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有钱有技术,人类能实现如期登月吗? 精选

已有 2989 次阅读 2024-4-16 11:03 |系统分类:观点评述

近十年来,包括中国在内的各国航天人在商业发射、卫星技术、太空探索方面取得了令人瞩目的成绩。我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,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。那么,中国载人登月项目当前进展如何?在迈向月球的过程中会面临哪些挑战?能否如期将中国宇航员安全送上月球?

4月13日,由科大硅谷服务平台公司与中国科学技术大学副研究员、中国科学技术大学科技传播系副主任袁岚峰联合打造的“逐浪硬科技”系列科普沙龙第三期活动在科大硅谷核心区中安创谷和线上同时举行。活动由袁岚峰博士主持,邀请了中国科学院国家空间科学中心研究员、中国航天科普大使周炳红,中国科学院国家空间科学中心研究员、中国航天科普大使刘勇,中国电子企业协会副会长宿东君及青年科幻作家王诺诺,围绕“2030年,中国人能登上月球吗?”展开深入讨论。

中美两国载人登月项目当前进展

中国除了去年宣布计划在2030年前实现载人登月外,还联合多国共同建设国际月球科研站,计划2028年前建成基本型;美国近年也宣布将重返月球,虽然重返时间一改再改;一些国家的无人登月计划也越来越热。自美苏太空竞赛以来,已50多年热度不再如昨的登月话题再次成为世界焦点。

关于中美两国载人登月计划各自的发展现状,周炳红介绍,这次美国的重返月球计划叫“阿耳忒弥斯计划”。相关关键技术美国目前大概进展了一半。因为美国这次重返月球需要用到两枚火箭,其中一枚火箭需要用到NASA的太空发射系统(Space Launch System ,简称SLS),这个已完成了测试。它的主发动机用的是原来航天飞机的氢氧发动机系统,甚至可重复使用。另一枚火箭要用到Space X的星舰月球版。这枚火箭目前还未完全在地球轨道发射成功。因此,美国重返月球计划从火箭运输系统来说,完成了一半。其实美国最初准备的是在2024年重返月球,现在推迟到了2026年9月着陆月球,在2025年9月进行环绕月球的测试。环绕月球的测试目前看来问题不大,但2026年9月着陆月球现在看来几乎是不可能完成的任务,肯定要推迟,具体推迟几年取决于Space X星舰的进展。中国在2030年前登陆月球的目标目前正按计划推进,已完成了项目的正式立项,进展到了3个研制阶段的第二阶段——出样阶段。如果这一阶段顺利的话,最后的正样阶段一般不会发生根本性的改变。完成这3个阶段后,将进行实时发射,一般先后会经历无人飞行、载人绕月飞行、着陆3个阶段。

美国早期阿波罗登月计划的可持续性不是很好,它的发动机技术中断了,但舰体技术持续了下来。我国的登月方案由于继承了长征五号几乎所有的技术,进展相对比较快,但我国目前还未进行登月的飞行测试,比美国的要晚两年。从美国的进展看,情况并不乐观。

人类登月面临的主要困难

关于“登月”一词,眼下有两种理解。一种是人上到月球上的载人登月,另一种是无人登月。无人登月中国、苏联、印度都曾实现过,但即便是无人登月,技术力量强大的欧洲迄今还未实现过;日本、以色列虽然都曾做过尝试,但也没有成功。对此,刘勇引用美国前总统肯尼迪的话说:“我们选择登月,不是因为它简单,而是因为它很难。”据他介绍,当年美国的系列无人行星探测任务“先驱者计划”,前9次实验没有一次是成功的。刘勇曾专门为此写过一篇文章,题为《先驱还是先烈?》。在他看来,如果按照今天的工程标准,当年的登月项目肯定无法上马,因为没有一个总师敢签字。

