這個要求似乎暴露了我國未來在月球軌道上建設月球空間站的可能,因為只是登月的話完全用不上數百噸對接的高標準要求!
我國在無人探測月球的技術上已經相當成熟,從嫦娥一號與二號的環月探測,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》上列出了我國已經突破或正在突破的十大技術體系:
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被正式命名為CZ-10,此前一直的傳聞已經被正式立項代替,目標是在2030年前后完成登月任務。
CZ-10是一個重新啟用的“舊型號”,早在1970年代,錢學森錢老就曾提出過一個非常大膽的方案,10年內研制成功近地軌道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,這是延續了我國曾經的登月夢想,未來將會在我們這一代人中完成。
CZ-10對應的技術則是此前龍樂豪院士透露的兩次發射、月軌對接的CZ-5DY版,由于使用了大量CZ-5的成熟技術,因此兩者繼承性很強,不過CZ-10的助推器和芯級使用的是采用泵后擺技術的增推型號YF-100K,性能要比CZ-5的YF-100高不少。
登月火箭可不止是發射用的重型火箭技術,還有地月轉移軌道火箭,姿態控制火箭、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構對接機構
我國采用的是CZ-10兩次發射,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,當然一次發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,并且同一套對接機構可以適應從3噸到幾百噸的航天器的對接任務,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,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
這是載人登月中必不可少的技術,此前在嫦娥3、4、5的落月與采樣返回任務中,7500N的變推力發動機立下汗馬功勞,之所以這臺發動機那么重要,是因為嫦娥任務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穩著陸的能力。特別是最后的推力減小、緩緩下降、最后落月需要“絲般順滑”,因此對發動機推力調節要求很高。
這臺7500N變推力發動機推力變比為6.87:1,可在8250N至1200N之間調節推力,啟動次數大于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射質量也只有3.78噸,它抵達月面時的質量只有1.2噸,大部分都是燃料,在地月轉移軌道與月球減速,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的變推力發動機來提供降落減速,未來的載人飛船月面登陸至少也將達到10噸以上。
以阿波羅登月為參考,其月面登陸質量在13~14噸之間,按比例配置變推力發動機,至少也要達到75~100千牛的變推力發動機,而且其調節比例可能要提高至10:1,這個難度肯定是不會小的。
月球晝夜溫差的熱控技術
載人登月任務需要在月面數天,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過考驗后發現散熱沒有問題,已經可以“全時適應”。
登月飛船返回地球著陸技術
從月球返回的飛船接近第二宇宙速度,原因是這樣的,從地球出發抵達月球航天器必須具有接近10.8千米/秒的速度,這個速度沒有達到逃逸地球的11.2千米/秒,但也差了不多。當它返回地球附近時也將達到這個速度。
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:
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10G,就算“久經訓練”的宇航員是一次相當難受的經歷。
減速再入技術要求低:宇航員舒適,但代價太大
減速進入環地球軌道再擇機再入,這種方式可以達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量可達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
目前這種減速發動機基本用的是肼類燃料,也就是各位俗稱的毒發,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,如果按發動機的效率/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,當時能做到這個結果已經算不錯了。
我國已經在嫦娥五號T1飛行試驗器(CE-5/T1)上首次實現了跳躍式返回方式,在嫦娥五號采樣返回正式應用了這種返回方式,這表示我們已經解決了第二宇宙速度再入返回的技術難題,但對于載人飛船的返回,仍然需要做大量的技術驗證工作。
另外諸如通信與系統集成還有可維護性等,根據我國在載人航天上的經驗,會在載人等約上來一個大爆發,將各種突破的技術應用到載人登月上,雖然說我國現在還沒有登月,但隨著我國在載人航天上的進展,已經到了水到渠成的時刻。
阿爾忒彌斯計劃中最重要一個關鍵節點就是月球空間站,這是NASA在地球和月面之間的中轉站,月面著陸飛船可以重復使用,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年都沒有進步。所以阿爾忒彌斯計劃采用如此龐大的架構也是必然的。
阿爾忒彌斯計劃的月球空間站構成
我國是第一載人登月,關鍵是完成登月并安全返回,但以中國航天目前的技術,在載人登月的基礎上可以有一些突破,為未來的國際月球科研站打下一些基礎,國際月球科研站是在月球表面或月球軌道上建設可進行月球自身探索和利用、月基觀測、基礎科學實驗和技術驗證等多學科多目標科研活動并長期自主運行的綜合性科學實驗基地。
月面基地顯然更合適一些,因為月球軌道上能做的工作大部分在近地軌道空間站上也能完成,而月面基地則可以研究月球,兩者的性價比顯然不在同一水準上,如果是月面基地,其實也需要月球軌道站來作為中轉,功能有些類似于阿爾忒彌斯計劃中的月球軌道空間站。
NASA計劃中的月球空間站規模不大,艙室也不多,主要還是完成中轉與補給停留,另外還將擔任前往火星途中的修整,在載人登月以后,載人火星任務也將被提上日程,這個幾百噸的對接要求未來承擔的任務可是相當重要的。