著陸器與航天員分頭行動？來看中國載人登月初步方案還說了啥
中國公布載人登月初步方案，計劃2030年前，把航天員送上月球，開展科學探索，其后將探索建造月球科研試驗站。中國載人登月方案有哪些特點？
撰文/李鵬 圖文編輯/陳永杰
審核專家：
龐之浩（全國空間探測技術首席科學傳播專家）
2030年前，中國要把航天員送上月球！最近，中國月球探測工程傳出大消息！注意！說的是航天員，不再是探測器和月球車！
“我國計劃在2030年前實現(xiàn)載人登陸月球開展科學探索，其后將探索建造月球科研試驗站，開展系統(tǒng)、連續(xù)的月球探測和相關技術試驗驗證?！辈痪们?，在武漢舉辦的第九屆中國(國際)商業(yè)航天高峰論壇上，中國載人航天工程辦公室副總設計師張海聯(lián)介紹了登月的初步方案。
據(jù)了解，我國載人登月的初步方案是：采用兩枚運載火箭分別將月面著陸器和載人飛船送至地月轉移軌道，飛船和著陸器在環(huán)月軌道交會對接，航天員從飛船進入月面著陸器。其后，月面著陸器將下降著陸于月面預定區(qū)域，航天員登上月球開展科學考察與樣品采集。在完成既定任務后，航天員將乘坐著陸器上升至環(huán)月軌道與飛船交會對接，并攜帶樣品乘坐飛船返回地球。據(jù)悉，我們一次會派出3名航天員出征，其中2名登陸月球表面開展科考。
▲中國載人登月任務效果圖（圖片來源/中國載人航天工程辦公室）
為何要發(fā)射兩枚火箭？這種方案的優(yōu)缺點是什么？還有哪些技術難點需要攻克？
一枚火箭不夠，那就用兩枚
方案一經發(fā)布，很多人很好奇，我們?yōu)楹我脙擅哆\載火箭呢？一次發(fā)射不是更好么！相關專家介紹，這與當前我國的火箭設計和制造能力密切相關。據(jù)悉，我國準備實施載人登月工程的長征十號新一代載人運載火箭為三級半構型，箭體直徑5米，高度約92米，起飛質量約2187噸，起飛推力約2678噸，其近地軌道運載能力70噸，地月轉移軌道運載能力約為27噸。但是這樣的運載能力無法一次性將新一代載人飛船和月面著陸器一次性送達環(huán)月軌道。所以我國就采用了兩次發(fā)射的方案，先發(fā)射重約26噸重的月面著陸器，再發(fā)射20余噸重的載人飛船。
▲ 在“逐夢寰宇問蒼穹——中國載人航天工程三十年成就展”上展出的長征十號運載火箭模型（圖片來源/視覺中國）
全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩研究員表示，研制重載運載火箭的難度大、周期長、成本也很高，采用兩枚運載火箭的方式，降低了對火箭運載能力的要求，我國就不用等到研制出重載運載火箭再實施載人登月了，這樣我國就可以提前實現(xiàn)載人登月的夢想。此外，我國可搭乘3名航天員的新一代載人飛船由逃逸塔、返回艙和服務艙組成，采用模塊化設計，適應近地、深空等任務需求。月面著陸器由登月艙和推進艙組成，可將2名航天員送達月面（另1名停留在環(huán)月軌道載人飛船中的航天員為2名登月者提供保障服務）。載人月球車重約200公斤，能承載2名航天員。為了保證登月航天員的安全，還必須要研制新的登月服。我國正在研制的登月服采用半硬式構型，單次工作時間不少于8小時，具備支持航天員月面出艙活動所需的作業(yè)、行走、攀爬、下蹲、駕車、人機協(xié)同等工作能力。
開始廣泛征集載人登月的研究載荷
如今實施載人登月，盡量進行更多的科學考察和研究是其行動的重要目標，為了推動我國相關研究機構在這個方面的快速跟進，7月17日，中國載人航天工程辦公室發(fā)布《關于征集載人月球探測工程月面科學載荷方案的公告》。公告中表示，為充分利用飛行任務資源，推動月球探測和科學研究，擬隨月面著陸器搭載科學載荷，在月面開展有關科學探測活動，現(xiàn)征集科學載荷方案。此次征集范圍包括具有獨立法人資格的科研機構、高等院校以及高科技企業(yè)等。也就是說，只要自己有興趣、又有實力，就可以參與到中國載人登月工程的大戲之中。
▲中國實現(xiàn)嫦娥三號、四號無人登月飛行任務（圖片來源/視覺中國）
