据央视新闻8月7日报道称,中国载人登月的关键节点取得突破,“揽月月面着陆器”着陆起飞综合验证试验圆满完成,这是我国首次进行载人航天器地外天体着陆起飞试验,表示我国载人登月的最大技术难点已经被解决,登月时间节点可能会完全出乎大家的预料!
中国登月工程进展顺利,而美国重返月球的阿尔忒弥斯计划却存在了很大的不确定性,原定于今年9月的第二阶段计划因为猎户座飞船的问题再次推迟到了2026年4月,第三阶段明确已经不可能在计划的2027年前完成,后续时间表非常不确定,目前进度来看很可能无法再2030年前完成!
在河北省怀来县的地外天体着陆试验场巨型钢结构上,一个被多根钢索通过柔性连接到顶部圆盘型结构架上的“揽月月面着陆器”底部的四台主发动机喷出四股红黄色的火焰,着陆器换换下降,同时周围小型发动机也时而点火时而熄灭,这是姿态控制发动机介入了,维持“月面着陆器”以保证垂直向下的姿态向“月面”着陆。
据中国载人航天工程办公室发布的消息,揽月月面着陆器着陆起飞综合验已经取得圆满成功,“月面着陆器”是我国载人登月工程中最关键的月面下降与上升飞行器的组合,主要用于月面轨道与月球表面的航天员运输工作,由登月舱和推进舱组成,还能携带月球车与科学载荷,是航天员着陆月球后的月面生活、能源以及数据中心。
这次着陆与起飞的试验对月面着陆的系统方案、控制方案以及触月关机方案以及GNC与推进系统匹配的重大考验,试验圆满成功标志着我国载人登月工程的研制工作取得重大突破,简单的说,就是这次试验成功后,中国载人登月工程中已经没有之前还没有经历以及测试过的重点难点问题了,时间表可能会大幅度提前!
揽月月面着陆器载人登月组合抵达月球轨道后,航天员从月球轨道与面之间往来用的,结构组成是月面下降与上升飞行器的组合,与阿波罗的结构大致一样。不过两者也有很大的区别,阿波罗的月面着陆飞行器是上升级和下降级分离的,简单的说就是下降时两者组合一起下降,起飞时下降级作为发射平台,启动上升级火箭直接从下降级平台上起飞。
这种结构有一个好处,月面起飞时可以丢弃下降级的死重,上升级的发动机推力可以更小一些。不足之处是需要两套动力系统,增加了系统复杂度以及制造成本。而揽月月面着陆器载人登月组合则是一套动力系统,上升与下降时候都使用这套系统,起飞时候也不分离。可靠性以及成本都比分离式要更优秀一些。
另一个是重复使用性,从理论上看,揽月月面着陆器载人登月组合是具有重复使用可能得,一个是可以多次点火,第二个是载人登月返回后留在月球轨道上的是一套完整的“揽月月面着陆器载人登月组合”,只要加注燃料即可恢复使用,这个模式要比阿波罗登月的月面着陆上升期设计要先进得多。
月面重力环境大约只有地球表面的1/6,揽月月面着陆器在地面上测试,这靠谱吗?能问出这个问题的朋友已经很专业了,确实是不一样,模拟月面重力环境需要有一套专门设计的“地外天体着陆试验场的钢结构塔架与随动系统”支持。
试验现场由6个高大的钢结构塔架通过环形桁架连接成柱状空间,中间悬挂着红色圆形平台,下方垂吊开云官方 kaiyun官方网着揽月着陆器。这一系统的核心作用是模拟月球重力环境,最关键的有两个机制:
这套系统也可以模拟火星以及其他地外天体的重力环境,未来如果打算载人火星登陆或者土卫六登陆的话,这里也可以模拟火星或者土卫六的重力环境。之前天文一号的火星着陆器也是在这个地外天体着陆试验场测试的,对于地外天体降落,咱们可是非常有经验的。
还有朋友在央视的新闻下留言称,揽月着陆器主发动机为什么那么小?就像一个小小的瓶口,这怎么能胜任月面着陆呢?答案是当然能胜任了,因为环境不一样,所以看起来才会觉得像个小小的瓶口!
据目前公开的消息,揽月着陆器主发动机是线N的变推力发动机,各位一定比较熟悉吧,和嫦娥探测器月面着陆减速发动机是同个型号,嫦娥用一台,揽月着陆器主发动机是四台,从姿态控制上来说,四台比一台难度更大,当然减速的重量也更大了。
揽月着陆器总重量在26吨左右,四台发动机的总推力也就30000N,也就是3吨多一点,按月面重力环境只有地球的1/6,也只能支撑18吨左右的飞船落月,为什么只用四台7500N的变推力发动机,不应该用更大一点的发动机吗?
其实是这样的,在100公里的月面轨道上,26吨的揽月着陆器执行月面任务,以1.6千米的初速减速至零降落到月面上,燃料消耗大约需要11.5吨左右,也就是说到100米高度悬停时揽月着陆器总重量大概只有15吨左右了,按1/6的推力算,只需要2.5吨的推力即可悬停,你说4台7500N的发动机够不够推力?
