旋转机

月球版国际空间站主导者众望所归,多个

发布时间:2023/4/3 12:26:49   
白癜风早期什么症状 http://pf.39.net/xwdt/151104/4721404.html

牵头组织实施“大科学工程”是世界公认的科技强国标志,对于增强一国科技创新实力、提升国际话语权有着极为深远的意义。大洋彼岸对此讳莫如深,由NASA牵头组织实施的国际空间站截至目前仍然是人类载人航天技术的集大成者,有多达两位数规模的国家与实体参与,投入运营以来已产生数千项科技成果。

国际空间站

在国际空间站进入寿命末期之际,NASA又牵头组织实施“阿尔忒弥斯载人重返月球计划”,就在本月中旬,由波音公司研制的SLS重型运载火箭在肯尼迪航天中心被推出垂直总装厂房进行湿态演练,该枚火箭将在今年下半年的某一天发射猎户座飞船至月球进行无人环月飞行试验任务,这将意味着他们距离载人重返月球工程目标已经越来越近。

SLS太空发射系统垂直转运

在完成阿尔忒弥斯一号无人环月飞行试验后,后续还有列入发射计划的阿尔忒弥斯二号、阿尔忒弥斯三号、阿尔忒弥斯四号、阿尔忒弥斯五号等任务,如果一切顺利的话,年之后,在阿尔忒弥斯三号任务中将有两名宇航员登陆月球,前提是登月版星舰如期完成研发工作。之后NASA将实现基于深空之门环月轨道空间站+猎户座飞船+登月版星舰的连续登月能力。

与半个世纪前单独由一国实施的阿波罗登月计划不同,阿尔忒弥斯载人重返月球计划将是多国联合的运营模式,截至目前该计划参与国已经有14个。月球探测目标也由过去的单纯探测能力建设转变为“科学研究与资源利用”。

遥感卫星视角下的SLS太空发射系统

在NASA正式实施阿尔忒弥斯计划发射任务之前,我国被认为是21世纪的探月先锋力量,嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号、嫦娥四号、嫦娥五号总计5次探月实现了“五战五捷”,同时创造了登月任务“三战三捷”%登月成功率的新纪录,并刷新了月球无人采样返回工程技术难度的天花板。掌握了包括地月转移飞行、环月飞行、月面软着陆、月面巡视、月面起飞、环月轨道交会对接、月地高速再入返回等一系列全套月球探测技术。

连战连捷的嫦娥探月工程

那么接下来我们也需要由“探测能力建设为主导”过渡至“科学研究与资源利用”的新阶段。于是,一个足以与阿尔忒弥斯重返月球计划比肩的“国际月球科研站计划”应运而生。

如同地球南北两极的科考站一样,人类也需要建设月球科考站,并以此为基地持续向月球探测的深水区挺进。国际月球科研站(InternationalLunarResearchStation,英文简称“ILRS”)是在月球表面或月球轨道上建设可进行月球自身探索和利用、月基观测、基础科学实验和技术验证等多学科多目标科研活动,长期自主运行的综合性科学实验基地。

部署在月球背面的玉兔二号月球车

仅从字面来看,也许很难理解“国际月球科研站”如何能与“阿尔忒弥斯载人重返月球计划”比肩,但当你深度认知前者之后,会发现我们的胃口确实不小。

“国际月球科研站”是由我国航天单位率先提出,早在六年多前,我们的科研人员就在与国外航天机构会谈时做了大量的宣传工作,千万不要以为这只是“玩概念”,实际上我们是拿着详细的论证方案去推介,而那一时期我们的嫦娥四号、嫦娥五号等重大深空探测任务都没有完成,由此可见国际月球科研站是着眼长远布局的一招“先手棋”。

在嫦娥三号首登月球之初我们就已经在认真研究月面建站问题

在嫦娥系列探测器取得一系列举世瞩目的重大胜利之后,越来越多的国家看到了我们的实力,并逐渐相信“国际月球科研站”绝不仅仅是说说而已。最先投来橄榄枝的是俄罗斯,经过多轮磋商与谈判之后,两家很快达成了共建国际月球科研站的决策,并联合发布了《国际月球科研站路线图》和《国际合作伙伴指南》,声明国际月球科研站秉持的是“共商、共建、共享”原则,将面向所有感兴趣的国家、国际组织和国际伙伴开放,且不带任何排他属性。

