文︱关品方
中国官宣计划在2030年前进行载人登月,还有3年8个月,时间相当紧迫。在这之前,还会有几次重大的、里程碑式的验证飞行任务要进行,包括长征10号大火箭搭载梦舟飞船绕地球并对接空间站及安全返回验证飞行(载人或不载人);登月航天员乘组搭乘梦舟飞船绕地球演练交汇对接、分离等登月环节并安全返回;载人登月及安全返回的全过程(不载人)验证飞行《包括月球轨道交汇对接、揽月登月舱登陆与再起飞等等环节》。笔者有朋友大胆预测,中国可能在2029年国庆80周年前后正式实施载人月球探测任务,一举成功。任重道近,时有我待。关键是怎样理解何谓“2030年前”,应该是2029年12月31日前。
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香港不少中学生对天文学有浓厚兴趣。上世纪60年代,母校皇仁书院副校长廖庆齐老师是著名天文学家,他指导的皇仁书院天文学会有优良传统,同学们趋之若鹜。如今不少香港的中学都有天文学会。笔者于本文尝试对有关中国载人登陆月球今后几年的进展作科普解析,抛砖引玉,希望能引起教育界师生们的关注。
中国实现载人登陆月球,笔者估计优先选择月球背面或南极,而不单是月球的正面。当前工程已进入“无人探月收官+载人登月冲刺”双线并行阶段。就笔者所知,整体过程将分为三个阶段,首先是无人勘查选址与技术验证,然后是系统联试与无人登月演练,最后是载人登月实施与月背驻留科考。核心依托嫦娥7号和8号、长征10号、梦舟飞船和揽月着陆器四大核心产品,以及鹊桥中继星组网(保障月背通信无阻,这方面十分关键,笔者早前已经有文章详细介绍过)。
当前的基线是关键技术已完成突破,整装待发。载人登月“三大件”(火箭、飞船、着陆器)与核心技术均已完成关键验证,探月与登月工程已深度统合、有序整体推进。
首先是无人探月基础建设。2024年嫦娥六号已完成人类首次月球背面采样返回,验证了月背软着陆、月面起飞、轨道交会对接、中继通信等全部流程,已积累月背地形与环境数据。
其次是长征10号火箭(登月主力):90米级、有21台发动机、地月转移轨道运力27吨确认足够。去年已完成两次系统点火,今年2月已完成低空演示验证与逃逸试验,具备首飞条件。
第三是梦舟载人飞船:可载3人、地月往返。去年已完成零高度逃逸试验,今年亦已完成海上搜救与芯级打捞回收验证。
第四是“揽月”月面着陆器,是载人登月专属载体。去年8月已完成着陆及起飞综合验证,适配月背复杂地形与月球南极低重力环境。
最后是中继通信。鹊桥2号(2024年发射)已在轨,借此构建地月中继链路,解决了月背通信盲区。据悉后续将要补网,保障登月全程通信不中断就得。
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笔者查阅相关官网信息,从现在到2028年12月,要完成无人探月收官,决定月背或南极精准选址与技术验证。核心目标是摸清月背或南极的资源与环境、验证载人登月关键技术、搭建科研站基本型,确保2030年前载人登月“落得稳、探得准、回得来”。
今年下半年将发射嫦娥7号(俗称月背或南极“侦察兵”),构型是“轨道器+着陆器+巡视器+飞跃器”,是全球首个“绕月、落月、巡视、飞跃”四位一体探测器。任务是着陆月球南极和背面的接壤区,重点勘查水冰资源(目标是“永久阴影坑”)、高精度软着陆、月面飞跃、阴影坑探测;获取地形、地质、辐射、月壤数据,锁定载人登月预选着陆区;直接为选择载人登月着陆点、资源开发、科研站规划提供精准依据,重点突破月背复杂地形软着陆技术与阴影坑探测技术。
