文/劉進(jìn)軍

太陽系中存在著這樣一顆星球，與其他行星相比，它的體積并不龐大，甚至有些不起眼，然而，它的存在對(duì)人類卻意義非凡，并與人類的生活有著密不可分的聯(lián)系。它就是地球的唯一天然衛(wèi)星——月球。正是由于地球與月球之間的特殊關(guān)系，人們對(duì)月球產(chǎn)生了強(qiáng)烈的探索興趣，飛上月球更成為人類千百年來的追求。

自2007 年“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星成功發(fā)射以來，我國探月工程的“繞、落、回”三期任務(wù)已圓滿完成，后續(xù)將進(jìn)入更深層次、更高難度的“勘、研、建”階段?，F(xiàn)階段探月工程的成功開展為我國后續(xù)的登月計(jì)劃奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前我國載人月球探測(cè)工程登月階段任務(wù)已啟動(dòng)實(shí)施，計(jì)劃在2030 年前實(shí)現(xiàn)國人首次登陸月球，為此開展的各項(xiàng)研制建設(shè)工作已全面部署，正在按計(jì)劃有序開展。

我國的登月計(jì)劃可分為兩大部分，即地球部分和月球部分。地球部分的相關(guān)工作圍繞產(chǎn)品研制、基建開發(fā)和人員配備方面開展，具體包括研制新一代載人登月火箭 “長征十號(hào)”、新一代載人飛船、月面著陸器、登月服等飛行類產(chǎn)品，新建航天發(fā)射場和相關(guān)測(cè)試設(shè)施設(shè)備，選拔和培養(yǎng)登月航天員，等等。月球部分的工作仍以探索活動(dòng)為主線，具體包括選擇登月著陸點(diǎn)，研發(fā)地月往返、月面短期駐留、人機(jī)聯(lián)合探測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)，在月球上建設(shè)科考站和月球基本生活設(shè)施，等等。

勢(shì)不可當(dāng)——“長征十號(hào)”火箭

我國登月火箭選用由中國航天科技集團(tuán)有限公司一院研制的新一代載人火箭—“長征十號(hào)”。“長征十號(hào)”屬于重型運(yùn)載火箭，全長約88.5 米，起飛質(zhì)量約2187 噸，起飛推力2680 噸，近地轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力不小于70 噸，地月轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力不小于27 噸?！伴L征十號(hào)”火箭采用模塊化設(shè)計(jì)，將來還可以與“長征九號(hào)”聯(lián)合使用，以建造月球基地，實(shí)現(xiàn)月球可持續(xù)開發(fā)利用。

“長征十號(hào)”火箭在動(dòng)力設(shè)計(jì)、燃料使用、發(fā)動(dòng)機(jī)配置和運(yùn)載能力方面，均顯示出作為新一代運(yùn)載火箭的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

首先，“長征十號(hào)”具有動(dòng)力強(qiáng)大、火力威猛的特點(diǎn)。它采用了三級(jí)半構(gòu)型與一級(jí)并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，中間的主體部分是芯級(jí)火箭，兩邊各有一枚助推器。從外部來看，芯級(jí)火箭與助推器的形狀結(jié)構(gòu)相似，直徑約5 米。從內(nèi)部來看，芯級(jí)火箭和助推器各配備了7 臺(tái)130 噸級(jí)的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，總計(jì)21 臺(tái)，這將為“長征十號(hào)”的發(fā)射提供強(qiáng)大的動(dòng)力保障。點(diǎn)火發(fā)射時(shí)，芯級(jí)火箭與助推器同時(shí)運(yùn)行所產(chǎn)生的強(qiáng)大動(dòng)力，可將“長征十號(hào)”成功送入太空。

其次，“長征十號(hào)”采用綠色清潔能源，發(fā)射成本大大降低，也更安全、節(jié)能和環(huán)保，這亦符合世界運(yùn)載火箭的研發(fā)趨勢(shì)。以“長征二號(hào)F”火箭為例，它的芯級(jí)火箭和助推器使用的是四氧化二氮和偏二甲肼推進(jìn)劑，上述兩種推進(jìn)劑燃料具有毒性且用量巨大，發(fā)射一次“長征二號(hào)F”火箭，就需要耗費(fèi)313 噸的四氧化二氮和偏二甲肼。四氧化二氮和偏二甲肼的價(jià)格昂貴，每噸四氧化二氮需耗資1萬至2萬元，而偏二甲肼的價(jià)格為每噸5萬至10萬元。相較之下，“長征十號(hào)”使用液氧、液氫和航空煤油等綠色清潔能源作為燃料，購買1 噸液氧只需800 至2000 元，使用成本大幅下降。

“長征十號(hào)”火箭

『YF-100K』發(fā)動(dòng)機(jī)