周炳红指出,登月的困难主要在于两个方面。一方面,无人登月要安全地在月球表面着陆这一点,在地面上是很难实验的。因为月球上是真空的,而且月球表面是崎岖不平的,因此无论地面上如何模拟实验,都无法完全预计着陆时会遇到什么情况。这从最近美国和日本的飞行器着陆时出现的问题可以反映出来。美国的飞行器第一次在飞行途中就出现了问题,没有到达月球;第二次是着陆的时候飞行器栽倒了,因为着陆的位置选择余地很小,即使悬停,燃料的有限决定了等待时间很短,到一定的时间必须往下降。此外,飞行器着陆的时候推进剂有一个水平的飞行速度,而月球表面有一个斜坡,这个斜坡是正向的还是逆向的,事先并不知道。而且,登陆的时候没有一个高精度的月面地形图。日本的飞行器压根就是翻了个跟斗,太阳能电池板没法工作。美国这次重返月球想实验一些新的东西,所以引入了民营公司Space X来承担其中一半的工作,以此来节省登月的成本,使载人登月可持续。将来星舰月球版的着陆在地面上也很难实验,星舰的超重性更使它未来在月球地形下的着陆和起飞将面临一个非常大的挑战。不过Space X宣称未来一年要发射1000发星舰,所以它哪怕前面的100发失败都是实验,没有关系,不像一般的火箭发射那样错误机会很少。大量发射意味着它是有流水线生产的,单发的成本将大幅降低。这也是美国登月的最后一个难点。材料其实是便宜的,贵的是研发试错的成本。有人分析,产量每提高10倍,单发成本可降低20%—30%,但美国目前还远没有达到这个阶段,它计划今年飞行6次(已经试了一次),在着陆飞行之前要在两年内做10次到20次的试验飞行,这么紧密的节奏是前所未有的,过去一般有了些错误都会推迟一年。加之NASA的评审委员会和Space X之间的关系有点紧张,美国的登月很可能赶不上计划的进度。

除了着陆月球时的环境地面上无法模拟外,登陆月球还有两点在地球上很难实验。一个难点是全舰的耦合振动。多级火箭推进剂的流动和管道的变形导致发动机的推力也在发生变化。杨利伟上天时,火箭与飞船曾产生 8 赫兹左右的低频振动,并且与人体内脏产生强烈的共振,更可怕的是,这个震动叠加了8个G的负荷。一般上下8赫兹振动如果超过10秒钟,宇航员就有生命危险,而这个振动环境在地面实验中也是很难解决的。那些没法完全通过第一性原理来预测和计算,且又没法完全在地面上创造条件的实验,只能直接让火箭飞。尽管科学家会想办法模拟实验,比如把火箭分成几级,拽住它在地面做实验,但做这样的实验要花很多钱,相当于要建一栋70米高(近30层楼高)的大型实验楼。当年苏联就是因为没有做这个实验,登月失败。因此有人曾经戏言:苏联为什么没能登月?因为它想便宜地登月。

另一个难点是:要载人需要有很大的火箭发动机。发动机规模大了以后,实验就更难。在早期科学理论还没有今天这么成熟的时候,研制一个新的发动机通常在试验台上要炸40个。这是“在刀尖上玩火”的技术,是工程技术的一个尖峰,相当于每秒钟要烧10吨的烈性炸药,而且还要能控制住它,没法在实际工作中做和实验室里一样的实验。这些大的难点,决定了需要许多工程师共同发挥聪明才智,来保证火箭设计、制造、飞行的正确性。

在月表登陆之外,空中加油也是登月的一大难点。

为何要进行载人登月?

那么,为什么要进行载人登月?刘勇介绍,如果纯粹从探测月球的功能角度来说,目前的设备已经可以替代人,不派人比派人容易做。但是,航天的另一个功能是要拓展人类的生存空间,因此载人是不可替代的。要载人,就需要携带生命支持系统,温控、大气,包括食物、生活等整个系统就比无人的系统要复杂得多。

“就我所知,美国之前的失败很多是因为火箭。第一级点着了,第二级点不着;或者第二级点着了,但是时间不对。一个环节出错,整个项目就无法完成。所以航天是‘100分成功,99分就是0分’。任何一个小的环节出错就彻底失败,尤其是在载人的情况下。”刘勇表示。

周炳红指出,即使将来月球探测器探到了月球表面的地形,仍然需要有人去月球。因为“你不知道着陆的地方到底是软的,还是很硬的,月壤到底多厚,这就好比一个人学游泳或者学骑自行车,哪怕事先看了100本书,把书中的规则和技巧全都背了,跳下水去肯定还是不会游。”

  据介绍,这一轮各国登月的最重要目标都是去月球上找水、确认哪里有水。因为没有水的话,月壤也无法利用。



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