2027年的任务是载人登月系统集成与地面联试。届时将有长征10号首飞(无载人),验证火箭地月转移轨道发射、分离、测控全流程,考核发动机的可靠性与箭体结构的强度。然后是“梦舟+揽月”联合测试,完成绕月轨道交会对接、航天员舱间转移、着陆器月面起降模拟、飞船返回地球的全流程安全演练。
与此同步,要进行登月服与载人月球车的研制。登月服(防辐射、低重力、防寒保暖、月尘防护)要完成定型。载人月球车(2人、续航100公里、可爬30°斜坡)要进行样机试验,适配月背崎岖地形。文昌发射场要进行测控改造,完成长征10号总装发射设施建设,《全球测控网+鹊桥中继星》要组网,覆盖地月轨道转移、环月飞行、月背着陆、月面驻留及返回地球的全过程。
2028年将发射嫦娥8号(俗称月面“基建先锋”),完成载人登月的无人演练。嫦娥8号与嫦娥7号将在南极/月背协同,验证月壤3D打印、月面建筑、基础资源利用(制氧/取水)。搭建国际月球科研站的基本型(具能源和通信能力的简易栖息地),为航天员短期驻留月面提供保障。2028年还将进行载人登月的无人任务演练,由两枚长征10号分别发射梦舟(无人)与“揽月”(无人)环月对接、“揽月”着陆月背/南极预选区、月面模拟科研考察、上升器对接返回舱飞回地球;“无人”验证,排查风险、优化流程。最后是月背预选区的最终确认:综合嫦娥7号/8号的数据,选定1至2个“月背着陆点”(要求地形平坦、水冰资源丰富、通信与光照条件适配),锁定2030年前的载人登月“落月点”。
2029年全年将会是载人登月的“临门一脚”,要完成全系统实战化演练。核心目标是完成载人登月的全流程《无人+有人》演练,固化任务方案,确定乘组飞行员(目标是3人),达到完全具备发射的条件。上半年是载人登月全系统无人演练和方案实战。按照最终任务流程,两枚长征10号将相隔15至30天先后发射。第一发是把揽月着陆器(含上升器)送入环月轨道,第二发是把梦舟载人飞船(无载人)送入环月轨道。之后完成梦舟与揽月的环月对接,模拟航天员舱内转移。继而是月背着陆,揽月要软着陆下降至预选区,模拟月面驻留与科研考察。最后是上升器起飞与梦舟对接,返回地球,溅落太平洋后完成打捞回收。核心验证是确保《双发协同、环月交会、月背着陆、月面驻留、上升返回》的全过程的可靠性,优化轨道参数、着陆控制、应急处置等各项预案。
最后是选定登月乘组,进行有人系统联试,最终任务方案敲定后,冻结方案(不再改动)。乘组将从现役航天员中选拔最多3人、组成登月乘组(指令长、月面工程师、载荷专家),重点训练月背着陆操作、月面行走、科考作业、应急处置、地月通信等专项技能。有人系统联试的内容是登月乘组进入《梦舟+揽月组合体》,完成环月对接、舱间转移、月面着陆模拟、月面科考演练、上升返回模拟等全流程有人操作演练,考核人机协同与应急处置的能力。根据演练结果,最终确定载人登月的发射窗口、着陆点、乘组分工、科考任务、应急预案后,随即进入发射待命状态。
实施载人登月与科考驻留的核心目标是实现中国人首次载人登陆月球(背面或南极),完成月面短暂驻留(大约7天)、科学考察、技术试验,安全返回地球,形成中国独立自主载人月球探测的能力。
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中国载人登月计划一贯采取公开的态度,在相关官网有相当详细的介绍,本文转述的细节,并无任何国家机密信息。据悉发射窗口优先选择在4/5月或10/11月(地月轨道最佳、月背光照与通信条件适配),发射窗口周期3至5天。第一发由长征10号发射揽月着陆器(含上升器、月面物资和载人月球车),送入地月转移轨道,约5天可抵达环月轨道,制动入轨后,等待梦舟飞船到来对接。间隔15至30天后进行第二发,由长征10号发射梦舟载人飞船(载有最多3名航天员)送入地月转移轨道,约5天抵达环月轨道后,与揽月着陆器自动交会对接。
