载人航天,登月只是“中转站”

2023年10月26日,神舟十七号载人飞船升空,运送3名航天员进入“天宫”。除在近地轨道活动外,中国航天员计划在2030年前登上月球。之前载人航天工程副总设计师杨利伟透露,载人登月可能作为将来中国航天员到达更深远的太空去探索的“中转站”。航天员为何要飞向深空?载人登月如何发挥“中转站”作用?广大航天人又需要突破和掌握哪些关键技术,以便帮助航天员克服困难呢?

近地轨道“打前站”

自美国阿波罗载人登月系列任务结束以来,各国载人航天任务长期仅局限被限制在近地轨道。但这些即使如此,近地轨道载人航天任务的重要目的标之一仍然是为深空载人飞行“打前站”。换句话说,在近地轨道上积累了足够的技术经验后,人类必然会飞向深空。

一方面,当前载人深空任务的首要目标是科学探索,尽管无人深空探测任务取得了诸多成就,但更加复杂精细、难度更大的任务仍希望得到专业航天员的帮助。

在美国阿波罗登月系列任务中,地质学博士哈里森·施密特是不可或缺的科研专家。在阿波罗17号登月任务中,他运用专业知识,收集了大量月球样品,其价值超过之前5次载人登月任务中获取的月球样品总和。而在更加遥远的火星等天体上,地面团队对任务作业环境更加陌生,高效筛选取样工作面临着更大的挑战,专家型航天员无疑能够发挥至关重要的作用。

载人航天,登月只是“中转站”

美国阿波罗17号载人登月任务场景

另一方面,瞄准深空目标的航天器时刻承受着宇宙环境的严峻考验,在当前技术条件下,航天员近距离维护工作往往可以发挥奇效。

哈勃空间望远镜在发射后暴露镜片曲率偏差等问题,航天飞机多次运送航天员对其进行维护,解决了“近视眼”故障,还不断实施更新升级。随着人类的探索目光不断投向深空,飞出近地轨道的探测器越来越多。价值上百亿美元的韦伯空间望远镜等运行在宇宙空间中,还有多国的着陆器、月球车、火星车等“脚踏实地”开展工作。

事实上,深空探测器既要满足日益复杂的任务要求,又要克服更加严酷的环境条件,纯粹依靠自身维护,难度很大,几乎必然遭遇小事故。如果像航天时代早期那样轻易抛弃故障探测器,重新制造、发射,恐怕有关方面难以承受上涨的成本。因此,航天员及时伸出援手,定期提供航天器检修升级服务,有望收获事半功倍的成果。

更进一步,随着深空探测和载人航天技术不断进步,开发、利用地外资源的航天愿景已被多方提上日程,一系列官方或商业力量主导的计划初露端倪,航天员势必参与其中。至于科幻作品畅想的建设持续性地外人居设施,培养“太空人”“月球人”等,不仅是近百年来人类念念不忘的宏伟目标,更有望在本世纪内成为现实。

月球“中转”好处多

想要充分开发、利用太空资源,航天员乃至太空建设者未必总是从地球出发,追求看似便捷的“直达”旅程。未来,月球很有可能成为对他们至关重要的“中转站”。

根据各方研究和规划,月球的“中转站”作用主要体现在3个领域。

其一,开展月球资源原位利用。

在大众心中,月球是荒凉贫瘠的。其实,月球蕴藏的资源相当丰富。根据遥感探测和采样检测,月壤月岩含有大量氧化硅、氧化钙、氧化铝和氧化铁,还有硫、镓、铟等元素。月球极区潜藏的水冰资源更是引发了各方高度关注,未来航天员很可能尝试在月球表面制取液态水和液氢液氧推进剂,供应人类生活和航天器补加所需。

当然,月球极地的永久阴影区往往处于零下220摄氏度的酷寒中,现有机械设备难以运行,开采、利用水冰资源面临不少困难。有科学家提出了更有可行性的办法:航天员携带少量水登月,通过电解水,获取氢氧原料,氢再与月壤中的氧化铁等发生还原反应,重新生成水,从而维持氧气供给。

载人航天,登月只是“中转站”

