美国人终于慌了!中国载人登月技术大爆发:十九篇论文详述登月细节

九月期的《宇航学报》已经上线了，这一期是载人月球探测的专刊，都是平日里大家都见不到的登月技术关键介绍，从登月选址到运载火箭以及载人飞船返回和月球着陆器等关键技术大合集，看来这二十一世纪的中美登月竞赛，美国眼看着就是落后于中国了。

中国载人登月技术大爆发：有哪些关键技术？

2023年9月刊的《宇航学报》总共刊出了19篇载人登月的关键技术，笔者大致浏览了下，总共以如下几大块任务论证：在月球探测任务整体规划与选址上有如下论文：

• 载人月球探测整体性能提升
• 载人月球探测科学目标及着陆区选址建议
• 载人月球探测一体化任务规划设计方法研究
• 载人月球探测任务转移轨道及月面着陆区评估分析

在运载火箭以及轨道设计上涉及的有如下论文：

• 登月火箭剩余运载能力估计与停泊轨道重规划

在载人飞船设计与控制上涉及的有如下论文：

• 新一代载人飞船气动外形设计与优化
• 新一代载人飞船逃逸系统设计与关键技术研究
• 新一代载人飞船可重复使用技术体系研究

月面着陆器设计与轨道下降涉及的有如下论文：

• 载人月面着陆器飞行策略优化研究
• 中途分离模式的载人月面下降轨迹优化设计

关于月球车设计与探测路线以及控制涉及的有如下论文：

• 载人月球车稳定操控策略设计与优化
• 载人月面移动系统着陆行进一体化设计与验证

月球科研站以及未来月球探测序列化涉及的有如下论文：

• 载人月球科研试验站若干问题思考
• 载人月球探测序列任务组合仿真设计与试验

涉及载人登月与深空通信的有如下论文:

• 载人月球探测一体化网络和协议架构设计与验证
• 载人月球探测月面通信网总体架构及关键技术研究

从目录也可以知道，9月期的《宇航学报》刊出的论文几乎囊括了从选址到发射、轨道设计、飞船与月球着陆器，还有月球车控制与返回，甚至还包括飞船重复使用以及通信设计与未来月球站和后续探测序列任务等，事无巨细，全方位详述登月技术细节。

中国载人登月：流程到底是怎样的

先来了解下目前中国航天基本已经确认的登月流程，具体有如下部分组成：

• 1、CZ-10载人登月火箭：2次发射；
• 2、载人飞船（兼返回舱）+服务舱段；
• 3、载人月面着陆器+载人月球车+应急返回车

中国航天载人登月分两次发射，第一次用一枚CZ-10火箭发射载人月面着陆器，然后以一条最经济的轨道飞向月球，预计时间可能需要大半个月，因为这次发射为无人状态，可以用最大载荷以霍曼转移轨道的方式慢慢前往月球，可以使用经济性最佳的轨道。

第二次发射为载人飞船（兼返回舱）+服务舱段，这次为载人发射，会以一条最快的的轨道前往月球，预计2~3天即可抵达，圆轨后再与登月舱对接组成组合体，检查设备完整后择日执行登月任务。

载人月球着陆器在与组合体分离后进入一条100X15千米的下降轨道，制动并向月面着陆，成功着陆月面后执行完毕任务，然后再从月面起飞，进入环月轨道与载人飞船对接，完成月岩与人员转移。

之后与月面登陆舱分离，这个舱段会留在月球轨道上，据说能重复使用，下次来带上燃料与高压气体等耗材加注即可。而载人飞船则执行返回地球任务，应该会以嫦娥5号的水漂弹道方式返回地球，这种方式不需要制动，并且经济性与舒适性都非常不错，最后载人飞船应该会降落在东风着陆场。

中国载人登月：哪些关键技术已经突破？

有了论文与载人登月流程，下文即可对登月的关键环节进行解读了，笔者整理了几个问题，以问答的方式来解决大家的疑问：

• 1、月面着陆，究竟会降落到哪里？
• 2、月面着陆器究竟是如何着陆的？
• 3、载人飞船究竟是如何完成水漂弹道返回的？
• 4、月球探测：序列到底安排，后续月面基地建设怎么展开？
• 5、月球通信到底是怎么完成的？