據(jù)了解，載荷包括無人登月飛行任務科學載荷、載人登月飛行任務科學載荷及月面鉆探專項載荷三類。載荷基本要求為：面向月球科學研究前沿，具有較強的前瞻性和創(chuàng)新性。參考方向為月球地質與月球物理、觀測與物理研究、空間生命科學，以及月面深部鉆探、月面資源利用等。這些載荷會如何開展工作呢？據(jù)悉，在嫦娥三號、四號無人登月飛行任務中，由月面著陸器釋放分離月球車并自主開展工作。在載人登月飛行任務中，則可在航天員的參與下部署并開展工作。其中，航天員們使用的月球車會是一個關注的焦點，因為在月球表面，航天員乘坐著月球車進行科學考察，可以大幅擴大活動范圍，提高工作效率。目前，中國載人航天工程辦公室正在向全社會征集載人月球車的研制方案。屆時，中國的航天員在月球表面開著載人月球車四處游走探索，那樣的場景一定相當拉風！
與美國新的載人登月方案有什么不同
美國的最新載人登月計劃叫做阿爾忒彌斯計劃（Artemis Program），這是由美國政府資助的一個載人航天項目，原先的目標是在2024年前將一男一女兩名宇航員送往月球并返回。
此次重返月球，有人將其稱作是“阿波羅計劃2.0”。由于一些工程進展不是很順利，這個時間已經被延后了。先說是推遲到2025年，從最新的跡象來看，其發(fā)射時間還會再推遲。
▲ 美國的阿爾忒彌斯計劃在2024年前將一男一女兩名宇航員送往月球并返回（圖片來源/NASA）
美國國家航空航天局（NASA）的計劃是前兩次實施兩次繞月飛行任務，第一次繞月飛行沒有宇航員，第二次有宇航員繞月飛行，然后第三次通過美國太空探索技術公司（SpaceX）開發(fā)的“星際飛船”把宇航員送至月球表面。根據(jù)計劃，他們將在月球南極附近載人登陸月球。
與中國不同的，美國依舊采用1枚火箭的發(fā)射方式，這就是他們稱之為“太空發(fā)射系統(tǒng)”的方案。與阿波羅登月任務的“土星5號”火箭相比，“太空發(fā)射系統(tǒng)”更短、更窄，但更有力?；鸺?8米，推力可達4100噸，超越“土星5號”，其低軌運載能力可達70噸至130噸，為現(xiàn)役運載能力最大的超重型運載火箭。
據(jù)悉，中國載人登月的著陸方式和美國以前的阿波羅計劃載人登月不一樣，他們的登月艙是上升級和下降級一起落到月面，而我們?yōu)榱藴p少登月艙消耗燃料采用了推進艙減速的方案，等著陸器快到月面時分離掉推進艙，然后讓登月艙降落到月面。
▲中國載人登月工程包含登月艙、推進艙的著陸器示意圖（圖片來源/視覺中國）
不管是中國登月方案還是美國登月方案，都是利用各自比較成熟的技術和方案，均有可圈可點之處。不過龐之浩表示，我國載人登月計劃用兩枚運載火箭發(fā)射，月面著陸方式與美國也有所不同，都是根據(jù)我國國情的一個創(chuàng)新。
美國新的載人登月宇航員著陸方式會有什么變化，目前還沒有非常詳盡的方案出來。
中國拿到了從月球返回的“返程票”
截至目前，全球范圍內，僅有美國在上世紀六十年代末和七十年代初曾多次實現(xiàn)載人登月，此后全球未有新的載人登月案例。
1969年到1972年12月間，美國共實施了7次載人登月任務，其中有6次均成功，共將12名宇航員送上月球。
在這場競爭中美國最終贏了蘇聯(lián)，獲得了巨大的榮譽。至今，插在月球靜海上那面星條旗，也成了人類征服月球的唯一標志，也就是說美國是到現(xiàn)在唯一一個成功實施過載人登月的國家。
中國載人月球探測工程登月階段總的目標是：2030年前實現(xiàn)中國人首次登陸月球，開展月球科學考察及相關技術試驗，突破掌握載人地月往返、月面短期駐留、人機聯(lián)合探測等關鍵技術，完成“登、巡、采、研、回”多重任務，形成獨立自主的載人月球探測能力。
▲中國載人登月任務效果圖（圖片來源/中國載人航天工程辦公室）
其后，中國將探索建造月球科研試驗站，開展系統(tǒng)、連續(xù)的月球探測和相關技術試驗驗證，推動載人航天技術由近地走向深空的跨越式發(fā)展，深化人類對月球和太陽系起源與演化的認識。
