cosmos 发表于 2019-7-27 00:17:38

中国航天何时能够实现载人登月?

  在讲我国何时登月前,先讲一讲载人登月的主要四种方案:
  1. 直接降落月球。
  这种方式采用直来直往的技术路线,一枚超重火箭将飞船直接送出地球后,飞船能直接整体降落月球表面并返回,完全没有太空中交会对接过程。彼时人类对在太空中两个飞船部分交会、对接、组合、分离一无所知,是一个巨大的技术风险,从飞行过程控制和技术难度上讲这种方案最简单、风险较低。但它的质量会很大,达到80吨级别,相比而言实际的阿波罗飞船仅在45吨左右。
  这意味着连土星五号这种3000吨级别的火箭远远不够发射,NASA需要研发一种叫做土星C-8的火箭,它的重量要逼近5000吨,技术难度大幅超出当时能力上限。要知道直到2019年,人类都没有再造出如同土星五号一样强大的火箭。

  左图的土星五号已经是人类之最、单发10亿美元(换算后),可以想像右边的土星8会更加夸张(图源:G.DE CHIARA)。
  2. 月球表面集合。
  这种方式分两次任务进行,第一次任务发射将携带大量燃料的无人探测器送上月球表面,第二次任务将载人飞船送到附近,然后将火箭燃料从无人探测器转移到载人飞船后返回。它的优点在于可以降低对飞船质量的要求,也就是运载火箭发射能力的要求。
  缺点在于两次降落月球难度过大,如果载人飞船不能极其精确降落到燃料附近将会无法返回。此外,在月球表面长期存放燃料和转移燃料都将极其困难。因而这个方案很快被放弃。
  3. 地球轨道集合。
  通过数次小型火箭发射,将一系列飞船模块送到地球轨道附近组装成整体飞船,后续飞船可以直抵月球并降落,完成任务后再整体起飞返回地球。这种方案对单次运载火箭发射能力的要求最低,甚至无需使用土星五号级别的重型火箭。
  缺点在于它需要多次使用小型火箭组合空间站,甚至超过10次,这种方式需要多次在地球附近完成探测器交会对接,难度虽大但总体而言是一种性价比很高的方案。不过,随着火箭鬼才冯布劳恩对土星五号的研制很快实现重大突破,这个方案也落败。
  4. 月球轨道集合。
  飞船将被整体送到月球轨道,期间登月模块和轨道舱将分离,登月模块着陆月球后其载人部分将返回月球轨道与轨道舱再次对接,进而返回地球。它的难度在于月球附近的交会对接,那里远离地球难度很难预估,万一发生危险毫无办法。但总体而言,它可以通过一枚土星五号火箭即可完成,且登月模块属于可扩展部分。这意味着NASA有更多太空竞赛空间:如果最终确定不登陆月球,亦可单独完成载人环绕月球任务,也将是人类巨大成功。而如果确定登陆月球,即可继续进行登陆模块研制。此外,它还拥有一个很大的优点:在携带拥有推进能力的登月模块时,登月模块可以成为核心推进系统故障后的备份,相当于太空救生艇的效果。
  历史总是充满了惊喜,在1970年4月的阿波罗13号任务期间,飞船在前往月球时主体推进舱发生小型爆炸,导致失去动力且轨道舱停止工作,正是还未执行任务的登月模块拯救了三名宇航员,提供了动力和生存空间,也因而实现了人类航天史上最伟大的“失败”。
  因而,性价比最高的是月球轨道集合。不过地球轨道集合也是极有可行性的。但目前来看,随着我国新一代载人飞船设计完毕,大概率选择的是月球轨道集合方案,也就是阿波罗登月一样的方案。那么,看目前的需求,有至少三个部分我们必须实现:
  1.飞船。
  我国目前已经在设计新一代飞船,它的设计和阿波罗登月的推进舱、返回舱组合非常接近了,总重可最高达20吨,完全有能力实现载人绕飞月球或小行星探测,这个目前并没有问题。

  我国新一代飞船两种构型
  2.登陆舱
  但是,降落月球一定需要一个登陆舱和小型的上升级。
  晒一下我的阿波罗模型简单讲解下原因,一个全套登月飞船是下面这个样子(请忽略出镜的啤酒)。

  它实际上是两个部分,左边这部分我们已经认为有了(新飞船),但是右边完全没有。

  完全分开来是这样的,从左到右前两个有了

  登陆舱下降级部分,最右边那个,当于一个大版的嫦娥三号和四号,我国有一定能力做出来。
  但目前小型返回舱/上升级部分(第三个)我们并没有能力,需要做进一步的研究。
  不过这并不是最难的部分,我国现有能力下我认为有足够经费后可以在10年内很快实现。
  3.火箭。
  选择月球轨道集合方式需要巨大的火箭,目前来看现有的长征五号火箭是不可能的,它的最大月球转移轨道运力才有8.2吨,最大限度只能运输一个老版飞船,但老神舟飞船是没办法离开近地轨道的,通过范艾伦辐射带都活不下去。
  因此,我们必须得等待比肩土星五号的火箭,才有可能载人登月,这就是未来的长征九号。在最近的珠海航展上我国也展出了大型的新一代大型载人火箭,最重可以达到2000吨,但是它的能力也不足以实现直接登月,而只能实现绕月。
  因而,必须作出长征九号这种4000吨级别的大型火箭,甚至还要做出来载人版本,才有可能实现载人登月。

  长征九号是个能和美国下一代重型火箭SLS谈笑风生的大国重器(图源:POCKN)
  这个目前我国正在攻关最为核心的480吨级火箭发动机(航天科技集团),火箭生产制造基地(天津)、发射基地(文昌)、结构制造能力(例如10米直径级壳体,某厂)能力,都基本有了,大概5-10年能成熟。
  如果做到完全成熟的载人重型火箭,配合新版纯载人火箭和全部配套飞船啥的,估计需要15-20年,也就是2035前后。
  个人认为,在彼时国家依然愿意大规模投资、人民支持的情况下,就可以届时实现载人登月了。
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