我们为什么要建空间站？......
从神话到现实：中国航天的登月之路
来源：互联网
2024-11-14 08:53:16 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们
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从大约44.5亿年前开始，从地球上的角度来看，月亮一直是夜空中的C位。自人类诞生智慧以来，便不停地思考：月亮为什么在那儿？它的“变化”有什么意义吗？它到底长什么样子？我们能到月亮上看看吗？
对月亮的向往，早就融入了我们人类的基因，甚至形成了独特的月亮崇拜。
但无论是嫦娥奔月，还是蟾蛛化形，它们都只是美丽的神话。直到公元前2000年以后（中国夏朝），人们从月相稳定的周期性变化中得出历法，极大推动了人类的社会生产实践。后来更进一步，宋人沈括提出了月亮是地球卫星、月光是阳光反射，还有月食是地球影子的先进解释。这些均在15世纪以后被哥白尼、伽利略等人证实。原来月亮是个球，形状从来没变过。
随着科技的发展，我们了解了月球越来越多的秘密，而它就像一个早早设立在此的路标，不断吸引着我们向它靠近，直到越过此处，看到前方更广阔的未来。
探月而穿云霄
在不同的历史时期，人类曾幻想出了各种登月工具。从载着道士飞升的神龟，到瞬息万里的筋斗云，再到世界上最大的热气球。它们或是将畜力无限放大，或是试图驾驭天象，或是对当下交通工具的无限强化。
但想象照进现实，却要从火箭的出现说起。
现代火箭，作为探索太空的必备工具，在20世纪20年代登上了历史的舞台。
1926年，罗伯特·H·戈达德博士在美国马萨诸塞州的奎因希尔斯发射的一枚火箭，被认为是现代火箭技术的开端之一。这枚火箭是由戈达德和他的团队自行设计和制造的，重约10千克，高3.4米，飞行距离约为56米，飞行高度约为12.5米。尽管飞行距离和高度相对较短，但它的发射成功标志着现代火箭技术的开端，为后来的火箭技术发展奠定了基础。
到了1930年代，德国的冯·布劳恩和苏联的齐奥尔科夫斯基等人在火箭理论和实践方面取得了重大进展。德国的“拉兹博士号”火箭是第一枚基于现代火箭技术原理的火箭。它由德国航空工程师弗里茨·冯·奥普特设计和制造的，飞行距离为1.5公里，最高飞行高度为180米。拉兹博士号在基于固体燃料火箭的基础上，采用了液态燃料发动机设计，即甲醇和液氧发动机，这让它具备了较高的可控性和稳定性。拉兹博士号火箭的成功发射标志着现代火箭技术的开端。此后，应用的开端也很快就出现了。
上世纪四十年代，二战爆发，在无穷尽的武器升级竞争中，德国首先将火箭这种前沿技术与武器结合了起来。V2火箭使用液体燃料发动机，射程可达320公里，可以从欧洲大陆向伦敦等城市直接发起攻击。它是世界上最早投入实战使用的弹道导弹，同时，也是世界上第一种可控制的火箭。V2火箭在距离和威力上展现出的巨大优势，进一步推进了对火箭研发的投入。
火箭终于具备了将人类送入太空的能力，但距离人类踏上月球，还有很长的路要走。而加速这一进程的，是另一个在历史上颇具争议的事件。
冷战时期，两个掌握了航天技术的大国，出于各自的政治目的，展开了一场对人类太空探索具有深远影响的重磅对决——太空竞赛。
1957年，苏联发射了第一颗人造卫星，引发了美国的恐慌和焦虑。1961年，苏联第一次将人类送入太空，加深了美国在太空探索上的落后感。
为了挽回颜面和地位，美国总统肯尼迪在同年5月宣布了阿波罗计划，设定了在1960年代结束前将美国宇航员送上月球的目标。这是一项极具挑战性的任务，需要大量的资金和技术支持。不过，为了跟苏联一比高下，再大的代价美国也愿意承担。