所有有实力有意愿的实体都可以在国际月球科研站的规划、论证、设计、研制、实施、运营等方面开展合作,并欢迎在项目的各个阶段,在任务的各个层级,以实物和非实物的形式参与国际月球科研站合作。

这时有人会纳闷了,吸纳越来越多有实力的玩家进场,难道这样不会稀释掉我方的主导地位?先说结论,不仅不会稀释,反而会进一步强化主导地位,至于为什么会有这样的效果,请看后文。

国际月球科研站早期概念效果图

俄罗斯先期加入进来,就等于是国际月球科研站的创始会员国。那么我们两家又是怎样的一个分工呢?

众所周知嫦娥探月工程立项伊始就确立了“绕、落、回”三步走规划,嫦娥五号返回器成功着陆地球,标志着此阶段任务已经胜利收官,而在我们的整体战略规划中这只能算是“小三步”,因为在此之上还有一个由探月工程总指挥栾恩杰提出的“大三步(探、登、驻)”。

携载月球样本的嫦娥五号返回器

“绕、落、回”小三步其实是从属于“大三步探、登、驻”中的“探”,此阶段的主题是无人机器探月,按照原计划在完成第一阶段“探”的工作后,下一步就该是第二阶段旨在突破航天员登月技术的“登”,然而后来随着无人探月技术的进一步发展,大三步中第二阶段“登”又发展出了新的内涵,转变为“用”,此一阶段工作再次被划分为一个新的小三步“勘、建、用”。

“勘、建、用”指的是建立多功能月球机器人科研站,如今这个诞生于七八年前的概念再次被“国际月球科研站”赋予了新的生机,该站规划的三个发展阶段同样是“勘、建、用”,最终落脚点在“用”,那么新的大三步战略即演变为“探、用(登)、驻”。

嫦娥探月工程的最高目标不再局限于“载人登月”

国际月球科研站“勘、建、用”三步走规划时间表:

“勘”指的是对月球环境和资源进行勘察,并为国际月球科研站的建设选址,验证高精度月面着陆技术,此阶段技术至年实现;

“建”是指至年建成月面科研站的基本型,在实际发射任务中检验大承载货物月面到达能力,以及确保月面高精度软着陆技术;

“用”指的是到年基本建成国际月球科研站,完成在轨和月面能源、通讯、月面运输等基础设施部署,进而达到用的状态。

国际月球科研站的两大合作伙伴

“勘、建、用”三步走也可以划分为两个阶段,即以年为时间节点,年前建成月球科研站基本型,年之后则是国际月球科研站的集中建设期,到年初步建成并全面投入使用。

月球科研站基本型主要依托已于去年正式立项的嫦娥探月工程四期任务实现,包括嫦娥四号、嫦娥六号、嫦娥七号、嫦娥八号。

正在月球背面开展原位与巡视探测的嫦娥四号已经被划入“探月四期任务”

也就是说,除已经并正在实施的嫦娥四号月背探测任务,在接下来9年时间里还将发射3个嫦娥系列月球探测器,其中嫦娥六号与嫦娥七号将在年年底前完成发射,他们担负的任务是“勘、建、用”规划中的第一步“勘”。

加上俄罗斯计划发射的3个月球探测器,在此阶段(勘)总计将有5个探测器发射任务,分别是嫦娥七号、嫦娥六号、月球-25、月球-26、月球-27。

先来看中方探测器,首先发射的将是先于嫦娥六号发射的嫦娥七号,预计发射时间是年左右,之所以跳号发射主要是因为任务协作与分工的不同。

随着空间进入能力的日渐增强,深空探测的舞台也将越来越大。

可以说自嫦娥四号之后我国发射的月球探测器基本都将告别小块头时代,嫦娥七号发射质量与嫦娥五号一样同为8吨级探测器,这一规模是俄月球-25号探测器的4.5倍,将由长征五号火箭发射,这是一款“五器合体”的大规模月球探测器,它将对月球进行一场为期8至10年的深度月球旅游。

