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如果你認(rèn)為SpaceX 火箭在海上再次成功軟著陸,那你可能太想當(dāng)然了
你看到的其實(shí)是中國(guó)“登月火箭”在最新一次測(cè)試中的畫(huà)面。那么,這次到底測(cè)試了什么?更重要的是,這讓中國(guó)距離“載人登月”又近了多少?
2 月 11 日,中國(guó)在文昌航天發(fā)射場(chǎng)完成了一次重要試驗(yàn),首次較為完整地展示了新一代載人火箭與飛船的實(shí)戰(zhàn)表現(xiàn)。這次任務(wù)把兩項(xiàng)關(guān)鍵驗(yàn)證放在了一次飛行里:一是新型長(zhǎng)征十號(hào)火箭系統(tǒng)的低空飛行測(cè)試,二是“夢(mèng)舟”載人飛船在高應(yīng)力條件下的逃逸測(cè)試。
中國(guó)載人航天工程辦公室表示,這次飛行“首次”很多:新火箭、新飛船、新發(fā)射場(chǎng)狀態(tài),甚至還有新的海上回收任務(wù)。火箭和飛船均為原型狀態(tài)。發(fā)射前,火箭已完成兩次系留點(diǎn)火試驗(yàn),飛船也做過(guò)零高度發(fā)射臺(tái)逃逸試驗(yàn)。團(tuán)隊(duì)還針對(duì)未來(lái)可重復(fù)使用進(jìn)行了改進(jìn),回收隊(duì)伍則專門為飛船首次海上濺落開(kāi)展了訓(xùn)練。
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測(cè)試過(guò)程如下:北京時(shí)間 11:00(UTC 3:00),搭載“夢(mèng)舟”飛船的長(zhǎng)征十號(hào) A 試驗(yàn)箭從 301 工位點(diǎn)火起飛。火箭使用 5 臺(tái) YF-100K 發(fā)動(dòng)機(jī),以煤油和液氧推進(jìn)。起飛后不久,當(dāng)火箭進(jìn)入超音速并通過(guò)“最大動(dòng)壓”(發(fā)射中受力最嚴(yán)苛階段之一)時(shí),逃逸系統(tǒng)啟動(dòng)。飛船逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火,在火箭主發(fā)動(dòng)機(jī)仍工作時(shí)迅速將“夢(mèng)舟”拉離助推器。這正是該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)——在上升段出現(xiàn)異常時(shí),把航天員快速帶離危險(xiǎn)區(qū)域。
分離后,逃逸系統(tǒng)先將飛船姿態(tài)調(diào)整到返回狀態(tài),隨后拋棄。之后“夢(mèng)舟”獨(dú)立下降,先開(kāi)減速傘,再開(kāi)主傘。數(shù)分鐘后,飛船平穩(wěn)濺落海面。
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與此同時(shí),長(zhǎng)征十號(hào) A 助推級(jí)繼續(xù)短時(shí)飛行:發(fā)動(dòng)機(jī)由 5 臺(tái)降到 3 臺(tái),按受控軌跡飛至接近太空邊緣。回落過(guò)程中,箭體展開(kāi) 4 片柵格舵進(jìn)行導(dǎo)引;部分發(fā)動(dòng)機(jī)短時(shí)再點(diǎn)火,先執(zhí)行再入減速,后執(zhí)行類似著陸減速,最終濺落南海。報(bào)道稱,入水后其上部一段模擬結(jié)構(gòu)分離,但助推級(jí)主體按計(jì)劃完成了下降過(guò)程。
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附近還有一艘名為“凌航者”的自主回收船,執(zhí)行了模擬助推器回收測(cè)試。起初,有網(wǎng)友推論中國(guó)此次回收任務(wù)沒(méi)有成功,原因是箭體沒(méi)有落在回收船上。其實(shí)它的亮點(diǎn)在于:這是中國(guó)首套“網(wǎng)式”火箭回收方案。通常我們理解的可回收火箭,是靠柵格舵導(dǎo)引、著陸腿展開(kāi)、垂直著陸(如 Falcon 9)。而這套方案不同:助推器不是“落在腿上”,而是在接觸甲板前被“攔截捕獲”。原理有點(diǎn)像航母阻攔索——火箭下降時(shí),箭體掛鉤會(huì)掛接到平臺(tái)上方特定高度的纜索;一旦掛接成功,艦船緩沖系統(tǒng)吸收大部分動(dòng)能和勢(shì)能,從而安全減速、避免硬著陸。這個(gè)系統(tǒng)確實(shí)很有意思。
