攜嫦娥五號大勝之威,航天員何時登月?雙重防護載人登月艙亮相

2021-01-08 巔峰高地

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。

嫦娥五號月球採樣返回探測器

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。

嫦娥五號11個重大任務階段

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。

探月工程圖形標識

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。

天宮空間站天和核心艙今年發射

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。

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。

連續三次成功登月

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。

月船二號與創世紀號接連折戟月球

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。

載人登月時間已經給出

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。

航天科技五院總體設計部發布新年賀詞

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。

長徵5B遙一整流罩包絡新一代載人飛船

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」。

新飛船自主變軌抬升軌道高度

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。

高速半彈道跳躍式再入(太空打水漂)

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。

新一代載人飛船倒錐體構型返回艙

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。

單組元HAN基無毒無汙染姿控發動機

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。

大型群傘減速

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。

神舟九號返回艙發動機反推著陸

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。

氣囊緩衝

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。

平穩落地的新一代載人飛船試驗船返回艙

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。

多用途飛船縮比返回艙

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。

載人龍飛船比神舟研發周期更為漫長

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。

基於機器視覺理念的自主落月

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。

雙人登月艙

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。

雙重氣密防護載人月面著陸器

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。

航天員座艙配置有大視場舷窗

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。

整體降落與起飛利於重複使用

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。

相關焦點

  • 嫦娥五號任務是中國載人登月的重要一步
    嫦娥五號探測器結構構成與載人登月飛船的結構構成類似嫦娥五號探測器包括:著陸器,上升器,軌道器和返回器四部分,對比美國載人登月的阿波羅11號,阿波羅11號的結構構成是:指揮艙,服務艙,登月艙。登月艙包括下降級和上升級。
  • 嫦娥五號登月採樣!載人登月就在眼前!
    不得不說,可以登陸月球的「玉兔」,是中國登月實力的最直接體現,我們只需將登月主體從探測器變為太空人即可;就載人飛行技術而言,從神舟五號開始,中國的載人航天已經實現七次。在一系列的飛行中,我們的太空人也進行了一系列的科學研究試驗,太空飛行器生活體驗,艙外太空行走等。
  • 我國為什麼不載人登月?嫦娥五號和載人登月有什麼關係
    在月球已經完成24個月晝工作期,順利度過647個地球日,據了解嫦娥四號的設計壽命為12個月,玉兔二號的設計壽命為3個月。目前都還處於非常良好的工作狀態,為我國提供重要的月球探測數據。據了解嫦娥五號目前已蓄勢待發,預計在11月24日奔向月球,嫦娥五號由軌道器、返回器、著陸器、上升器四個部分組成。本次任務由長徵五號運載火箭完成發射任務。
  • 嫦娥五號登月取樣,中國載人登月啥時候能實現?總師:時間問題
    文/白夜 11月24日凌晨,我國文昌發射基地將搭載嫦娥五號的長徵五號運載火箭成功發射,引起大家的關注。按照計劃來看,嫦娥五號探測器將成為中國首個實施月面取樣返回的太空飛行器,也是我國探月工程中最為關鍵的一步。
  • 倒計時開啟,嫦娥五號待發,為何說這是中國載人登月的一次預演?
    官方給出的時間是在明日凌晨時分,長徵五號將攜嫦娥五號升空,而倒計時開啟,關注嫦娥五號發射,我們需要了解些什麼呢?因此在設計上,嫦娥五號包括上升器、著陸器、軌道器和軌道器四個部分,是目前嫦娥系列登陸器中設計最複雜的一個。有意思的是,很多人認為,此次嫦娥五號發射還有一個很特別之處,那就是為將來中國載人登月做一次預演,為何要這樣說呢?
  • 嫦娥攬月|嫦娥五號任務圓滿成功,中國離載人登月還有多遠?
