東方紅一號成功發射使我國成為全球第5個獨立發射人造衛星的國家,神舟五號載人飛船天地往返使我國成為全球第3個獨立掌握載人航天能力的國家,嫦娥一號成功部署使我國成為全球第4個具備獨立探月能力的國家,它們分別是中國航天發展史上的三座裡程碑,而上個月成功實施的嫦娥五號任務則是第四座裡程碑。
嫦娥五號是中國航天六十餘年發展史中前所未有的大勝利,刷新了嫦娥探月工程六戰六捷的驕人戰績,100%成功率創造了人類探月歷史上的最高紀錄,使我國成為全球第三個掌握月球採樣返回能力的國家,更是全球第一個應用月球軌道無人自動交會對接核心技術的探測器。
整個任務歷經發射入軌、地月轉移、近月制動、組合體兩兩分離、月面軟著陸、月面自動採樣、月面起飛、環月交會對接、環月等待、月地轉移、近第二宇宙速度再入返回總計11個重大任務階段,可謂是環環相接絲絲入扣。
重達8.25噸的嫦娥五號月球採樣飛船採用四艙結構設計,分別是軌道器、返回器、著陸器、上升器,與半個世紀前的阿波羅載人登月飛船異曲同工。
之所以選擇如此高難度的任務方案有兩點原因,首先月軌交會對接方案可以獲取更多的月壤樣品,1731克月壤採集重量是蘇聯3次採樣總和的5倍有餘,再就是為了驗證載人登月的相關技術。
嫦娥探月工程圖形標識中的那一雙腳印其實早已宣示中國航天載人月球探測的遠大理想,那麼攜嫦娥五號大勝之威的我們究竟何時能夠實現這一宏偉目標呢?
在嫦娥五號發布會中探月工程副總指揮吳豔華先生對此作出了權威解答,他指出我們的初步意向是先搞(載人登月)關鍵技術攻關,等我們地球軌道空間站(天宮)建成用好再規劃論證是不是要搞載人登月。
看到這一解答有些人可能會失落,而這種失落是只見樹木不見森林。
吳豔華先生在做出上述表態後話鋒一轉,強調中國載人登月不同於美國載人登月,當時他們和蘇聯搞星球大戰,以誰先上去、上得多為主要目的,我們要搞載人登月一定是服務於科研,服務於探索未知,不是為了上人而上人,為什麼我們嫦娥五號要弄這麼複雜這麼高精尖的環節和技術呢?月面起飛、月球軌道無人自動交會對接,包括再入返回,這都是未來載人返回的必要技術,通過這些驗證也是為未來載人登月打基礎。
幾句話輕鬆化解了登月競賽風險,而寥寥數語的背後是我國航天工程縱橫捭闔的戰略布局,以及植根強大國力的高效執行力。
就在此前嫦娥五號任務實施之際一張十五年前的舊報紙給出了對比,嫦娥探月工程十六年一路走來按照繞落回三步走戰略在既定的2020年圓滿完成了所有規劃任務,反觀那些摩拳擦掌躍躍欲試的其他玩家無一例外全部中道崩殂。
正如前文所述嫦娥探月工程六戰六捷,嫦娥一號、二號、三號、五號T1、四號、五號六次任務全部成功,其中三號、四號、五號更是連續三次成功登月,從勝利走向勝利的起點就是剛剛進入新世紀不久(2004年)關於探月工程高瞻遠矚的英明決策。
毫無疑問我們已經成為21世紀人類探月事業的先鋒力量,後來的諸多玩家實施登月行動紛紛折戟月球的事實更進一步證明了嫦娥探月工程的偉大。
在這樣一個新形勢下大洋彼岸你是跟還是不跟呢?我們已經掌握了月球探測領域的發展主動權,處於進可攻退可守的絕對C位。
中國航天的載人月球探測工程絕不僅僅是說說,嫦娥五號也並非驗證載人登月技術的唯一實踐,近十年來我們已經為此布局了一系列「進可攻」的先手棋。
2021公曆新年伊始航天科技五院總體設計部發布新年賀詞,賀詞中明確指出2020年成功發射的新一代載人飛船試驗船開啟了載人月球探測工程的新篇章。
