“嫦娥”登月在即从美苏登月经验看中国载人登月之路

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导读:“嫦娥”探测器已经进入月球轨道,按计划她将在13日登上月球表面,实现中国第一次月面软着陆。不久前曾有新闻称我国航天部门今年首次提出载人登月提案。虽然这一提案未获通过,但却说明,中国已经开始考虑何时迈出载人登月这一步。那么,从“嫦娥”奔月到中国人在月球上迈出“中华民族的一大步”还有多远? 据统计,算上嫦娥3号和美国“月球大气与粉尘探测器”,迄今人类已进行了115次飞向月球的尝试。 “先驱者1号”和“月球1号”,其实都不是真“1号” 1958年8月,美国首次尝试发射月球探测器“先驱者”
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“嫦娥”探测器已经进入月球轨道,按计划她将在13日登上月球表面,实现中国第一次月面软着陆。不久前曾有新闻称我国航天部门今年首次提出载人登月提案。虽然这一提案未获通过,但却说明,中国已经开始考虑何时迈出载人登月这一步。那么,从“嫦娥”奔月到中国人在月球上迈出“中华民族的一大步”还有多远?

据统计,算上嫦娥3号和美国“月球大气与粉尘探测器”,迄今人类已进行了115次飞向月球的尝试。

“先驱者1号”和“月球1号”,其实都不是真“1号”

1958年8月,美国首次尝试发射月球探测器“先驱者”号,但是它和运载火箭一起在空中爆炸,因此被改名为“探测者0号”。在那个美苏太空竞赛如火如荼的年代苏联当然不甘落后,在“先驱者0号”爆炸1个月后,苏联的第一个月球探测器也腾空而起,而且这个探测器的任务颇有苏联式的“傻大黑粗”范,打算直接在月面硬着陆,或者叫撞击月球表面。然而苏联的运气并没有比美国好,它也在起飞后不久凌空爆炸,苏联此后也将这个可怜的探测器定名为“月球1号A”,以把“月球1号”这个名字留给第一个成功的月球探测器。

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博物馆中的“月球1号”模型,其实在它之前,苏联还有“月球1号A、B、C”三个发射失败的“月球”探测器

冷战是一个不惜成本的年代,为了争夺第一个月球探测器的殊荣,美苏两国毫不犹豫的继续发射与前述探测器完全相同的后续探测器。这些不幸的探测器一个接一个的在空中爆炸。苏联在“月球1号A”之后又尴尬地把后续发射失败的探测器命名为“月球1号B”、“月球1号C”……直到1959年1月2日的第四个探测器才终于成功掠过月球表面,尽管它仍未能成功实现撞击月球的目标,但还是获得了人类第一个近月飞行器的殊荣。而美国则通过两个月后发射的“先驱者4号”成功实现近月飞行的目标。

随后双方仍继续以每两三个月一次的频率继续向月球发射新的探测器,苏联在1959年9月终于成功撞上月球。1个月后,苏联探测器又成功的拍到首张月球背面的照片。

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苏联“月球2号”探测器3D模型,当时苏联以平均每两三个月一次的频率发射各种月球探测器,失败率很高

美国的“先驱者”系列等探测器此间则是一次又一次的发射失败,直到三年后的1962年,美国用全新开发的“阿特拉斯”火箭发射的“月球硬着陆器”才终于也撞上了月球。同一年,美国总统肯尼迪发出了“我们选择去月球”的豪言壮语。美苏两国的登月竞争进入新阶段。

这一时期,美苏两国的月球探测器都是非常简单的,苏联的“月球2号”只有390千克重。美国的“先驱者”系列就更轻了,只有4千克重。


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美国同时期也不计代价连续发射“先驱者”系列探测器与苏联争夺第一个“落月”的荣誉,不过“先驱者4号”只有4公斤重,和“月球”系列不是一个等级的探测器

最初的月球探测器重量都很轻,原因是这一时期运送它们的火箭运载能力还较弱。这一轮撞月竞赛的获胜者,无疑是苏联。这个时期由于探测器重量太轻,无法携带较多燃料甚至根本没有火箭发动机,所以实际上双方的探测器都没有中途(大幅度)调整轨道的能力,稍有偏差就不能被月球微弱的引力所捕捉。同时当时的火箭也非常不可靠。这两个因素相叠加就导致美苏这一时期像不要钱一样连续发射探测器,但成功的却寥寥无几。