    17日,嫦娥五號探測器的返回器攜帶月壤樣品成果在內蒙古四子王旗著陸場著陸,嫦娥五號任務獲得圓滿成功。此次嫦娥五號探測任務實現了多個首次,其中多個首次還為載人登月技術發展積累了相關工程經驗和技術基礎,比如首次上升器月面起飛、上升器與軌返組合體月球軌道首次對接。
  • 嫦娥五號歸來後,載人登月離我們還有多遠?
    嫦娥5號二次射入月地轉移軌道,歷時23天的嫦娥5號工程也即將進入尾聲。根據計劃,嫦娥五號將於16~17日在距離地球5000公裡處空投採樣樣品,而採樣樣品最終降落在四子王旗著陸場,工作人員已在零下30多度下著大雪的著陸區等待多時,為此次五姑娘的月球之旅畫上完美的句號。
  • 嫦娥四號月背大捷,嫦娥五號蓄勢待發,有人問:何時載人登月?
    另一個好消息就是嫦娥四號探測器在1月3日完成了月背著陸,這不僅是我國的首次,同時也是人類歷史上的首次。著陸之後,好消息更是一個接著一個,玉兔二號在月背留下人類歷史上首個腳印、月背首張全景環拍照片、兩器互拍、月球種菜,每項工作都開展的有條有理。
  • 阿波羅飛船半世紀前載人登月,嫦娥五號後來居上靠的是什麼?
    探測器順利入軌後航天科技五院終於公開了珍藏已久的嫦娥五號完全體照片,看著這張高清照片熟悉航天的人們不由得聯想起半個世紀前連續六次載人登月的阿波羅飛船。 嫦娥五號完全體 的確,兩者構型有一定的相似度,比如都由四大艙段組成,阿波羅飛船有服務艙、指令艙、下降級、上升級,可以分別對應嫦娥五號的軌道器、返回器、著陸器、上升器,這是因為二者選擇的都是登月返回效能最大化的
  • 嫦娥五號傳回照片,美國登月是假的?2大疑點至今無法解釋
    隨著嫦娥五號成功發射,除了採集月球西半球風暴洋區域的月壤樣品外,和其他「嫦娥」系列探測器一樣也傳回了大量的照片,除了月球照片外還有探測器著陸時的照片。隨著嫦娥五號的順利著陸,國內外對於美國的「阿波羅」登月的質疑聲又開始增加,首先質疑聲最大的還是美國載人登月的具體時間。
  • 長徵九號落選首輪載人登月?一款新火箭脫穎而出,進展勢如破竹
    去年上半年我國成功首飛了服務載人登月任務的新一代載人飛船,俗話說運載火箭運力有多大,航天舞臺就有多大,飛船系統只是通往載人登月目標的第一步,除此之外還需要有與之運力匹配的載人運載火箭。早在2011年我們就已經開始載人登月任務論證,新一代載人飛船就是論證工作的具體實踐,火箭系統同樣是論證的核心焦點之一,經過多輪迭代論證後火箭選型基本已經塵埃落定。
  • 「嫦五」返回方式獨特 載人登月未來可期
    近日,廣州日報全媒體記者就嫦娥五號登月專訪了航天專家、北京大學地球與空間科學學院教授焦維新。焦維新表示,這次嫦娥五號登月將面臨3大難點,為避免返回時的高溫和巨大的過載加速度對返回艙造成損害,返回艙將採取「打水漂」的方式穿過大氣層。而中國此前已經做了相關的實驗和周密的準備,焦維新對於飛船的成功返回非常有信心。焦維新還透露,目前我國正在緊鑼密鼓地為載人登月做各項準備。
  • 嫦娥5號後,2030年將首次載人登月!哪個航天員會踏上月球?
    中國自古就有「嫦娥奔月」的傳說,寄託著中華民族探尋浩瀚太空的美好願望。24日凌晨4點30分,這是令所有中國人激動和自豪的時刻,長徵五號遙五運載火箭在海南文昌航天發射場點火升空,嫦娥五號奔月而去。作為我國無人探月的收官之作,嫦娥五號幾乎匯聚了目前中國航天所有最頂級的技術
  • 嫦娥五號奔向月球,中國向載人登月又邁進了一大步
    嫦娥五號幾乎匯聚了目前中國航天所有最頂級的技術,而這次發射也將是中國載人登月的一次超前預演,為十年後的載人登月進行技術驗證。如果沒有這個量級的火箭,不僅嫦娥五號也無法順利發射,之後的載人登月和空間站計劃也根本不用想。為什麼要上月球「挖土」如果一切順利,再過一段時間嫦娥五號將在月球正面最大的月海風暴洋北部呂姆克山脈附近著陸,這是人類之前從未到訪過的的月球區域。
  • 嫦娥五號返回地球,為何中國多次上太空卻不直接登月?
    中國很早就有了登月計劃,並且可能在2030年左右實現載人登月,現在我國正處於登月關鍵技術攻關和登月籌備的階段。一旦技術條件達到要求,我國隨時可能完成登月任務。作為登月的前奏,我國已經進行過多次月球探測,早在2004年,中國正式開展月球探測工程——「嫦娥工程」。
  • 嫦娥五號哪些技術比美蘇更複雜先進?已為載人登月打下紮實基礎
    但其實不然,嫦娥五號的登月過程遠比蘇聯月球-16號探測器複雜,因為這個月球探測器除了要完成月球採樣外,還是我國載人登月工程的探路者。最後返回器單獨再入大氣層,降落在內蒙古四王子旗,完成整個登月-返回任務。由於存在月球軌道上的無人分離和對接步驟,所以嫦娥五號的登月-返回難度遠高於月球-16號。
  • 嫦娥五號奔向月球!中國向載人登月又邁進了一大步
    嫦娥五號幾乎匯聚了目前中國航天所有最頂級的技術,而這次發射也將是中國載人登月的一次超前預演,為十年後的載人登月進行技術驗證。4 個月前發射的火星探測器『天問一號』已經在太空中飛行了 3 億公裡,嫦娥五號讓中國航天再次開啟了一個全新的篇章。
  • 載人登月發動機告捷!長程點火試車圓滿成功,建功立業的時候到了
    中國人的足跡何時可以踏上月球?這是一個困擾我們長達數十年的世紀之問,過去受限於人口多底子薄的現實國情我們只能紙上談兵暢想未來,而現在建功立業的時刻已經到來。新飛船返回艙直徑4.5米,近地軌道任務最多可以搭乘7名航天員,執行登月任務時可以搭乘3名航天員。
  • 嫦娥5號後中國將在2030年首次載人登月!已飛天的航天員誰有希望
    中國自古就有「嫦娥奔月」的傳說,寄託著中華民族探尋浩瀚太空的美好願望。24日凌晨4點30分,這是令所有中國人激動和自豪的時刻,長徵五號遙五運載火箭在海南文昌航天發射場點火升空,嫦娥五號奔月而去。作為我國無人探月的收官之作,嫦娥五號幾乎匯聚了目前中國航天所有最頂級的技術,它按計劃共持續20多天,最主要的亮點是要從月亮上「挖土」回來。有關專家表示,這次發射也將是中國載人登月的一次超前預演,為10年後的載人登月進行技術驗證。
  • 嫦娥5號後,中國將在2030年首次載人登月!已飛天的航天員誰還有希望
    中國自古就有「嫦娥奔月」的傳說,寄託著中華民族探尋浩瀚太空的美好願望。 24日凌晨4點30分,這是令所有中國人激動和自豪的時刻,長徵五號遙五運載火箭在海南文昌航天發射場點火升空,嫦娥五號奔月而去。