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见证历史!2030年载人登月,中国将如何实现? | 袁岚峰

袁岚峰 风云之声 2023-10-24
  

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导读


千里之行,始于足下。冲出地球,移民宇宙,奔向星辰大海,从载人登月开始!


视频链接:

西瓜视频:

https://v.ixigua.com/dQQp8BQ/

本视频发布于2021年9月21日,观看量已超11.8万


精彩再现:


中国将在什么时候登月?

当然,有时我们会说中国已经登月了,这指的是无人的月球探测器。2013年12月14日,“嫦娥三号”成功登陆月面,然后开出了月球巡视车“玉兔号”。


嫦娥三号


2019年1月3日,“嫦娥四号”在月球背面着陆,成为人类第一个登上月球背面的探测器,然后开出了“玉兔二号”月球车。


嫦娥四号着陆器和月球车互拍


2020年12月1日,“嫦娥五号”在月球正面着陆,然后在月球取样封装,17日带着1731克样品返回地球。这是人类自1976年苏联的“月球24号”以来,第一次从月球取回样品。


嫦娥五号月球取样返回流程


无人登月肯定比有人登月容易,但也绝不是轻而易举的。比如说,印度就没登上去。它2019年尝试的“月船二号”以失败告终,软着陆变成了硬着陆(《印度落月失败:从“画扇面”到“小目标” | 袁岚峰》)。


月船二号碎片区


但印度敢尝试就是值得赞扬的,日本和欧洲还从来没尝试过在月球软着陆呢。百度百科的“登陆月球”词条列出了一个表,“重要的登月活动”(https://baike.baidu.com/item/%E7%99%BB%E9%99%86%E6%9C%88%E7%90%83/10479062#3),其中你会看到,日本和欧洲各自只做过一次对月球的撞击。


重要的登月活动


到目前为止,无人登月成功的只有苏美中三国。实际上,最先无人登月的是苏联的“月球9号”,在1966年。这比美国的阿波罗计划载人登月还早3年,但知名度就远远不如了。显然,载人登月比无人登月的新闻价值高得多。


所以当中国已经积累了这么多次无人登月的经验之后,我们很自然就会问:中国什么时候载人登月?


标准的回答是:还没有计划。虽然航天爱好者们有各种各样的讨论,但中国官方从来没有宣布过载人登月的项目立项,所以这些讨论都只是猜测而已。我在和航天专家朋友如中国科学院国家空间科学中心的周炳红、刘勇等诸位老师们对话的时候,他们也屡次谈到了这一点,中国还没有计划载人登月,更没有计划载人登火星(《建基地、装镜子、炸两极……这些改造火星的方法靠谱吗?| 科技袁人》)。


然而,最近有新的消息了!这不是官方宣布,但仍然很值得告诉大家。2021年8月29日,龙乐豪院士做了一个科普报告,里面明确说我国打算在2030年前后载人登月!(《中国工程院院士龙乐豪表示:我国将在2030年前后实现载人登月》


龙乐豪院士是谁?他是中国运载火箭技术研究院运载火箭系列总设计师,曾任国家首次月球探测工程副总设计师,主持了长征三号甲运载火箭的研制等等。因此,他讲的关于登月的信息可信度是非常高的。说到底,国家计划不就是这些专家制定的吗?


中国工程院网站对龙乐豪院士的介绍(https://www.cae.cn/cae/html/main/colys/90803958.html


还有一点有趣的是,龙乐豪院士这个报告是讲给全国的青少年听的,它是第35届全国青少年科技创新大赛的一个科学家讲座活动(https://castic.cyscc.org/35/lectures/lecture1.html)。因此,虽然不是官宣,但也不会是信口开河,这个决定应该是经过深思熟虑的。过一段时间,我们可能就会听到正式的宣布,到时本文的读者会十分高兴走在了时间前面。


下面,我们来集中介绍技术问题:中国将如何载人登月?


龙乐豪没有详细说。这个讲座叫做《长征火箭与中国航天》,内容从中国航天的过去、现在到未来无所不包,时间却只有20分钟,所以许多题材来不及展开。但是,他给出了一张图片。这张图片对外行来说只是一闪而过,但内行就能看出很多门道。


中国载人登月流程


最重要的信息有两点:一是要发两枚火箭,二是这种火箭我们差不多已经有了。这种火箭就是长征五号(CZ-5),为了登月需要研制一种新的改进型号,比如说叫做CZ-5DY。


长征五号登月火箭


对于内行来说,知道这两点基本上就够了,后面的流程都是显而易见的。因为美国1969年登月大致就是这个流程(《我们应该如何纪念登月(三)带我去月球 | 袁岚峰》),2020年中国的嫦娥五号从月球取样返回也大致是这个流程(《美国50年前就能载人登月,中国为什么现在还不行?| 科技袁人》)。


阿波罗计划登月流程


其实航天任务的瓶颈在于火箭的运载能力,有多大运力就能做多少事情。所以可行的流程都是在给定的运力下经过优化的,来来回回可选的也没几种,内行一看就知道是哪一种。


跟阿波罗计划和嫦娥五号相比,2030年登月最大的区别在于要用两枚火箭,而那两个都只用了一枚。阿波罗计划用的是“土星五号”(Saturn V),它能把48.6吨的载荷送入月球轨道,目前仍然是人类发射过的运力最大的火箭(《我们应该如何纪念登月(四)冲出摇篮 | 袁岚峰》)。嫦娥五号用的是长征五号,它能把8.8至9.4吨的载荷送入月球轨道。其实嫦娥五号的质量是8.2吨,它是人类向地外星球发射过的最重的无人探测器,由此可见运送嫦娥五号基本上就是长征五号运力的极限。


