搞定了長征九號 基建狂魔就能准備在月球上開工了

2月底到3月初,關於研製長征九號火箭的消息密集曝光:國家領導人在人民大會堂參觀探月成果展覽時,長征九號模型出現在現場,其一柱擎天的碩大箭體成為一眾火箭模型中最吸引人的一個,旁邊的展板也明確將其定位為我國火箭序列中的重型火箭型號。

此後不久,欒恩傑院士也公開表示,近地軌道100噸級運載能力的火箭的研製工作將爭取在十四五期間展開。而在本文完稿時,又傳來了用於重型火箭的500噸級液氧煤油發動機試車取得進展的好消息。從各方面的信息看,長征九號從構想變成現實已經基本成為定局。

早在十年前的2011年兩會期間,就有來自航天界的代表委員向外界透露,「我國重型運載火箭正着手立項」,當時的提法是「與美俄同步」。實際上,在2010年前後嚷嚷着要在本世紀前二三十年搞成載人登月的,遠不止美俄這兩個老牌航天強國。歐空局當時計劃2024年就能搞成載人登月,日本計劃2030年在月球建成基地。我們的鄰國印度,也在月船一號搖搖晃晃飛到月球後陷入了狂喜的狀態,提出了2014年跨入載人航天國家行列,2020年要讓印度宇航員登上月球的宏偉設想。當然,和印度辦的許多事一樣,他們也只能想想了。

搞定了長征九號 基建狂魔就能准備在月球上開工了

2010年前後各國載人登月規劃(吹牛)對比圖。摘自參考內容1

雖然對國外同行宣傳比做事走得靠前、時間表基本都要跳票的做派早已習慣,但在各國都對載人登月躍躍欲試的情況下,中國航天也必須有所計劃。用龍樂豪院士的話說,「我們不爭先,但要恐後,爭當『二窩(鍋)頭』,特別要恐落在印度、日本之後!」

在有點着急的情況下,如果僅僅是實現符號式的載人登月,實際上不一定要研製長征九號這樣的巨型火箭。在2010年的任務設想中,有一種使用魔改版長征5號登月的方案。目前已經使用過的長征5火箭構型,芯一級使用2台YF77液氧液氫發動機,4個3.35米助推器每個裝備2台YF100液氧煤油發動機。而魔改版則計劃將芯一級的發動機替換為4台YF100,同時捆綁6個2*YF100的3.35米助推器。

用現成的東西搞這樣一番改造後,長征5魔改版的近地軌道運載能力可達50噸,足足比准備發射空間站的長征5B高了一倍多。使用魔改長征5執行登月任務時,需要實施三次發射,將為飛船提供後續飛行動力的奔月轉移火箭及載人登月飛船,分別發射到近地軌道中去,在近地軌道上進行一番對接組合後,再飛向月球。

在進行阿波羅登月任務的設計時,美國的航天人員也曾提出過這種多次發射後並在近地軌道上進行組合的登月模式。然而,當時近地軌道的對接技術還不十分成熟,發射和對接次數的增多就意味着任務可靠性的下降,因此這種模式最終沒有被選中。

如今,由於載人航天國家基本都進行過空間站任務,近地軌道上的交會對接已經是一件可以熟練操作的事,因此近地軌道上的組合也不再那麼不靠譜。SPACEX的「星艦」,只有通過近地軌道上的對接和燃料填充,才能一次將100噸的載荷送到火星上。至於16台發動機的動力系統,復雜度倒也沒有高得離譜——畢竟獵鷹重型火箭都搞了27台發動機。

但是和任何的魔改版一樣,長征5的「魔改」意味着這種直徑5米的火箭的潛力已經被挖掘到了極致,把2-3名宇航員送到月球就已經是運載能力的天花板了。雖然這樣能夠繞過重型火箭研製這個技術難題,讓中國宇航員更早出現在月球上,但對於未來規模更龐大的任務,卻幾乎沒有任何的擴展空間。

