还不如60年前美国土星五号？中国载人登月：火箭为何分两次发射？

7月12日，新华社报道了中国载人登月初步方案公布，计划在2030年前实现登月开展科学探索，分两次发射在月球轨道对接后再登陆月球！这是真正的官宣，媒体铺天盖地的报道，让小朋友都知道我国要载人登月了，确实应该多多宣传！

不过笔者朋友的一个问题可能比较具有典型性，为什么登月火箭CZ-10要分两次发射？难道还不如60年前的阿波罗登月的土星五号火箭吗？这个话题一下子还真有点说不清楚，有必要展开讨论一下，我们的CZ-10火箭与土星五号到底在哪些方面有差别。

中国载人登月：两次发射，着陆月球

新华社公布的登月方案为：采用两枚运载火箭分别将月面着陆器和载人飞船送至地月转移轨道，飞船和着陆器在环月轨道交会对接，航天员从飞船进入月面着陆器。其后，月面着陆器将下降着陆于月面预定区域，航天员登上月球开展科学考察与样品采集。

在完成既定任务后，航天员将乘坐着陆器上升至环月轨道与飞船交会对接，并携带样品乘坐飞船返回地球。为完成这项任务，我国科研人员正在研制长征十号运载火箭、新一代载人飞船、月面着陆器、登月服、载人月球车等装备。

各项子系统进度如何？

进展最快的应该是新一代载人飞船，2020年5月5日，新一代飞船搭载长征五号B运载火箭首次无人飞行试验成功，预计将于2026年前后具备载人飞行能力，之所以要研发新一代飞船是因为神舟飞船已经再无法担任登月任务，这有几个原因：

• 神舟飞船的辐射屏蔽并不适合穿越范艾伦辐射带和高轨辐射环境；
• 载人数不够，神舟飞船只能搭载3人，新飞船最大载人数可达7人，更适合多人多天任务；
• 最关键的因素是返回速度的限制，神舟飞船只能在第一宇宙速度下保证安全，而登月飞船返回需要接近第二宇宙速度返回，

进展第二的应该要算CZ-10火箭，这个登月火箭我国经历了多次变更，展开了还可以讲个故事，不过我们并不打算说长篇大段，简单了解下。早期我们打算是单发火箭的CZ-9完成载人登月，即和阿波罗计划类似的方案，一次发射发到位直接载人登月。

2022年7月份，龙乐豪院士在《科创中国·院士开讲》第十二期节目中透露了中国载人登月时间指向2030年，火箭也变成了CZ-5DY版，这是CZ-5重构设计，使用改进型发动机的载人登月版；2023年2月24日，在“逐梦寰宇问苍穹 —— 中国载人航天工程三十年成就展”上出现了CZ-10火箭，这就是此前的CZ-5DY重命名版，重新启用了雪藏半个多世纪的“长征十号”命名，中国航天正在继承老一辈航天人的梦想，完成载人登月。

6月12日，载人登月火箭长征十号主发YF-100K的单台累计试车时长达4400秒！130吨级泵后摆液氧煤油发动机完成了第八次试车，试车参数平稳、协调，按预定程序完成了各项考核项目，取得圆满成功。这表示我国的CZ-10火箭进展相当顺利。

月面着陆器这个传出的消息最少，不过此前有公布月面着陆飞船的支撑脚设计与整体框架设计，但这个已经是很早期的消息了，目前进展如何不清楚。

月面宇航服难度应该是“最小”的，原因很简单，月面宇航服和舱外宇航服要求差不多，唯一的差别是要求有抗月面静电环境以及高尘埃环境设计，这些未经风化的尘埃进入宇航服后会对其活动关节造成影响，但这个难度对我们已经实现了舱外宇航服的中国航天来说应该不是特别困难的事情。

月球车设计则非常有特色，四轮月球车重约200千克，可供两位宇航员在登陆地周围活动，在月球车的尾部还有一台折叠状态的应急返回车，如果月球车故障或者电力不足，那么应急返回车可以拆下打开，双人返回着陆地，这个设计可谓是考虑十分周到。