再次，“長征十號(hào)”的發(fā)動(dòng)機(jī)配置更為科學(xué)?！伴L征十號(hào)”的芯一級(jí)火箭需安裝7 臺(tái)“YF-100K/L”發(fā)動(dòng)機(jī)，其中3 臺(tái)“YF-100K”發(fā)動(dòng)機(jī)為泵后雙向搖擺，其余4 臺(tái)“YF-100L”發(fā)動(dòng)機(jī)則無全向擺動(dòng)功能。芯一級(jí)火箭和2個(gè)助推器同時(shí)點(diǎn)火，起飛推力可達(dá)到2680 噸。芯二級(jí)火箭安裝2 臺(tái)可雙向擺動(dòng)的“YF-100M”發(fā)動(dòng)機(jī)，而芯三級(jí)火箭安裝3 臺(tái)可雙向擺動(dòng)的“YF-75E”氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)?！伴L征十號(hào)”三級(jí)火箭均采用輔助動(dòng)力完成滑行段的姿態(tài)控制、推進(jìn)劑管理和有效載荷分離前模修與調(diào)姿。

值得注意的是，“長征十號(hào)”在設(shè)計(jì)研發(fā)過程中首次應(yīng)用了八通蓄壓器。八通蓄壓器作為新一代載人運(yùn)載火箭通用芯一級(jí)氧輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，具有結(jié)構(gòu)新、直徑大、焊縫密集、適應(yīng)惡劣服役工況等特點(diǎn)，這一技術(shù)在“長征十號(hào)”中的實(shí)際應(yīng)用亦顯示出我國航天事業(yè)發(fā)展的強(qiáng)勁勢(shì)頭。

最后，“長征十號(hào)”擁有超強(qiáng)的運(yùn)載能力，且具備垂直起降、重復(fù)使用等功能。按照運(yùn)載任務(wù)，研發(fā)人員將“長征十號(hào)”火箭分為兩種構(gòu)型，即登月火箭和近地火箭?！伴L征十號(hào)”登月火箭的運(yùn)載負(fù)荷目標(biāo)為近地軌道的運(yùn)載能力至少達(dá)到70 噸，而地月轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力至少達(dá)到27 噸，這才能保證它可以將25 噸的登月飛船和25 噸的月球著陸器成功送入地月轉(zhuǎn)移軌道。“長征十號(hào)”近地火箭全長約67 米，起飛質(zhì)量約748 噸，起飛推力約873 噸，近地軌道運(yùn)載能力不小于14 噸，可執(zhí)行空間站航天員以及貨物的運(yùn)輸任務(wù)。

地月往返——新一代載人飛船

新一代載人飛船是我國的下一代天地往返載人運(yùn)載工具，可分為登月飛船和近地飛船兩種。其中登月飛船是地月往返載人飛船，而近地飛船則承擔(dān)空間站人員天地往返的運(yùn)載任務(wù)。以新一代載人飛船試驗(yàn)船為例，它全長8.8 米，最大直徑約4.5 米，發(fā)射質(zhì)量約21.6 噸；由推進(jìn)艙和返回艙兩級(jí)艙體構(gòu)成，內(nèi)部可容納空間更大，最多可乘坐7 名航天員。新一代載人飛船試驗(yàn)船具備高安全、高可靠、適應(yīng)多任務(wù)和模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，不僅可以往返于地球與空間站，還能執(zhí)行載人登月任務(wù)，可將3 名航天員送入環(huán)月軌道，并返回地球。

“長征十號(hào)”火箭模型

“神舟號(hào)”飛船與新一代載人飛船數(shù)據(jù)相較圖

新一代載人飛船模型

“神舟號(hào)”飛船是我國目前主要的載人飛船，在新一代載人飛船服役之后，這兩型飛船將并行使用。通過兩者的對(duì)比，我們將能更好地了解新一代載人飛船的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。在外觀設(shè)計(jì)方面，“神舟號(hào)”飛船返回艙呈鐘型，而新一代載人飛船返回艙呈倒錐形。這一改變是考慮到了倒錐形結(jié)構(gòu)空氣升力更大，更符合空氣動(dòng)力學(xué)的原理，使飛船能在以接近第二宇宙速度高速返回時(shí)，依靠空氣阻力減速，更加平穩(wěn)、精準(zhǔn)地降落，提升飛行的安全性與舒適性。在內(nèi)部空間容量方面，新一代載人飛船比“神舟號(hào)”飛船要大得多，“神舟號(hào)”飛船僅能容納3 人，而新一代載人飛船至多可搭載7 人，還能裝載更多物資，這有利于今后擴(kuò)大載人航天活動(dòng)規(guī)模、加強(qiáng)開展國際合作，以及開辟新的載人領(lǐng)域。而且，新一代載人飛船中，登月飛船的體積比近地飛船更大，這是因?yàn)樵虑蚺c地球之間的距離要比空間站與地球之間的距離遠(yuǎn)得多，來回一次可能需要10 天左右，攜帶的燃料和航天員生活用品須相應(yīng)增加。

可搭載7 人的我國新一代載人飛船

此外，考慮到載人飛船的返回艙返程時(shí)須重新進(jìn)入大氣層，在巨大摩擦力的作用下產(chǎn)生的熱量可能會(huì)對(duì)航天員的健康和生命產(chǎn)生威脅，新一代載人飛船返回艙使用了新型金屬材料和耐灼燒的新型輕質(zhì)防熱材料，制成隔熱、防熱效果更好的防熱層。該防熱層可拆卸重復(fù)使用，降低了使用成本，兼具安全性與實(shí)用性。