通過載人航天工程（和空間站）的建設，目前我國已經熟練掌握了交會對接技術，并且嫦娥五號任務的實施過程中在世界上首次成功進行了月球軌道的無人交會，通過嫦娥五號的月球采樣返回，中國也拿到了從月球返回的“返程票”，實施載人登月工程已經順理成章。
當然，實施載人登月工程時，登月艙從月面返回環(huán)月軌道并與新一代載人飛船成功實施對接依舊是最為關鍵的環(huán)節(jié)。龐之浩表示，乘坐2名航天員的登月艙比嫦娥五號采樣返回的上升器要大很多，也會重很多，其在設計中不僅要推力足夠大，并且發(fā)動機一定具有冗余備份，雖然目前還不清楚會使用幾臺發(fā)動機，但一定會使用多臺發(fā)動機確保萬無一失。由于登陸時使用了推進艙，登月艙的燃料也足夠多，這就能夠充分保證登月艙在比較重的情況下也能夠飛到環(huán)月軌道和飛船對接。
龐之浩說，我國載人登月工程的過程中交會對接是“雙保險”。一是載人飛船可以和月面著陸器或者返回月球軌道的登月艙自動交會對接；二是航天員也可以在自動交會出現(xiàn)意外時改為手動對接，并且除了登月艙里的2名航天員，環(huán)月軌道上載人飛船中的另1名航天員也可以配合實施操作，這進一步降低了載人登月工程的風險。返回月球軌道后，登月艙與載人飛船實施對接，而后2名登陸的航天員從登月艙進入飛船，飛船與登月艙進行分離，然后飛船以接近第二宇宙速度也就是每秒11.2公里的速度返回地球時，就可以通過已經被我國驗證充分可行的月地之間“打水漂”式太空返回技術安全返回了。
▲據(jù)中國載人航天工程辦公室消息，7月20日21時40分，經過約8小時的出艙活動，神舟十六號航天員景海鵬、朱楊柱、桂海潮密切協(xié)同，在空間站機械臂支持下，圓滿完成出艙活動全部既定任務，航天員景海鵬、朱楊柱已安全返回空間站問天實驗艙，出艙活動取得圓滿成功（圖片來源/中國載人航天工程辦公室）
據(jù)悉，在載人登月之前，中國還將全面推進探月工程四期，包括嫦娥六號、嫦娥七號和嫦娥八號任務。中國探月工程總設計師吳偉仁披露，嫦娥六號將于2024年前后發(fā)射，實施首次月背采樣返回任務；嫦娥七號將于2026年前后發(fā)射，開展月球南極的環(huán)境與資源詳查，爭取能夠在月球南極找到水；嫦娥八號將于2028年前后發(fā)射，開展月球資源利用試驗驗證，構建月球科研站基本型。
其中，嫦娥八號將與嫦娥七號月面探測器組成月球科研站基本型，包括月球軌道器、著陸器、月球車、飛躍器以及若干科學探測儀器。中國計劃以月球為主要基地，建立集數(shù)據(jù)中繼、導航、遙感于一體的月球互聯(lián)網，對月球上的一些資源和探測器實行有效管理。
探月工程四期也將為我國實施載人登月打下更好的基礎，相關技術的成熟、可靠性的增加，會為我國的載人登月工程提供更加充分的保障。
載人登月是個龐大的系統(tǒng)工程
不管是對中國還是對美國來說，實施載人登月工程都是一個規(guī)模異常龐大的系統(tǒng)工程，成千上萬的研究機構和企業(yè)都會參與其中，這里面也蘊藏著巨大的機遇。
針對載人登月這一目標，中國載人航天工程辦公室在前期關鍵技術攻關及方案論證的基礎上，已經全面啟動部署研制建設工作，包括新一代載人運載火箭（長征十號）、新一代載人飛船、月面著陸器、登月服等飛行產品，新建發(fā)射場相關測試發(fā)射設施設備等。
為了讓我國的載人登月工程產生更大的經濟效益和社會效益，我國載人登月工程也將采取開放合作的方式?？梢灶A計，一大批新的研究成果和技術將會得到應用，并大力推動我國社會經濟的發(fā)展。
▲中國載人登月初步方案示意圖（圖片來源/視覺中國）
上個世紀的“阿波羅登月計劃”，通過對一些技術的研發(fā)和應用，對人類產生了深遠的影響，譬如計算機的微小化最終導致了個人電腦和智能手機的出現(xiàn)就是最為杰出的例子之一。
我們也期待通過中國的載人登月工程，能夠誕生或者推動應用一些對人類影響深遠的技術。
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