地月空間運輸與月面運輸

2007年11月21日18:07  來源:人民網科技

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地月空間運輸與月面運輸
地月空間運輸與月面運輸
  建設月球前哨站、永久性月球基地或月球村,都離不開地月運輸和月面運輸。目前,空間運輸是個成本高昂的活動,怎樣實現低成本運輸,是航天工程師和月球科學家共同關注的問題。

  研制巨型火箭仍是未來地月運輸系統的重要選擇,尤其在月球基地建設初期,巨型火箭可能承擔重要的地月運輸任務。根據美國太空探索新構想路線圖,美國國家航空航天局正在研制新的戰神1號和戰神5號重型運載火箭。本文不打算探討巨型火箭,而主要介紹近年來出現的地月運輸和月面運輸的新設想。

  地月往返運輸

  建立月球基地、開發月球資源的關鍵,是將空間運輸成本降下來。使用傳統的運載火箭向月球運輸人員和物資,需要克服巨大的地球引力,成本高昂。例如,巨大的土星5號運載火箭起飛質量近3000噸,消耗2600多噸的推進劑,隻將約16噸的登月艙送到月面,最后返回地球的指令艙僅6噸左右。那麼用什麼方法來降低運輸成本呢?

  我們以阿波羅飛船和土星5號運載火箭為例,分析為什麼採用傳統的空間運輸方法成本高昂。阿波羅飛船發射時的質量約48.5噸(執行阿波羅11∼17號飛行任務的各艘飛船質量略有差異),為了將飛船送往月球,土星5號火箭的第一、二級和第三級第一次點火消耗了2500多噸推進劑,將阿波羅飛船和帶有60多噸推進劑的火箭第三級送到近地軌道(停泊軌道),然后第三級第二次點火,將飛船送入地月轉移軌道。在阿波羅飛船中,飛船攜帶的推進劑佔了約29.5噸,其中服務艙攜帶的推進劑約18.5噸,用於奔月途中的軌道修正,在月球附近“制動”和從環月軌道返回地球﹔登月艙攜帶的推進劑約11噸,用於在月球著陸和上升級返回月球軌道。從這裡不難看出,土星5號在執行飛行任務時,消耗的巨大能量大部分用來運輸火箭推進劑,而不是“有效物資”。

  為解決“有效運輸”這個問題,科學家們提出在月球上生產推進劑並用於地月運輸的新思路。如果將飛船發射到月球軌道或者位於拉格朗日點(L1)的“中轉站”,然后在月球軌道上加注在月球上生產的推進劑,飛船離開地球時就不再需要攜帶用於月面著陸和起飛的推進劑,也不用攜帶用於從月球軌道返回地球的推進劑,隻需要攜帶奔月過程中軌道修正和到達月球上空“制動”所需的少量推進劑,這部分推進劑隻佔飛船重量的較小比例,因此飛船的質量將成倍減輕。由於飛船質量大大減輕,用來將飛船從近地軌道推入地月轉移軌道的推進劑也將成倍減少,推進系統的結構質量也將減輕,這樣將大大減輕運載火箭的“負擔”。航天科學家經過計算表明,如果採用這種方式,運載火箭的運載能力隻需要原來的1/4∼1/3。

  拉格朗日點

  拉格朗日點是法國數學家和力學家拉格朗日發現的空間特殊的點。在拉格朗日點,兩大天體的引力相互抵消,位於這一點上的小物體可以相對保持平衡﹔如果給一個小的推力,就能使物體按推力方向運動。在地月系統中,理論上存在5個拉格朗日點,其中L1點位於距地球323110千米的位置上。如果以地月系統為參考系,拉格朗日點基本是靜止的(由於月球沿略為橢圓的軌道公轉,因此它們的位置會有一點變動)﹔如果以地球為參考系統,它們將隨月球而移動。

  科學家們進一步設想,如果將飛船發射到月球附近L1拉格朗日點上,並停靠在那裡的“中轉站”上,同時從月球上發射L1-月球往返運載器來接應飛船,將航天員或月球基地供應物資從中轉站運送到月球,那麼飛船就不再需要攜帶登月艙,飛船的質量將進一步減輕,從地球起飛的火箭質量將進一步減小。L1-月球往返運載器應是可重復使用的飛行器,不但能夠攜帶航天員從L1點降落在月面,還應能攜帶航天員從月面起飛返回L1點,航天員可以轉乘停靠在L1點的返回艙飛回地球。

  美國科學家還設想採用一種能夠在近地軌道L1-月球往返飛行器,運送物資或人員與L1點之間穿行的飛行器──軌道轉移飛行器,將月球基地生產的推進劑從L1中轉站運送到近地軌道空間站﹔同時,向月球基地運送物資的飛船也發射到近地軌道,並停靠在近地軌道空間站上,飛船在近地軌道上加注推進劑,隨后飛往L1點。這樣一來,從地球起飛的運載火箭隻需將貨物發射到近地軌道,再次減輕了運載火箭的“負擔”。

  採用上述空間運輸方式,需要解決許多關鍵問題,包括在月球上實現推進劑的低成本生產,在L1點建立空間中轉站或推進劑加注站,研制L1-月球往返飛行器,掌握月面和空間推進劑加注技術等。由於航天器從月球上起飛比從地球起飛容易得多,因此如果能解決這些問題,就有希望降低地月之間的運輸成本。

  一些科學家建議,位於L1點的中轉站,既是推進劑的加注站,也是一個飄浮在空間的推進劑“貯罐”,同時它還起到運載器停靠“碼頭”的作用。L1點中轉站不僅可以為地月運輸系統加注推進劑,還可以為行星際飛行器加注推進劑。還有科學家提出將月球上提取的水運送到L1點中轉站,由中轉站上的電解設備直接生產低溫推進劑。

  各國科學家為月球基地的空間運輸提出了許多方案,利用月球軌道站(或中轉站)和用月球原料生產推進劑的運輸方案只是其中之一。然而,在月球基地建設初期,生產火箭推進劑顯然是困難的,為此一些科學家提出了多次發射、空間組裝的設想。例如,先將推進艙、航天員座艙、服務艙等分別送入軌道,然后在空間“組裝”成一個組合系統,組裝好的系統再從軌道上點火,飛往月球或執行其他任務。用這種方法,可以根據不同的任務需要,採用不同的模塊組合,執行不同的任務,如地球軌道任務、月球探測任務或星際任務。這種方法不必研制超大型火箭,但需要多次從地球上發射。波音公司提出的乘員探測飛行器的最初設想之一,就是這樣一種方案。

(責編:趙竹青)
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