本文来自微信公众号：中国航天报（ID：wht_htb），作者：张雪松，编辑：高辰，原文标题：《巧妙均衡，我国载人登月初步方案解读》，题图来自：《流浪地球2》
7月12日，载人航天工程副总设计师张海联介绍了我国载人登月初步方案：采用两枚运载火箭，分别发射月面着陆器和载人飞船，在环月轨道进行交会对接。目前，科研人员正在研制长征十号火箭、新一代载人飞船、月面着陆器和月球车等关键装备。那么我国载人登月任务为何要分两次发射？选择环月轨道交会对接，有何考量？未来，将有哪些服务于我国航天员的月面装备有望公开亮相呢？
立足现实，性价比高
截至目前，“阿波罗计划”是唯一成功的载人登月计划，由1枚土星5号重型火箭发射载人飞船和登月舱。同时代，苏联研制了N1重型火箭，计划发射7K-LOK月轨模块和LK登月舱，同样选择了由重型火箭一次性发射的方案。而我国规划的载人登月任务分两次发射执行，体现了对于力求任务成功与降低潜在风险的权衡。
我国长征十号火箭、登月舱和新一代载人飞船模型
在美苏论证载人登月之初，航天器交会对接技术还不成熟，快速发射两枚甚至多枚火箭也有一定难度，如果分别发射月球着陆器和载人飞船，实施在轨对接，技术风险很大。为了降低风险，提高任务成功率，最简单也是最实用的办法就是研制运力惊人的重型火箭，将登月舱和载人飞船一次性送去月球。
然而，当前情况有所不同。一方面，新一代重型火箭研制难度大，耗费时间长，综合成本极高。比如，美国SLS重型火箭耗费了10多年时间、上百亿美元，至今却仍在使用过渡型号上面级。另一方面，航天器交会对接技术已经非常成熟可靠。综合衡量后，使用运力足够、研制费用更低的火箭分别发射载人飞船和登月舱，在轨交会对接，反而是可行且合理的选择。
其实，国外航天界“帮助”中国设想过更激进的载人登月方案。例如，美国宇航局前局长迈克尔·格里芬曾表示，中国使用4枚长征五号火箭，分别发射登月舱和飞船，有望很快实现载人登月。
我国当然不会采用这种“勉强”的方案，而是积极利用新技术成果，降低风险。据公开资料显示，我国正在研制长征十号火箭，其芯级直径为5米级，并联安装了7台液氧煤油发动机，又捆绑了两个芯级作为助推器，第二级使用2台液氧煤油发动机，第三级使用3台液氧液氢发动机，各级均采用共底储箱，降低结构质量。
据央视报道，依靠推力提升和结构创新，长征十号火箭的起飞质量约为2187吨，预计月球转移轨道运力会从长征五号火箭的8.2吨提高到27吨左右。这个指标与现役SLS重型火箭初期型相当，足以发射大型载人飞船和登月舱，为执行两次发射的载人登月方案奠定了坚实的基础。
考虑到长征十号火箭的研制耗费远远低于美国几款重型火箭，我国载人登月方案无疑将具备更出色的性价比和可持续性。
巧选轨道，稳中求新
我国载人登月初步方案的另一个亮点是双重环月轨道对接。长征十号火箭分别发射登月舱和载人飞船后，它们各自独立飞向月球，在环月轨道上交会对接。接下来，航天员从飞船进入登月舱，随登月舱下降，安全着陆月球，开展科考活动。完成既定任务后，航天员乘坐登月舱起飞，返回环月轨道，再次和飞船对接后，转移进入飞船并返回地球。
我国航天员登月想象图
环月轨道对接是半个世纪前的美苏“登月竞赛”选中的高效可靠方案。不过，我国的环月轨道对接方案既借鉴了“阿波罗”环月轨道对接设计，又有很大的创新，与美国“阿尔忒弥斯计划”部分登月方案不谋而合。
