论文赏析关于中国载人登月工程若干问题的思考

　　这篇论文是龙乐豪院士于2010年在《导弹与航天运载技术》第6期上发表的，其中设想过用三枚长征五号DY进行载人登月的方案，该型火箭为5 m 芯级捆 6 个 3.35 m 助推器；芯级 4 台、助推各 2 台 YF-100 发动机；二子级 4 台YF-77 发动机；5 m 直径整流罩；起飞质量约 1600 t，全箭长约 72 m；近地轨道（LEO）运载能力约 50 t。
　　但这个方案不切合实际情况，基本不被采纳，长征五号系列只规划了两个型号：基础型、乙型，而长征五号DY也同时被废弃了。
　　2020年9月，在厦门召开的中国航天大会上，吴伟仁院士介绍了一个全新方案：两发新一代载人运载火箭，把着陆上升器和登月载人飞船分别送进环月轨道，可实现中国首次载人登月。
　　也讲到后续的载人登月会采纳与美国阿尔忒弥斯登月计划相同的月球轨道站。
　　关于新一代载人运载火箭，采用 5.0m 直径，火箭全长约 90m，起飞总推力达 2730t，3CBC+三级半构型，芯级助推总共并联21台YF-100K发动机，可以将 25t 有效载荷直接送入奔月轨道，或者将 70t 有效载荷送入近地球轨道。还可以与多种模块组合使用，形成近地球轨道 40 ~ 70t，地球同步轨道 10 ~ 32t 的系列化型谱，并且采用多台发动机并联布局，可以实现垂直起降重复使用。（据传在2025年前后实现首飞）
　　以下为龙乐豪论文的内容：
　　0 引 言
　　人类第 1 个向往飞向月球的人，是古代中国一位叫嫦娥的美丽姑娘，然而第 1 个登上月球的是一位美国人。看来我们醒得很早，但一睡千年起得太晚，不能不说这是一大遗憾！那么，21 世纪的中国，要不要还祖先这个＂宏愿＂？如何还这个愿？能否还这个愿？
　　这无疑是一个值得研究的重大发展战略问题。
　　1 为什么要载人登月
　　a）月球是继海洋之后人类探索和开发资源与能源的首选地。目前，地球承载约 70 亿人口，已不堪重负，资源与能源紧缺，人类生存环境日益恶化。欧洲的生物学家们已经发出警告：地球生态系统正在逼近 9 大极限；英国著名理论物理学家史蒂芬·霍金也警告：人类唯一的出路是移民外太空！也许寻找地球以外新家园真是人类为维护生存而无法回避的严肃课题。
　　月球上含有丰富的能源和资源，太阳能、3He 等是地球能源和资源的重要补充与储备；还有在月球的高真空、微重力、强辐射、微磁场等天然环境中，可制造出地面环境无法获得的新材料、新器件、生物制品等。
　　在当今世界，＂先到达、先占有；先开发、先利用；先登月、先得益＂仍为不争的事实。
　　b）载人登月是引领与带动国家科技创新的制高点。因为载人登月不但可以引领生命科学、空间科学、空间物理学、高能物理学、天文学等基础科学的进步，还能带动材料、冶金、机械（大型与微纳型）、化工、电子信息、深空精密跟踪与测控、遥操作、生命保障等高新技术的群体性创新发展。
　　c）载人登月是激发民族自尊心与凝聚力的重要手段。如果载人登月成功，则可以凸显中国人的探索与创造能力，体现社会主义优越性，从而进一步激发与凝聚人心。正如胡锦涛主席所说的＂伟大的事业孕育伟大的精神，伟大的精神推动伟大的事业＂那样，精
　　神、物质力量不断转换，形成连续不断的良性循环。国内外的事实证明：没有比航天 Apollo、神舟、嫦娥等更能激发与凝聚人心！
　　d）载人登月是体现国家综合国力的重要标志。22年前邓小平在谈到原子弹、氢弹和发射卫星重要意义时说：＂这些东西反映一个民族的能力，也是一个民族、一个国家兴旺发达的标志。＂胡锦涛说：＂探索太空是人类的共同追求。＂温家宝说：＂一个民族有一些关注天空的人，他们才有希望。＂载人登月正是这种＂标志＂、＂追求＂和＂有希望＂的具体表现。
　　总之，人类登陆地球以外天体是深空探测的最终目标，而登月是其第 1 步。迄今为止，人类登月活动的首要目的仍然是政治因素。
　　2 国外载人登月发展态势