《月背软着陆+航天员出舱科考》是核心里程碑。对接完成后,航天员从梦舟转移、进入揽月着陆器,检查着陆系统、换上登月服和整合科考设备后,准备下降。之后是揽月着陆器分离,启动下降发动机,自主导航避障,精准软着陆到预选区,着陆后展开太阳能帆板和通信天线,建立月面工作环境。然后是历史性的时刻到来,航天员身着登月服首次出舱踏上月球,中国五星红旗国旗展示、月面行走、载人月球车试驾、月壤采样探测、辐射环境测量、基础资源利用试验(H2O,O2;液体水、气体氧)等任务,驻留时间约7天,完成“登、巡、采、研”全流程。月面任务完成后,航天员进入上升器,与着陆器分离,点火起飞,进入环月轨道,与梦舟飞船交会对接。航天员转移回到梦舟后,与上升器分离。梦舟启动返回发动机,进入地月转移轨道,约5天后返回地球,进入大气层,溅落太平洋,由搜救船队回收,航天员健康出舱。任务收官。
中国完成人类首次载人登陆月球的意义是突破载人地月往返、月面短期驻留、人机联合探测等关键技术,形成独立自主载人登陆月球的能力,将为中国2035年建成国际月球科研站基本型、2045年建成完善型奠定基础,标志着中国航天从“跟跑”迈向“并跑+领跑”的新阶段。
总结而言,中国载人登陆月球背面或南极接壤须要克服以下挑战,比较美国50多年前先后6次载12人月面登陆(从1969年7月至1972年12月),是维度升级科技应用。首先是克服月背通信盲区,中国依托鹊桥2号+后续中继星组网,全程覆盖地月通信,确保月背或南极着陆及驻留期间通信不中断、测控无死角。其次是在月背或南极的复杂地形软着陆,嫦娥7号须要先期勘查地形,着陆器配备高精度自主导航、激光避障、动力减速系统,适配崎岖地形与阴影坑环境。此外还有地月往返的长周期风险,先要做妥全流程《无人演练+有人联试》,固化应急处置预案。火箭、飞船和着陆器都要采用高可靠度的安全冗余设计,关键系统更有双备份。最后是月背或南极环境恶劣,登月服防辐射、防月尘、耐高温低温;载人月球车要适应低重力(月心吸力只有地心吸力的1/6,太空人在月球表面走路,好像所谓“僵尸跳”)和崎岖地形。科研站基本型须要提供能源、通信和简易栖息地的生活保障。
中国为了完成嫦娥奔月、飞上九天揽月的梦想,而且计划一步到位载人登陆月球背面或南极,是从无人探月到载人驻月的关键跨越。今后几年稳步推进,从无人勘查选址与技术验证到全系统实战化演练,再到实施载人登月进行科考,最后考虑人类长驻月球,其核心依托是嫦娥7号8号、长征10号、梦舟飞船、揽月着陆器四大器具,以及中继通信、发射场、测控、搜救等地面保障系统,要攻克月背通信、软着陆、地月往返、月面驻留等关键挑战,实现人类首次载人登陆月球背面或南极,可为月球科研站建设与深空探测奠定坚实基础。
美国57年前已经能够载人登陆月球正面,以当年人类的航天技术、互联网宽频技术、材料技术、卫星定位通讯技术、地月转轨技术、飞船冲入大气层等技术水平,平心而论,美国太空人能够在3年半之内连续6次载12人登陆月球,简直匪夷所思,令人赞叹之余,不应简单地怀疑NASA有没有夸张失实报导。科学容不得半点虚假。期待中国载人登陆胜利完成。中国以谦虚谨慎、戒骄戒躁的务实态度从事科学实验,如果没有绝对把握,绝对不会事先张扬。作为中华民族炎黄子孙,热切期待这一天的到来。
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