濺落后,回收船只很快展開(kāi)打撈,回收飛船和助推器。據(jù)稱,“夢(mèng)舟”在起飛后約 80 分鐘完成回收。總體來(lái)看,這次試驗(yàn)平穩(wěn)成功,是中國(guó)新一代載人航天體系的重要一步。
這次任務(wù)包含多項(xiàng)里程碑:
- 長(zhǎng)征十號(hào)原型的首次點(diǎn)火飛行;
- 中國(guó)載人飛船首次“最大動(dòng)壓(Max-Q)”逃逸試驗(yàn);
- 中國(guó)載人飛船首次海上濺落;
- 火箭一級(jí)首次在海上完成測(cè)試性回收;
- 文昌新建工位首次執(zhí)行點(diǎn)火飛行。
飛行驗(yàn)證了多項(xiàng)核心能力:一級(jí)上升與回收流程、飛船在發(fā)射最嚴(yán)苛階段的安全逃逸能力、以及多工程系統(tǒng)間的協(xié)同與兼容。更重要的是,它帶來(lái)了大量真實(shí)飛行數(shù)據(jù)和一線實(shí)操經(jīng)驗(yàn),這些都將直接用于后續(xù)載人登月任務(wù),幫助降低風(fēng)險(xiǎn)、優(yōu)化硬件。
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而這一切都指向一個(gè)明確目標(biāo):2030 年前實(shí)現(xiàn)中國(guó)首次載人登月。
但說(shuō)起來(lái)容易,做起來(lái)非常難。
第一個(gè)難關(guān)是“先到月球”。月球距離地球約 38 萬(wàn)公里,這和近地軌道不是“稍遠(yuǎn)一點(diǎn)”,而是完全不同量級(jí)。要到那里,火箭必須更大,飛船要有更強(qiáng)推進(jìn)與軌道機(jī)動(dòng)能力。走出地球后,距離就是第一道硬挑戰(zhàn):軌道設(shè)計(jì)、窗口時(shí)序、分級(jí)工作都要高度精準(zhǔn),既需要勇氣,也需要頂級(jí)工程能力。
中國(guó)目前的任務(wù)構(gòu)型是:兩枚火箭分別發(fā)射。
一枚送新一代載人飛船“夢(mèng)舟”,另一枚送月面著陸器“攬?jiān)隆薄烧哌M(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道后,到達(dá)環(huán)月軌道交會(huì)對(duì)接。兩名航天員從“夢(mèng)舟”轉(zhuǎn)入“攬?jiān)隆保幻教靻T留守環(huán)月軌道。
隨后“攬?jiān)隆敝苿?dòng)、下降并在預(yù)定區(qū)域著陸。航天員開(kāi)展科學(xué)考察、設(shè)備部署和樣品采集。任務(wù)結(jié)束后,“攬?jiān)隆睆脑旅嫫痫w返回環(huán)月軌道,再次與“夢(mèng)舟”對(duì)接,人員與樣品轉(zhuǎn)移后返回地球。紙面流程清晰,現(xiàn)實(shí)執(zhí)行極其復(fù)雜。
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可以類比開(kāi)車:走得越遠(yuǎn),耗油越多。飛到地球上空 400 公里是一回事,飛到 38 萬(wàn)公里外的月球是完全不同的燃料預(yù)算。研究顯示,地月轉(zhuǎn)移任務(wù)需要火箭具備至少約 27 噸級(jí)運(yùn)載能力,這超出中國(guó)現(xiàn)役主力火箭能力,因此必須研制新箭——長(zhǎng)征十號(hào)。它專為載人登月設(shè)計(jì),除了高運(yùn)力,更強(qiáng)調(diào)可靠性與安全性。登月任務(wù)周期長(zhǎng)、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)多,很多環(huán)節(jié)“沒(méi)有第二次機(jī)會(huì)”。
更難的是:兩枚長(zhǎng)征十號(hào)需分開(kāi)發(fā)射,卻要把各自載荷精確送入可在月球附近會(huì)合的軌道,對(duì)入軌精度和發(fā)射窗口靈活性要求極高。此外,長(zhǎng)征十號(hào)還規(guī)劃了多構(gòu)型:既能執(zhí)行登月任務(wù),也能執(zhí)行近地任務(wù),不是一次性平臺(tái)。