火箭为何要发射两次？还不如60年前的土星五号？

特别让大家在意的是这次登月任务分为两次发射，第一次发射登月飞船，以一条最经济的轨道飞向月球，第二次发射载人飞船+服务舱，以“最快”的速度飞向月球，两艘飞船在月球轨道汇合对接，似乎这与当年的阿波罗登月计划的一次发射不一样，因此笔者朋友才会有如此疑问，难道CZ-10还不如60年前的土星五号？

就推力而言，还真不如土星五号

下面来了解下CZ-10的基本参数，与阿波罗计划的土星五号火箭相比，还真有点差别，CZ-10是芯级+两个助推器模式：

• 高度：88.5－91.6米
• 直径：5.0米
• 近地轨道载荷：70吨
• 地月转移轨道：27吨
• 总质量：2190吨

这是其尺寸与载荷数据，与土星五号的数据相比，果然差好多：

• 高度：110.6米
• 直径：10.1米
• 近地轨道载荷：120吨
• 地月转移轨道：45吨
• 总质量：3040吨

各位要知道，土星五号是1967年11月9日的首次成功发射的，到现在已经整整56年，难道都要登月了还没有比土星五号更先进的火箭？

技术上真的不足吗？笔者给大家简作做个分析

CZ-10的火箭主要配置如下：

• 助推器：x 2，每个助推器为7台120吨级的YF-100K发动机（液氧/煤油）；
• 芯一级火箭：7台120吨级的YF-100K发动机（液氧/煤油）；
• 芯二级火箭：2台150吨级的YF-100M发动机（液氧/煤油）；
• 三级火箭：3台9.4吨级YF-75E发动机（液氧/液氢）；

土星五号的火箭主要配置如下：

• 一级火箭：5台F-1火箭发动机（液氧/煤油）；
• 二级火箭：5台J-2火箭发动机（液氧/液氢）；
• 三级火箭：1台J-2火箭发动机（液氧/液氢）；

火箭性能好不好，关键在于发动机，土星五号的推力确实比CZ-10要大得多，但并不表示其先进性如何，就像60万吨的油轮先进性是绝对比不上10万吨级航母的，不仅要比吨位，还要比技术先进性。

F-1发动机

YF-100K的和F-1的技术，到底哪个更好？

如果对火箭发动机比较熟悉的朋友，看下表对比就知道两种发动机孰优孰略了：

除了推力以外，其他全部吊打F-1，其中一个比较关键的指标是室压和循环，这两个有必要作个简单解释：

而各种燃烧循环就是高温燃气涡轮燃烧后“废气”的去向，因为高温燃气涡轮的耐温性不够，一般在高温燃气涡轮都是富氧燃烧（氧化剂比例高于燃料），也有富燃燃烧（燃料比例高于氧化剂），当这些“废气”排走时就浪费了大量氧化剂或者燃料。
分级燃烧循环（闭式循环）就是将这些燃烧后的“废气”再次注入燃烧室，所以才叫“分级燃烧循环”，而全流量分级燃烧循环则是所有进入燃烧室的燃料都经过高压燃气涡轮泵，所以才被称为“全流量分级燃烧循环”。

在这些循环模式中，燃气发生器（闭式循环）难度最低、全流量分级燃烧循环难度最高，分级燃烧循环难度居中，目前液氧煤油机还没有全流量分级燃烧循环，所以分级燃烧循环已经是天花板了。

从表中可以得知，F-1发动机的室压为7MPa的燃气发生器循环（开式循环），但很多朋友都看不出这个开式循环的排气口在哪里，这点F-1设计还是非常有特色的：

喷管上那个分叉的大型锥形歧管就是开式循环的飞起排气口，这个喷嘴沿着喷管的后半段进入喷管内壁，将高温的燃气与外壁分离得到冷却，确实是天才的设计，不过现在的技术已经不需要这种方式冷却了。