五器合体指的是:轨道器、着陆器、中继星、巡视器、飞跃探测器

嫦娥七号探测器构型图

轨道器负责整个探测器的地月转移飞行,并负责将各探测器送至预定初始绕月轨道,在完成摆渡车任务后,它还将摇身一变为一颗高价值绕月探测卫星,该舱段配置的高分辨率月球遥感相机将在具备世界顶尖分辨率的同时,还可以拥有数倍于同行的成像幅宽,因此可以更加高效地获取月面高分辨率影像。

轨道器还搭载了足以媲美高分辨光学相机的合成孔径雷达相机,这台相机可以不惧黑夜,直接对月球极区永夜坑进行高分雷达成像。

嫦娥七号五大舱段最先分离的是中继星,这是一颗运行在月球大椭圆倾斜冻结轨道的中继通信卫星,别看它个头不大,能力却是相当出众。

嫦娥七号中继星分离效果图

以当前正运行于地月拉格朗日L2点的鹊桥中继星为例,它最多只能同时服务两个探测器,而嫦娥七号中继星却能同时服务10个探测器,且在轨服役时间、通信速率等指标相较于鹊桥星,均实现了翻倍。

嫦娥七号着陆器将验证一项在此前嫦娥探月绕落回三步走任务中尚没有攻克的技术,就是“定点着陆技术”。

“月球科研站”之所以能够称为“站”必然需要多个探测器部署在同一区域,这就要求各落月探测器有足够高的落月位置精度,因此定点着陆是建设月球科研站必须攻克的一项门槛技术。

阿波罗12号(远处)定点降落在勘测者3号无人探测器(近处)附近

半个世纪前阿波罗12号就曾降落在距离勘测者3号探测器仅米的着陆点,不过这属于人工控制精确降落,而我们的月面科研站需要在无人状态下实现精准定点降落,后者难度更大。

如今正在月球背面开展探测任务的嫦娥四号探测器此前曾计划降落在月球正面嫦娥三号附近,也就是说从那时开始我们就在考虑突破定点着陆技术,只是考虑到月球背面探测可以获得更多的科学探测成果,所以没有急于在那一时期攻克这项技术。

考虑到嫦娥七号会在嫦娥六号之前实施发射,此时月面并没有携带无线电信标的探测器,因此预计嫦娥七号会选择地形相对导航技术实现月面定点着陆,就是将着陆航迹附近的导航信息提前注入探测器计算机,在降落过程中通过实时拍摄影像与计算机内的导航点进行比对,进而控制登月航向实现定点着陆。

嫦娥探月三期已经攻克基于机器视觉理念的安全降落技术

抵达月面后,嫦娥七号将分别释放巡视器与飞跃探测器,后者可直接飞入月球南极的永久阴影区探测水冰,它的着陆腿还可以实现月面行走功能,同时飞跃探测器具备反复起飞着陆功能。

关于嫦娥七号的信息就介绍到这里,而其能力之强大并不是有限的篇幅可以完全展现,好在此前巅峰高地已经推出了关于嫦娥七号的详细分析文章,感兴趣的朋友可以翻阅往期文章查阅。

目前世界上各有实力的航天大国都在瞄准月球南极,因为这里有连续光照的能源优势,且永久阴影区中富含水冰资源,然而最先获得月球南极月壤样品的却必定是我们,这就有赖于紧随嫦娥七号之后发射的嫦娥六号。

月球南极

嫦娥六号是嫦娥五号的备份,是一款采样返回探测器,目前相关系统载荷与设备都已经完成生产,而距离正式发射任务还有几年时间,相信它会有相较于嫦娥五号更多的性能改进,比如定点着陆能力的改装是可以预期的,这样就能形成嫦娥七号勘察嫦娥六号采样返回的任务衔接。