原因也很好理解，没有什么比率先登上月球更能彰显自己的实力。那是距离人类最近的地外星体，那是太空中最有可能占据的立足点。只可惜，它本该是引导人类踏向深空的路标，但人们第一次接近它，目的却不仅仅是探索。
即使有了美国不遗余力的投入，阿波罗计划的成功也非一蹴而就。在阿波罗计划早期，三种登月方式经历了极为激烈的争论。
当时最有竞争力的方式，是直接登月， 也就是直接从地球发射一艘航天器降落到月球上，再起飞返回地球。1950 年的科幻电影《目的地月球》中特别提到了直接登月的方式。事实上，在阿波罗计划之前，直接登月是大多数人对飞往月球的设想，因为它的优点非常明显，那就是——简单。直接登月不需要任何交会阶段，但这同时也意味着要将所有质量都降到月球上，才能再次返回地球。于是，此方法面临的是一个几乎无法克服的难点，它需要极其巨大的航天器才能发挥作用。尽管NASA研究了几种不同的航天器设计，但这些设计都被认为太大或不切实际。后来真正实施登月的火箭土星五号，巨大到了霸榜50年无人超越的地步，但即便是它，也无法胜任直接登月的任务。
另一种当时极具竞争潜力的登月方法，是地球轨道交会对接。受限于火箭运载能力的现实，工程师们考虑将航天器——这里指的是月面着陆器和载人飞船——分成几个部分，用多个运载火箭分多次发射送入低地球轨道，在那里组装成更大的航天器，然后飞往月球并降落在月球上，最后再起飞返回地球。
地球轨道交会对接的优势也很明显，该任务中棘手的交会阶段靠近地球，即使出现问题，宇航员只需重新进入大气层便可获救。但与此同时，优势的反面却是不容忽视的劣势。这种登月方式意味着它需要从地球发射不止一枚火箭，而且通常会比采用月球轨道交会方式向月球表面发射更多的质量，燃料效率较低，非常不划算。
最终，阿波罗计划采用了月球轨道交会对接的登月方式，并成功完成了17次飞行，11次载人飞行，6次登月，迄今为止都无人超越。
“功勋累累”的月球轨道交会对接方式是怎么操作的呢？它分这几个步骤：1、载人飞船和登月舱一起发射到月球轨道；2、宇航员进入登月舱下降到月球表面；3、宇航员出舱实施载人登月；4、完成登月任务的宇航员返回到登月舱上升级返回月球轨道；5、登月舱上升级和载人船对接；6、宇航员进入载人飞船返回地球。
阿波罗计划的成功证明了月球轨道交会对接方式是一种往返月球的高效方式：它只将实际需要前往月球表面的硬件放置在月球表面，而返回舱、服务舱以及从月球轨道返回地球所需的所有燃料都不需要实际登陆月球，这就使得月球着陆器变得更轻，能使用更少的燃料和更小的发动机。同时，由于只有上升舱从月球起飞，因此需要更少的燃料和更小的发动机就能将该组件送回月球轨道。
即便放在今天，这依然是一个相当天才的想法。但让人遗憾的是，由于阿波罗计划的目的并不单纯，在其失去了政治价值之后，便无以为继了。
而月球，已经有整整五十年无人问津。
直到，中国人，开始书写自己的登月故事。
踏月而入星河
在太空竞赛进行得如火如荼的时候，我们还完全没有实力去做、甚至去想登月这件事。但是，随着我国航天工业的发展、随着我们火箭技术的愈发成熟和人才储备的愈发充足，登月的梦想开始照进现实。
中国的载人登月工程的想法可以追溯到上世纪八九十年代，当时中国航天科技集团公司的一些专家就开始进行载人登月的可行性研究和方案论证。他们认为，载人登月是人类航天事业的必然发展方向，也是中国航天事业的长远目标。他们提出了一些初步的载人登月方案，包括使用大型运载火箭、载人飞船、月球轨道交会对接、月球轨道飞行器、月球着陆器、月球车等飞行器组成的载人登月系统，以及使用月球轨道飞行器、月球着陆器、月球车等飞行器组成的月球探测系统。他们还分析了载人登月的科学价值、技术难点、经济效益、社会影响等方面，为中国载人登月工程的后续发展奠定了基础。