載人登月飛船與嫦娥五號一樣都需要四大艙體,即前文提到的軌道器、返回器、著陸器、上升器,新一代載人飛船試驗船就包含了軌道器與返回器,即服務艙與載人返回艙,該型飛船是人類21世紀服務載人登月用途率先實施完整版構型首飛任務的飛船。
截至目前大洋彼岸同樣服務載人登月用途的獵戶座飛船僅實施過返回艙再入試驗,並不包含服務艙。
新一代載人飛船試驗船發射質量21.6噸,由長徵五號B遙一運載火箭發射升空,此次任務既驗證了胖五的近地軌道運力與大型載荷分離技術,也驗證了新飛船應用的一系列新型技術裝備。
進入軌道後在船載新型GNC分系統控制下實施了7次不依賴地面測控的自主變軌行動,將飛船軌道抬升至遠地點七千餘公裡的位置,並由此以近第二宇宙速度高速再入大氣層,目的是驗證高速半彈道跳躍式再入返回與近3000攝氏度熱流燒蝕防熱能力。
高速半彈道跳躍式再入返回是指返回艙以較小的特定角度再入大氣層,當抵達指定空域高度後,利用返回艙大底弓形激波二次起跳,並穿越100公裡卡門線進入太空空間,在經歷一段空間滑行飛行後緊接著實施第二次再入大氣層,此類彈道被形象地稱為「太空打水漂」。
跳躍式彈道首要目的是降低過載,如果沒有跳躍則意味著返回艙將產生數十個g的高過載,航天員不可能在這種過載環境中生存。阿波羅飛船返回艙的過載是7個g,處於航天員承受上限,而嫦娥五號按照載人標準驗證的高速半彈道跳躍式再入返回g值僅有不到4.8個g。
新飛船返回艙採用倒錐體構型,此構型不同於神舟載人飛船擁有唯一配平點的鐘形體構型,前者有多個氣動配平點,這意味著姿態控制的複雜度更高。
在此之前人類沒有任何一款倒錐體構型返回艙實施過高速半彈道跳躍式再入返回,昔日阿波羅載人登月飛船的倒錐體返回艙也曾有過跳躍操作,但沒有一次躍出大氣層。
倒錐體返回艙構型核心優勢是再入機動能力更強,可以獲得更長的再入航程,利於月地軌道全時域實施返回行動,可以極大程度擴展返回時間窗口,利於提高載人月球任務的安全性。
為了使新飛船倒錐體構型返回艙在距離地面約60公裡處成功起跳,航天科技六院801所為此研發應用了全球最大推力的單組元HAN基無毒無汙染姿控發動機,使得返回艙再入精度更有保障,結合倒錐體構型固有的氣動優勢,雙重保障返回艙順利起跳。
高速半彈道跳躍式再入返回的次要目的是降低防熱壓力,可以用更少的防熱材料實現第二宇宙速度再入隔熱,餘出來的重量可以用於擴大返回艙內部空間,搭載更多的有效載荷設備。
雖然降低了防熱壓力但新飛船依舊應用了具有國際領先水平的輕質碳基微燒蝕防熱材料,進一步降低了防熱結構重量。
新飛船返回艙在執行近地軌道任務時可以搭載6至7名航天員,執行登月任務時可搭載4名航天員,為了適應大質量太空飛行器再入減速需求,返回艙首次應用了群傘減速裝置。
為了滿足可重複使用要求,新飛船返回艙在著陸末段進一步創新應用了氣囊緩衝裝置,以往神舟載人飛船著陸末段都由緩衝發動機點火制動減速,但也因此導致著陸後的姿態失穩。
新飛船採用氣囊緩衝裝置後可以更加平穩地著陸,且能始終處於直立狀態不會傾覆,這樣一來不僅航天員著陸體驗更舒適,返回艙搭載的載荷設備也能處於最佳保障狀態,利於再次重複使用。
新飛船返回艙既定目標是在更換防熱結構的前提下能夠重複使用10次,這將極大程度降低載人月球任務的運營成本。
新一代載人飛船試驗船與嫦娥五號任務的實施意味著在2020年僅一年時間裡我們實現了服務載人登月目標兩次重大任務的連續成功,展現出中國航天實施重大工程任務非凡的執行力,這是量的積累觸發了新質變。
