以中国目前的科技实力,中国能实现登月吗?
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先说结论,当前不可能,因为没有500吨推力的火箭发动机。
我国目前最先进,最强大的火箭发动机是120吨级的YF-100液氧煤油发动机,应用在长五和长七的发射上。
YF-100的性能决定了长五的最大起飞质量为800余吨,远远达不到土星五号3039吨的起飞质量。也决定了最关键的LTO参数,也即是地月转移轨道最大运载能力是8.2吨。
而一个完整的阿波罗登月飞船的质量约为45吨,由指令舱、服务舱和登月舱3个部分组成。
指令舱为宇航员生活和工作的地方,装有各种控制操纵仪器、宇航员的装备、食物、水和废物处理设备等,约6吨;
服务舱紧连指挥舱下面,是飞船的机房和仓库,主火箭、燃料、电源装罝和氧、 水等供应品统统都在这里,约25吨;
登月舱是载人登月的专用设备,下降段和上升段两部分各自配备有发动机,约14.7吨;
三部分缺一不可,否则宇航员有去无回。
“力大砖飞”
8.2吨的能力,怎么完成45吨的任务呢,必须要更强大的火箭发动机才行。
但是火箭发动机,我们基础薄弱,2015年研发成功的YF-100发动机,原型机是苏联RD-120,90年代初从俄罗斯购买,2000年启动了研发进程,历时15年才成功。仅仅靠YF-100,还不能够登月,需要的是俄罗斯RD-170这种推力740吨级的暴力美学典范。
但是俄罗斯将RD-170列为了禁止出口项目,以保持它的航天优势,由于和美国的航天发动机技术对等,它与美国合作生产了RD-170的简化版本 - 推力400吨级的RD-180,专供美国市场。
在技术储备上,我国只能走俄罗斯的液氧煤油发动机路线,这样时间和资金成本较低,美国的主攻方向是液氧液氢发动机,这个方向我国技术储备更弱,并且一样面临技术封锁的局面。
目前航天科技集团六院在研的480吨级YF-130火箭发动机,就是为长征9号重型火箭载人登月而研制的。现在的进度,半工况试车成功,处于乐观态势。
什么时候登月呢,就在新闻联播正式公告YF-130研制成功之后。一切顺利的话,预计在2035年左右,可以看到这一激动人心的直播画面。
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结论:以现在我国的航天实力几乎不可能做到,即便可以实现付出的代价也太大。发展航天首先基于科学的发展观念,成功率太低,难度太大就意味着不具备可行性,那就是不能实现。要知道,载人登月和月球车是完全两个概念,主要在于载荷的差异太大了。结合我国目前的运载火箭水平和历史上登月存在的几个方案,我们不难得出这样的结论。
嫦娥四号1200公斤,玉兔140公斤,和动辄几十吨的载人登月的载荷相去甚远
登月的三种方案
登月有三种方案,分别为直接起飞(Direct ascent),月球轨道交会(Lunar Orbit Rendezvous,LOR)和地球轨道交会(Earth Orbit Rendezvous,EOR)。
三种登月方案的示意图
直接起飞
直接起飞就是火箭直接从地球起飞到月球,由一枚超大火箭本身带着舱室降落到月球上。因为火箭和载荷没有分离,是直接降落到月球上的,而且火箭这么大的家伙对登陆缓冲的要求更高,无疑又增加了一部分推进剂重量,这种方案火箭的起飞重量是最大的,大到难以接受。当年美国为这种方案准备的Saturn Nova火箭,在第一级并联了8台F-1液氧煤油发动机,变态程度直逼苏联的N-1火箭。
阿波罗11号登月计划使用的C-5(土星五号)和直接起飞方案的Nova尺寸对比,可见C-5只有5个F-1发动机,而Nova 用了8个,二者吨位差距巨大
地月轨道交会