　　至今，世界上只有美国在 20 世纪六七十年代成功地实施了 Apollo 计划，共将 12 个人分 6 次送上月球并安全返回。他们研制成功的土星 5 是世界第 1 枚用于载人登月的重型火箭。本世纪初美国还启动过重返月球的星座计划，但奥巴马总统于 2010 年 4 月终止了该计划，其主要原因有：
　　a）面对全球经济危机和 10%的高失业率，2011年度美国财政预算 3.83 万亿美元，而赤字达 1.56 万亿，奥巴马提出到 2013 年赤字减半，计划削减 120 个项目,星座计划首当其冲。
　　b）进展慢。有人评估阿瑞斯 5 到 2028~2030 年才能使用，而原计划是 2018 年重返月球。
　　c）创新性不够。放弃＂使用昨天的技术重复 40年前的载人登月＂符合美国人勇于冒险与创新的本性。当然，也可能还有政治因素。
　　事实上，2010 年 6 月 28 日公布的美国＂新太空计划＂明确＂2025 年实现人类首次登陆小行星，2035 年左右载人绕火星轨道飞行，不久之后实现载人登火星＂。可见美国终止星座计划，只是其航天发展计划的战术性调整，谋求世界领先地位的根本战略并未转变。
　　可以肯定，深空探索仍将进行，没人能够阻止！
　　差不多与美国同时，苏联人也执行过 N1-L3 载人登月计划，研制了 N1 火箭并进行了 4 次飞行试验，但由于缺少大推力的发动机、热衷政治竞争而忽视科学规律、急于求成而失败。当今的俄罗斯也有深空探测计划，但未见其现实可行的运载火箭技术方案。
　　本世纪初，美、俄、欧空局、日本甚至印度都制订了探月与深空探测计划（见图 1）。
　　印度决心后来居上，受 Chandrayaan-1 发射成功的鼓舞，印度官员公开宣称要赶超中国载人登月，时间是 2020~2025 年；近年来航天投资年增长率过 50%，航天技术进展迅猛，探月卫星、高速再入返回、氢氧发动机、世界第 3 大固体发动机、遥感技术等都有明显进展。
　　如何评估国外载人登月的态势呢？
　　欧空局有技术与经济实力在 21 世纪 20 年代载人登月，但他们以无人探测为主，载人航天技术也较薄弱，看样子欧洲人即使想干也难早于 2025 年实现；俄罗斯有技术实力，但经济实力似有不足；日本有技术与经济实力，在美国宣布放弃重返月球后，对扛起探月先锋的大旗已经跃跃欲试；印度技术与经济实力虽逊，但正在不遗余力推进登月计划，又有美、俄、欧的支助，不能排除其在2025年前后载人登月的可能性。
　　总之，各国载人登月规划都与本国的长远发展战略利益相适应，并且体现国家意志。
　　我们该怎么办？毫无疑问，应该走自己的路，坚定载人登月的目标。美国是重返我们是还愿（还中华民族＂嫦娥奔月＂的千年宏愿），两者毫无可比性；即使别国都不干，我们也干（已具备条件、水到渠成)，要尽快实现载人登月。我们不争先，但要恐后，争当＂二窝（锅）头＂，特别要恐落在印度、日本之后！
　　3 如何载人登月？
　　采用两步走策略。一期工程的目标是 2025 年前后将 2~3 人安全送上月球并返回地面，一期工程技术途径与方案由运载火箭、登月飞船、发射场、测控通信、航天员、着陆场、应用等 7 大系统组成。有直接进入、近地对接、环月对接、近地与环月轨道交会结合 4 种奔月途径。
　　a）（一种火箭、人货分运）近
　　地轨道交会，可采用 CZ-5DY 超大
　　型火箭（见图 2）。
　　火箭技术指标为：5 m 芯级捆 6 个 3.35 m 助推器；芯级 4 台、助推各 2 台 YF-100 发动机；二子级 4 台YF-77 发动机；5 m 直径整流罩；起飞质量约 1600 t，全箭长约 72 m；近地轨道（LEO）运载能力约 50 t。
　　采取两级液氢液氧（或液氧甲烷）奔月变轨级方案：5 m 氢箱+悬挂氧箱，单台 YF-77 发动机，单级重50 t（含推进剂及任务周期蒸发量、对接机构、轨道机动系统等）；包裹多层绝热材料、箭体轴线对日定向、箭体 1 (°)/s 慢旋，日蒸发量：液氢<3%，液氧<1%，（如图 3 所示）。
　　飞船由登月舱＋服务舱＋返回舱组成，其中登月舱是唯一着陆月面的部分，它的下降级着陆月面，上升级从月面起飞；而返回舱负责再入返回大气层，服务舱负责轨道维持并携带部分设备，提供从奔月至环月轨道的速度增量以及从环月至月地转移轨道的速度增量（见图 4）。