“软着陆”竞争——打了个平手

在美苏都将月球作为展示自己国家实力的最佳广告牌后,苏联凭借自己火箭技术上的暂时优势(苏联此时已经可以发射数百公斤重的探测器,有足够的重量和燃料进行变轨了),迅速开始实施在月球表面“软着陆”的计划。从1963年到1966年间,苏联平均每年进行3次“月球软着陆器”的发射,期间还有多次绕月、近月探测器的发射。但上世纪50年代末到60年代初的测控技术水平还很弱,要执行落月任务运气的因素很大。结果苏联当时所有“月球软着陆”试验无一例外全部失败,有的撞毁在月球表面,有的错过月球飞入太空深处,有的则出师未捷身先死。

直到1966年1月31日,在11次失败的尝试之后,苏联“月球9号”探测器终于轻轻落在月球表面。这个探测器在月球表面工作了8个多小时,苏联为此弹冠相庆,这次落月意味着,人类活着踏上月球表面是一件可能的事情。

4个月后,美国首次进行月球软着陆试验,“勘测者1号”探测器成功降落在月球表面。美国的首次落月试验就取得了成功,这一事实说明了美国在系统工程方面对苏联的优势。双方的第二回合苏联时间上小胜一局,但总体来看双方实属平手。

烧钱竞赛中,家底厚的一方终于笑到最后

双方接下来开始利用手中的探测器对月球进行深度探测,美国一而再再而三地连续发射“勘测者”系列探测器,到1968年1月7日“勘测者7号”为止,美国的7次落月试验中6次取得成功。这一事实说明美国的登月技术已经进入成熟阶段。

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美国“土星5号“火箭第一级5台F-1发动机是目前人类制造的最大火箭发动机

与“勘测者”同时进行的是“阿波罗”飞船和“土星5号”巨型火箭的研制和测试,这个火箭和飞船组合从一开始就是专门为了实现肯尼迪总统“我们选择去月球”的诺言而进行的,为此项目投入的资金、物力难以计数。

F-1**型火箭发动机本是1955年开始为美国空军研制,但空军认为不论是用来发射弹道导弹还是卫星,这种发动机都过于巨大,因而将它放弃。此后美国航天局为了“阿波罗计划”接手继续开发,这台发动机可以说是美国登月的关键。在那个没有计算机模拟技术的时代,航天局下属的马歇尔航天中心完全靠实物试验的方法逐渐完善了这种发动机,可说是完全不惜成本。以该发动机为基础的“土星5号”火箭成本在当时高达2亿美元,而该火箭总研制费用高达96亿美元。(60年代的1美元购买力约相当于今天的25美元)

不惜成本的大投入换来了回报,1968年12月21日,“阿波罗8号”飞船成功绕月飞行,美国距离载人登月只有一步之遥。

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美国“阿波罗8号”飞船首次绕月飞行成功,美国距离登月一步之遥

相比之下,苏联的登月之路则遇到了坎坷,两次软着陆试验之后,苏联转而发射大量的绕月飞行器,平均每年发射5个“探测器”卫星飞向月球。同样耗资巨大。不过相比美国的“烧钱”速度,苏联可就远远不及了。

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美国的登月也并非一帆风顺,图为起火烧毁至宇航员死亡的“阿波罗1号”飞船

苏联在研制载人飞向月球的火箭上遇到了巨大的阻力,苏联此时用于发射月球探测器的“质子-K/D”火箭起飞重量为691吨,只能送5吨左右的物体飞上月球。而“土星5号”重达3000多吨(被戏称为“太空驱逐舰”),可以将40吨左右的物体送上月球,这是载人登月的关键。苏联为了实现载人登月的目标,也开发了“土星5号”这样级别的火箭,代号为N-1,起飞重量2700多吨,也是一个超级“怪兽”。

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由于没有及时下定决心开发巨型火箭发动机,苏联N-1火箭第一级采用30台发动机并联,是导致悲剧的主要原因

