中国载人登月计划.doc

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1、中国载人登月计划：登月已具备综合论证条件中国载人登月运载方案探讨刘竹生等 重点提示：在分析国外载人登月运载方案、有效载荷组成及重量的基础上，提出了利用我国新一代运载火箭已有的技术条件，采用交会对接方式实现载人登月的运载系统方案。第一轮载人登月运载方案的特点第一轮登月活动始于20世纪60年代初，而美国、前苏联都分别在60年代中后期才实现近地轨道的交会对接，为抢先实现载人登月的目标，在太空竞赛中处于有利地位，因而选择了研制重型运载火箭采用直接进入的方式，因此第一轮登月方案可能与计划初期还未解决交会对接技术有关。美国重返月球计划方案2004年1月14日，美国总统布什宣布新的空间计划，其中最重要的一个

2、目标是在2020年前重返月球。美国此次重返月球融入人货分运的思想，将载人探测飞行器“猎户座”与月球登陆器先是分别由载人运载火箭“战神1”和载货重型运载火箭“战神5”发射至近地轨道，然后在太空将“猎户座”与月球登陆器和“战神5”的第二级“飞离地球级”通过交会对接后一同进入奔月轨道。对我国载人登月运载方案的建议从运载系统的角度分析，实现载人登月有以下几种途径可供选择：直接进入方式、近地轨道对接方式、环月轨道对接方式及近地与环月轨道对接相结合方式。根据初步分析，直接进入方式即美国阿波罗登月采用的方式，需要研制重型运载火箭，而另外三种方式由于采用了轨道对接的方案，是利用新一代运载火箭技术条件实现载人登

3、月的可能方式，其中的近地与环月轨道对接相结合方式从发射和对接次数来看，与近地轨道对接方式相比没有优势，并且还需要同时解决近地轨道和环月轨道对接技术。基于上述分析，要尽早实现载人登月，利用新一代运载火箭的技术条件，发展起飞重量1500吨左右的捆绑6个助推器的三级半构型的运载火箭，采用两次发射环月轨道一次对接的方式是最为理想的方案。为了实现中国人早日登上月球的梦想，同时利于后续深空探测活动的开展，应首先利用新一代运载火箭的技术条件，研制起飞重量1500吨的三级半火箭尽早完成载人登月。同时重型运载火箭是未来大规模深空探测和载人登火星的必要条件，由于其研制周期较长（大推力发动机的研制周期至少需要10年

4、），应对其重大关键技术项目及早安排预研。 作者简介：刘竹生，中国运载火箭技术研究院研究员，型号顾问，主要从事运载火箭总体技术研究。深空探测和载人航天应联合起来叶培建等 重点提示：通过对人类已开展的深空探测和载人航天活动的回顾以及对我国的启示，提出了我国未来深空探测发展方向的思考和展望。国外深空探测活动的启示首先，任务周期长和风险大是深空探测的固有特点，长远的战略视野和系统的战略规划显得至关重要；其次，深空探测的目标是永无止境的，月球是深空探测的起点和试验场；第三，探索首先从天文观测开始，同时，在技术条件可行时进行载人探测；第四，利用深空探测的轨道特点，采用多目标多任务探测方式提高效益的同时，对

5、于热点探测对象采取多种探测形式，从不同角度详细研究；第五，在科学探索的同时，验证深空探测技术、提高航天技术水平。国外载人航天活动的启示首先，长远正确的目标和连续坚定的发展路线，是载人航天高效、健康和持续发展的关键；其次，保证航天员安全是载人航天的核心和生命；第三，载人航天对于国家未来发展至关重要，同时我们也看到，商业资本正在介入载人航天活动，成为载人航天发展的一个积极因素；第四，必须根据本国的实际情况，制定切实可行的载人航天发展计划；第五，目前载人航天还处在发展的初级阶段，重点是突破和掌握载人航天技术，寻找开发的领域。中国载人航天的后续发展国际载人航天的实践，为我们提供了可供参考的经验和教训，

