中国完成500吨火箭发动机测试，全新载人火箭即将面世，性能咋样

在月球上工作，工资会高吗？虽然我们还没有实现月球移民，但是月球上的矿产丰富，遍地是“黄金”。所以大国争相探索月球，并加快布局，尽快在月球建设实验基地。不过想要在月球上发家致富也不容易，开发月球资源对于技术和资金要求都极高，世界来看主要竞争对手只有兔子和鹰。两国相继公布了自己的月球发展计划，随即中国又公布了新一代载人重型火箭。兔子和鹰在火箭角力，谁能占据上风？

中国新一代火箭有多牛？

近几年，中国长征系列火箭可谓是百花齐放，长征五号、长征七号、长征八号、长征十一号等系列火箭层出不穷，协助中国航天完成了“嫦娥登月”、“祝融访火”、“人造天宫”等多个史诗级项目，让众多国人打呼过瘾，自豪感那是油然而生。

航天项目可以说关系着人类未来命运，因为地球的资源比起外太空，说是九牛一毛不为过。就拿月球资源来说，虽然我们的探索依旧处于初级阶段，采样也只是月球浅表层的资源，但是月球浅表层我们就发现了铁钛矿资源储量大约是1000-2000万亿吨。

钛合金大家耳熟能详，因为钛合金的强度高，但密度却小。与此同时钛合金的机械性、韧性和抗蚀性都十分出色，被广泛应用于航天等重要项目当中，但是钛合金的价格不菲，原因是在地球储量不多，但是钛在月球缺如白菜一般常见。

除此之外月全球还有铝、钾、磷等一百多种矿物，尤其是月球的铀和钍两种元素储量不菲。而且铀和钍都是核电项目的重要原材料，近期我国的第四代钍盐基核电实验核电项目，已经在我国甘肃地区进行临界测试。相关的内容我已经在第四代核电技术的那期详细讲过，感兴趣的小伙伴可以往前翻翻。

各大国都想尽快在月球安营扎寨，建立月球移民站。但是目前人类前往月球的设备只有火箭，而重型火箭对于技术要求较高。在其之前相关技术被美俄垄断，现如今我们首款载人重型火箭呼之欲出，全新的火箭能给我们带来哪些改变？

中美火箭技术大PK

中国距离载人登月还有多远？

“运载火箭的能力有多大，航天的舞台就有多大。”目前中国全新的载人重型火箭即将面世，其近地轨道运载能力是号称“胖五”的3倍，高达70吨。同时该火箭还可将25吨的有效载荷送到月球轨道。可以说全新的重型载人火箭就是为载人登月而设计的。

全新的火箭是由中国航天科技集团一院设计，拥有载人专业户“长二F”和推力最大的“胖五”双重优质基因。新一代载人火箭全长约90米，除了助推器，芯一级安装了7台发动机；芯二级安装2台发动机；芯三级安装3台发动机、逃逸塔及整流罩，最大起飞重量达到2000吨。

该火箭从方案论证工作开始就对标的是美国最先进的“重型猎鹰”火箭，为了实现超越，全新的火箭采用新型泵后摆高压补燃发动机来提高推力，并大量使用高强度新材料来提高整个火箭的安全性和稳定性。

整体数据来看“猎鹰重型”的近地轨道的有效载荷只有63.8吨，略微低于我国的新一代火箭。我们能领先的主要原因是，我们的新火箭采用500吨级液氧煤油高压发动机，该发动机今年已经完成了全工况半系统试车工作，并取得成功，有望很快面世。

虽然暂时不知道全新发动机相关参数，但是我们可以从“胖5”使用的120吨级发动机YF-100推敲出来。

众所周知，火箭是利用内部燃料燃烧，产生高温燃气推动火箭运转。但是倒计时结束时，在以前点火的瞬间，火箭尾部会喷出白烟，但是却没有喷火产生推力。主要原因是火箭要获得较大的比冲，就离不开涡轮泵。涡轮泵带动燃料泵和氧化剂泵对它们分别加压，燃料和氧化剂推入燃烧室产生高温高压的气体从喷管喷出，产生推力。

而涡轮泵对氧化剂和燃料加压的大小，决定了火箭发动机火箭发动机核心指标—比冲和发动机推力，泵功率普遍极高，都达到了大几万千瓦级。所以火箭发动机的开发和制造成本都集中在涡轮泵上。

那么火箭是如何启动涡轮泵的？这个时候就需要一部分燃料形成高温燃气推动涡轮的叶片旋转。而涡轮泵也成为液体火箭唯一高转速带负荷的运动部件，相当于整个火箭的心脏。涡轮泵承受的压力自然也不小，因为涡轮要产生较大压力，轴承的转速可要达到每分钟几万转，加上需要高温燃气驱动，涡轮叶片需要承受高温热烧蚀和高温气体带来的冲击。