嫦娥三号着陆点在虹湾，四号着陆在月球背面的艾肯特盆地冯卡门撞击坑，五号着陆在风暴洋北部的吕姆克山脉附近，所以接下来会有个有趣的问题，载人登月，究竟会降落到哪里？

这篇由牛冉、张光等作者撰写的论文《载人月球探测科学目标及着陆区选址建议》提出的观点也挺中肯的，必须考虑如下几个要素：

• 考虑从月球飞向火星的基地建设；
• 考虑从技术掌握到月球资源探测与开发利用；
• 考虑从短期探测到长期驻留；
• 考虑国际合作，分摊风险，利益共享发展成果；

论文提出了一个观点，建议选择资源富集区以及月球南极，主要考虑就是未来开采资源，但月球南极则是基于另一个有水资源的理由。由于月球南极特殊的地形构成了很多永夜区，这些区域基本确定蕴藏了大量水资源，在月球这种极度干燥的区域，拥有水资源无疑就是一个巨大的“加油站”。

未来的月面农业、常驻宇航员的消耗、电解后的氢氧等都是月面最稀缺的物资，所以选在在月球南极确实是一个理由，NASA的阿尔忒弥斯计划以及我国将要实施的嫦娥计划等都选择了月球南极，所以载人登月在月球南极附近也是成立的。

除了月球南极这个大方向外，论文还提出了在国际上规划的67个月球探测着陆区以及国内征集的39个着陆区中选择，目前已经遴选出22个赤道至低纬度（0~20°）着陆区、18个中高纬度（20°~60°）着陆区以及10个极区（南北极区域），不过目前尚未最终确定着陆区域。

• 月面着陆器究竟是如何着陆的？

侯振东、刘 扬和赵毓撰写的论文《中途分离模式的载人月面下降轨迹优化设计》给出了一种能节省300KG以上燃料的着陆方式，论文首先是叙述了降落过程，载人月面着陆器飞行至环月轨道近月点附近，推进舱轨控发动机点火工作，开始月面下降着陆飞行：

1. 主减速段：推进舱轨控发动机工作，降低环月轨道高度和速度,达到分离条件后两舱分离，一般采用推进剂最优制导律,如动力显示制导等
2. 分离滑行段:推进舱和登月舱无动力飞行
3. 姿态调整段：登月舱调整姿态，启动轨控发动机并进行变推力调节，直至达到下一阶段入口处的推力和姿态
4. 接近段：以恒定的飞行路径角B向目标着陆点飞行,一般采用多项式制导，等方法进行闭环控制。
5. 垂直下降段:垂直下降并着陆月面

作者还配上示意图方便各位理解这个过程，笔者也是因为这篇文章和这幅示意图才发现，月球着陆器与想象中的工作方式有点不一样：

月面着陆器分为着陆器与推进舱两个阶段，原本笔者认为推进舱只会在地月转移轨道使用，但从论文设定的降落程序来看，这个推进舱还会继续在下降阶段作减速使用，完成任务后抛弃直接坠毁月面。

左侧为月面着陆器，下方是推进舱段

这篇论文论证的就是在什么时候抛弃这个推进舱经济性最好，此时是矛盾的，因为推进舱反正都要丢弃，所以要彻底用完燃料，但着陆器也有燃料，如果没有在着陆阶段消耗足够多燃料，那么上升阶段将会携带太多的燃料，造成燃料浪费或者消耗过多推进自身的燃料。

作者根据推进舱的燃料预留程度给出了一个公式，可以根据这个算法计算出最佳分离点，与此前的燃料装载量对比，月面着陆器至少可以少携带300KG以上的燃料，确实不失为一种优秀的解决办法。

• 载人飞船究竟是如何完成水漂弹道返回的？

郭斌、杨雷、倪庆和罗太超的论文《新一代载人飞船气动外形设计与优化》以非常翔实的资料说明了我国的新一代飞船为何要采用这种迥异与NASA的猎户座与SpaceX的龙飞船结构，之所以要这样设计师因为与龙飞船应用方式完全不同，而与猎户座的考虑的侧重点不同！

因为我国的新一代飞船与猎户座需要考虑几乎以第二宇宙速度返回的气动加热问题，如果使用减速再入的话对飞船要求就很低，但需要携带额外的减速燃料，然而地球有一个大气层，不拿来减速实在是浪费，这个“跳跃再入”就是彻底利用了大气层的减速作用。

