中国载人登月初步方案公布 2030年前实现载人登月科学探索
中国载人登月初步方案公布 2030年前实现载人登月科学探索
飞奔到月球
2月24日，“逐梦寰宇问苍穹——中国载人航天工程30年成就展”。首次展出月面着陆器与新一代载人飞船。新京报记者 浦峰 摄
2023中国商业航天发展大会暨第二届中关村商业航天大会。新京报记者 陶冉 摄
在地球上，我们见到的是1.28秒前的月亮。
384400公里，这是地球到月球的漫长旅程，一道光走完它需要1.28秒。以人类现有的交通工具计算，坐高铁需要约45天，坐民航飞机需要约20天。
7月12日，在武汉举办的第九届中国(国际)商业航天高峰论坛上，中国载人航天工程副总设计师张海联介绍了中国载人登月的初步方案，表示将研发新一代火箭、飞船、月面着陆器、登月服等装备，在2030年前实现载人登月科学探索。
于是，对中国人来说，地月通勤出现了一个新的选择：坐飞船需要约三天。
1972年12月11日，美国阿波罗17号在月球金牛座利特洛峡谷降落，这是人类历史至今的最后一次载人登月。到今天，月球上已有51年未现人类踪迹。
不论是嫦娥奔月或“举杯邀明月”的盛情，又或是在甘肃敦煌的月球车沙漠试验场旁，石碑上篆刻的、意为“为月亮驾车的女神”的“望舒”二字——中国人的奔月愿望是悠久的。
现在，这个愿望或许快要实现了。
计划发两趟“星际快车”
为了把人送到月球，我国计划发起两趟“星际快车”，即发射两枚分别载有飞船和月面着陆器的运载火箭。
国际宇航联空间运输委员会副主席杨宇光介绍，运载火箭要进入距地球200公里左右的低轨道，在这里，火箭将以7.8公里每秒的速度环绕飞行。而后，瞅准方向与时机，火箭会加速至11公里每秒，进入地月转移轨道——业界将其比作通往月球的“高速公路”。在“公路”的入口，火箭完成了它的使命，与奔月的飞行器分离。
剩下的旅程中，及时调整飞行器的姿态、朝向、速度都是必要的。这被称为“中途修正”，由地面控制中心与飞行器配合完成，“一天86400秒，每秒哪怕只误差一米，三天也会误差几百公里。”杨宇光解释。
约两天后，飞行器接近“高速公路”的终点，就要踩下刹车——专业的说法是“近月制动”，最终降速至约1700米每秒。这个速度允许它被月球引力捕获，开始在环月轨道绕行。
公认最难的一步到来了。环月轨道上，分批到达的月面着陆器与飞船将交会对接，宇航员们从飞船“换乘”进入前者。
未来，中国新一代载人飞行器在环月轨道上对接成功后，一名宇航员留守飞船，两名宇航员转移至月面着陆器。全新的冒险将拉开帷幕：月面着陆器会与飞船分离，制动减速，在月球引力的作用下降落。月球表面会印上中国人的脚印。
中国国家航天局相关人员曾向媒体表示，月球轨道交会对接受制于月地返回窗口、热控、能源等约束，必须在规定时间内一次完成。
机会只有一次。“从地球到月球时还好，一次对接不上，大不了宇航员们再坐着飞船回地球。但从月球考察完毕，乘坐月面着陆器回到环月轨道后，对接不上，月面着陆器里的宇航员不能返回飞船，也就不能返回地球。”杨宇光分析，比起去程，返程的月球轨道对接更具风险。
然而，在38万公里以外的月球附近，人类卫星的信号相当衰弱，这意味着，我们最熟知的卫星导航是不可用的。杨宇光说，利用地基测控测量飞行器轨道是常用法，精确度在公里至百米间；随着飞船与月面着陆器越发靠近，雷达、激光等相对导航技术将得到应用，精度优于米级。
值得欣慰的是，我国的环月轨道对接已基本实现自主控制，安全性高，“五十多年前，美国阿波罗11号的登月舱上升段与指令舱在环月轨道上实施的是手动对接。而我们今天的自动对接，只有出现问题时，宇航员才需要介入调整。手动，成了一种备选方案。”
据新华社报道，2020年12月6日，无人探测器嫦娥五号的上升器成功与轨道器、返回器在环月轨道上交会对接。这是我国航天器首次实现环月轨道交会对接，也是人类第一次在环月轨道上做无人交会对接。
向月球靠近的这些年
载人奔月有几种方法？
杨宇光介绍，国际通识的方法有三种。首先是“直接登月法”，即飞船搭乘运载火箭进入地球轨道后，加速奔向月球，并直接降落在月球表面。第二种方式是“地球轨道交会对接法”，即多次发射火箭，将各飞行器在地球轨道上组装成一艘大型飞船，而后一同飞向月球。