然而这时双方“家底”的差距就显现出来了,苏联同样考虑到F-1这样的巨型发动机过于“浪费”的问题,没有下令研制此种发动机。为了登月,他们不得不在N-1火箭上采用了一个令人目瞪口呆的方案,其第一级火箭竟整整安装了30台发动机。如同向日葵花盘一样密布发动机的火箭看起来充满了怪异的美感,但这样的设计带来的严重问题就是其燃料系统极为复杂。以60年代苏联的技术工艺水平,这样复杂的设计无法稳定工作。(苏联70年代后又回头来开始开发类似F-1的大型火箭发动机,并生产数十台,说明苏联并非没有能力研制此类火箭。50-60年代的技术路线失误,今天看来,和苏联火箭之父科罗廖夫意外身亡后其继承者缺乏政治影响力有一定关系。)

重达2700吨的N-1火箭

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N-1和“土星5”号体积重量已经赶上二战时代的驱逐舰

结果众所周知,过高的复杂度导致N-1火箭的可靠性只能用灾难来形容。美国“土星5号”的13次发射无一失败,而N-1火箭仅有的4次试射全部失败,其中三次在飞行中爆炸,剩下的一次更加惨烈,火箭直接在发射台上爆炸,2000多吨煤油和液氧引发的大爆炸甚至将发射场的掩体也炸得粉碎,连观看试射的战略火箭军司令员也尸骨无存。

至此,尽管苏联的登月飞船研制工作已经完成,30人的登月宇航员团队已经组建,整个登月计划就差大型火箭一步就可完成。但在最关键的一环上的失败还是导致整个雄心勃勃的载人登月计划彻底垮台。

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苏联的登月计划除了大型火箭外已经“万事俱备”图为苏联登月舱(右侧为模型)

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由于N-1火箭的失败,这幅图景永远无法成真了

苏联只能无限惆怅地看着1969年7月16日,美国宇航员阿姆斯特朗站在月球表面,对全世界说出:“这是我个人的一小步,却是人类的一大步”。

1970年和1973年,苏联成功发射“月球16号”探测器和“月球17号”两个探测器,这两个探测器重量都是5.6吨,其中“月球16号”搭载了一个可以返回地球的返回舱,而“月球17号”则搭载了“月球车1号”探测器,苏联终于实现了绕月、软着陆、月面巡视、返回地球的四部曲,然而与美国的“阿波罗”计划相比,苏联的这些成就几乎完全吸引不了世界的眼球。

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“阿波罗”计划为美国赢得了巨大的声望,是冷战中美国最重要的胜利之一

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苏联“月球17号”探测器,其顶部有返回舱可以返回地球

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苏联“月球20号”返回舱,虽然苏联也已完成登月的“四部曲”但此时已经无人在意

轰轰烈烈的登月竞赛到1972年美国“阿波罗17号”返回后就冷却了下来。1976年,苏联“月球24号”再次从月球取回样品,但此时公众早已不在关心遥远的月球,两国不久后开始了空间站、航天飞机领域的新竞争。美苏登月竞赛至此终于告一段落。

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“月球16号”和“月球车2号”

美国登月计划的最大收获,除了巨大的宣传价值,在工程学方面也收获巨大。从登月计划中获得的系统工程、系统可靠性方面的科研经验直接支持了今天科学技术的发展,直接奠定了许多现代技术的基础。


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登月工程完成后,美国剩余的“土星5号”火箭又执行了“天空实验室”空间站的发射任务

此后的几十年里,人类再没有打扰月宫的清净,大多数月球探测计划都不涉及在月面软、硬着陆。直到21世纪,人们对于这个卫星的兴趣才开始恢复。第二次“月球热”仍然是由国家竞争推动的。

2007年,日本“月亮女神”探测器抢在中国“嫦娥1号”探测器一个月前发射飞往月球,正式宣告了新一轮登月竞赛的开始。2008年,印度“月船1号”探测器升空,这个探测器计划发射一个“月球撞击探测器”,实现自1976年以来第一次有控制的人造物降落。不过和过去许多类似的月球任务一样,“月船1号”并未取得成功。2009年,美国发射“月球勘测轨道飞行器”,开始“重返月球”计划。2011年,美国“重力回溯及内部结构实验室”双星发射成功,于今年撞击月球表面,终于打破了月宫近40年来的宁静。