6、可以使我们少走弯路。因此，我们应当利用目前有利的国内外环境，加速载人航天技术的发展。在空间站阶段的后期，在保证工程任务实现的前提下，应当全面突破和验证在轨服务技术(包括机械臂技术)。可以利用前期发射或补充发射的可补给的空间实验室作为服务对象，进行空间服务技术试验。同时，空间站阶段还应当开始验证载人地月飞行器的建造技术。根据我国运载能力的实际情况，以验证载人登月技术为目标，在轨组装建造无人登月飞行器，并进行飞行试验，为载人登月打下坚实的基础。载人登月是深空探测和载人航天的共同目标，两个工程应及早有机地联合起来，优势互补。载人航天工程应考虑月球轨道交会对接的需求，并通过飞行试验验证交会对接技术；通

7、过探月工程的实施，选择适合载人登月的着陆场，配套可用于载人登月的深空测控系统；无人探月实施过程中，通过相似的方案验证月面下降着陆和上升技术，降低载人登月的技术风险；验证载人登月的关键技术；并在实施过程中，利用月球站和绕月飞行器，为载人登月提供测轨、通讯和信标等技术支持。作者简介：叶培建，中国科学院院士，中国空间技术研究院月球探测卫星总指挥兼总设计师顾问，中国空间科学学会副会长。曾任资源二号卫星总指挥兼总师，嫦娥一号总指挥兼总师。龙乐豪院士在导弹与航天运载技术2008年1期发表“现代嫦娥奔月的技术途径设想”一文，谈到“二次发射、环月轨道一次对接”方案采用的3.5级大型运载火箭：助推器6枚，每枚直

8、径3.35米，各采用2台YF-100液氧煤油发动机。芯一级直径5米，采用4台YF-100液氧煤油发动机。芯二级直径5米，采用2台YF-77氢氧发动机。芯三级直径5米，采用2台YF-75D氢氧发动机。起飞总推力1960吨，总重量1480吨。环月轨道运载能力15吨。要赶时间载人登月的话，该方案技术难度小，容易实现，但是可靠性不高，再加上载人登月并非近期航天事业的头等大事，估计不会采用这种急就章的产物。梁小虹呼吁中国尽快明确登月“路线图” 财经记者 徐超 2009年03月09日 12:28 共有 0 条点评尽快明确中国登月方案和时间，才能更好地设计中国运载火箭的远期研究方向【财经网专稿/记者 徐超】

9、目前，中国已经大致确定了无人探月的时间表，即在2017年左右完成这一进程。但中国未来的载人登月规划，却迟迟没有出台；全国政协委员、中国航天科技集团公司一院党委书记兼副院长梁小虹在接受财经记者采访时呼吁，中国应尽快制定登月规划，以便更好地确定中国未来新一代火箭的研制方向。早在1986年，中国就启动了大推力火箭的论证。2007年5月10日，国务院审议通过了航天发展“十一五”规划，批准大推力火箭作为16个重大科技专项之一投入研制。中国目前正在研制的大推力火箭为“长征五号”，该系列火箭可以搭载两种专门为其设计的发动机，分别是推力为120吨的YF-100液氧煤油发动机和推力为50吨的YF-77氢氧发动机

10、。按照计划，这一新型火箭将于2014年实现首飞。梁小虹告诉财经记者，首飞的火箭型号为长征五号E，这也是设计的六种长征五号具体型号中运载能力最大的一种。该火箭将捆绑四个直径为3.35米的助推器，地球同步轨道（GTO）的运载能力将达到14吨，而近地轨道的运载能力也将达到25吨。与现有的最大推力的火箭相比，长征五号E的这两项运载能力都将提高1倍以上。一般通信卫星、气象卫星等，在高度为3.6万公里的地球同步轨道上运行；而类似神舟宇宙飞船、空间站，则运行在高度仅数百公里的近地轨道上。他透露，由于长征五号的设计运载能力大幅提升，届时中国将有能力发射重量更大、功能更强的气象卫星；此外，中国将来永久空间站的建

