搞定了长征九号 基建狂魔就能准备在月球上开工了

此后不久,栾恩杰院士也公开表示,近地轨道100吨级运载能力的火箭的研制工作将争取在十四五期间展开。而在本文完稿时,又传来了用于重型火箭的500吨级液氧煤油发动机试车取得进展的好消息。从各方面的信息看,长征九号从构想变成现实已经基本成为定局。

早在十年前的2011年两会期间,就有来自航天界的代表委员向外界透露,“我国重型运载火箭正着手立项”,当时的提法是“与美俄同步”。实际上,在2010年前后嚷嚷着要在本世纪前二三十年搞成载人登月的,远不止美俄这两个老牌航天强国。欧空局当时计划2024年就能搞成载人登月,日本计划2030年在月球建成基地。我们的邻国印度,也在月船一号摇摇晃晃飞到月球后陷入了狂喜的状态,提出了2014年跨入载人航天国家行列,2020年要让印度宇航员登上月球的宏伟设想。当然,和印度办的许多事一样,他们也只能想想了。

2010年前后各国载人登月规划(吹牛)对比图。摘自参考内容1

虽然对国外同行宣传比做事走得靠前、时间表基本都要跳票的做派早已习惯,但在各国都对载人登月跃跃欲试的情况下,中国航天也必须有所计划。用龙乐豪院士的话说,“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!”

在有点着急的情况下,如果仅仅是实现符号式的载人登月,实际上不一定要研制长征九号这样的巨型火箭。在2010年的任务设想中,有一种使用魔改版长征5号登月的方案。目前已经使用过的长征5火箭构型,芯一级使用2台YF77液氧液氢发动机,4个3.35米助推器每个装备2台YF100液氧煤油发动机。而魔改版则计划将芯一级的发动机替换为4台YF100,同时捆绑6个2*YF100的3.35米助推器。

用现成的东西搞这样一番改造后,长征5魔改版的近地轨道运载能力可达50吨,足足比准备发射空间站的长征5B高了一倍多。使用魔改长征5执行登月任务时,需要实施三次发射,将为飞船提供后续飞行动力的奔月转移火箭及载人登月飞船,分别发射到近地轨道中去,在近地轨道上进行一番对接组合后,再飞向月球。

在进行阿波罗登月任务的设计时,美国的航天人员也曾提出过这种多次发射后并在近地轨道上进行组合的登月模式。然而,当时近地轨道的对接技术还不十分成熟,发射和对接次数的增多就意味着任务可靠性的下降,因此这种模式最终没有被选中。

如今,由于载人航天国家基本都进行过空间站任务,近地轨道上的交会对接已经是一件可以熟练操作的事,因此近地轨道上的组合也不再那么不靠谱。SPACEX的“星舰”,只有通过近地轨道上的对接和燃料填充,才能一次将100吨的载荷送到火星上。至于16台发动机的动力系统,复杂度倒也没有高得离谱——毕竟猎鹰重型火箭都搞了27台发动机。

但是和任何的魔改版一样,长征5的“魔改”意味着这种直径5米的火箭的潜力已经被挖掘到了极致,把2-3名宇航员送到月球就已经是运载能力的天花板了。虽然这样能够绕过重型火箭研制这个技术难题,让中国宇航员更早出现在月球上,但对于未来规模更庞大的任务,却几乎没有任何的扩展空间。

当各个国家纷纷立下本世纪登月的Flag时,也都提出了比阿波罗登月更多的任务内容。首先,21世纪的登月不但要将宇航员送到月球,还要建立月球基地,实现宇航员在月球的长期驻留,积累行星开发建设的必要技术。此外,除了月球之外,火星和小行星也是载人飞行的目标,因此任务开发的火箭、飞船等不但要能登陆月球,也要具备进一步飞向其他天体的扩展能力。

在这样的技术要求下,开发重型火箭就是一个绕不过去的坎了。用美国总统肯尼迪的话说,这样的选择“并非因为它容易,而是因为它艰难”。用我们自己的话说,就是“志不求易者成,事不避难者进”。同时,由于早先各家信誓旦旦提出的登月计划全都跳了票,也为我们的研发留出了足够的时间。和美国“争先”难度可能比较大,但至少“恐后”日本、印度甚至是欧空局、俄罗斯,倒是不用太担心了。

长征九号效果示意图。长征九号的箭体长度将超过一百米,大概相当于三十层楼房的高度

长征九号被称为“近地轨道100吨级”的运载火箭,但按照已经发表的资料,“100吨级“并非严格的100吨,长征九号火箭的运载能力很可能达到近地轨道130吨、奔月轨道50吨左右,与美国上一代登月火箭土星5号和下一代登月火箭”太空发射系统“(SLS)基本相同。不过,SLS大量重用了航天飞机动力系统的关键部件,很大程度还是在吃自己的技术老本。而对于我们来说,长征九号从头到尾、从内到外都是新的,研制的难易程度和SLS完全不在一个水平上。

SLS的外观效果图,笔者个人觉得像是一个航天飞机助推器和土星5号的合体

除了长征九号外,我国下一代载人火箭也正在研发之中,有望与我国的新一代载人飞船配套,比长征九号更早实现首飞。

和以运载能力为优先目标的重型火箭所不同的是,载人火箭的首要要求是可靠。据已经公布的数据,新载人火箭还将采用5米的直径,近地轨道运载能力可达70吨,奔月轨道运载能力可达25吨。在长征九号和登月舱研制过程中,这种先期上线的火箭可以和新飞船进行载人环月和绕月的飞行等先期演示验证任务。而在真正的登月任务中,新载人火箭和新飞船也将单独发射,在近地轨道上与长征九号运送上来的其他部分进行对接,再共同奔向月球。

当然,从运载能力上看,一发长征九号也能搞定登月。之所以采取这种人货分离的方式,一方面是为了免去长征九号的可靠性顾虑,无需为了实现载人的可靠性而增加更多的复杂度。另一方面,这也贯彻了新一代航天运输系统模块化的设计思路——新飞船可以在近地轨道上和登月舱段组合,未来也可以和长征九号多次发射送上来的登陆火星舱段组合,共同飞向火星。

至于月球基地,更是长征九号另一个主要任务。在2021年初火箭院科研人员发表的论文中,就明确提出“到2030年,实现重型运载火箭首飞,支撑有人月球基地建设等重大任务实施。”

对于月球基地的建设,“基建狂魔”们已经开始了认真的考虑。初期的月球基地,可能仍然需要借助由地球发射上来的、已经构造成型的刚性舱段来构建。而长征九号强大的运载能力也是这种舱段能够运到地球的必要条件。而进一步在月球上大兴土木,实现月球基地的可持续发展,则需要在月球就地取材,用月壤月岩中的物质搭屋盖房。

这一切,并不十分遥远。

参考内容:

[1]龙乐豪.关于中国载人登月工程若干问题的思考[J].导弹与航天运载技术,2010(06):1-5.

[2]王小军.中国航天运输系统未来发展展望[J].导弹与航天运载技术,2021(01):1-6.

[3]侯建文,赵晨,常立平,陈辉,钱海鹏.未来月球探测总体构想[J].载人航天,2015,21(05):425-434.

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