月球轨道交会,属于一种折中方案。它是采用一枚起飞重量较重的运载火箭,将一个主航天器(服务舱+指令舱)和次航天器(登月舱)通过GTO(地球转移轨道)的近地点加速,进入LTO(地月转移轨道)脱离地球束缚,飞向月球。在LLO(近月轨道)完成主航天器和次航天器分离,次航天器单独着陆。完成任务后次航天器起飞在LLO与主航天器对接,加速脱离LLO后重新走LTO返回地球。世人皆知的阿波罗11号登月计划,就是采用的LOR这一种,这一种方案是集成功率和经济性为一体的方案。该方案的主航天器为服务舱+指令舱,次航天器为登陆舱,也就是阿姆斯特朗踏上月球的那个飞船。不过为了保险起见,其实登月舱多了一套和指令舱类似的发动机,用于重返地球。比如阿波罗13号就是在指令舱故障后,宇航员利用登月舱的发动机返回的地球。
阿波罗11号登月-返回路线
阿波罗11号的服务舱+指令舱
指令舱,这是返回地球唯一没有烧毁的舱室
登月舱与指令舱对接时的状态
登月舱内部
需要说明的是,阿波罗11号的有效载荷里,服务舱和指令舱高达30.3吨,登月舱也达到16吨,也就是说运载火箭要有将近50吨的LLO(月球轨道)能力。所以这种登月模式用到的土星五号(Saturn V)仍然是迄今为止人类造出来的最大火箭,其GEO运载能力高达140吨,最大起飞重量达3000多吨。
土星五号和苏联N-1火箭的对比,土星五号的LEO为140吨,远超N-1的95吨。
地球轨道交会
地球轨道交会对火箭的体积要求最小,其方案为火箭仅把飞船发射到近地轨道,不同部分在近地轨道完成飞船交会对接后通过加速飞向地月转移轨道,飞向月球;这种方案所需的火箭最小,仅为阿波罗11号计划使用的火星五号火箭的一半起飞重量就可以满足要求。但是多个部分交会对接难度非常大,安全性和成功率会大大降低。
现役的长征5号,能否堪当大任?
说完了这几种登月模式,再来看看我国目前的运载火箭能力。我们目前最大运载火箭长征5号,起飞重量也只有800多吨,LEO运力达到25吨,这已经远超长三系列,但是连土星五号的1/5都不到。所以如果要想搞登月,只能是搞地球轨道交会模式,那么需要发射的航天器分段就必须非常多,而航天器的对接对整体结构强度的影响很大。那么就带来两个问题,一个是多分段对接带来的结构强度风险,一个是对接失败风险。假如只用一枚长5呢?它的TLI(地月转移)能力只有8吨左右,这个载荷连阿波罗11号的鹰式登月舱的一半都不到。即便勉强送1个宇航员上去,估计也回不来。
长征五号载现役重型火箭里也只是中等水平,和历史上的巨无霸火箭比起来只能算弟中弟
这也是为什么我国的运载火箭正在规划开发长征9号。长征9号的最大起飞重量预计可以达到3000吨,LEO运力140吨,TLI 50吨,技术指标基本是瞄准土星五号的水平去的,预计2030年可以首飞。因此我们可以推断未来中国的载人登月和阿波罗会采取类似的方案,即月球轨道交会,可以运送3-5人到月球进行登陆探测。这才是成熟保险的方案。所以宇宙开发还是要尊重科学,急功近利是要不得的。
CZ-9服役后,LEO可以达到140吨,和土星五号并列史上第二高的水平,到那时载人登月就指日可待了
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到今天为止,中国还没有能力把宇航员送上月球并登陆,不过将来终有一天中国会实现载人登月,中国目前也正在朝这个方向努力并迈进着。
美国的载人登月工程叫做“阿波罗计划”,相对应的我们国家正在进行着的探月工程叫做“嫦娥计划”,取自于中国古代神话中“嫦娥奔月”的故事,从这个名字中就能反应出中国人对于登月寄予的美好期许。
中国的探月工程开始于2004年,共分三个阶段,第一阶段为无人探测阶段;第二阶段为载人登月阶段;第三阶段在月球建立基地。我们现在还处在第一阶段当中,而第一阶段又可以分为三步,俗称“三步走”,分别是“绕”、“落”、“回”。目前我们已经实现了第二步的“落”,预计在今年年底就将实现第三步“回”。
第一步“绕”,发射月球探测器实现绕月飞行。2007年发射的“嫦娥一号”和2010年发射的“嫦娥二号”探测器都属于第一步“绕”的范畴,并且都实施成功。