2006年，中国载人航天工程总设计师王永志首次公开提出了中国载人登月的设想，并表示中国有能力在2020年左右实现载人登月。他说：“登月是人类的梦想，也是中国人的梦想。我们要为实现这个梦想而努力。”他还指出，中国载人登月的目的不是为了与其他国家竞争，而是为了探索太空的奥秘，为人类的和平利用太空做出贡献。此言一出便引起了国内外的广泛关注和讨论，也激发了中国人对载人登月的热情和期待。
**随后，中国载人月球探测工程的规划逐渐清晰，**包括登月阶段和驻月阶段两个阶段。此时，规划的时间节点准确的落在了2030年前——我们将在这一节点前实现首次登陆月球，并开展月球科学考察及相关技术试验等。我们还将在2030年后实现中国人在月球上的长期驻留，并开展月球资源的开发利用等。规划已经明确，下一步就是真正去实施了。
中国载人登月工程是按照“方案研制、初样和正样研制、无人飞行试验、载人月球飞行任务”分步展开的。其中，方案研制是指对载人登月工程的总体目标、任务内容、技术路线、飞行方案、飞行器组成、关键技术、风险评估等进行系统分析和论证，形成可行的方案。初样和正样研制是指根据方案要求，对载人登月工程的各个飞行器进行设计、制造、测试和验证，形成具有代表性的初样和正样产品。无人飞行试验是指在初样和正样研制的基础上，对载人登月工程的各个飞行器进行无人的地面试验、空间试验和月球试验，验证其性能和可靠性。载人月球飞行任务是指在无人飞行试验的基础上，实施载人登月工程的最终目标，即实现中国人首次登陆月球，并开展月球科学考察及相关技术试验等。
经过多年的科研攻关，支撑实现中国载人登月工程登月阶段任务的多条主要技术路线均取得了重大突破：
首先是火箭，月球距离地球约38万公里，想要实现载人登月，需要将奔月轨道的运载能力提高到50~100吨级，而这就需要我们的新一代运载火箭——长征十号。
2017年，长征十号的预先研究便已经开始了。那一年，我国首台120吨级液氧煤油高压补燃泵后摆发动机首次试车圆满成功，泵后摆技术让发动机工作时只需摆动喷管，这意味着同样直径的箭体能装得下更多发动机，带来更大推力
推力要大，箭体强度也要更高，重量更轻。
2019年，我国研制出首件5米直径的锥底结构贮箱。它能承受火箭发动机55%的推力，并使火箭部段减重15%。
同年，我们还成功研制出直径达5米级的液氧煤油共底贮箱，同时期世界最大。共底的应用能优化火箭长径比，且结构稳定，能有效隔离上下两个贮箱近200度的温差，初步具备应用于未来新型火箭的条件。
2020年，火箭第一级并联安装7台新型液氧煤油发动机的方案就已完成全尺寸结构样机制造及全部7台发动机推力载荷静力试验。
2022年，这种发动机已经完成了多次、长时间的试车，拉开了由研制转向交付的序幕。
同年，我国首型采用大尺寸钛合金喷管延伸段方案的高空型泵后摆大推力液氧煤油发动机试车三战三捷，关键技术已全部突破。
它正是新火箭的二级动力装置。
依然是在2022年，火箭的三级动力装置氢氧发动机整机首次长程多次点火试验圆满完成，且在当年年累积试车已超万秒；
最后来到栅格舵。2023年，它的试验也圆满完成，验证了目前栅格舵方案设计的正确性。它将在无助推构型新一代载人运载火箭一子级返回阶段展开，助力保持箭体姿态稳定、精准回归地面。
这么看起来，咱们的长征十号火箭已经准备得挺充分了呢，说不定就快能跟大家见面了。那将是一枚全长约88.5米，起飞质量约2187吨，起飞推力约2678吨，地月转移轨道运载能力不小于27吨的大火箭，相当壮观。