嫦娥六号是嫦娥五号的备份探测器

与嫦娥七号、嫦娥六号同时期执行发射任务的俄罗斯探测器是月球-25号、月球-26号、月球-27号。根据目前进度来看,月球-25号与月球-26号在年前发射基本没有问题,预期月球-27号会在此时间点之后发射。

月球-25号按照计划将于今年7月发射,这将是月球系列无人探测器时隔四十五年之后的再次发射,也将是俄罗斯立国以来的第一个月球探测器,肩负着重塑其作为深空探测大国地位的历史重任。

月球-25号探测器

月球-25号是一款月球着陆探测器,将由联盟2.1b火箭发射,发射质量约1.75吨,计划着陆月球南极地区。

月球存在天平动现象,所以高纬度极区会在全年的部分时段对地球不可见,由于月球-25号没有中继卫星支持,就必须考虑到对地球直接可见(通信)的因素,同时还要顾及全年光照度对太阳能电池板的发供电支持,两种因素叠加限制了它的高纬度地区着陆与生存能力。

联盟2.1b运载火箭

因此其首选登陆地点是月球南极临近极圈的位置,即曼齐尼撞击坑西南处一块相对平整的地区。

曼齐尼撞击坑

月球-25号由于没有携带巡视器,所以只能进行原位探测,携带了6至9套科学载荷,其中包括一台展开作业半径达1.5米的机械臂,它可以采挖深度约30厘米的风化层月壤,并至少采集30次,旨在分析极区月壤中的易挥发物。

月球-26号的计划发射时间是年,与月球-25号一样,它也将在东方航天发射场使用联盟-2.1b火箭发射,不同的是,它不需要登陆月球表面,而是一颗肩负月球全球遥感探测的卫星。

月球-26号绕月卫星构型图

该探测器搭载有立体相机、月球伽马和中子光谱仪、傅里叶光谱仪、次表层雷达、磁力计、太阳风监测器、高能离子电子能谱仪、中性粒子探测器等科学载荷,主要任务是,绘制全月球立体影像图;绘制月球矿物成分图;绘制月球表面水冰分布图;研究地下层的结构;研究外逸层、月球的等离子体环境以及等离子体与地表相互作用。

立体相机的分辨率只有2至3米,虽然这一数据远不及嫦娥七号轨道器与LRO卫星搭载的高分相机,但该相机获取的立体影像图的高程数据更加精准可靠,同时也有较大的成像幅宽,使得该相机只需一年时间就可以获取全月球的立体影像图,效率更高。

月球-26号将与嫦娥七号进行中继通信协作,嫦娥七号部署在月球南极的着陆器、巡视器都可以通过月球-26号的中继通信天线与地球通信。

年之后发射的月球-27号的着陆地点将进一步靠近月球南极极点,携带有类似嫦娥五号的旋转冲击钻钻杆,可以获取2米深度的月壤样本,也搭载有机械臂,预期可以获取月面不同点的月壤样本进行原位分析研究。

月球-27号着陆平台继承自月球-25号

在科学探测任务之外,月球-27号与嫦娥七号一样也肩负有攻克月面定点着陆技术的任务,不过该探测器装备的精准着陆设备只能等同于我们的上一代产品,即类似嫦娥三号搭载的激光三维成像敏感器,该设备并不具备地形相对导航技术支持下的定点着陆能力,其着陆精度仍然不足以满足月面建站需求。怎么办呢?

月球-27号选择了另一条技术路线,即加装大功率的无线电信标,这样一来在其之后发射的月球着陆探测器就可以通过与信标通信实现航向的修正,进而满足定点着陆任务的要求。

月球-27号之后发射的嫦娥八号与月球-28号可以视为进入国际月球科研站“勘、建、用”第二步“建”阶段的先导任务。

嫦娥八号的研制与部署将宣告月面科研站基本型的落成,在此之前的嫦娥登月探测器其实都是继承于嫦娥三号的着陆器,其落月规模大致在1至2吨之间,主要也是需求使然,而到了嫦娥八号我们就将迎来新的更大规模的着陆器,该探测器或许不再需要携带独立的轨道器,更不需要类似嫦娥六号与嫦娥五号的返回器,这样一来就可以将火箭的发射能力完全聚焦于落月,因此嫦娥八号在工程上需要突破的一项新课题就是“大承载货物运输技术”,简言之就是大载重探测器落月能力的建设。

