「這是一個人的一小步,卻是人類的一大步」,半個世紀前太空人阿姆斯特朗踏上月球表面後發表了激情洋溢的演講,這是人類向多星球物種演變的裡程碑事件。那一刻距離人類發射第一顆人造地球衛星不過才十二年,阿波羅11號登月飛船發射當年我們的東方紅一號人造衛星還沒有上天。
阿波羅-11號飛船由土星五號火箭發射升空
縱觀整個阿波羅載人登月工程有6艘飛船總計將12名太空人送上了月球表面,為什麼美國航天可以在極短時間內取得如此驚世駭俗的成績?
神舟載人飛船總師張柏楠這樣說道:當時阿波羅飛船所採用的很多技術非常冒險,如果現在客觀的評估的話,據說可靠性的評估到不了50%,非常非常的冒險,很多的結構係數選值非常低,包括我們現在團隊在搞的載人登月論證,想用現在的技術設計出阿波羅登月的登月艙也好,飛船也好都非常困難,包括美國重返月球,其實也搞了很長時間難度依然很大。
神舟載人飛船總師張柏楠
這是4年前張柏楠總師在首個航天日活動中的訪談記錄,在這4年時間裡我國航天不再臨淵羨魚,而是退而結網。服務載人登月工程的新一代載人飛船試驗船再有一個多月就要在海南文昌航天發射場由長徵5號B遙一運載火箭發射升空,這是一艘由返回艙與推進艙組成的兩艙結構飛船,發射質量21.6噸,相當於阿波羅載人登月飛船的指令艙與服務艙規模,但技術指標比後者更加先進,可以最多搭載6名航天員,阿波羅飛船則是3名。
新一代載人飛船只能保障將航天員送往環繞月球運行的軌道,而要想完成從環月軌道到月面的轉移就需要「載人登月器」。
新一代載人飛船
重型運載火箭、高軌道空間交會對接、長航時空間飛行、近第二宇宙速度再入大氣層等等,載人登月有諸多技術難關需要攻克,而載人登月器則是工程成敗的核心要素。
阿波羅飛船登月器採用兩艙結構,由下降級與上升級兩部分組成,下降級負責減速制動進入落月航線,以及落月緩衝軟著陸,主動力是一部44.4千牛變推力發動機。
阿波羅11號登月器
上升級是一個封閉式艙體,航天員乘坐其中,降落月面後上升級艙門打開,太空人攀爬舷梯踏上月球表面展開工作,完成月面工作後航天員返回上升級,爾後上升級15.6千牛發動機點火起飛進入環月軌道與環月飛船對接,航天員進入返回艙返回地球,下降級則留在月球表面成為登月遺蹟,上升級最終也將墜落月面成為一堆殘骸。
阿波羅登月器安全冗餘配置極少,因此造成了極大的安全風險,阿波羅11號如果不是太空人及時響應,登月艙將直接撞擊月面。
上升級與下降級分離上升,爾後對接返回艙
時隔將近半個世紀,大洋彼岸現正在推進阿爾忒彌斯載人重返月球計劃,然而現如今他們不可能再使用阿波羅登月的冒險方案,加上近半個世紀沒有實施過任何一次月面軟著陸行動,以至於重返月球之路走得極為艱難。
載人登月也始終是我國航天技術發展的遠大目標之一,通過實施載人航天工程,我們陸續掌握了包括載人天地往返、多人多天、出艙行走、空間交會對接、航天員中期駐留等一系列全套載人航天技術;又通過嫦娥探月工程掌握了地月轉移軌道飛行、環月飛行、月面軟著陸、月地轉移軌道近第二宇宙速度再入返回地球、複雜月背地形軟著陸等一系列全套登月技術。
天宮二號空間實驗室
兩大工程目前都已經進入最後攻關階段,空間站核心艙天和號將於明年發射入軌、代表人類最先進登月控制技術的嫦娥五號月球採樣飛船也將於今年10月奔向月球。兩大航天工程會師月球的日子已經越來越近,而會師的成果毫無疑問就是載人登月。
隨著新一代載人飛船試驗船的亮相,沒有人再質疑我們是否在推進載人登月工程,因為已經實錘落地。嫦娥探月總師吳偉仁去年年初更是明確表示,未來10年左右中國人的足跡將踏上月球表面。