另一个比较有趣的问题是,为什么7500N的发动机喷口像个酒瓶子一样那么小?答案是地面有很大的大气压,发动机尾喷口的膨胀比不高,喷口并不需要很大。而真空中大气压是零,因此膨胀比很大才能保证最佳的推力,这就是为什么嫦娥探测器月面着陆时尾喷口很大,但揽月着陆器的火箭发动机在地面测试时喷口很小的真正原因。
中国的登月工程非常务实,使用的是两枚CZ-10火箭,分别发射载人登月的飞船与“轨道舱”组合,和揽月着陆器组合,CZ-10的地月转移轨道最大运载重量是27吨,揽月着陆器组合刚好是26吨,满足载荷要求,从这个也可以推测出飞船与“轨道舱”的总质量也在26吨左右。
发射时会先执行揽月着陆器组合发射任务,这玩意儿在发射时是无人状态,可以取一条最佳轨道不限时间飞往月球轨道,可以等到揽月着陆器组合入轨后,再发射飞船与“轨道舱”组合,这次因为是载人任务,必须在最短的时间内飞赴月球,因此从这个角度推测,飞船与“轨道舱”组合的总质量可以能小于26吨,因为越轻速度越高,时间也越短。
两个组合在月面对接,转移人员后再执行登月任务,揽月着陆器降落月面后航天员会在月面执行数天时间的任务,之后回到着陆器起飞返回月面轨道,与飞船与“轨道舱”组合对接,转移人员,转移月面采集样品,之后两者分离,揽月着陆器继续绕月飞行,而飞船与“轨道舱”组合则返回地球。
飞船与“轨道舱”组合会以第二宇宙速度直接返回,飞船将在地球附近分离并直接进入返回走廊,按规划应该会在大西洋上空进入返回走廊,在非洲上空第一次减速,然后弹跳进入太空后再从印度洋上空再次进入大气层,最终将在东风着陆场返回地面。使用的就是“‘Skip’ Reentry”再入模式。
中国载人登月计划时间表很有意思,2030年前完成载人登月!就是只定了个最后期限,却没有公布阶段性时间表,按套路,事少也得进行1次无人绕地飞行和绕月飞行再进行登月,当然也有可能是绕地和绕月一起进行,如果没问题就登月。目前才2025年,载人登月中最大的问题揽月着陆器已经搞定了,所以问题来了,这个2030年前完成登月的时间是不是会大幅度提前?
这个可能性还是很大的,相比于中国载人登月计划的顺利进行,美国重返月球的阿尔忒弥斯计划却走的有点艰难,因为阿尔忒弥斯计划从开始执行以来遭遇了太多的变故,目前计划一改再改,时间也一推再推,搞不好这次中美登月竞赛中国要赢了。种花家大致统计了下,阿尔忒弥斯计划主要存在几个问题:
第一个问题是计划太庞大了,阿尔忒弥斯计划总共有SLS(太空发射系统)火箭,猎户座载人飞船、月球空间站、往来空间站和月面之间的星舰月球版。这个计划要是建成了确实相当优秀,还能在地球与月球间安排定期航班。
但现在月球空间站和星舰月球版基本因为遥遥无期取消了,星舰换成了蓝色起源的“蓝月亮”月面着陆器,也就是和中国的版本差不多,各位不用怀疑,之前在月球空间站上投入的巨资已经血本无归了,这叫沉没成本。
第二个问题是NASA的工程能力已经肉眼可见的衰退了,猎户座飞船在2022年11月无人绕月飞行时就暴露出了很大的问题,飞船隔热罩烧蚀、生命支持系统缺陷等,之后就长期无法再次执行任务,原本打算2024年执行第二次,现推迟至到了2026年4月。
另一个是火箭子系统问题,SLS火箭用的都是航天飞机的发动机(二手货),但就这样一枚火箭,原计划是2016年首飞,结果又双叒叕的延迟17次到2022年才飞。发射成本还一次高达20亿美元,马斯克见了也得服,相比之下重型猎鹰一次才1.5亿美元,还是一次性成本,如果重复使用可以更低。
还有就是月球空间站和星舰的问题,其实这些都是外包的,NASA根本就没做啥,就一个开云官方 kaiyun官方网发包商!与1960年代的阿波罗计划时代NASA掌控全局相比,现在的NASA就是各家承包商用来向美国政府威胁增加投资的工具而已。
目前特朗普已经将“火星优先”转向“月球先行”,这个目标是正确的!现在美国的实力已经完全无法支撑火星探测和重返月球同时进行。不过阿尔忒弥斯计划转向蓝色起源的“蓝月亮”着陆器之后还没有明确的进度,月面环境下的着陆器验证还没有进行,中国则通过地面综合试验提前验证核心技术,在这个领域中国已经领先了。
接下来要轮到美国着急了!先中国登月是特朗普美国再次伟大的宏大叙事中一个关键环节,要是被中国领先了的话,美国这面子就搁不住了,以后怎么样让特朗普去描绘一个美国故事?
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