每每提到大洋彼岸SpaceX公司目前正在推進的星艦項目,有些人總是羨慕其快速迭代的執行力,而率先應用快速迭代理念的並不是他們,而是我國新一代載人飛船。
在新一代載人飛船之前的2014年4月18日旨在驗證倒錐體氣動構型的多用途飛船縮比返回艙立項研製,僅用時30個月這款返回艙從無到有,隨即成功實施了首飛任務。
緊接著2017年大幅度更新技術狀態的新一代載人飛船試驗船立項,短短3年時間這款服務載人登月用途的完整版構型飛船從無到有,並成功實施首飛,與之對比大洋彼岸獵戶座飛船用時十年反而落後於我們。
談到這可能有人要打抱不平了,人家龍飛船都載人了你還在這比什麼?且不說這款只能執行近地軌道任務的飛船無法與深空版飛船相提並論,即便其自身的發展時間軸也有十四年時間,植根於世界第一航天產業鏈的載人龍飛船甚至比神舟飛船研發周期更為漫長。
書歸正題,載人登月工程在有了新一代載人飛船試驗船這塊敲門磚之後還需要著陸器與上升器組合體,這塊我們準備得怎麼樣了?
載人用著陸器與上升器組合體的研製基礎更為紮實,放眼全球目前唯一具備月面軟著陸能力的僅有中國航天,另外兩家昔日的登月能力已經淹沒在浩如煙海的歷史長河中,想要再次擁有只能從頭開始。
嫦娥三號、四號、五號連續三次成功登月的事實證明了基於機器視覺理念登月制導系統的高可靠與高安全性,這是一種融合了雷射測距測速、微波測距測速、雷射三維成像,以及計算機決策的自動登月系統,屆時輔以更為智能的人工(航天員),可靠性將進一步提升。
那麼我國服務載人登月用途的著陸器與上升器究竟長什麼樣?與嫦娥系列著陸器平臺有什麼區別?
去年舉辦的2020中國航天大會為我們在某種程度上揭曉了答案,從展示的方案規劃中可以看到一款雙人登月器系統,通過查證資料後得知這是由航天科技五院於2016年提交的「對稱式座艙布局雙重氣密防護載人月面著陸器」發明專利。
該登月器有兩個對稱布局的座艙,可以同時搭載兩名航天員登月。如此布局的優勢是座艙距離月面相較於阿波羅飛船登月艙更近,便於航天員出艙接觸月面,同時座艙擁有大視場舷窗便於航天員觀察著陸區指揮飛船著陸,兩座艙間有密封通道,航天員可先後經此通道進入登月器座艙,兩座艙各有一個密封艙門,密封艙頂部有異體同構周邊對接機構。
航天員進入座艙後首先基於艙外航天服提供第一重氣密防護,若艙外航天服故障失效密封座艙同步提供第二重氣密防護。登月器配置兩臺主減速發動機,發動機內側有羽流導流板,同時配置16臺姿控發動機。
有些人納悶了,為什麼時隔半個世紀人類登月能力還是局限於單次兩人?
因為我們不是為了上人而上人,而是本著可持續發展的理念進行載人登月。這是一款採用對稱布局設計的整體降落整體起飛登月器,也就是說它不再劃分著陸器與上升器,而是將兩者合二為一,目的是什麼呢?分離著陸器不是可以有更輕質的起飛重量嗎?為什麼不分離?
因為整體起飛整體著陸旨在實現登月器的可重複使用,如此一來可進一步降低載人月球工程的常態化運營成本,這是與刷紀錄式的阿波羅載人登月本質不同的地方。
常態化運營的核心目標是建立常態化有人值守的月面科研站,進行人機協同探月,而建立月面科研站的理想著陸點通常位於月球南極地區,為了解決極區登陸任務的測控難題,我們還將在月球軌道部署數據中繼通信星座,屆時我們將看到更多的鵲橋系列衛星運行在不同的環月軌道上。
隨著載人登月工程的深入開展,屆時我們還將發射部署載人月球軌道空間站,可重複使用登月器可依託該空間站實現人員中轉與燃料在軌補加。