登月之旅對航天技術(shù)是全新的巨大考驗

載人登月，要過幾道關(guān)

根據(jù)規(guī)劃，我國將在2030年前實現(xiàn)中國人首次登陸月球。

自立項以來，我國載人登月任務(wù)各項研制工作總體進(jìn)展順利。新一代載人飛船“夢舟”零高度逃逸飛行試驗順利完成，攬月月面著陸器著陸起飛綜合驗證試驗取得圓滿成功，目前，各系統(tǒng)研制建設(shè)都在按計劃有序推進(jìn)。中國人登月的夢想正在一步步照進(jìn)現(xiàn)實。

載人登月，要過幾道關(guān)？記者采訪了有關(guān)專家。

第一道關(guān)——飛向月球

飛到38萬公里之外的月球，火箭得大，飛船也需要擁有更強(qiáng)的軌道機(jī)動能力

“小時不識月，呼作白玉盤。”仰望夜空，這輪皎潔明月是地球唯一一顆天然衛(wèi)星，地月平均距離大約為38萬公里。

月球的獨特性在于與地球關(guān)系密切，揭示月球奧秘對研究地球自身和宇宙起源有極大幫助。月球上沒有大氣層、磁場微弱、沒有光污染，也是進(jìn)行外太空科學(xué)觀測的天然“實驗室”，更是探索火星等更遠(yuǎn)星球的最佳中轉(zhuǎn)站。

重大航天工程能夠充分激發(fā)科學(xué)創(chuàng)新，有效牽引技術(shù)進(jìn)步，造福國計民生。有人測算過，航天工程投入產(chǎn)出比是1∶15，投入1元，產(chǎn)出15元。不論是中國空間站建設(shè)還是探月工程、北斗工程等，都帶動了大量尖端工藝、先進(jìn)材料、智能制造等產(chǎn)業(yè)崛起，成果廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。

人類飛出地球、奔赴月球，“遠(yuǎn)”是首要挑戰(zhàn)。選擇什么路線飛、分哪幾個階段飛，考驗著勇氣與智慧。

我國載人登月的主要飛行過程是：

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(zhuǎn)移軌道；

飛船和月面著陸器在環(huán)月軌道交會對接，航天員從飛船進(jìn)入月面著陸器；

月面著陸器將制動下降并著陸于月面預(yù)定區(qū)域，航天員登陸月球開展科學(xué)考察與樣品采集；

完成既定任務(wù)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。

目標(biāo)明確，路線清晰，充滿挑戰(zhàn)。

首先，運載能力得強(qiáng)，火箭得大。

就像駕駛汽車行駛到不同地點，因為距離不同，消耗的燃料不同。飛到400公里的近地軌道和飛到38萬公里的月球相比，火箭的動力系統(tǒng)截然不同。經(jīng)科學(xué)論證，瞄準(zhǔn)地月轉(zhuǎn)移軌道，我國火箭發(fā)射載荷的能力應(yīng)不小于27噸。

盤點我國現(xiàn)役主力火箭家族，雖功勛卓著，卻難以擔(dān)此重任。即便是現(xiàn)役最大推力火箭，其地月轉(zhuǎn)移軌道運載能力約8噸，距離載人登月所需的27噸級能力，仍存在差距。研制具備大質(zhì)量深空軌道投送能力的全新火箭平臺成為必然選擇。

長征十號系列運載火箭應(yīng)運而生。

“這型火箭不僅運載能力大，還具有高可靠、高安全、智慧化的特征。”中國航天科技集團(tuán)錢航說，載人登月任務(wù)周期長、環(huán)境極端、不可逆環(huán)節(jié)多。確保登月航天員生命安全和任務(wù)成功，要求火箭具備遠(yuǎn)高于一般火箭的可靠性與故障應(yīng)對能力。同時，兩枚長征十號運載火箭需按設(shè)計時序先后發(fā)射，將各自載荷精準(zhǔn)送入預(yù)定的地月轉(zhuǎn)移軌道，確保后續(xù)環(huán)月交會對接的可行性與效率，這就要求火箭具備極高的入軌精度和發(fā)射窗口靈活性。