值得一提的是，新一代載人飛船的內(nèi)置系統(tǒng)十分智能且靈敏。它不僅能及時(shí)掌握當(dāng)前所處位置的信息，還能根據(jù)目的地自主規(guī)劃最安全便捷的軌道路線。同時(shí)，新一代載人飛船的記憶系統(tǒng)也做了升級(jí)和優(yōu)化，飛行數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)保存在黑匣子中，以便為飛船的后續(xù)活動(dòng)提供數(shù)據(jù)參考。

自由與理想——月球著陸器

月球著陸器的結(jié)構(gòu)分為上下兩部分，即負(fù)責(zé)將航天員送到月球上的下降器和負(fù)責(zé)將航天員從月球飛升到月球軌道上的上升器。月球著陸器的質(zhì)量共計(jì)約25 噸。根據(jù)力的作用原理，下降器的底部安裝了1 個(gè)較大的反推發(fā)動(dòng)機(jī)，用于控制下降速度；而上升器的底部安裝了4個(gè)反推發(fā)動(dòng)機(jī)，用于產(chǎn)生所需推力。月球著陸器可搭載2名航天員登陸月球，開展科學(xué)探測(cè)活動(dòng)，并安全返回地球。

月球著陸器負(fù)責(zé)讓航天員能夠順利到達(dá)月球表面，而登月后開展一系列活動(dòng)則需要配備月球車。我國的月球車外觀形似小汽車，由電力驅(qū)動(dòng)，安裝有太陽能充電板，配置了天線和通信系統(tǒng)，可搭載2 名航天員。由于月球天氣條件惡劣，月球車的輪胎被設(shè)計(jì)成由記憶鋼絲編制的空心輪胎，可承受月球上-160℃到130℃的極端溫度。

我國的月球車具備載人駕乘、月面移動(dòng)、導(dǎo)航定位、安全輔助等功能，能為航天員提供移動(dòng)、通信、探測(cè)輔助等保障支持。借助月球車，航天員可拓展在月面的探索范圍，從而提高科學(xué)探索活動(dòng)的效率。相較美國的“巡行者號(hào)”月球車，我國的月球車更先進(jìn)、更完美，行駛速度也更快。

月球著陸器模型

美國“巡行者號(hào)”月球車

登上月球——我國的載人登月計(jì)劃

我國計(jì)劃在2030 年前實(shí)現(xiàn)載人登陸月球并開展相關(guān)的科學(xué)探索活動(dòng)。按照計(jì)劃，將先后發(fā)射兩枚運(yùn)載火箭，其中一枚火箭負(fù)責(zé)運(yùn)送月球軌道艙和月球著陸器，另一枚則用于運(yùn)送載人飛船和航天員。載人飛船和月球著陸器由運(yùn)載火箭送至月球軌道后，將進(jìn)行交會(huì)對(duì)接。

航天員將乘坐載人飛船從地球出發(fā)。載人飛船與著陸器在月球軌道實(shí)現(xiàn)對(duì)接后，航天員需從載人飛船緩緩進(jìn)入月球著陸器。月球著陸器下降至月面的同時(shí)，載人飛船仍然環(huán)繞月球飛行。航天員乘坐月球著陸器到達(dá)月面并完成任務(wù)后，上升器的4 臺(tái)反推發(fā)動(dòng)機(jī)將同時(shí)啟動(dòng)，飛行至月球軌道，與載人飛船對(duì)接。航天員回到載人飛船后，將返回地球。

根據(jù)目前公布的消息，我國的登月計(jì)劃將由3 名航天員執(zhí)行，其中2 名航天員將登陸月球，駕駛月球車在月表奔馳，開展科考活動(dòng)。首次登月計(jì)劃將帶回部分月壤、月巖和月球隕石等樣品，供科學(xué)家研究。月球車或由“長征十號(hào)”火箭發(fā)射月球著陸器時(shí)一并發(fā)送，且隨月球著陸器一同降落至月表，或在之前的無人模擬階段就發(fā)射至月表。

為順利實(shí)現(xiàn)登月計(jì)劃，我國將開展一系列相關(guān)技術(shù)試驗(yàn)，突破掌握載人地月往返、月面短期駐留、人機(jī)聯(lián)合探測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)，完成“登、巡、采、研、回”等多重任務(wù)。載人登月不僅是一項(xiàng)具有重大科學(xué)意義和技術(shù)挑戰(zhàn)的任務(wù)，而且也是一項(xiàng)需要傾注巨大精力和心血的事業(yè)。盡管未來面臨著許多艱難險(xiǎn)阻，但中國航天人一定能實(shí)現(xiàn)這一登月夢(mèng)想，以嶄新的姿態(tài)在太空領(lǐng)域展現(xiàn)出更加輝煌的成就，為全球科技進(jìn)步和人類文明的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

我國登月時(shí)序圖