长征五号火箭的高轨运力优势将助力嫦娥八号刷新登月规模纪录

除了更大的落月规模,嫦娥八号的主要任务是勘察如何对月球南极资源进行开发利用,简而言之就是“就地取材”,进而减少对地球补给资源的依赖,比如利用月壤进行3D打印,月壤制备氧气等高新技术。

嫦娥八号效果图

月球-28号将是时隔半个世纪后月球系列探测器再次恢复月面采样返回任务能力的探测器,预期它将改变以往月球系列采样返回探测器直接从月球表面起飞返回地球的设计方案,而是转为采用类似嫦娥五号的环月轨道对接再返回地球的方案,因为后者可以采集更多的月壤,且此项技术有利于后期拓展载人登月能力。

月球-28号早期设计构型图

月球-28号将与月球-27号进行协作,利用后者搭载的无线电信标进行定点着陆,进而降落在月球-27号附近,从而实现类似嫦娥七号与嫦娥六号的任务协作效果。

上述任务完成后,在月球南极将形成两个探测器聚集区,分别是嫦娥七号与嫦娥六号、月球-27号与月球-28号,这将标志着月面科研站基本型的落成。就部署月面的探测器规模,以及功能的全面性而言,显然我国的月球南极月面科研站基本型更加齐备。

届时,参与工程建设的双方都将获得进行月面科研站建设的全套技术能力,以及必要的基础数据积累。

嫦娥八号与月球-28号任务部署完毕后,就将进入集中建设国际月球科研站的全新阶段,在此阶段目前规划了5项任务,分别是,ILRS-1、ILRS-2、ILRS-3、ILRS-4、ILRS-5。

参与国际月球科研站建站任务的运载火箭

这五项任务并不意味着只有5次部署任务,其中每一项都可能需要多次任务部署。

ILRS-1任务:部署指挥中心模块、能源模块、通信模块;

指挥中心模块居中指挥国际月球科研站各探测器,统一管理能源、通信、热控,实现自动操作和长期研究与探测;

指挥中心模块(左)与通信基站模块(右)

能源模块也就是月面太阳能电站,月球极区有长期连续光照优势,也有太阳入射角过小的劣势,该模块可以起到储能作用。

能源模块

通信模块可以理解为“月面通信基站”,部署在月球南极的月面科研站受月球天平动运动、月面地形阻隔影响很难保证长期与地球的直接通信,各探测器可基于wifi网络统一由高耸的通信模块集中与地球直接通信,或者与月球上空的中继通信卫星互联。

ILRS-2任务:部署月球物理研究模块、地质剖面研究模块、熔岩管探测模块等月球研究与探测设施;

ILRS-2任务模块

ILRS-3任务:部署月球原位资源应用技术验证设施,持续验证月壤3D打印、月壤制备氧气、月壤水冰利用等技术;

月球科学探索设施

ILRS-4任务:部署分散式月壤样品采集与返回模块,以及更多适用于后续发展的通用技术模块;

地月转移模块

月面上升模块

ILRS-5任务:部署月基天文观测望远镜、月基对地观测模块。

天文观测模块与对地观测模块

为服务上述任务,国际月球科研站配置了工程作业机器人、智能迷你漫游机器人、飞跃式机器人、地月往返运输模块等一系列标准化的操作工具。

智能迷你漫游机器人

飞跃式机器人继承嫦娥七号飞跃式探测器,地月往返运输模块继承自嫦娥五号探测器,智能迷你漫游机器人则是一种高机动性的爬行巡视器。

飞跃式机器人

为扩大国际月球科研站的朋友圈,我们为该站的建设与运营准备了5套合作模式,分别是空间任务级合作、空间系统级合作、分系统级合作、设备级合作、地面段及应用级合作。

举例来看,鹊桥中继卫星搭载的荷兰低频射电探测仪、嫦娥四号着陆器搭载的德国中子与辐射剂量探测仪、玉兔二号月球车搭载的瑞典月表中性原子探测仪等都属于“设备级合作”。嫦娥七号与月球-26号之间的中继通信协作则属于“空间系统级合作”。