飞船首先以一条升阻比略高于半弹道方式（常规再入）再入大气层沿着可控轨迹下降，在中层稠密大气的作用下，飞船升力逐渐增加，会再次将飞船轨迹抬高并再次冲出大气层，但此时速度不高，很快就会再次落回大气层，但经过第一次减速后速度大幅度降低，在以半弹道方式再入。

跳跃再入对飞船的防热保护要求以及航天员的过载都大幅降低，远低于弹道与半弹道再入，但仍然高于环地球轨道再入的要求，这也是航天口研制新一代飞船的原因之一。而要实现跳跃再入，第一个要求就是飞船的气动设计要求，第二个就是控制要求，第三个就是耐热要求，这三个都要经过设计论证才能达到最佳组合。

我国新一代载人飞船返回舱气动设计重点为降低再入热环境以及提高升阻比，因此选择了以钝头体外形为主的气动结构，目前新一代飞船已经过无人发射测试并成功返回，未来将会在2024~2025年的某个时候载人发射测试。

• 月球通信到底是怎么完成的？

测控与通信往往联系在一起，笔者在此前印度月船三号着陆时已经科普多次，主要是精准定位航天器位置测得其轨道数据后再合适的事件注入数据，以达到测控的目的。想要实现这个要求，需要地球上的射电望远镜配合完成VLBI测量，然后再用深空测控天线注入数据完成测控。

到这里其实已经完成了通信的一种，因为测控也是通信的一种，但通信却不只是测控，比如语音与数据通信等，一般在月球正面工作的探测器，只需地面深空测控天线即可与月面直接通信，偶尔可能需要轨道器中继。

但要是在月球南极圈或者在月球背面着陆，那么就需要中继卫星了，比如我国的鹊桥中继卫星，当然也可以在月球轨道上设置多颗卫星完成转发中继，两种方式都可以实现，不过我国已经有鹊桥卫星，近期可以直接使用，2024年会发射新的鹊桥中继卫星。

上图是嫦娥四号中继通信链路，如果在月球南极着陆，那么可以肯定会采用这种方式中继，因为在南极地区通信会受到月面隆起的地形遮挡。如果在其他地区登陆，会采用“直连”地球的模式，通过地球深空测控天线或者天链卫星中继。

除了月地通信外，另一个关键是月面通信，未来月面活动中的各节点如月球科考站、移动实验室、航天员、月球车、月面探测机器人之间需要组成月面通信网，从使用范围和场景来看，5G通信可能是比较合适的，既能满足距离需求，也能满足速度需求，并且还能多址需求，这比以太网或者2.4G无线组网要优秀得多。

NASA的通信网络

但5G需求对月面基建需求比较高，目前NASA的阿尔忒弥斯计划中尽管计划采用5G，但并没有公布细节，不过可以预料的是应该会采用简化版，没必要将地面5G通信的全套搬到月球上。所以未来宇航员带上5G手机，在月球打电话回地球还是非常有可能的。

美国慌了：起了个大早却赶了个晚集

说的就是NASA的阿尔忒弥斯计划，目前该计划打算在2025年完成登月，但目前的问题是月面着陆器的进展并没有超过中国太多，要是能2025年登月，那就是见鬼了！

阿尔忒弥斯计划是美国重返月球的里程碑，但这个计划目前遭遇难以想象的困难，首先是它的组合，由SLS火箭、猎户座飞船与月球空间站和月面载人着陆器组成，其登月过程是SLS火箭将猎户座飞船送到月球空间站，再等待月面载人着陆器停泊月球空间站带上宇航员着陆月面，这个月球空间站、SLS火箭+猎户座飞船+月面着陆器组成定期航班，为此NASA找了十几个国家为阿尔忒弥斯计划站台。

目前进度最高的是SLS火箭和猎户座飞船，已绕月飞行。月球空间站进展并不乐观，最慢的是月面着陆器，这个原本是SpaceX的星舰改装的月球版，但目前进度遥遥无期，NASA不得已在今年5月份加入了蓝色起源的“BLUE MOON”，就是担心马斯克的星舰月球版跳票了，这个“BLUE MOON”和中国载人登月的月面着陆器有些类似。

中国航天的目标是在2030年前登月，一切以实现目标为导向，各项计划设定目标都非常务实，而NASA计划确实很完美，但很难按时实现，既然2025年无法达成目标，那么2028？还是2030？中国其实并没打算和美国竞赛登月，只是美国人毫无时间观念，拖拖拉拉，终于和中国站在了同一条起跑线上！