事实上，美国“阿波罗计划”曾对比研究直接上升式、地球轨道交会对接、月球表面交会、环月轨道对接等多种方案，最终选定环月轨道对接方案。
具体来说，直接上升式方案要求整个登月舱着陆月球表面，完成任务后，上升器从月面直接上升返回地球，这对火箭运力的要求太高；地球轨道交会对接方案需用多枚火箭发射登月舱，其各部分在地球轨道上完成组装后，采用类似直接上升式方案，从而不必研制重型火箭；月面交会对接方案是发射两个航天器，分别着陆月球表面，一个专门携带返程燃料，另一个就是登月舱，在月面补加燃料后返回地球，但“阿波罗时代”航天器月面着陆精度误差高达公里级，故该方案可行性不高；环月轨道对接方案设计的登月组合体包括飞船和登月舱，两者在月球轨道上分离后，登月舱着陆登月，完成任务后，上升对接飞船，飞船再变轨返回地球。
不难看出，环月轨道对接方案中，飞船不用付出着陆月面和返回轨道的过大代价，最大限度地压缩了登月组合体的规模，有效降低了任务成本。
“阿波罗时代”该方案的风险不小，而随着载人航天和测控技术进步，这已不是难题。比如，美国“阿尔忒弥斯计划”最终要求飞船在环月轨道对接空间站，“阿尔忒弥斯-3”任务则计划让登月舱和飞船在环月轨道对接。
我国载人登月初步方案与“阿尔忒弥斯-3”任务相似，但不必专门研制重型火箭，从而做到了节约成本，高效利用技术进步，消除风险，更加稳健可靠。
轻巧紧凑，注重实用
载人航天有句经典的论述：造船为建站，建站为应用。同理，载人登月任务绝非“到此一游”“插旗就是胜利”。即使在冷战时期的“登月竞赛”中，“阿波罗计划”同样开展了大量科考活动，部署了一批实验装置，收获宝贵成果。
我国载人月球车示意图
随着航天工程越来越多地吸引社会资源投入，载人登月任务更加鲜明地体现出“探索月球和开发月球并重”，支持航天员在月面长期有效活动的登月航天服、载人月球车等都是必不可少的装备。在航天员登月前，我国还会先期开展无人登月飞行，随登月舱搭载科学载荷。
根据国外经验，登月航天服和普通舱外航天服存在一些区别，重要目的是克服大量微小月尘的消极影响。这些月尘带有电荷，极易黏附在物体上，曾让“阿波罗”航天员们不胜其扰。为此，我国开展了面向月尘防护的舱外航天服面料功能化修饰研究。
另外，由于任务有效载荷限制，登月航天服不能太重。“阿波罗计划”的登月航天服质量约82公斤，比同时代近地轨道任务航天服更轻，因此我国登月航天服同样要做好减重工作，与轻量化、一体化的登月舱形成完美搭配，共同保障航天员在月面的安全。
美国航天员在3次登月任务中各携带了1辆载人月球车，“月面飙车”影像也成为一代人的青春记忆。我国航天员开展长期远距离月面科考活动，载人月球车更是必不可少的。
据公开报道称，我国载人月球车依靠新材料、新能源、新结构等，实现了高度紧凑化，重约200公斤，可搭载两名航天员在10公里范围内开展采样和月面实验，具备精确定位能力，可以提供交通运输、通信保障等支持。
我国月面移动实验室示意图
未来，我国还有望发射不同舱段，组装成可以大范围运动的月面移动实验室，使其长期无人化自主活动，并支持航天员驻留，从而进一步高效利用月面原位资源，建造必要设施，扩展综合功能。
总之，我国载人登月初步方案虽然仅披露了“冰山一角”，但已充分体现了对务实和创新的综合权衡，总体设计是相当巧妙和高效的。
本文原载于《中国航天报·飞天科普周刊》7月22日一版
本文来自微信公众号：中国航天报（ID：wht_htb），作者：张雪松，编辑：高辰