以下几个方面。

目的地—月

“行星科学将会彻底改变,当我们把宇航员送出近地轨道之后。”月球和行星研究所资深科学家大卫·克林(David Kring)说:“探索月球的最好方法还是依靠训练有素的宇航员,他们做起来可以得心应手。阿波罗计划已经证明了这一点。”

克林说,他渴望在美国航空航天局的勘探任务中看到首次使用该机构的超重型运载火箭SLS(Space Launch System),该系统目前正在与猎户星座飞船一起进行研制开发。但是SLS和猎户星座计划进展不顺又一再延迟,在特朗普政府的坚持下,美国航空航天局正在评估在2019年中期送两位宇航员绕月的可能性。“我更加急于想看到宇航员将机器人部署到月球表面,最终机器人可以在那里自行落地。”克林补充说: “我们需要回到月球表面。我们需要收集样品。我们需要把它们带回地球。”

科学探索的金山银矿

克林说,月球是科学探索的金山银矿,因为它为研究地球和其他行星的起源和演变提供了重要的线索:了解它们是如何从小块物体通过增聚和分化形成的;在它们历史早期又如何承受轰炸般的撞击;又是如何在围绕太阳的轨道上迁移。”解决这些问题的最佳地点就在月球上。“他解释说,由于它的没有气体保护的表面上留下了45亿年太阳系历史变迁的原始印记。

克林说,地球上的破坏性地质过程扭曲和遮盖了太阳系历史变迁留下的印记。即使在今日火星——这个比地球更加惰性的星球——我们寻求太阳系最深奥的秘密的许多谜底也已经被缓慢的地质运动所抹除。

克林也认为月亮是通往火星的门户。 “我们必须在我们前往火星的道路上拥有合理的有意义的里程碑,”他解释说。 “我们都想让人类到达火星上,问题是你如何到达那里?我不认为我们将在2035年或2045年之前开发出具有奇迹般到达火星的能力。我们需要开发出走向深空的技术和工程队伍,这只可能发生在月球轨道和月球上。”

每个火星人首先得是一个月球人

巴黎圣母院大学的月球科学家克莱夫•尼尔(Clive Neal)说,任何有关先去月球还是火星的争论必然导致无所作为。他说,“这不是一个非此即彼的论题”他说,因为通过挖掘开发月球资源有益于火星研究,并支持人类可持续地进入深空开展对太阳系的探索。

“你不能成为一名火星人而不是一名月球人,”尼尔说。 “如果你只想现在去火星'展开旗帜和留下脚印'。但是你永远不会再回去,因为那就是阿波罗计划—一个梦幻般的计划,但它是不可持续的。”

对于尼尔来说,地球的卫星——月球——首先是一个可以而且应该被利用的资源丰富的世界。例如,他指出了月球极地的阳光缺失的陨石坑,在那里几乎永恒的黑暗保存了丰富的水冰,它们可以转化为氧气,水和火箭推进剂。 尼尔认为“我们必须做一些基本的地质勘查,如果月球的资源显示出实质性意义的话,那么你就可以把月球带入我们的经济活动圈,我认为月球上的资源有助于实现这一目标。”

在LPSC会议正式开始之前的座谈会上,阿波罗17号月球步行者、地质学家杰克·施密特(Jack Schmitt)阐述了人类探索月球的价值。施密特的讲话提到了许多观众熟悉的一个议题。几十年来,他一直倡导氦3(He-3)气体的月球采矿经济学,这种同位素可能对于某些形式的核聚变是至关重要的。施米特解释说,月球表面已经从太阳风的数十亿年的喷射轰击中吸收了大量的氦气3,依靠该资源月球定居就可以持续。

他说,氦3采矿过程将收获包括水、氢、碳和氮在内的副产品。虽然这些有用的物质在月球土壤中含量极为微弱,但是为了收获氦3必须处理巨量的月球表面土壤,这些副产品会在该过程中大量积聚。施密特解释说,来自低重力月球的水可以用来作为探索火星的飞船结构中的抗辐射的防护层。 “宇宙飞船周围几英寸的水重量很大,从地球带上去太昂贵了,我们可以在月球的任何地方生产水,供应给去火星的飞船。”

从月球和行星科学会议上科学家的发言和会议纪录可以清楚地看到重返月球是人们的共识,当然把共识转换成计划则又是另一回事,而认真实施计划则更为困难了。

载人登月的关键技术是超重型运载火箭和高效可靠的登月飞船,从目前态势来看,美国宇航局已经着手称为EM-1(Exploration Mission 1)的探索任务,计划在2018年的年底用超重型运载火箭(SLS)搭载航天飞船-猎户座舱(Orion)作无人绕月飞行并返回地球,而中国的超重型运载火箭至今还没有立项,中国载人登月的能力与美国有着明显的差距。