(上图为“嫦娥一号”)
第二步“落”,就是发射月球探测器实现在月表的软着陆,并携带月球巡视勘察器对月球表面事件巡视勘测。“嫦娥三号”和“嫦娥四号”属于第二步“落”的范畴,也都实施成功。
2013年12月发射的“嫦娥三号”即实现的中国月球探测器的首次月面软着陆,“嫦娥三号”所携带的“玉兔号”月球车实现了月面巡视勘察功能,发回了大量月球表面的清晰照片,并且超期服役创造了全世界在月工作最长纪录。
(上图为“玉兔号”月球车)
2018年5月发射“鹊桥”号中继卫星,成功到达了地月引力平衡的“第二拉格朗日点”,为后来“嫦娥四号”登陆月球背面提供地月中继通信支持。
2018年12月“嫦娥四号”发射成功,一个月后“嫦娥四号”成功着陆在月球背面南极-艾特肯盆地冯·卡门撞击坑的预选着陆区。
(“嫦娥四号”所携带的月球车)
第三步“回”,就是发射月球探测器,在月表软着陆,完成月表勘探采样工作后,并返回地球。预计在今年年底发射的“嫦娥五号”就属于第三步“回”的范畴。“嫦娥五号”是中国首个实施无人月面取样返回的航天器。如果“嫦娥五号”实施成功,将标志着中国探月工程第一阶段的圆满完成。
“绕”、“落”、“回”三步的成功实施,将为我们国家未来实现载人登月提供宝贵的经验。
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目前还做不到,原因主要有两点,
第一,美国当时的登月是处于冷战时期,是政治需要,是为了自身优越性超过苏联的一种象征,所以美国憋足了劲死磕登月技术,几乎是动员了全国这方面的精英。我们登月虽然也有政治需要,但是目前不适合全国性的动员科学家来做这些事,因为还有更多的事情需要去做。如果十年前中国憋足了劲要登月,现在也不是不可能,只是人力资源就这么多,你要搞这个,其他许多项目就要下马,综合来看不划算。
第二,我们计划的登月难度要高于美国,因为既然有政治需要在里面,你像上世纪美国一样普通登月一下,也最多落下个“第二个登月成功的国家”,况且人家几十年前就登月了,更证明你的落后。所以,中国既然要登月,就得有超过美国登月的地方,创造几个世界第一,比如,第一个登录月球背面的国家,第一个在月球滞留超过n天的国家。总之,要来个“花式登月”。所以难度比美国大,技术要求比美国要高。
至于质疑美国是否登月的,其实没必要,只会引人贻笑大方。当年登月全世界直播,苏联科学家恨的牙痒痒,苏联卫星全程监视,最后苏联也没有质疑。事实上,目前各国科学界没有一个重量级科学家质疑过,质疑的都是“民间键盘科学家”。
况且,最重要的是美国前前后后成功登陆了五次,失败了一次,如果作假的话,第一次登了以后,就没必要再屡次登月了。这么多次登月,全世界瞩目,如果要作假的话,难度恐怕会超过登月本身。
质疑的种种疑点,其实公开的解释资料都有。百度一下很容易查到,但是你非得抬杠,那我非说火箭是烧煤的,你让个火箭专家来跟我解释也不一定能说服我,但是实际上,我如果当着火箭专家的面说火箭就是烧煤的,估计人家连看都不会看我一眼。还有的说为什么现在美国想登却登不了月?要知道登月是一个系统工程,牵扯到的方方面面很多,要重新整合在一起也要花不少时间。就好像我们如果现在想修个万里长城,也要勘探一下,绘测一下,评估一下,别人也可以质疑你,三千年前长城都能盖,现在你盖个长城还磨磨唧唧,所以万里长城是假的!
其实大家可以搜索一下“欧阳自远谈美国登月”的视频,动动手指就可以。欧阳自远,中科院院士,航天专家,主持中国的深空探测工作,嫦娥工程之父。质疑登月的各种理由他老人家都有解释反驳。当然,你不信欧阳院士,而相信你自己的判断,觉得你自己的航天知识水平高于他,那就当我没说!
所以我们要做的就是认识差距,奋起直追,预计大概在2030年左右可以实现载人登月并安全返回。
▍☺以中国目前的科技实力,中国能实现登月吗?