嫦娥四號著陸月球背面
我國實施載人登月工程有著更為突出的後發技術優勢,都知道嫦娥四號是人類第一艘降落月球背面的太空飛行器,而它的現實意義卻不僅限於此。該探測器著陸區地形異常複雜,意味著我們已經掌握複雜月面地形著陸能力,為最終實現全月面到達任務能力夯實了基礎。
之所以能在複雜月面軟著陸得益於基於導航慣性測量單元、雷射測距、微波測距、光學成像、雷射三維成像等傳感器糅合而成的機器視覺系統,該系統也使我國月面軟著陸控制能力達到世界領先水平,而這一切也必將服務於後續載人登月工程。
嫦娥四號落月前影像
我國啟動載人登月器項目的時間遠遠早於大洋彼岸的阿爾忒彌斯計劃,早在2018年載人航天辦公室就向全社會科研單位公開徵集載人登月器設計方案。作為載人航天工程研發中心航天科技集團空間技術研究院自然是當仁不讓,在方案徵集當年該院就申請了一項載人登月器方案專利,通過觀察這款新型載人登月器的設計,可以從中感受中國航天人的腦洞大開與趕超勁頭。
空間技術研究院登月器設計方案
新型登月器單次登月人數相較於阿波羅飛船由2人翻番為4人,可重複登月使用是其重大工程技術創新。
新型登月器由阿波羅飛船的二級升級為三級(減速級、著陸級、上升級),減速級在減速制動進入落月軌道後被拋掉,爾後由上升級提供動力繼續減速落月,航天員完成月面任務後再由上升級帶上著陸級一併返迴環月軌道。
「敞篷車」式登月
更令人驚詫的是,新型登月器上升級不是密封艙,航天員只需依靠艙外航天服和臍帶維持,就好比是坐著「敞篷車」登月。優勢是大大降低登月器重量,登月航天員人數翻番,著陸級僅提供月面著陸起飛支撐與攜帶工作設備功能。
新型登月器之所以設計為「敞篷車」構型,是對其功能用途的精準定位,登月器只負責在數小時時間內完成月面與環月軌道往返,它僅僅是一個交通工具,月面長期駐留可以發射部署一個月面科研生活艙或者月球基地。
921新一代重型載人火箭
重複使用功能更是大幅度降低了運營投入,別看一艘登月器重量也就是25噸,要知道它的背後是一枚921新一代重型載人火箭的生產與發射動輒十幾億人民幣成本。重複使用也是我國載人登月工程完全迥異於阿波羅工程的到此一遊式登月,是著眼長遠的可持續發展模式。
著眼整個地月空間,我國接下來將採用人機協同方式探索開發月球,嫦娥五號、嫦娥六號進一步驗證登月返回技術,嫦娥七號更是大規模機器人探月組合拳,該飛船由中繼星、飛躍探測器、勘察巡視器、著陸器、軌道器五大部分組成,將在月球構建天地一體協同探測網。緊隨其後的嫦娥八號還將驗證月壤3D列印蓋房子技術,為航天員長駐月球打基礎。
嫦娥七號
載人登月工程也將與嫦娥七號、八號乃至後續機器人探月項目同步實施,一幅波瀾壯闊的開發月球、建設月球的21世紀圖景已經展現在我們面前,前景可期,而我們已經在路上。
前文所述的新型載人登月器也只是眾多設計方案中的一種,窺一斑而見全豹勤勞智慧的華夏文明一定可以為人類開闢更多徵戰宇宙的新路徑。
統籌地月空間
有人說既然阿波羅工程已經代表人類首先登月,為什麼我們還要去月球?要知道,偌大的月球豈是12名太空人的到此一遊就能完成探索,真正探索開發月球還需要人類持之以恆數百年乃至上千年的不斷發力,而這種千年大計也是我們的長項,君不見前後兩千餘年建成橫亙在亞洲大陸的萬裡長城,還有歷經兩千餘年至今受用的京杭大運河、都江堰。
人類文明是浩瀚宇宙中的一粒塵埃,如果想要這粒塵埃發光發熱並邁向更加無盡的未來,華夏文明的貢獻將是至關重要。