第三种方法，也是中、美两国目前使用的方法，是“月球轨道交会对接法”，即飞船与登月舱经两次火箭运载发射后，在环月轨道上进行交会对接。
奔向38万公里外的月球，飞行器需要很高的推进能力和变轨能力。杨宇光举例，飞行器从环月轨道落到月表，需要具备约2200米每秒的速度改变能力；从月表回到环月轨道，需要1900米每秒的速度改变能力；回地球的过程中，要实现近地制动，也需至少几百米每秒的速度改变能力。
就好像变速跑总是比匀速跑累人，长途变速跑更甚。
“‘直接登月法’中，全程所需的变速能力、推进能量叠加在一起，都由一个飞行器的推进系统来实现。在目前已实现的载人登月中，还没有使用这个方法的。”杨宇光说，同样的，“地球轨道交会对接法”仍然对飞行器性能有极高要求，因此也未被采用。
“月球轨道交会对接法”则是一场接力跑——飞船只在环月轨道运行，负责往返地球与月球的载人任务；月面着陆器则只负责环月轨道与月表之间的路程。
“两个飞行器各司其职，把各自的任务规模缩到最小。”杨宇光称，这是最经济适用的登月方法，美国上世纪的阿波罗载人登月计划及当下的阿尔忒弥斯载人登月计划，也都使用这个方法。
时间回到上世纪，冷战的持续，催发了苏联与美国的太空竞赛。离我们最近的月球，也成为了竞赛的主战场。1959年9月14日，苏联成功发射第一颗撞月卫星“月球二号”。1961年5月25日，时任美国总统肯尼迪发表登月演说，宣布将在六十年代结束前完成载人登月。1969年7月21日，阿波罗11号成功着陆月球。此后，截至1972年12月，美国又相继6次发射“阿波罗”飞船，其中5次成功，总共有12名航天员登上月球。
1978年，时任美国总统卡特的安全事务顾问布热津斯基访华，向中国领导人赠送了一块指尖大小的月球岩石样品。负责研究样品的天体化学家欧阳自远后来向媒体回忆，那是一块被装在有机玻璃里的、只有1克重的小石头。
正是这块黄豆大小的石头，吸引来首批中国科学家对月球进行研究。
1994年，我国科学界提出了探月构想。2004年，欧阳自远与孙家栋等人完成了《中国首次月球探测立项报告》。根据中国国家航天局官网，当年1月23日，我国首次月球探测工程正式立项实施。这就是后来广为人知的“嫦娥工程”，时任国家航天局副局长孙来燕向媒体介绍，该工程将分“绕”“落”“回”三个阶段。即实现绕月飞行、月面软着陆、携带月球采样返回地球。
2007年10月24日，中国首颗探月卫星嫦娥一号发射成功。绕月探测飞行482天后，嫦娥一号在2008年3月1日撞击月球，结束任务。
后续发射的嫦娥二至四号，分别实现了月球软着陆、月球表面探测、月球样品返回、月球背面登陆等目标。
2020年12月17日凌晨，嫦娥五号返回器携带月球样品降落在内蒙古四子王旗着陆场。国家航天局专家向媒体表示，这意味着我国探月工程“绕”“落”“回”三个阶段画上了圆满句号；同时，未来载人登月与深空探测所需人才、技术和物质基础也得到了积累。
2023年5月29日，中国载人航天工程办公室副主任林西强在新闻发布会上宣布，我国载人月球探测工程登月阶段任务已启动实施，计划在2030年前实现中国人首次登陆月球。
继承与创新中诞生新计划
1959年9月14日，在月球的雨海凋沼地区，苏联“月球二号”无人探测器完成硬着陆，成为击中月球的第一个地球物体。
半个世纪以后，在雨海的西北部边界，嫦娥三号在虹湾地区完成软着陆。随之而来的嫦娥四号、五号，分别在冯·卡门撞击坑、吕姆克山脉完成降落。
中国载人登月计划的月球登陆选址尚未公布。“可以肯定的是，为了最大化科学价值，一定不会选择其他国家已经着陆过的点。月球很大，表面积3800万平方公里，可以选择的地方很多。”杨宇光分析。
“为什么我们敢说2030年能登月？因为我们有大量成熟的技术保底。”在他的描述中，新计划是在继承与创新中诞生的。
比方说，计划中将应用的“长征十号”火箭，继承了“长征五号”的5米直径规格，“直径相同，就可以沿用以前的工艺设备，这保证了技术的成熟度。”然而，“长征五号”是二级火箭，“长征十号”是三级火箭；一子级的发动机数量也从2台提升到了7台，“长征十号”的地月转移轨道运载能力不小于27吨，是“长征五号”的三倍还多。