當各個國家紛紛立下本世紀登月的Flag時,也都提出了比阿波羅登月更多的任務內容。首先,21世紀的登月不但要將宇航員送到月球,還要建立月球基地,實現宇航員在月球的長期駐留,積累行星開發建設的必要技術。此外,除了月球之外,火星和小行星也是載人飛行的目標,因此任務開發的火箭、飛船等不但要能登陸月球,也要具備進一步飛向其他天體的擴展能力。

在這樣的技術要求下,開發重型火箭就是一個繞不過去的坎了。用美國總統肯尼迪的話說,這樣的選擇「並非因為它容易,而是因為它艱難」。用我們自己的話說,就是「志不求易者成,事不避難者進」。同時,由於早先各家信誓旦旦提出的登月計劃全都跳了票,也為我們的研發留出了足夠的時間。和美國「爭先」難度可能比較大,但至少「恐後」日本、印度甚至是歐空局、俄羅斯,倒是不用太擔心了。

搞定了長征九號 基建狂魔就能准備在月球上開工了

長征九號效果示意圖。長征九號的箭體長度將超過一百米,大概相當於三十層樓房的高度

長征九號被稱為「近地軌道100噸級」的運載火箭,但按照已經發表的資料,「100噸級「並非嚴格的100噸,長征九號火箭的運載能力很可能達到近地軌道130噸、奔月軌道50噸左右,與美國上一代登月火箭土星5號和下一代登月火箭」太空發射系統「(SLS)基本相同。不過,SLS大量重用了航天飛機動力系統的關鍵部件,很大程度還是在吃自己的技術老本。而對於我們來說,長征九號從頭到尾、從內到外都是新的,研製的難易程度和SLS完全不在一個水平上。

搞定了長征九號 基建狂魔就能准備在月球上開工了

SLS的外觀效果圖,筆者個人覺得像是一個航天飛機助推器和土星5號的合體

除了長征九號外,我國下一代載人火箭也正在研發之中,有望與我國的新一代載人飛船配套,比長征九號更早實現首飛。

和以運載能力為優先目標的重型火箭所不同的是,載人火箭的首要要求是可靠。據已經公布的數據,新載人火箭還將採用5米的直徑,近地軌道運載能力可達70噸,奔月軌道運載能力可達25噸。在長征九號和登月艙研製過程中,這種先期上線的火箭可以和新飛船進行載人環月和繞月的飛行等先期演示驗證任務。而在真正的登月任務中,新載人火箭和新飛船也將單獨發射,在近地軌道上與長征九號運送上來的其他部分進行對接,再共同奔向月球。

當然,從運載能力上看,一發長征九號也能搞定登月。之所以採取這種人貨分離的方式,一方面是為了免去長征九號的可靠性顧慮,無需為了實現載人的可靠性而增加更多的復雜度。另一方面,這也貫徹了新一代航天運輸系統模塊化的設計思路——新飛船可以在近地軌道上和登月艙段組合,未來也可以和長征九號多次發射送上來的登陸火星艙段組合,共同飛向火星。

至於月球基地,更是長征九號另一個主要任務。在2021年初火箭院科研人員發表的論文中,就明確提出「到2030年,實現重型運載火箭首飛,支撐有人月球基地建設等重大任務實施。」

對於月球基地的建設,「基建狂魔」們已經開始了認真的考慮。初期的月球基地,可能仍然需要藉助由地球發射上來的、已經構造成型的剛性艙段來構建。而長征九號強大的運載能力也是這種艙段能夠運到地球的必要條件。而進一步在月球上大興土木,實現月球基地的可持續發展,則需要在月球就地取材,用月壤月岩中的物質搭屋蓋房。

這一切,並不十分遙遠。

參考內容:

[1]龍樂豪.關於中國載人登月工程若干問題的思考[J].導彈與航天運載技術,2010(06):1-5.

[2]王小軍.中國航天運輸系統未來發展展望[J].導彈與航天運載技術,2021(01):1-6.

[3]侯建文,趙晨,常立平,陳輝,錢海鵬.未來月球探測總體構想[J].載人航天,2015,21(05):425-434.

來源:cnBeta