　　这种方案的发射实施流程如图 5 所示
　　b）（两种火箭、人货分运）近地轨道交会。
　　需要 4 次发射 3 次对接，这种方式比前种方式的发射次数与交会对接次数均要增加 1 次，还要增加一种火箭，任务周期也可能延长到 20~25 天，而 a）方案约 18 天。
　　二期工程目标是要在 21 世纪 30 年代使 4~6 人较长时间停留月面并安全返回，以满足未来建立月球基地和载人登火星的需求。采用重型、大型火箭，近地轨道交会、人货分别运输的技术途径。而重型火箭方案可以采用助推器构型，以便降低发动机和箭体结构研制难度，增强火箭适应性（见图 6、7）。助推器直径：液体 3.35 m，固体≤3.5 m。两种不同助推器火箭的起飞质量与推力分别为 4000 t 和 5000 t 级，其奔月轨道、地球同步转移轨道、地球静止轨道运载能力分别为：52 t、66 t、36 t。
　　关于火箭选型问题可以这样处理：重型火箭同前述（图 8 为固体助推重型火箭），载人火箭 LEO 运载能力约 25 t，可选 CZ-5A（即 CZ-5 去掉二子级）。这时登月飞船的组成与一期工程相同，但其规模可增大、人数也可以增加。这种方案从地球到月球只需一次交会对接，其安全性可能更好，整个工程的风险也较小。
　　载人登月工程的主要关键技术有：
　　a）由 16 台发动机组成的大型火箭 POGO 振动抑制；
　　b）低温火箭推进剂蒸发量控制技术；
　　c）载人登月飞船系统的试验验证；
　　d）陆、海、天基 USB＋VLBI＋S/X/Ka 波段 35~64m口径深空测控通信站建造；
　　e）8~10 m 直径箭体设计与制造技术；
　　f）1000 t 级推力固体发动机及其推力矢量控制；
　　g）200 t 级推力氢氧发动机设计与制造；
　　h）660 t 级推力液氧煤油或 1000 t 级推力固体煤油发动机的研制。
　　根据以上分析，对中国载人登月计划设想如图 9所示。
　　4 能否载人登月
　　完全可能。首先，有 50 年来建立的航天技术基础：已经研制成功由 15 种型号组成的长征系列运载火箭，至今已发射 135 次，将 156 颗航天器（含 36 颗外星）送入预定轨道；研制成功 6 个系列过百颗卫星，并开始卫星、火箭、地面跟踪测控站配套出口；其次，两个＂三步走＂计划的实施进一步完善载人登月工程的基础；载人登月必备的多项关键单项技术，如：载人
　　航天、出舱活动、环月交会对接、往返月球轨道、月面着陆与上升等，都将在前两个工程中得到验证。
　　国家经济实力能够承受，20 世纪 60 年代 Apollo工程总投资 194 亿美元，1966 年预算高峰时达 30 亿美元，占当年美国 GDP 的 0.375%（星座计划预算为 1040亿美元)。中国经济快速发展，2009 年 GDP 已达 33.53万亿人民币，预计 2020 年 GDP 总量将超过 60 万亿元。
　　类比现有航天工程，可以认为一期载人登月工程总投资小于 1000 亿、工程周期 10 年，则平均每年最多 100亿，占年均 GDP 的 0.0166%，只有美国 Apollo 计划时的 1/20，经济实力能够承受。
　　5 结 论
　　根据以上分析，可以得出以下结论：
　　a）在中国载人航天与月球探测两个工程＂三步走＂计划之后，载人登月既是其延伸发展的必然结果，也是国家战略利益所在；
　　b）根据国情，中国载人登月工程应该采用＂两步走＂的发展战略；
　　c）利用已有的航天技术成果，在 CZ-5 基础上研制起飞质量 1600 t 级的超大型火箭，通过集成创新，采取近地轨道交会对接的方式，是 2025 年前后实现载人登月可行的技术途径；
　　d）与 40 年前实施 Apollo 计划时的美国相比，今天中国的技术经济基础与实力都不比他们差，中国能否尽快实现载人登月，取决于政治决断；
　　e）为大幅提高中国进入空间能力、满足未来建立月球基地和其他载人或不载人的深空探测需要，应及早开展重型火箭的立项研制。