这在世界范围内也是名列前茅的。历史上，美国曾造出拥有45吨地月转移轨道运载能力的“土星五号”火箭，能够一次性将飞船与登月舱送入地月转移轨道，“这是当时的政治因素驱动的，现在的NASA也难以承担再造一个‘土星五号’的昂贵代价。”杨宇光说，美国现有的太空发射系统(SLS)的地月转移轨道运载能力同样在27吨左右，要实现载人登月，同样至少需要两次发射。
新一代飞船的变化也不小。阿波罗号的登月舱分为上升级和下降级，降落月表后，下降级即被抛弃，只充作上升级升空时的发射台。而我国新一代月面着陆器由登月舱和推进舱组成，杨宇光说，按照设计，接近月表时，推进舱的推进剂耗尽，即与登月舱分离，“剩下的高度，由登月舱来制动降落。”待登月舱重返月球轨道时，无需发射台，直接升空。
同样是国产飞船，神舟六号飞船约重8吨，其中推进剂占不到2吨。而新一代飞船的总重量大约26吨，“其中大约一半都是推进剂，”杨宇光说，“这也是登月飞船和近地轨道飞船的最大区别。”
登月服的设计还未公布。杨宇光分析，月表之上，漂浮着大量细小而尖锐的月尘，它带有静电与腐蚀性，“一旦吸入肺或是进入航天服，都会非常危险。”月球的辐射是地球表面的200倍，极端温差更是达到310摄氏度——在登月服设计中，这些是必要杜绝的环境影响。
其次，衣服不能太重，“月球表面的重力达地球表面的六分之一，属于低重力环境，但平常空间站使用的航天服是微重力环境。在低重力环境，人背负几十甚至上百公斤的衣服活动，是很吃力的。”据悉，阿波罗计划的登月服重约82公斤。
瓶颈当然是有的。“比方说，三级火箭比二级细长，箭体越长，刚度就越差。在建造时，我们怎么保证火箭壳体足够轻又足够刚硬？再比如，过去嫦娥五号返回舱只有300公斤，它以11公里每秒的速度穿过大气层返回地球，这个技术我们已经验证了；但是新一代飞船的返回舱估计有7吨左右，这么大的返回舱进入大气层，防热是否做得到位？这还没有验证过……”
但杨宇光是有信心的：回头看，美苏太空争霸时，迸发出了一些“冒险也要把人送上去”的时刻；相较之，中国的载人登月计划给他“不冒进”的感受，“比方说，阿波罗号的登月舱只有一台发动机，咱们的月面着陆器有四台。在特定情况下，即使一台坏了，其余的发动机也可以继续完成工作——我们有很多类似的托底方案，对人的生命安全的重视，是比上世纪的登月计划要强很多的。”
实际上，包括美国、俄罗斯、印度、日本、韩国在内的各国，都在近年推动登月计划。登月热在全球蔓延。
据媒体报道，2017年，时任美国总统唐纳德·特朗普签署《1号太空政策指令》，正式批准阿尔忒弥斯计划。其中，“阿尔忒弥斯-1”无人绕月飞行测试已顺利完成。美国宇航局计划于2024年底完成“阿尔忒弥斯-2”载人绕月任务，下一个等待被启动的是“阿尔忒弥斯-3”，即实现人类重返月球、探索月球南极——根据NASA官网，这个任务计划在2025年完成。
2018年11月6日，据俄罗斯卫星网报道，俄罗斯计划在月球上建造一个可供人类访问的长期基地，并借助人形机器人(robot avatar)研究月球。
日本则计划今年发射“小型月球探测着陆器”。这是日本首次月球表面探测任务。日本宇宙航空研究开发机构负责人介绍，该技术是下一代月球探测的必备技术。
今年7月14日，印度成功发射“月船3号”月球探测器。预计8月23日17时47分(印度时间)在月球表面着陆。8月11日，俄罗斯发射“月球-25”号月球探测器，重启从苏联时代算起已中止47年的探月任务。“月球-25”号探测器预计8月16日进入距月球表面约100公里的月球轨道，8月21日在月球南极的博古斯拉夫斯基陨石坑附近软着陆。
近日，中国探月工程总设计师吴伟仁向媒体介绍，在载人登月之前，中国还将发射嫦娥六号、七号和八号，完成月背采样返回、月球南极的环境与资源详查、构建月球科研站基本型等任务。在未来，国际月球科研站或会成为飞向更远深空的中转站。
中国载人航天工程办公室曾公布一张载人登月任务效果图：两名宇航员将五星红旗插入灰白无垠的月球表面，远处，蓝色地球半掩在宇宙的浓黑中。我们有理由相信，这幅图景，将在两千多个月起月落的日子内出现。
新京报记者 冯雨昕
