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半个世纪过去了,人类登月的交通工具有何不同?

谦太祥和 发布于: 2019年7月22日 7时32分30秒 阅读58次

  科技日报记者 付毅飞

  最近,美国华盛顿的夜晚,多了一道风景。

  一周来,每晚 21 点 30 分开始,华盛顿纪念碑上都会出现土星五号运载火箭的动态投影。

  两座丰碑的交融,为纪念“阿波罗”载人登月 50 周年增添了壮美景观。

  1969 年 7 月 21 日世界时 2 点 56 分,美国宇航员借助土星五号火箭和阿波罗飞船首次踏足月球。半个世纪过去了,美国“重返月球”的呼声再起,“交通工具”却迟迟未能准备好。

  未来载人登月的飞船和火箭与当年有何区别?全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩向科技日报记者进行了介绍。

  土星五号

  与传承航天飞机技术的 SLS

  重型火箭是实现载人登月不可或缺的运输工具。

  所谓重型火箭是指起飞推力在 3000 吨上下、近地轨道运载能力在 100 吨左右的运载火箭。

  土星五号是世界上第一种成功发射的重型火箭。起飞重量超过 3000 吨的它,目前仍保持着人类火箭的自重纪录。而 3408 吨的起飞推力,也仅次于苏联的“能源号”。

  这台高达 110 米,相当于 40 层楼的庞然大物,能将 45 吨重的载荷送到月球轨道。近地轨道运载能力更是达到 120 吨。

  1969 年 7 月 16 日,阿波罗 11 号飞船和土星五号火箭从肯尼迪航天中心发射台发射

  从 1967 年到 1973 年,美国共发射 13 枚土星五号。其保持着完美的发射纪录。虽然在发射阿波罗 6 号和 13 号过程中,火箭出现过发动机故障,但箭载电脑都能通过延长剩余发动机工作时间的方法保持飞行。

  相比当时苏联几乎是发一次“炸”一次的N-1 火箭,土星五号可以说是相当靠谱。

  不过,1973 年将“天空实验室”送入近地轨道,成为土星五号的谢幕演出。实际上,美国早在 1970 年就关闭了它的生产线。原因是:太贵了!

  你算算,土星五号发射 13 次,总耗资 65 亿美元,平均打一发就是 5 亿美元。企业号航空母舰造价也不过 4.5 亿,足足开了 50 多年。土星五号三级发动机点火时间加起来不过十几分钟,就烧掉一艘航母,哪怕是土豪美国也心疼啊。

  另外,随着苏联推出登月竞赛,美国也将太空战略转向了近地轨道。“月球火箭”不再有用武之地。

  1970 年代,美国将目光投向了“又经济、又安全”的全新天地往返运输工具——航天飞机。事实证明,航天飞机既不经济也不安全,用了 30 年,它也退出了历史舞台。

  这时美国发现了一个尴尬的问题:曾经去过的月球,如今遥不可及,因为火箭手艺“失传”了。

  就算翻出土星五号的图纸,斥巨资重建生产线,几十年前的零配件上哪找去?当时的陈旧产物,如何与当今技术匹配?

  于是美国决定研制新的火箭——太空发射系统(SLS)。

  2014 年,NASA 公布了 SLS 的构想图。其初始构型的近地轨道运载能力为 70 吨,改进后可达 130 吨,最终甚至可能超过 160 吨。它可以向近地轨道及更远的太空,发载人飞船或大型有效载荷,满足载人登月、载人登火等任务需求,还能作为国际空间站商业乘员运输系统的备份工具。

  相比土星五号,SLS 更为经济可靠。它采用两级半构型,采用了大量航天飞机的技术,也借鉴了已经下马的战神五号重型火箭设计思路。未来其发动机有可能实现重复使用。

  不过 SLS 的研制进展缓慢,原计划 2017 年首飞,却被一再推迟。据最新消息,NASA 刚刚将该火箭的首飞日期推迟到 2021 年。

  阿波罗

  服用类固醇变成猎户座?