了解完新一代载人火箭，我们接着来看看新一代载人飞船——梦舟。
载人登月任务对新飞船提出了更高的要求，别的不说，神舟在近地轨道飞行任务中，可搭载3名宇航员，而梦舟要提高到7人，即便如此，当梦舟需要往返环月轨道中，这个搭载量就将锐减到3人。
自2017年起，梦舟载人飞船的各项子系统，核心元器件等的研制工作就开始稳步推进。
2020年，五胖首飞成功的时候，还顺手将新一代载人飞船试验船送入太空。试验船在首飞任务中实现轨道远地点高度超过8000公里，在轨期间，它抓紧时间验证了国际上推力最大的单组元无毒发动机、新型防热结构与材料、首次采用的群伞气动减速和气囊着陆缓冲技术等一系列关键技术与产品。
然后，试验船又以接近第二宇宙速度返回再入，以“10.8环”的精度在预定着陆场精准着陆。
这才结束了自己忙碌的首秀。
除了外在强悍，其内部，也科技满满。
2023年4月，新一代载人飞船新型轻质内饰板验证试验顺利结束。这种新板材质量轻、刚度大、强度高、易装配，还很好看。
新板材是飞船居住与照明子系统的重要材料，家里装修过的朋友们都懂，都开始搞软装了，那离完工就不远了呀！
最后是月面着陆器和登月服的研制了。
我们的月面登陆器有一个豪迈而自信的名字——揽月。它不只是负责环月轨道和月球表面之间的航天员运输，还是航天员在月球上的生活中心、能源中心、数据中心。它不仅要搭载2名航天员往返，还需要能承载月球车和科学载荷。
与揽月着陆器相比，登月服就显得更为神秘一些。
为了适应月球环境，登月服最大的特点是具有高度的自主性和智能性。新型的材料和结构能够保护航天员免受月球表面的高温、低温、真空、尘埃、辐射等恶劣环境的影响，还配备了先进的通信、导航、监测、救援等系统，能够实现与飞船、着陆器、地面等的实时数据交换和指令控制。
最让人惊讶的是，登月服还有一定的自主运动能力，出现紧急情况时，它能带着宇航员自动返回着陆器或飞船。
有关月面着陆器和登月服更多的细节我们还需要进一步期待，但是它们的关键技术攻关和方案研制工作，都已于2023年底完成，并且全面进入初样研制阶段。
同时，登月的详细方式也对外进行了公布。中国载人登月阶段任务计划采用月球轨道交会对接方式，但与阿波罗计划不同的是，我们计划使用长征十号火箭分两次，分别将月面着陆器和载人飞船送上月球轨道，而不是阿波罗计划中的一次性送上去。为什么要这样做呢？第一，它降低了对火箭运力的限制，使我们能够在有限的时间、有限的成本和有限的技术内，研发出更加可靠的登月火箭；第二，它还提高了登月的安全冗余。比方说，如果月面着陆器发射出现故障，我们还可以再发射一枚备份的上去，从而进一步降低风险。总的来说，我们选择了一条更加保险的道路，也是一条更加符合我们自身情况的道路。
完成登月阶段任务之后，我们还将继续挑战驻月阶段任务。这又包含哪些方面呢？我们继续来预览一下：
一是月球基地的建设和运营。月球基地是中国为实现中国人在月球上的长期驻留而计划建设的一种综合性的月球设施，其设计、结构、功能和性能都针对月球资源、环境和任务进行了优化和改进。月球基地将负责为中国航天员提供生活、工作、科研等所需的各种条件，为载人驻月提供必要的基础保障。
除了住还有行，于是第二，便是月球车的研制和使用。月球车是中国为实现中国人在月球上的广泛探测而研制的一种新型月球车，其设计、结构、功能和性能都针对月球地形、环境和任务进行了优化和改进。月球车将负责为中国航天员提供月球表面的移动、采样、观测等所需的各种能力，为载人驻月提供必要的探测保障。