F-1推力确实非常大，但由于室压低也导致它的海平面比冲只有263s，在液氧煤油机中也算是垫底了，基本就是超大燃料消耗量换来的大推力，2300吨液氧煤油，在160s时间内就全部烧完，这个流量实在太大了，当然各位别嫌弃，这可是1960年代的技术，虽然现在看起来像台12匹马力的单缸机，但在当年基本也是怪物级的。

YF-100K是二十一世纪的技术，与F-1去比先进性显然是胜之不武，虽然两者推力差别挺淡，但以此作为证据认为YF-100K不如F-1，那笔者是不能忍的，各位了解就行了。之所以分两次发射是因为CZ-10的地月转移轨道需要45~50吨的运载能力，两枚CZ-10刚好！

中国这样选择更为务实，并不是非得要单次发射才算登月，美国和前苏联都有过两次发射对接的计划，中国并没打算要一次吃成一个胖子，而CZ-10两次发射还能让第一次发射的月球登陆飞船沿着最经济的轨道飞向月球，这在成本上还是具有一些优势。另外也并没有因为选择两次发射的CZ-10后放弃CZ-9的研制，这枚火箭将在未来的木星与太阳系外围探测发挥出重要的功能。

美国“别无选择”，只能为太空对抗做好准备。

中国的登月计划没必要和阿波罗时代比较，而是要找现在正当其时的阿尔忒弥斯计划，这是美国重返月球的重头戏，为此还找了几十个国家结成阿尔忒弥斯联盟，试图从气势上超越当年的阿波罗计划以及中国载人登月工程。

不过由于阿尔忒弥斯计划太过庞大，这个实施起来难度可能还不是一般的高，未来执行面上很有可能会延期，搞不好要和中国竞争重返月球的登月竞赛，就目前来看，这个概率还越来越高。阿尔忒弥斯计划涉及如下几个子系统：

• 1、太空发射系统（SLS火箭）；
• 2、猎户座飞船；
• 3、月球门户空间站；
• 4、商业载人着陆系统（星舰月球版）；

过程是这样的：SLS火箭发射猎户座飞船成功后将开始建设运行于极地近光环轨道(NRHO)的月球门户空间站，完成后作为登月中转站，之后将正式转入登月模式：

• SLS火箭、猎户座飞船、月球空间站、星舰月球版登月飞船、SLS火箭将载着宇航员的猎户座飞船送到近地轨道后直接转入地月转移，抵达月球门户并与之对接后进入月球门户空间站，在这个最大可供4人生活的空间站上“休整”一段时间，等待商业载人着陆系统（星舰月球版）的到来。
• 登月时星舰月球版将载着宇航员离开月球门户执行登月任务，降落月面完成任务后星舰再次起飞前往月球门户与之对接，转移宇航员到月球门户，休整后进入猎户座飞船执行返回地球任务。

NASA打算干成定期航班，所以才找了那么多国家投钱，然后送大家上去几日游，比当年的载人登月一锤子买卖显然是要强多了，但这也导致了这个计划非常庞大，目前打算是2025年完成第一次登月，还有一年半时间，但连星舰月球版的影子都没有，咋个登月？

所以NASA最近已经急了，找来了当年竞标失败的蓝色起源准备开发第二个月球着陆器，以备SpaceX的星舰月球版跳票，而这艘登月飞船的结构与中国的登月飞船很相似。真是忙活了半天，回过头来还是抄作业。

早在5月底，在中国公布了初步的登月计划后（当时还未正式官宣），美国一名高级军事官员警告称，美国“别无选择”，只能为太空对抗做好准备。另据《卫报》报道，美国太空司令部战略、计划和政策副主任杰西·莫尔豪斯准将表示：“如果有必要的话，美利坚合众国已准备好今晚在太空作战。”

登个月都能上升到太空对抗，真佩服美国人搞思想工作的水平，中国航天其实没想那么多，只想安安静静的登个月，并且时间上安排在2030年，美国人自己安排的时间是2025年，并不想和美国人竞赛，结果因为各种失误跳票，未来中美在月球上“正面硬扛”的可能正在增加，而这正是美国人自己造成的。