11、设，也要依赖新型火箭运载20吨级的组装模块。此外，梁小虹对财经记者强调，长征五号不仅可以承担大重量发射任务，同时，由于其采用了模块化设计，可以根据发射任务进行六种不同组合，即拥有六种型号，也可以承担小到1.5吨卫星的发射任务。虽然，中国目前的各种型号的火箭，已经基本上可以满足中小重量的发射任务。但在梁小虹看来，由于长征五号火箭的运载能力系数达0.0146，仅次于美国波音公司的德尔塔4重型火箭，其燃料效率、安全性也将更高。对于近年来中国政府在航天领域的投入，以及确定的规划，梁小虹给予了高度评价。他指出，20世纪60年代，全世界只有少数发达国家和极少数发展中国家加入航天之列；但现在，全世界已经有4

12、0多个国家开展了宇航活动。各国政府之所以都在大力支持与太空有关的项目，是因为太空对国家科学技术的发展和相关产业的带动，有着不言而喻的重要性。除了探月，梁小虹也对财经记者透露，从明年第四季度开始，中国将在不到一年的时间内，连续发射两艘神舟飞船和中国首个空间站。其中，命名为“天宫一号”的空间站重量约为8吨，将率先发射。不过，与现在的国际空间站不同，“天宫一号”还仅仅是一个短期有人驻留、长期无人留守的空间站，有着很强的试验性质。此后，中国将陆续发射神舟八号无人飞船以及神舟九号载人飞船，并先后与“天宫一号”进行空中对接。这些工作，将为中国最终建立有人长期值守的空间站进行预热。不过，梁小虹也对财经记者坦

13、言，目前最大的问题，仍然是中国迟迟没有明确登月方案和时间，因此也就无法确定长征五号之后未来的重火箭、巨火箭的研制方案。梁小虹解释说，国家布局一个大的产业的时候，超前规划是非常必要的，“不能只看十年的事情”。目前，美国已经确定2018年前重返月球，印度也已明确2020年实现登月的梦想。“如果不尽快确定研究目标，哪怕你到时候给我10万亿元，也不可能第二年就拿出产品”，他对财经记者强调。五月二十二日，中国嫦娥工程月球探测卫星总设计师兼总指挥叶培建在上海举行的浦东院士科普讲坛上发表演讲。中新社上海五月二十二日电 (宗晨亮)中国嫦娥工程月球探测卫星总设计师兼总指挥叶培建在二十二日于上海举行的浦东院士科普

14、讲坛上发表演讲时表示，中国正在对载人登月进行论证。参与论证的科学家认为，二二五至二三年间是载人登月的最佳时间。此外，在二一七年前，中国将实现月球的采样返回。叶培建说，通过嫦娥系列探测器的发展，中国的深空探测能力不断进步。目前正在论证中国人什么时候去月球。“我们认为，二二五至二三年之间是比较客观的估计。”在今年三月一日，“嫦娥一号”卫星成功撞击月球后，世人把目光聚焦于中国探月工程的新进展上。对此，叶培建介绍说，中国已经确定的探月工程计划分为三个阶段，第一期工程为“绕”，二期工程为“落”， 三期工程为“回”。明年发射的“嫦娥二号”卫星，将在距离月球一百公里的轨道进行科学探测，并为“嫦娥三号”卫星的

