征服月球的壮举：我国载人登月面临的4大挑战与技术突破

我国已经公布2030年前实现首次载人登月的目标计划，载人登月的初步方案是：采用两枚运载火箭分别将月面着陆器和载人飞船送至地月转移轨道，飞船和着陆器在环月轨道交会对接，航天员从飞船进入月面着陆器。其后，月面着陆器将下降着陆于月面预定区域，航天员登上月球开展科学考察与样品采集。在完成既定任务后，航天员将乘坐着陆器上升至环月轨道与飞船交会对接，并携带样品乘坐飞船返回地球。那么，我国在2030年前实现首次载人登月，将面临着一系列重要的困难和挑战。让我们逐一探讨这些挑战，看看为了实现这一伟大目标，科研人员们需要克服哪些挑战和技术难题？

首先，实现载人登月的关键之一是拥有强大的重型运载火箭。为了将载人飞船和月面着陆器送入近地轨道，需要具备巨大的运载能力，大约140吨的近地轨道运载能力。如果采用单次发射、环月组装的方案，就需要研制一种全新的超重型运载火箭，其起飞重量约为4000吨，箭体直径约10米，这样的运载能力与美国阿波罗计划的土星五号火箭相当，能够将近地轨道运载能力提升至140吨，地月转移轨道运载能力达到50吨。然而，这样的方案研制难度极大，研发周期也较长。

为了实现2030年前首次载人登月的目标，我们选择了运载火箭研制难度较低的两次发射、环月组装方案。这就是我们研制长征十号运载火箭的目的。长征十号火箭的长度约为88.5米，最大起飞推力达到2678吨，其近地轨道运载能力约为70吨，与美国的太空发射系统（SLS火箭）相当。在地月转移轨道，长征十号火箭的运载能力达到27吨。预计长征十号火箭将在2027年前后完成首次飞行。长征十号火箭采用了模块化组装方案，并继承了长征五号的五米直径箭体结构和120吨推力的液氧煤油发动机。火箭的一级采用三个5米直径模块并联，每个模块装备7个120吨推力的液氧煤油发动机，这样的设计解决了重型火箭研制中的一系列难题。

再一个挑战就是要研制新一代载人飞船。新一代载人飞船最大的困难和挑战，就是从月球返回地球、冲入大气时速度比近地轨道工作的神舟飞船更大，接近第二宇宙速度，约11公里/秒。这意味着更剧烈的摩擦，必须提高飞船耐热能力。新载人飞船相较神舟飞船，在耐热能力提升了3-4倍。此外新一代载人飞船在神舟飞船技术基础上，在飞船结构、推进、回收、能源、热控、电子等方面应用了大量先进技术，飞船具备可重复使用能力，乘组人员提高到4-7人，其试验船已经在2020年发射成功。

第三个挑战是月面着陆器。月面着陆器需要在月球表面完成着陆和返回任务，但这是一项高风险的任务，必须克服月球表面复杂的地形和陨石坑等挑战。尤其是返回时，着陆器需要再次起飞，这需要高度可靠的技术保障。根据月面着陆器展出的模型初步方案，该着陆器由两部分组成：一个是“登月舱”，另一个是“推进舱”。推进舱不仅是组合体在接近月球时进行制动和轨道控制的动力舱段，还在登月的下降过程中承担动力减速任务。直到距离月面较近时，登月舱才会分离出来，这样的设计目的是为登月舱节省燃料。值得一提的是，登月舱不仅在着陆时充当着陆器的一部分，同时也充当登月航天员离开月面的上升器。这样的设计方案使得月面着陆器更加灵活，对于载人登月任务的成功实施至关重要。

第四个挑战总体的设计和飞行测试。在未来的七年里，我国将分为三个阶段来实现载人登月的宏伟目标。在第一阶段，我们将着重完成关键子系统的研制和建设任务。这包括新一代载人运载火箭、新一代载人飞船、月面着陆器以及登月服和载人月球车等飞行产品的研发。同时，我们将在文昌航天发射场建设长征十号火箭的总装发射设施，并完成测控通信着陆场等相关地面设备设施的建设。之后进入第二阶段，我们将利用新一代载人运载火箭、新一代载人飞船和月面着陆器进行无人飞行验证。通过实际飞行验证，我们将测试关键子系统的可靠性，同时验证总体方案的可行性。这一阶段是重要的飞行测试阶段，为后续的载人登月做好充分准备。一旦第二阶段任务顺利完成，我们将迎来第三阶段，也就是实施真正的载人登月飞行。在2030年之前，我们的目标是让中国航天员登上月球，实现中国航天史上的世纪梦想。

总体而言，我国载人登月计划是一项宏伟而具有挑战性的目标。通过科研人员和机构的共同努力，充分解决上述困难和挑战，我国必将实现载人登月，迈向更加广阔的航天探索之路！

作者: 周炳红 中国科学院国家空间科学中心研究员

出品: 科普中国