火箭升級(jí),飛船也必須升級(jí)。中國(guó)新一代載人飛船“夢(mèng)舟”(意為“夢(mèng)想之舟”)就是為此而來(lái)。它可承受長(zhǎng)征十號(hào)更大推力,并支持超越近地軌道飛行,具備更強(qiáng)推進(jìn)和機(jī)動(dòng)能力、更大艙內(nèi)空間、升級(jí)生命保障系統(tǒng)。它可在近地任務(wù)中搭載最多 7 名航天員,也支持登月任務(wù)。其一大改進(jìn)是逃逸體系:相較“神舟”,“夢(mèng)舟”對(duì)逃逸與救生功能擁有更直接的控制能力,發(fā)射異常時(shí)可更快帶離風(fēng)險(xiǎn)并保障航天員返回。這種安全冗余對(duì)于高難度任務(wù)至關(guān)重要。
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到達(dá)環(huán)月軌道已經(jīng)很難,安全落月更難。月面著陸器“攬?jiān)隆币鎸?duì)極端溫差、高真空、復(fù)雜地形。它不只是“著陸交通工具”,還是航天員在月面的生活中心、能源中心和數(shù)據(jù)中心。其下降、著陸以及后續(xù)起飛返回環(huán)月軌道,是全任務(wù)最關(guān)鍵階段之一。
去年,工程團(tuán)隊(duì)完成了一次重要的著陸/起飛驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)中,著陸器利用先進(jìn)傳感器和自主避障算法模擬月面下降,需實(shí)時(shí)識(shí)別隕坑和巖石并修正軌跡。為模擬月球低重力,工程人員使用塔架、伺服系統(tǒng)和鋼纜部分抵消地球重力,還在地面構(gòu)建了人工隕坑與坡地模擬月面地形。
“攬?jiān)隆背晒χ懞螅教靻T將穿著新一代月面航天服出艙,可步行或乘坐載人月球車活動(dòng)。但月球環(huán)境并不友好:月壤松散不平且暗藏小坑;月塵附著性強(qiáng);無(wú)大氣層防護(hù)微流星體;明暗區(qū)溫差劇烈。即便地面測(cè)試再充分,未知風(fēng)險(xiǎn)依然存在。目前,月面服與月球車仍在密集研制和測(cè)試中。
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“安全著陸”是歷史性成就,“安全返回”則沒(méi)有商量余地。
從月球返回地球時(shí),再入速度遠(yuǎn)高于近地軌道返回。為控制熱載荷和結(jié)構(gòu)應(yīng)力,飛船會(huì)采用常說(shuō)的“打水漂式”再入:先淺入大氣層,再?gòu)棾觯S后再次再入,從而降低熱沖擊并提高落點(diǎn)精度。月面任務(wù)結(jié)束后,兩名航天員將乘“攬?jiān)隆鄙辗祷丨h(huán)月軌道,與“夢(mèng)舟”再次對(duì)接,連同樣品完成轉(zhuǎn)移,再由“夢(mèng)舟”搭載三人返回地球。
從大運(yùn)力火箭,到自主月面著陸,再到高速再入,任務(wù)每一環(huán)都在挑戰(zhàn)新邊界。目標(biāo)很明確:2030 年前把中國(guó)航天員送上月球。路線圖已畫(huà)好,硬件在研制,系統(tǒng)在測(cè)試,接下來(lái)拼的是執(zhí)行力。因?yàn)榈厍蚺c月球之間的 38 萬(wàn)公里,幾乎每一公里都對(duì)應(yīng)工程難題,而且每一項(xiàng)都必須成功。
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所以,未來(lái)我們會(huì)看到中國(guó)繼續(xù)密集開(kāi)展月球系統(tǒng)測(cè)試:無(wú)論是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試車、著陸器跌落模擬,還是飛船系統(tǒng)聯(lián)試,都是“微小但關(guān)鍵”的前進(jìn)一步。單項(xiàng)測(cè)試并不等于“已經(jīng)登月”,但把這些測(cè)試連起來(lái),差距會(huì)一點(diǎn)點(diǎn)縮小。一步一步,一測(cè)一測(cè),中國(guó)正更接近月球。
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