15、发射和着陆作准备。在二一三年前，中国将发射登陆器和月球车到月球上。届时，“嫦娥三号”卫星将下降至距离月球十五公里轨道，然后通过变推发动机，调整姿态使其垂直于月球表面。在降到距月球表面一百米高空时，“嫦娥三号”卫星先在空中进行观测，保证着陆点五十平方米范围内没有巨大的山石后便关闭发动机，下降着陆月球表面，着陆点首选在月球赤道附近的虹湾地区。叶培建表示，“嫦娥三号”卫星着陆后，将分为着陆器和月球车，后者负责在月球表面巡游。月球车在月球上要工作三个月，期间面临的最大困难是每半个月便会遭遇一次“月球黑夜”，届时月表面温度会降到零下两百度。目前中国决定使用同位素技术发热发电，为月球车提供能量。而在二一七

16、年前，中国要实现月球的采样返回。叶培建透露，按照采集器目前的设计，届时可以取两公斤的月球物质，通过返回器带回地球，进行科学研究。完仔细琢磨了一下我国未来的发动机规划。500吨煤油机（甲烷机？暂时只讨论煤油机的情况吧）肯定是有的，500吨氢氧机是否存在还两说。氢氧机方面，150吨型号基本确定存在了，甚至有可能采用分级燃烧循环（为行文方便，下文简称YF150吧）。考虑到目前YF120的档次，一步到位跳上500吨煤油机不太现实。（PS.从作为起点的YF77和YF120看，也为了未来火箭构型选择的方便起见，个人坚信更大的发动机都会采用单室布局，不论是氢氧机还是煤油机）作为过渡，个人认为应该有个300吨

17、左右的单室煤油机的计划，不妨赋予代号YF300。四芯YF120再捆上六根双发YF120的终极加重版长五实在是个令人无语的方案，登月火箭应该会采用全新的、更大的芯级和配套助推器。目前从相关部门的技术能力看，YF300这个机型如果存在，应该可以在2020年之前达到可以使用的状态。最合理的发起用途应该是塞进3。35米模块代替目前长五双YF120助推器。另外，在氢氧机方面，YF150同时达到基本可用的状态应该不太困难。个人认为登月火箭芯级似乎以7.5米直径为好，使用四台YF150达到600吨推力。助推器可以选择3.35米单发YF300或者5米双发YF300两种模块。芯级结构设计允许最多捆绑六个助推器。

18、该方案的最重型版本将捆绑六根5米双发YF300助推器，起飞推力4200吨，LEO能力保守估计也有100吨。考虑到研制难度等因素，这个构型2030年达到登月任务需求的载荷能力和可靠性，个人认为是可以保证的。阿波罗时代的登月舱重量受到技术条件的限制，等我国登月时，将会有更大，更轻，更可靠的登月舱。用这个火箭方案满足将一个能携带两人的登月舱发射到环月轨道，应该没有任何问题。按道理一次发射把人员载具和登月舱直接送入环月轨道是最简单省事的途径。阿波罗当年也就是这么做的。不过个人认为应该为携带更多月面样品返回和未来允许携带更多乘员登月留下余地。因此还是选择两次发射，人货分离，环月轨道对接方案。上述大运载将

19、负责发射无人登月舱至环月轨道。为了胜任这一任务，优先考虑两级半构型，第二级可以考虑一台长燃烧时间，允许重复启动的高空版YF150直接将登月舱送入环月轨道。如果两级半方案实现起来有困难，那改用三级半方案，第二级采用两台高空版YF150,第三级采用一或两台YF77改进型，单台推力55吨。人员载具优先选用环月版本的神舟飞船，轨道舱仍然携带作为乘员的生活场所，服务舱加长以满足载三人射入环月轨道并返回的要求。发射载具优先选取煤油长二F/H。如果载荷能力不能满足要求，那就基于YF300衍生第二代3.35米通用模块，一根作为芯级捆绑两根助推器，LEO17吨左右。发射后飞船直接进入环月轨道，与登月舱对接，两名