有了上述的保障之后，自然就是第三，对月球资源的开发利用了。比如水、氦三、稀土等月球表面和内部存在的各种有价值的物质和能源。我们可以利用月球基地和月球车等设备，对这些月球资源进行勘探、采集、加工、转化等过程，以满足月球基地的自给自足，或者将月球资源运送回地球，以满足地球的需求。月球资源的开发利用是中国载人驻月工程的重要目标之一，也是中国为人类的和平利用太空做出贡献的重要途径之一。
实际上，在载人月球探索沉寂了五十多年后，近年来似乎全球都有载人登月计划的升温，就是跟月球上丰富的资源息息相关的。
因为越来越多确凿的证据显示，我们原本认为贫瘠干燥、一无所有的月球，其实蕴含着大量的自然资源，比方说，水。
虽然在阿波罗计划之后的数年里，科学家已经在月球上发现了水的线索，但是真正开始让他们对此确信无疑的，是直到2008年印度的月船一号任务。在成功的将轨道飞行器和撞击器送上月球后，研究人员才确信月球并不像他们最初想象的那么干燥。他们认为，在月球南极，一些非常非常深的陨石坑当中，蕴藏着大量的水冰。因为自月球诞生以来，这里就从来不曾暴露在阳光当中。
在月球上建立常驻基地最大的困难就是人类史上第一条跨天体补给线。我们需要源源不断地将水、氧气、能源、燃料送到月亮上去，这么浩大的工程又能坚持多久呢？
然而，一旦月球上有了水，这些问题就解决了大半。
饮用水就不必说了。水还可以分解出氧气和氢气，氧气不但是宇航员生存所需，还恰好可以氢气一起用来制作液氧液氢火箭发动机的燃料。
月球基地不但实现了自给自足，还摇身一变，成了非常理想的火箭加油站，成为我们未来通往宇宙更深处的跳板。
更何况，还有氦三，氦的一种同位素，它在地球上非常少见，但是在月球上，却蕴含丰富。
轻元素核聚变通常使用氘和氚两种核素，而氚是放射性核素，危害不言而喻，人们也一直在寻找氚的替代品。
太阳表面喷发的太阳风，是一种由电子、氢、氦三、氦四等组成的等离子体流，吹到地球表面时，被地球的大气层、磁层所阻挡，月球没有大气层、电离层、磁层，所以氦三就被月面颗粒所吸附。氦三可以做为氚的替代品，作为安全洁净的核聚变燃料。
科学家估算，若有朝一日可控核聚变发电能够商业化，8到10吨的氦三就能提供全中国一年所需的能源。而月壤中所含的氦三质量，高达100万到500万吨。
虽然距离实现真正的可控核聚变还有一些距离，但是将原料提前准备充分，是各个有实力的国家都急迫的想要布局的。试想一下，如果第二次工业革命发生在中东，那会是怎样一番情景？
尾声
有了生存必需的水和氧气，还有了火箭的燃料和无尽的能源，这里的重力却只有地球的六分之一，月球简直是人类踏向深空完美的天然港湾。星际时代还有多远？恐怕还没有人能下定论。但是，在古人仰望月亮时候，没有人告诉他们能得到什么；在科学家观察月球的时候，也没人告诉他们那里有星辰的奥秘；当第一枚火箭升空时，可没人知道它会是大国利器；当全世界为月亮上的脚印欢呼时，可没人说那是骗局；月球就像是夜空中的路标，一直在等待着我们去靠近，去探索，为人类的未来指引着方向。在这个过程中，我们得到了很多，也错过了很多，如今，终于有机会领先一步踏入星河。还需要犹豫吗？绝不。
本文为科普中国·创作培育计划扶持作品作者：甘戍冬 科普作者
审核：周炳红 中国科学院国家空间科学中心 研究员
出品：中国科协科普部
监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司
以上内容由办公区教程网摘抄自中国科普网可供大家参考！
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