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沉寂了30多年的月球即将迎来新的造访者

然而美国这一轮“重返月球”当然不是与日本和印度较劲,让美国航天局觉得有紧迫感的,是中国的探月工程。2007年,中国“嫦娥1号”探测器飞向月球,中国的首次月球探测就成功实现了绕月飞行,随后在地面控制下成功撞击月球表面。而嫦娥2号作为“嫦娥1号”的备份探测器比她“姐姐”走的更远,绕月之后又飞向更遥远的太空,先后又飞到了地日拉格朗日点L2(地球和太阳的引力平衡点,许多科幻小说中未来放置可永久居住空间站的地方);探测了一颗小行星;之后进一步飞向深空,成为了迄今为止中国人发射的走得最远的航天器。对比美苏当年的探月,我们可以发现中国的“嫦娥”系列技术起点、工程可靠性、实际探测效果都不可同日而语。中国是站在新世纪的肩膀上实施自己的登月计划。

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“嫦娥3号”和“玉兔”完成了苏联“月球16”号的任务,实现了月面软着陆和月面巡视,不过它的技术水平比当年高得多

目前即将着陆的“嫦娥3号”+“玉兔”与苏联“月球16”+“月球车1号”基本功能相似,未来的“嫦娥5号”则与“月球17”号探测器类似。但是由于电子技术、工程技术的进步,中国的月球探测器将能够在月球表面进行更多的试验,取得的观测和实验数据也会更多、更好。更重要的则是“嫦娥5号”将40年来首次从月球表面取回样品。

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“嫦娥5号”将是1976年以来首次从月球带回样品的航天器,苏联从月球取回的土壤样品

那么,我们的下一步什么时候迈出呢?

首先,在“嫦娥5号”成功后,我国深空测控、通讯技术、系统可靠性、地月环境科学等方面就都已经达到载人登月的要求,接下来只是如何将宇航员送到月球了。

正如我们前面所说,将宇航员送到月球的关键是巨型火箭,目前技术水平下,能够实现这一目标的火箭起飞重量将在3000吨左右,月球轨道载荷至少30-40吨。这样的火箭过于巨大,用来发射近地轨道载荷实际是比较浪费的——当然,其近地轨道运载能力在100吨以上,可以直接将空间站送入太空——如果研制这样的火箭,基本可以确定载人登月项目已经纳入航天计划。

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中国航天总公司年报中的新一代运载火箭型谱中包括了与“土星5号”级别相近的“长征9号”,这样级别的火箭目前最重要的用途就是载人登月

据中国航天总公司的年度报告,中国未来的火箭系列中最大型的火箭名为“长征9号”,该火箭起飞重量3000吨以上,近地轨道载荷130吨以上,月球轨道载荷50吨以上。据外媒近日报道,“长征9号”的发动机已经开始试制工作。在今天,这种“载人登月专用”发动机的研制仍然是比我国此前所有火箭发动机研制难度更高,风险更大的项目。以“土星5号”为例,该火箭1955年开始设计,12年后首次发射,14年后首次登月,耗资96亿美元。如果中国能够以与“土星5号”同样的速度和成本完成“长征9号”的研制,我们将在2027年前实现载人登月,单在火箭项目上耗资2400亿美元。考虑到21世纪的超级计算机的技术进步,我们或许能用一半以下的成本完成“长征9号”的研制,即1200亿美元,这相当于中国2013年军费总额(1143亿美元),相比之下,三峡工程总耗资也只有900多亿美元。载人登月项目耗资如此巨大,今年首次提案被否决并不意外。

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长征5号火箭想象图

不过,技术的发展也带来了一种新的可能性,当年美苏两国登月方案验证阶段认为风险过高的将载人飞船分多次由较小的火箭发射升空,在轨道对接后飞向月球(当时的航天发射成功率在60%-80%之间,因此多次发射连续成功的概率可能在50%以下,而登月之旅中一旦有一次发射失败,整体月球任务即告失败,这样的成功率对于涉及到宇航员生命安全的项目来说是无法接受的)的方案或许有复活的希望。主要原因是随着工程技术水平的进步,现代航天发射成功率已超过90%,轨道对接成功率则接近100%,我国也已经通过天宫1号验证了相关技术。用这个方案登月的可行性正在不断增加。

目前中国正在研制的长征5号火箭的近地轨道运载能力可达25吨,比长征2号、3号提升一倍。如果该火箭研制成功,且安全性、可靠性方面能够达到研制目标,那么它完全可能提前实现中国的载人登月梦。如果这一方案最终被认为可行,那么我国在2020年前后就能做好载人登月的准备。

或许,距离“中华民族的一大步”到来的日子,没有我们想象的那么远。

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