  要说阿波罗飞船,先得从阿波罗计划的登月方案说起。

  当年,美国为确定登月方案花了很长时间。

  一种方案是直接将整艘飞船送到月面,简单直接,但对火箭要求太高,所需时间、资金最多。

  另一种是地球轨道对接法,先分别将飞船的几部分送到地球轨道,对接后飞向月球并着陆,工作完成后飞船抛掉下半截,仅由上升部分载人返回。用这种方法,火箭不需要太大推力,在地球轨道对接也比较安全。不过飞船太大,在月面着陆可能深陷尘土。

  最终美国采用了月球轨道对接法:将飞船发射到月球轨道,2 名航天员乘登月舱落月,第三人留在指令舱服务舱组合体里绕月飞行。月面任务完成后,登月航天员仅乘登月舱的上升级离开,在月球轨道与组合体对接后抛掉上升级返回地球,再入大气层前再抛掉服务舱,3 人乘坐指令舱降落。

  简单说,去的时候是两室一厅还挂台车,回来只剩一间书房。

  所以阿波罗飞船就被设计成这样↓

  这种方案的好处是登月部分不大,燃料携带量也少,土星五号火箭的运载能力足以胜任。返回部分也很小,对回收有利。不过在月球轨道交会对接,给航天员的安全带来的风险较大。

  阿波罗飞船的飞行控制以自控为主,手控为辅。在一些紧急情况下,航天员手控操纵起到了决定性作用,例如阿波罗 11 号和 13 号,就是通过手控模式返回。

  阿波罗飞船后来的境遇与土星五号类似,甚至失传得更彻底。航天飞机退役后,美国航天员甚至连去国际空间站都要找俄罗斯联盟飞船“搭车”。

  不过为了重返月球,美国打造了新一代多用途载人飞船“猎户座”。

  猎户座与阿波罗有许多相似之处(这也说明阿波罗计划设计得相当科学),外形就十分相像。

  两者也有许多不同的地方。例如猎户座的乘员舱比阿波罗指令舱大两倍,被称为吃了类固醇的阿波罗。这使它可以搭载 4 到 6 名航天员,还能运送更多物资,为将来连续登月做准备。

  猎户座的服务舱由欧洲航天局研制,能以太阳能作为动力,而阿波罗用的是电池,提供的电力十分有限,无法用于建立月球基地。

  相比一次性使用的阿波罗,猎户座的外部防护层可以更换,因而该飞船能重复使用,可以显著降低成本。

  在月球上,阿波罗登月舱只能降落在赤道附近区域。但 NASA 称,猎户座的月球着陆器可以在任何区域着陆。

  猎户座还是多用途飞船,除了载人登月,还能用于载人登火、载人登小行星,以及空间站往返运输。

  此外,阿波罗返回时只能落在海里,猎户座不仅如此,还能通过空气缓冲气囊或者减速火箭,直接降落在陆地上。

  除了上述“交通工具”,近年来美国也涌现出一批航天“新势力”,纷纷喊出了登月口号。

  例如 SpaceX 公司的猎鹰重型火箭已完成两次发射,研制进度无疑远超 SLS,但以其运载能力来看只能算准重型火箭,而且还没有证明具备载人能力。与之搭配的载人龙飞船目前只是针对近地轨道运输而设计,仅携带一个假人试飞过一次,而且最近还在地面试验中爆炸了。所以何时能依靠“猎鹰+龙”实现载人登月,现在还很难说。

  蓝色起源公司也提出了“新格伦”重型火箭计划,声称计划在 2020 年首飞。该公司还推出了一款“蓝月”登陆器,不过这是货运飞船,不能用来载人。

  所以,人类下一次将乘坐哪种交通工具登上月球,还得走着瞧。

  来源:科技日报图片由本文作者提供
  编辑:陈小柒
  审核:王小龙

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