科幻电影中畅想的月球航天发射场

其二,显著提升航天发射效率。

有研究指出,一方面,相比几乎完全失重的空间站和“太空港”,月球表面存在重力,更符合人员的工作生活习惯;另一方面,月球引力仅有地球的1/6,引力半径约为地球的1/10,又不存在空气阻力,因此有望显著降低航天发射难度。经初步计算,相比地球,从月球发射航天器到地月引力平衡点所需的能量和成本差距达到3个数量级。采用特殊设计后,航天器的强度和质量也有望显著降低。可以说,月球是未来人类理想的航天发射场。

其三,助力“太空超级工程”。

长期以来,人类畅想了一系列“太空超级工程”,比如发电潜力巨大的空间太阳能电站、容纳大量人口定居的太空城市等。不过,受限于航天发射能力、综合成本、能源转化效率等,这些设想迟迟无法成真。

如果把“太空超级工程”的建设和发射基地放到月球上,情况很可能大不一样。月球蕴藏矿产资源丰富,科研人员已在尝试利用模拟月壤3D打印制造建筑材料、太阳能电池板、超导设备等,加上月球发射基地的先天性优势,“太空超级工程”似乎更适合从月球取材。这种美好前景很可能促使各方进一步加大探测、开发月球的投入,形成良性循环,支持更遥远的深空探索活动。

“拦路虎”不可小视

尽管载人深空探索存在可观需求和光明前景,但仍有一系列“拦路虎”等待着航天人去战胜,从而为大规模科学探索和开发活动奠定基础。

首要的“拦路虎”恐怕是速度。根据齐奥尔科夫斯基公式,对于同一枚火箭来讲,火箭和航天器所需达到的末速度越高,有效运力越低。比如,火箭奔向月球所需速度远远高于进入近地轨道,因此地月转移轨道运力仅有近地轨道运力的一小部分。在落月任务中,航天器进入月球轨道后,近月制动等会消耗大量推进剂,削弱有效运力。最终,近地轨道运力118吨的美国土星5号火箭仅向月面投送了不足7吨的登月舱。

载人航天,登月只是“中转站”

载人航天器飞往遥远深空想象图

载人深空任务促进了重型火箭研发,为此付出了很大的时间和经济成本,而且应用范围狭窄,不利于充分吸引社会力量参与。随着技术进步,一度被抛弃的多台中小推力发动机并联、多枚芯级捆绑的火箭设计方案重新受到青睐,有望显著降低综合成本,应用于更多类型的发射任务。至于核热推进、核电推进等新概念动力方案,随着基础技术和工程方法获得突破,在不远的未来有望实用化。

解决了运力问题后,载人深空探索还会面临健康生存方面的“拦路虎”。由于飞行时间长,航天器需要携带更多的空气、水和食物等,提供更大的人员活动空间和工作更长时间的生命维持系统。有研究表明,持续飞行7天,单人适居性空间只需5.19立方米,而持续飞行半年,单人适居性空间会增加到26.85立方米。深空载人航天器的体积、质量必然大增,对动力和运力提出了更高的要求。

目前航天器的动力和速度意味着,除了载人登月外,载人深空探索往往要持续飞行数百天,必须增加深空居住舱,且防护辐射性能更强,保障航天员健康和电子设备正常运行。航天员的心理情绪隐患、深空通信等问题也需要进一步研究。

航天员想要登陆外星球,专门的着陆器必不可少。作为“初级”载人深空探索,在载人登月任务中,着陆器主要做好精确反推减速工作。在火星着陆期间,航天器不仅减速幅度更剧烈,还要处置大气层中高速摩擦生热、减速伞“力不从心”等问题。至于小行星着陆任务,更复杂微妙的引力场、地质条件等都是影响成败的关键因素。

当航天器从深空返回地球时,再入大气层的速度显著超过近地轨道返回,因此再入控制、热防护等必须满足更苛刻的指标。

总之,载人深空任务全流程普遍存在技术不成熟之处,有待攻关和验证。拿载人登月充分“练手”,以月球为飞向更遥远深空的“中转站”,很可能是航天人最高效的选择。

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