20、成员进入登月舱并下降着陆月面，考察后上升返回环月轨道，再次对接神舟，三名成员乘坐神舟返航进低轨道并再入大气层。这个方案中人员往返均使用环月版神舟飞船，登月舱在回到环月轨道后即丢弃。即使登月舱出现故障，最多放弃与登月舱的对接而进行一次环月飞行然后直接返回了。这个方案中运载登月舱的重型火箭看起来是有很大余量的。按载荷算差不多可以满足载运四人登月舱的需要了，两人登月舱可以只是初期阶段的保守做法。留出的余量可以转化为更强的月面样本和设备携带能力。未来如果需要执行一次三或四人的登月任务，可以考虑使用专门的地月转移飞行器在近地轨道空间站和环月轨道上的登月舱之间摆渡。这个构想个人认为比较充分地兼顾了各个方面

21、。难度不是很大，可靠性(尤其是很多喜欢追求下面级发动机最少化的同好比较看重这个)方面的障碍也不算太难逾越。个人认为最大的特点还是对既有基础的继承性。YF300可以用于3.35米助推器甚至通用模块。YF150也能考虑用于升级长二。例如单台YF150做3.35米芯级，捆绑四个YF300助推器的构型，基本可以让内陆发射场超出目前长五的运力水平，达到LEO32吨，GTO18吨左右的水平。相应的，长五可以再次升级，芯级改用两台YF300,最重型构型达到六台YF300，起飞推力1800吨的水平。第二级采用两台YF77，LEO50吨可期。这样我国就能够形成覆盖LEO20(个人预估的单台3.35米YF150芯

22、级，捆绑两个YF300助推器的构型的数字)-100吨的运载能力。而这一切的出发点也就是三种直径的箭体和两种发动机。再往下基本可以沿袭目前已规划的火箭系列。CZ2F/H那13吨LEO到20吨之间的缺口如何经济简便地弥补倒是个比较值得考虑的问题。7.5米芯级最重型版的构型，个人认为对两人登月来说已经有运力过剩的嫌疑了。不过也正好能具备足够的扩展能力载运四人登月舱和月面货船，支持月面常驻考察站的运作。如果用较小的双人登月舱，那也许四根5米助推器甚至6根3.35米助推器已经够用。个人设想的大运载最轻构型是芯级捆绑两枚5米或者4枚3.35米助推器，可以较好的衔接升级之后的煤油下面级版本的长五。这个构想个

23、人认为比较充分地兼顾了各个方面。难度不是很大，可靠性(尤其是很多喜欢追求下面级发动机最少化的同好比较看重这个)方面的障碍也不算太难逾越。个人认为最大的特点还是对既有基础的继承性。YF300可以用于3.35米助推器甚至通用模块。YF150也能考虑用于升级长二。例如单台YF150做3.35米芯级，捆绑四个YF300助推器的构型，基本可以让内陆发射场超出目前长五的运力水平，达到LEO32吨，GTO18吨左右的水平。相应的，长五可以再次升级，芯级改用两台YF300,最重型构型达到六台YF300，起飞推力1800吨的水平。第二级采用两台YF77，LEO50吨可期。这样我国就能够形成覆盖LEO20(个人预

24、估的单台3.35米YF150芯级，捆绑两个YF300助推器的构型的数字)-100吨的运载能力。而这一切的出发点也就是三种直径的箭体和两种发动机。再往下基本可以沿袭目前已规划的火箭系列。CZ2F/H那13吨LEO到20吨之间的缺口如何经济简便地弥补倒是个比较值得考虑的问题。7.5米芯级最重型版的构型，个人认为对两人登月来说已经有运力过剩的嫌疑了。不过也正好能具备足够的扩展能力载运四人登月舱和月面货船，支持月面常驻考察站的运作。如果用较小的双人登月舱，那也许四根5米助推器甚至6根3.35米助推器已经够用。个人设想的大运载最轻构型是芯级捆绑两枚5米或者4枚3.35米助推器，可以较好的衔接升级之后的煤油下面级版本的长征五号。