如果因循守旧、墨守成规沿袭阿波罗计划的老路,那么中国载人登月只能落在美国的后边,估计未来15年内都不会有戏。中国在载人登月方面要实施超越和有所作为,必须要有创新意识实现技术突破。中国重型运载火箭长征五号的首飞成功,让我看到了中国实施载人登月的新机遇。

让我们简单回顾一下美国的阿波罗登月计划。“阿波罗”号宇宙飞船由指挥舱、服务舱和登月舱3个部分组成。

指挥舱
宇航员在地月间飞行时的生活和工作座舱,也是全飞船的控制中心。指挥舱高3.2米,重约6吨。指挥舱又分前舱、宇航员舱和后舱3部分。宇航员舱为密封舱,存有供宇航员生活14天的必需品和救生设备。

服务舱
前端与指挥舱对接,后端有推进系统主发动机喷管。舱体为圆筒形,高6.7米,直径4米,重约25吨。主发动机用于轨道转移和变轨机动。

登月舱
由下降级和上升级组成,地面起飞时重14.7吨,宽 4.3米,最大高度约7米。
①下降级:由着陆发动机、4条着陆腿和4个仪器舱组成。
②上升级:为登月舱主体。宇航员完成月面活动后驾驶上升级返回环月轨道与指挥舱会合。

在阿波罗计划中,这三个功能舱组成的飞船总重约46吨,由超重型火箭土星五号一次送入太空。由此可知,使用近地轨道运力25吨的长征五号火箭两枚来完成任务是有可能的。具体步骤可以分解如下:

1)由一枚长5火箭把近25吨的服务舱送到中国太空站;
 第二枚长5火箭把近25吨的指挥舱和登月舱送到太空站;
 在太空站把服务舱、指挥舱和登月舱装配成登月飞船,等待宇航员的到达。

2)由长征2F把三位宇航员送入中国太空站,神舟飞船停泊太空站;
 待宇航员稍事休息调整状态后,对飞船作全面检查并添加食品、水和燃料;
 三位宇航员进入登月飞船飞向月球。

3)登月飞船进入月球轨道,二名宇航员进入登月舱;
 登月舱分离实施月球登陆,指挥舱和任务舱绕月飞行;
 二名中国宇航员登陆月球,设置机器人,实施科学研究,建设月球永久建筑。

4)宇航员带着月岩样品进入登月舱上升级,上升级带着二位宇航员飞返指挥舱;
 三名宇航员汇合,抛弃登月舱上升级,乘坐飞船返回近地空间站;
 宇航员在空间站稍事休息,然后带着月岩样品进入神舟飞船,神舟安全降落在内蒙四王子旗着陸区。

二枚长征五号和一枚长二F的近地轨道运载总能力大约可达60吨,这能力比阿波罗计划土星五号运载火箭还略输一筹。虽然土星五号的总负载大约也只有50多吨,但土星五号不只是把50多吨的负载送入地球轨道,它的第三级火箭再启动后把负载进一步推向月球轨道。这个差距就体现在更多的推进燃料。所以本方案中特别安排由空间站向月球飞船补充燃料、水和宇航员的食物。通过此项补充,又加上地月轨道设计优化和各种减重新材料的使用,相信完全有可能依靠中国已有的运载火箭实现载人登月。

这个方案的优点主要有三个方面:
1)尽可能保证载人登月的人身安全。整个计划中宇航员飞离和返回地球是非常危险的过程,本方案仍让久经考验的长二f和神舟飞船来完成,这是本方案的点睛神笔。方案使用长征五号重型火箭分两次运送登月飞船,长征五号运载能力强,但是还在试用改进期,安全性仍待考验。不过不用它来载人,运送设备出点问题也无大碍,最多重发备份或取消计划,不会有人身伤害。
2)尽量发挥中国在地球轨道上设备对接的技术优势。整个登月飞船作功能模块化设计,分开送入近地轨道并在轨组装。这也为将来深空探索作好准备,这些功能模块可以灵活扩充组合以适应不同的任务要求。
3)大大加速载人登月进程。本方案绕开了长征九号超重型火箭,长9火箭还没有立项,即使马上立项,从立项、试验、首飞再到载人飞行,估计至少要等到2030年以后了。本方案与长9研制不冲突,登月飞船功能模块的研制可以同步进行,设计时对使用长5和长9应作全盘考虑。在长9完工前使用长5实施载人登月。

本文提出的只是一种初步的设想,权作抛砖引玉吧,具体的计划应由专家组作更详细更深入的研究后逐步制定。实现载人登月不是面子工程,这一点本文的上半部已经作了详细的介绍,登月对于开展科学研究和发展国民经济有着不可替代的现实意义,登月也是人类走向深空不可绕开的重要一环。建设空间站—载人登月—建设月球基地—走向深空,这才是一条正确稳妥的航天之路。

 



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