玉兔二号月球车搭载了瑞典研制的中性原子探测仪

随着国际月球科研站计划的推出,响应的国家也越来越多,甚至欧空局也开始认真讨论加入事宜。

到年国际月球科研站将全面建成,之后就将进入“勘、建、用”的第三步“用”的阶段,在此期间并不意味着该站规模的固化,而是会根据任务需要不断扩充规模,预计到-年间,将有望建成更大规模的综合型月球基地,实现人类长期驻留,并进行全面、大规模的科学探测、技术试验与月球资源开发利用。

国际月球科研站“人机协同探月”

那么,这是否意味着我国载人登月也需要等到年之后呢?非也。

昔日阿波罗载人登月之所以难以为继,就是因为缺乏行稳致远的可持续发展战略,每一艘阿波罗登月飞船只能在月面停留数天,而阿波罗登月工程科学成果的获得又只能通过载人登月得以实现,持续的高投入高消耗注定无法长久。

阿波罗计划第六次也是最后一次成功的登月任务:阿波罗17号

我国主导发起的国际月球科研站则顺应了长期持续探索月球的新需求,而载人登月在这一战略需求下则早已不是“目标”,而成为了“人机协同探月的手段”。

虽然我们还没有大张旗鼓地宣传载人登月计划,但明眼人都知道,关键不在于你说什么,而是做什么。

新一代载人运载火箭

当前航天科技一院正在研制新一代载人运载火箭,目标是到年前后具备载人飞行能力,该火箭采用三级半构型设计,地月转移轨道运力不小于27吨,与大洋彼岸的SLS太空发射系统火箭运力旗鼓相当,完全具备实施载人登月任务的能力。

新一代载人飞船试验船

前年服务深空载人任务的新一代载人飞船试验船也已经成功完成首飞任务,载人登月舱也在研制之中。

服务载人登月的关键装备即将陆续到位,载人登月能力的具备自然就是水到渠成。

航天科技一院首席总设计师姜杰近日更是明确表示:新一代载人运载火箭的研制将使我国具备年前载人登陆月球的能力。

载人登月不再是目标,而是更大规模探测月球的手段。

由此可见,我们选择的是载人登月能力建设与国际月球科研站双线并举的发展路线,当后者具备一定规模之时可增设生命保障模块,届时航天员就可以参与国际月球科研站的建设与运营,进而实现人机协同探月的高效低成本发展模式。

谈到这里,笔者替读者朋友对国际月球科研站提出两个问题:

1.作为国际月球科研站的主要参与方俄罗斯,如果他们力有不逮,又该怎么办?

2.国际月球科研站由谁主导?

国际月球科研站

先看第一个问题,基于当前全球格局来看,俄方发展受限已经是肉眼可见的趋势,但是我们要知道,现在已经是年了,正所谓西边不亮东边亮,他们所遭遇的一切封锁都可以在我们这里找到新的出路,而且我们也有足够的技术能力去帮助他们实现既定的发射任务。

至于第二个问题“谁来主导”,我们强调这是“国际月球科研站”,正如NASA主导的“国际空间站”一样,大家都可以冠名“国际”,然而“主导权”不是谈判谈来的,更不是索要就能要来的,而是“能者居之”,也就是能力越大责任越大,所以完全不必担心主导权被稀释或流失,因为这对于我们而言根本不是问题。

嫦娥五号T1试验器拍摄的“地月合影”

试想一下,未来短短8至12年将要发生的事情,近地轨道天宫载人空间站、中国载人登月、由我们主导的国际月球科研站,广袤的地月空间将充斥着中国人的身影,这是何等壮观的宇宙图景,而随着月球探测持续向纵深突破,另一颗地外星球“火星”也将不再遥远。



转载请注明:http://www.aideyishus.com/lkcf/3971.html
------分隔线----------------------------