9吨对48.6吨,这就是中美登月运力的差别。你看,这个差别还是巨大的,所以怪不得我们要采取两发火箭的方案。一次不够就两次,然后在月球轨道上对接。


周炳红老师告诉我,这个长征五号登月版其实跟长征五号的区别还不小,原来叫做921火箭。它的起飞由21个液氧煤油发动机推动,芯级和两个助推各7个发动机。它的地月转移轨道运载能力大约是土星五号的一半,起飞重量大约是土星五号的2/3。所以有趣的是,这款火箭如果被命名为CZ-5DY,那么它将创造一个新纪录:它是同编号的长征系列火箭中芯级差异最大的。


其实中国还有一款在研制的火箭叫做长征九号(CZ-9),它对标的是当年的土星五号以及苏联的“能源号”火箭(Energia)、美国现在的“太空发射系统”(Space Launch System,简称SLS)以及SpaceX公司的“大猎鹰”火箭(Big Falcon Rocket,简称BFR)。也就是说,长征九号足以实现单发载人登月。我在2019年纪念登月50周年的时候,就介绍过它(《我们应该如何纪念登月(四)冲出摇篮 | 袁岚峰》)。


龙乐豪在讲座中也提到了长征九号,并介绍了技术攻关的进展。不过看起来长征九号还不足以在2030年达到成熟,所以打算先用两发长征五号的方案实现登月。


长征九号
长征九号技术进展


在给定了这些限制条件之后,中国载人登月的流程就一目了然了。


再次仔细看中国载人登月流程


首先,第一枚长征五号登月火箭发射月面着陆器,完成地月转移,进入环月轨道。这个着陆器是没有人的,它在虚位以待航天员的到来。


然后,第二枚长征五号登月火箭发射新一代载人飞船,完成地月转移,进入环月轨道。


然后,载人飞船和月面着陆器在月球轨道上交会对接,两名航天员从飞船爬到着陆器里面。真的是爬,因为对接口是很窄的!


然后,飞船与着陆器分离,着陆器带着两名航天员登陆月球,飞船在月球轨道上等着他们回来。


然后,两名航天员在月球表面工作6个小时。


下面是一个关键问题了:登月的航天员怎么回来?经常有人表示不信美国在1969年登过月(《我们应该如何纪念登月(一)为什么登月阴谋论是荒谬的 | 袁岚峰》),他们的核心问题之一就是这个。他们的典型表述是:我完全相信美国有能力把人送到月球,但我完全不信美国能把人从月球送回地球!所以在他们看来,阿波罗登月是在摄影棚里拍的弥天大谎。


实际上,这是典型的外行思维。月球的重力只有地球的1/6,又没有空气阻力,所以从月球起飞是相当容易的,比从地球起飞容易得多。着陆器里带着燃料,它又分为下降级和上升级。要回来的时候,把下降级作为底座,就可以让上升级发射起飞,下降级抛弃在月球上。


然后,上升级在环月轨道上与等待的飞船对接,航天员从上升级又爬到飞船里面。


然后,上升级与飞船分离。这是因为飞船带的燃料有限,不足以带着上升级回地球,所以把它丢弃,减少载荷。


然后,飞船上的发动机点火,带着航天员回地球。


最后,再入大气层时,飞船把所有能丢的部分全部丢弃,只剩返回舱带着航天员着陆。


基本思想就是“走一路,丢一路”。数一数,一路抛弃了多少东西?先是丢下了两枚火箭,然后着陆器登月时暂时丢下了飞船,着陆器从月球起飞时丢下了下降级,上升级跟飞船对接后又反手丢下了上升级,最后把除飞船返回舱之外的部分全部丢弃。真令人想起那个关于垃圾分类的灵魂之问:请问你是什么垃圾?


你是什么垃圾?


之所以要这样,是因为火箭能达到的最高速度跟燃料质量是对数的关系,而不是正比的关系。也就是说,大量地增加燃料,也只能把运载能力增加一点点。这叫做“齐奥尔科夫斯基公式”,是航天之父、俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基(Konstantin Eduardovich Tsiolkovski,1857-1935)提出来的(《我们应该如何纪念登月(二)航天的基本原理| 袁岚峰》)。因此,我们要在每一步都尽量减少载荷。只要你掌握了这些原理,再复杂的航天活动你也能迅速理解。


齐奥尔科夫斯基
齐奥尔科夫斯基公式


此外,龙乐豪院士在讲座里还提到了我国航天运载器的发展展望,如可重复使用的运载器与核热推进、太阳帆、电磁驱动发射等新概念运载器,都十分令人感兴趣。


研制重复使用运载器

探索新概念运载器


我们可以畅想一下,到2030年,现在的青少年们也许已经有人成为了载人登月项目的骨干。也许,你就是其中之一。


千里之行,始于足下。冲出地球,移民宇宙,奔向星辰大海,从载人登月开始!



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背景简介:袁岚峰,中国科学技术大学化学博士,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员,中国科学技术大学科技传播系副主任,中国科学院科学传播研究中心副主任,科技与战略风云学会会长,“科技袁人”节目主讲人,安徽省科学技术协会常务委员,中国青少年新媒体协会常务理事,中国科普作家协会理事,入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物,微博@中科大胡不归,知乎@袁岚峰(https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8)。
责任编辑:祝阳

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