此外，還要兼顧多任務(wù)構(gòu)型適應(yīng)性?；鸺兄撇灰?，為實現(xiàn)“一型多用”，長征十號運載火箭實行兩種構(gòu)型設(shè)計，既有登月型，也有近地型。

據(jù)了解，長征十號運載火箭研制計劃正在穩(wěn)步推進(jìn)中，新的“天梯”即將搭建。

火箭變了，飛船也得變。

既要承受住新一代火箭的巨大推力、擁有更強(qiáng)的軌道機(jī)動能力，又要提供更大更舒適的艙內(nèi)環(huán)境、更全面的生命保障能力，新一代載人飛船“夢舟”被寄予厚望。

中國航天科技集團(tuán)田林告訴記者，“夢舟”載人飛船可搭載最多7名航天員進(jìn)入近地軌道，既能支撐載人登月任務(wù)，也能支撐近地空間站任務(wù)。“與神舟飛船發(fā)射中‘火箭負(fù)責(zé)逃逸、飛船負(fù)責(zé)救生’的模式不同，‘夢舟’接到火箭逃逸指令后自己負(fù)責(zé)逃逸和救生，承擔(dān)逃逸系統(tǒng)抓總職能。一旦發(fā)生緊急故障，‘夢舟’能將載有航天員的飛船返回艙及時帶離危險區(qū)域，并確保航天員安全返回地面。”

今年6月，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功組織實施“夢舟”載人飛船零高度逃逸飛行試驗，為載人登月任務(wù)的安全再增添一層保障。

第二道關(guān)——登陸月球

面對月球極端高低溫、高真空和復(fù)雜地形環(huán)境，航天員面臨許多未知的挑戰(zhàn)

新一代載人飛船命名為“夢舟”，月面著陸器命名為“攬月”，登月服取名為“望宇”，載人月球車被稱作“探索”，中國載人登月任務(wù)命名體現(xiàn)了傳統(tǒng)文化與航天精神的融合。

按計劃，當(dāng)“夢舟”載人飛船和攬月月面著陸器交會對接后，兩名航天員進(jìn)入“攬月”，準(zhǔn)備登月著陸；另外一名航天員則留守“夢舟”，沿環(huán)月軌道飛行，以備接應(yīng)。

接下來的重點，就是“攬月”如何順利降落月面。

田林說：“‘攬月’攜帶探索月球車和科學(xué)載荷，是航天員登陸月球后的月面生活中心、能源中心及數(shù)據(jù)中心，能支持開展月面駐留和月面活動。它的月面下降著陸過程，以及月面任務(wù)完成從月面起飛回到環(huán)月軌道的過程，可以說是登月最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。”

今年8月6日，在河北省懷來縣的地外天體著陸試驗場，攬月月面著陸器著陸起飛綜合驗證試驗圓滿完成，主要驗證的就是這“一下一上”的關(guān)鍵核心技術(shù)。

中國航天科技集團(tuán)孫興亮介紹，在試驗中，攬月月面著陸器需要模擬著陸過程，利用先進(jìn)的設(shè)備，憑借自主避障算法實時感知月面隕石和月坑，靈活調(diào)整下降軌跡，確保安全著陸。“尤其，試驗場的塔架和隨動圓盤以及多根鋼纜通過相互配合，可以模擬月球的低重力環(huán)境，并能精確跟蹤著陸器的飛行軌跡。地面還鋪設(shè)了特殊材料，形成坑或坡的形狀，用于模擬月表環(huán)境。”

當(dāng)“攬月”穩(wěn)穩(wěn)著陸，一切準(zhǔn)備就緒，身著“望宇”登月服的航天員，將從“攬月”下來，邁出登陸月球的第一步。

田林告訴記者，通常，航天員在月球上有兩種移動方式。“步行或者乘坐載人月球車，在到達(dá)預(yù)定的作業(yè)點后，停留、采樣、放置探測儀器等。”

盡管會在地面模擬的月球環(huán)境開展大量試驗，驗證“月球漫步”的安全，但面對月球極端高低溫、高真空和復(fù)雜地形環(huán)境，航天員面臨許多未知的挑戰(zhàn)。比如，月表月壤實際厚度不均，可能藏有絆倒人的暗坑；月塵揚起，可能阻礙前行視線；月球缺乏大氣保護(hù)層，隨時可能面臨微流星的襲擊。