以中国目前的科技实力还不能把宇航员送上月球并安全返回。
因为目前中国还没有这么大运力的运载火箭。这个火箭的近地轨道能力至少需要100吨,地月转移能力至少40吨。目前我国运力最大的运载火箭是近地轨道能力最大25吨和地月转移轨道最大14吨的长征五号,但还没完全研制成功。
自2017年第二发失利之后,第三发的复飞一再推迟,至今已三年有余。至于专门用于载人登月的运载火箭长征九号(长110米,近地轨道能力140吨,地月转移能力50吨)至少在2028年才能首飞,由此也可见大火箭研制的不易。
没有相应的火箭,就不可能把人送上月球并安全返回。
当然如果把题目理解成只把人送上月球并软着陆于月球表面,而不用考虑安全返回的话,那我国现在就有这个能力。
2019年年初刚成功发射并成功软着陆月球背面的嫦娥四号就已证明了我们国家有能力送有效载荷安全到达月球表面。嫦娥四号总重3.8吨,发射它的是增强型长征三号乙运载火箭,全长56米,起飞质量459吨,地月转移能力5.5吨。
如果单纯把人送上月球不再回来,就不需要用于从月球起飞返回地球的发动机及大量的燃料,还有发射架和所有的有效载荷都可以省略,只提供载人的环境即可。我们知道近地轨道的神舟载人飞船重8吨左右,那是因为需要返回地球,所以有返回舱,是返回舱加轨道舱、推进舱三舱构型,
现在只把人送上月球,设计就简单多了,可以省略返回舱,这样飞船总重5吨左右完全可以满足任务要求。而长三乙增强型运载火箭的运力完全满足任务要求,不过只有一点需要改变,那就是奔月轨道设计,嫦娥三号和四号奔月轨道设计的飞行时间较长,近一个月。
嫦娥四号轨道示意图
不载人可以,如果载人最好控制在10天左右(这点完全可以做到),人在狭小空间如果时间长了会受不了,再加上吃喝,需携带很多食品,增大飞船重量,影响任务。解决了上述问题后,飞船会在7500牛变推力发动机帮助下,平安软着陆于月面。
宇航员成功着陆月面,但不能返回地球。如果月面有基地,只需把人送上月球,这种设计也未尝不可。
这种设计特别适用于未来大规模殖民月球,人类已经移民月球,不需返回地球了,必须返回时可乘坐别的飞船返回地球。
不久的将来我国有载人登月并安全返回的能力
去年7月5日,中国探月工程首任首席科学家、中国科学院院士欧阳自远在软件定义卫星高峰论坛上表示,嫦娥五号采样返回探测器年底就要发射了,包括发射、落月、采样和返回一大堆技术难题全部解决,将用复飞的长征五号运载火箭发射。嫦娥五号突破的核心技术有:运载发射、地月转移、近月制动、环月飞行、月面下降、月面采样、月面起飞上升、环月轨道交会对接、环月等待、月地转移、轨道分离和再入回收12个部分。嫦娥五号重8.2吨,由轨道器、返回器、上升器和着陆器组成。
看嫦娥五号任务流程和结构很类似于美国上世纪六七十年代载人登月的阿波罗飞船,这说明我国早就为载人登月布局、储备和验证相关技术,也说明我国现在已经掌握载人登月技术,现在差的就是重型火箭。为了早日实现我国的载人登月,也为了顺应火箭设计的最新潮流,借鉴美国SpaceX公司的重型猎鹰火箭芯级捆绑技术,
此图为美国SpaceX公司的猎鹰重型运载火箭
我国现在正在研制新一代载人运载火箭,长90米,是把三个5米直径芯级(长征五号主芯级)直接捆绑,直接利用长征五号的现有技术,而无需重新研发,这样会大大加快研制进度,专家表示5年内完成研制。
我国的新一代载人运载火箭
该火箭近地轨道运力达70多吨,大于猎鹰重型火箭的63吨,地月转移能力25吨,用于未来载人月球探测中的环月、登月演示和飞行任务,具有一定的载人登月能力。
这样说起来,2025年中国人就有可能实现能够安全返回的载人登月。
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