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载人登月,我国还需要攻克哪些难关?(原创.科普) 精选

已有 4719 次阅读 2022-11-28 08:14 |系统分类:科普集锦

严晴晴 沈海军

   许多人可能有所不知,中国目前还没有人登上过月球,尽管我国的嫦娥五号月球探测器已于2020年实施了月面取样并成功返回

19697月,美国阿波罗11号飞船宇航员阿姆斯特朗踏上月球,成为了人类历史上成功登月的第一人;197212月,美国阿波罗计划的收官之作——阿波罗17号飞船顺利返回地球,这期间先后有12人次踏上月球表面,且这些人均是美国人。自此,人类再未踏足月球。

2005年,美国公布了“星座”航天计划。该计划宣称,不仅要实现美国梦寐以求的重返月球目标,后续还要完成载人登陆火星的壮举。不过“星座”计划过于“雄心勃勃”,以至于显得不切实际,仅仅维持了五年就因严重超支而流产。

2017年,美国再度公布了重返月球的计划,代号“阿尔忒弥斯”。“阿尔忒弥斯”希腊神话中指的是月亮女神,这与当年“阿波罗”计划选择太阳神名字遥相呼应。吸取前车之鉴,新的计划保守了许多,目标只限定在重返月球,从飞船到火箭都尽可能利用现有技术进行开发,尽可能节约开支。即便如此,因技术原因,该计划中被命名为“空间发射系统”(简称SLS)的运载火箭还是状况频发,它装备的大推力发动机多次出现氢气泄漏和阀门故障,导致整个任务一拖再拖。

载人月球探测是数千年来中国人的美好梦想,也是世界大国科技水平和国家实力的综合体现。中国想要实现自己的载人登月任务,目前还需要克服哪些难关呢?

首先是运载火箭。

“目前我国的探月工程已经圆满完成了‘绕、落、回’这三步,嫦娥四号首次实现了在月球背面着陆,嫦娥五号还进行了月壤采样并返回,这些都是了不起的壮举。”全国航天科普首席传播专家田如森评价道,“到2030年前后,我国将具备实现载人登月的能力,届时就需要有更大推力和运载能力的重型运载火箭。”

尽管如此,中国现役火箭尚不具备将航天员送到月球的能力。目前,我国新一代的重型运载火箭正在研制中。据中国航天科技人员介绍,按照规划方案,新一代载人火箭由助推器、芯一级、芯二级、芯三级、逃逸塔及整流罩组成,全长约90米,起飞重量约2000吨,可将25吨有效载荷直接送入奔月轨道,或者将70吨有效载荷送入近地轨道。新一代载人火箭的直径与我国目前的长征五号运载火箭一致,高度比长征五号高近1/3,近地轨道运载能力是长征五号火箭的3倍左右,可支撑月球开发活动。

相比之下,美国在20世纪60-70年代就推出了土星五号这样的经典之作,火箭研发能力位居世界首位,但目前2024年重返月球的计划依然步履维艰;当年苏联为了比肩土星五号,研制了N-1系列重型运载火箭,但四次试射均遭遇失败。重型运载火箭研制之艰难,可想而知。

探月和登月航天器对运载火箭载荷能力的要求非常高,特别是载人航天器本身重量颇大,要摆脱地球引力并实现从地球到月球之间两个天体的穿梭,必须依靠拥有足够运载能力的重型甚至超重型火箭。以美国“阿尔忒弥斯”计划使用的SLS火箭为例,如果将其用于近地轨道发射任务,它的有效载荷可达100吨上下,而用于发射到地月转移轨道,其有效载荷就锐减到只有30吨左右。

运载火箭是一套拥有成千上万个部件的复杂系统,如果把这些零部件拆散开来排成队,能够排到几十公里开外,那怕是一个细微之处出现问题都可能酿成严重事故。“阿尔忒弥斯-1”号多次发射推迟的主要原因就出在发动机的冷却管线上。

第二是登月方案。

除了使用一枚重型运载火箭直接将登月飞船送入地月转移轨道这一传统方式外,近来,我国航天领域的专家学者还积极探究,提出其他备选方案。比如利用三枚长征五号加强型火箭,将载人飞船、登月舱等部分分三批次送入地月转移轨道。再进入绕月轨道进行对接。“还有一种方案是利用两枚运载火箭。采用‘人货分离’的方式,将搭载航天员的飞船,以及登月舱和推进舱等分两次送入近地轨道并进行对接组合,再飞向月球。”田如森介绍道。这两者都避开了研制相对困难的重型载人运载火箭,虽然同时也存在航天员滞留太空时间长,发射场发射压力大等短板,但却为我国未来的登月计划提供了另外一种可能。

第三是生命维持系统。

宇航员的生命维持系统也十分关键。月面宇宙射线辐射强度是近地轨道空间站的23倍,且太空中有大量微流星体撞击月面,要求登月服具有足够的抗辐射和防撞击性能。同时,月面昼夜温差在零下180120摄氏度之间变化,不但对登月服的隔热保温性能要求很高,而且还要保持服装材料在高低温交变下的完整性和耐久性。美国目前大力推动商业航天发展,将登月服交给公理太空公司制造,合同价值2.285亿美元。我国若想实现宇航员在月球的长期驻留任务,相应的维生系统也需进一步改进和发展。

另外,相比于向近地轨道发射航天器,探月和登月计划对发射时机的精准把握有着更高的要求,地月相对位置的变化使得适合将航天器发射到地月转移轨道的时间窗口只有几天而已。发射场周边可能出现的雷电、降雨或沙尘等天气都有可能对火箭发射造成影响,一旦某个月错过了窗口期,就只能再等待一个月。所以想要实现载人登月的美好愿景,不仅仅需要制定出最适合国情的登月方案以及技术方面的过关,还需要天时地利与人和的加持。

总之,探月和载人登月是个非常复杂的系统工程,除了要克服上述难关外,我国目前还需要突破一系列其他的技术难题,宇航员的出舱、飞船的对接等,都需要加以时日才能够解决。

事实上,载人登月是一项非常庞大的工程,不仅是一国科学技术实力的体现,也是国民向心力的呈现。这就解释了为什么阿波罗计划能在较短时间内取得成功。随着我国的经济实力提升与国民对航天事业的关注支持,相信未来建设中国月球科研站与中国载人登月的工作一定能顺利进展。

--《科学画报》约稿。



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