“我們將窮盡一切技術(shù)手段，提前做好應(yīng)急預(yù)案，保護(hù)航天員的安全，走得出去，更要回得來。”田林說。

目前，“望宇”登月服、探索載人月球車等都在緊鑼密鼓地開展研制試驗。

第三道關(guān)——返回地球

從月球返回、高速飛行的飛船想要精準(zhǔn)降落地球，需經(jīng)歷太空“打水漂”

安全登月，更要安全返回地球。

按照設(shè)計方案，當(dāng)完成登月任務(wù)，兩名航天員返回“攬月”，從月面上升至環(huán)月軌道，與搭載另外一名航天員飛行等待的“夢舟”實現(xiàn)第二次交會對接。“攬月”里的兩名航天員進(jìn)入“夢舟”，三名航天員搭載“夢舟”與“攬月”分離后，返回地球。

接下來，就是充滿挑戰(zhàn)的“回家”路。

航天員攜帶月球樣品、乘坐“夢舟”實現(xiàn)月球加速，脫離環(huán)月軌道，進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道，瞄準(zhǔn)飛入地球的最佳時機(jī)。

高速再入中的熱防護(hù)，是一重考驗。當(dāng)返回艙穿越地球大氣層時，因高速飛行，會和大氣產(chǎn)生劇烈摩擦，從而產(chǎn)生大量的熱。從月球返回地球，由于初始再入速度更快，將會產(chǎn)生更加劇烈的高溫。

“科研人員始終堅持一個信念，要做好飛船的熱防護(hù)，航天員的生命安全永遠(yuǎn)放在第一位。”田林說。

精準(zhǔn)飛行，是更嚴(yán)峻的考驗。載人登月任務(wù)中，從月球返回、高速飛行的“夢舟”，精準(zhǔn)降落地球，也要經(jīng)歷像嫦娥六號返回地球經(jīng)歷的“打水漂”過程。

所謂“打水漂”，就是返回途中，“夢舟”第一次進(jìn)入地球大氣層，實施初次氣動減速，下降至預(yù)定高度后跳出大氣層，到達(dá)最高點后開始滑行下降。之后，“夢舟”再次進(jìn)入大氣層，實施二次氣動減速。這一過程俗稱“太空打水漂”，標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語為“半彈道跳躍式返回”。

為何要“太空打水漂”式返回？

科研人員介紹，“夢舟”從月球飛向地球速度非?？欤祷剡^程必須減速。這樣設(shè)計，目的是充分利用長達(dá)數(shù)千公里航程中的大氣層阻力逐步消耗“夢舟”的初始能量，使其再次穿出大氣層時速度顯著下降，不再具備環(huán)繞地球飛行的條件，從而第二次進(jìn)入大氣層。

為實現(xiàn)這一目標(biāo)，科研人員正在抓緊開展模擬飛行仿真，研制更加智慧的制導(dǎo)導(dǎo)航和控制系統(tǒng)，確保“夢舟”飛行收放自如、平穩(wěn)安全。

中國載人登月的大幕已經(jīng)拉開。提升對月球認(rèn)知，積累技術(shù)經(jīng)驗，探月工程前期成果為載人登月提供有力支撐。一系列關(guān)鍵技術(shù)陸續(xù)突破，為我國2030年前實現(xiàn)載人登月奠定了堅實基礎(chǔ)。

載人登月將開啟中國新的航天探索旅程。后續(xù)，我國還將探索建造月球科研試驗設(shè)施，開展系統(tǒng)、連續(xù)的月球探測和相關(guān)技術(shù)試驗驗證。

夢圓登月，值得期待。（記者 劉詩瑤）

鏈接·中國探月工程

中國探月工程初期規(guī)劃為繞、落、回三期。

繞（一期）：實現(xiàn)環(huán)繞月球探測。

落（二期）：實現(xiàn)月面軟著陸和自動巡視勘察。

回（三期）：實現(xiàn)無人采樣返回。探月工程四期目標(biāo)是，實現(xiàn)月球背面軟著陸及采樣返回，規(guī)劃構(gòu)建月球科研站基本型，開展月球環(huán)境探測等任務(wù)。

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