与此同时，部分燃料在预燃室产生高温燃气，推动泵的运转，这就是火箭喷管刚开始会产生白烟才能启动的原因。但是火箭内部燃料其实不富裕，这部分燃料如果不被充分使用，确实会造成浪费，火箭的效率也会被影响。

而且绝大多数火箭事故都是涡轮的锅，因为液体燃料在达到泵的叶轮附近时，尤其是离心泵的叶轮是进口是压力最低的地方，部分液体燃料会瞬间气化形成气泡，这些小气泡随液体流到泵的高压区时会受压破裂，带动燃料如同液体子弹一般的打击金属表面，造成设备损伤。

简单理解为水加热到100℃时，水沸腾后会有水蒸气。如果温度在20℃以下，我们将压力降低到0.024个大气压，水也能沸腾成为水蒸气。这就是高中学的理想气体状态方程pV=nRT。

那么如何给涡轮减负的同时还能提火箭发动机的效率，就成了各国火箭专家研究的课题，所以部分分级燃烧循环技术也因此诞生。

部分分级燃烧循环技术的主要优势是，将预燃的燃气和热量都通过燃烧室排出，这样预燃带动泵产生的能量基本没有损失的情况下，还提升了燃烧室的室压，提高了火箭发动机的效率，因此这种循环也常称为“闭式循环”。

燃烧室的压力提高，所以更大膨胀比的喷嘴可以用在火箭发动机上。

但这套系统的缺点也不少，首先对于涡轮机的工作环境要求更加苛刻。以前在火箭预燃室和主燃烧室相对分离，所以设计师有多一个自由度，按照需求可以进行更改缩放。但是在分级燃烧循环中，预燃烧室和主燃烧室必须绑定，所以在工作时，提高泵的效率，就必须增加管线输送燃气，增加了不少的反馈控制循环，使整套系统的复杂性大幅提高。

为了进一步提高效率，全流量分级燃烧循环技术出现了，和部分分级燃烧循环技术区别在于氧化剂和燃料由两个动力涡轮机供压，同时有两个预燃室。

一个叫富燃预燃室，用于驱动燃料泵启动；另一个叫富氧预燃室，用于驱动氧化剂泵，涡轮排出的富燃燃气和富氧燃气同时进入燃烧室进行二次燃烧，并通过喷管产生推力。因为是两个泵，所以100%的推进剂会通过涡轮这样的情况下涡轮工质的做功得到提高的同时，涡轮工质的温度可以更低。

全流量分级燃烧循环系统并没有装在全世界所有火箭上，因为该系统两侧预燃烧室过于富油或过于贫油，都会导致燃烧稳定性都很差，很难让发动机在额定工况下长时间稳定工作。

YF-100为了解决该问题主涡轮泵两台，其中氧泵为单级，煤油泵为两级，均为预燃室富氧燃气驱动，采用混合比和推力技术解决相关问题。并且YF-100可以单向或双向摇摆，实现推力矢量以控制火箭姿态。

相比之下，猎鹰火箭虽然厉害，但是它的梅林-1D发动机技术却极为落后，使用的是老款发动机，没有使用分级燃烧循环技术，所以比冲和推力自然相对YF-100较低。但是梅林-1D发动机的结构简单，体积非常小，使用先进材料反而让梅林-1D发动机的推重比达到155，改进型能达到180，这完全和我们的YF-100相反。

因为梅林-1D体积小，推力小，所以“重型猎鹰”启动时，要点火27个发动机，这对于系统的复杂程度是个不小的挑战。但是“梅林”发动机结构简单，所以可靠性比极高。而且加装了针栓式喷注器，可大范围调整涡轮泵的流量，使“重型猎鹰”在推力调节和燃烧稳定性方面表现优异。

简单理解为推力不够数量凑。

中美谁能率先在月球建立基地

SpaceX 的“重型猎鹰”火箭结构简单，性价比极高，发射报价仅为 9 千万美元，是波音的德尔塔 IV运载火箭的5分之一。所以SpaceX 赢得了美国航天市场 80% 的订单，几乎成为了美国“航天专车”。

所以美国宇航局拟在2023年发射一台用于挥发物调查极地探索车，简称VIPER。专门用于探测月球上的水在哪里，美国NASA准备用其并绘制首份月球水资源地图,也为美国月球基地选址打下基础。

承担这次发射任务的自然是SpaceX “重型猎鹰”。除此之外，美国计划在2023年用一枚火箭将自己的“门户”月球空间站发射入轨，并计划在2024年将2名美国宇航员送上月球，都是SpaceX 提供快递服务。所以美国宇航局和spaceX正在研制全新的重型火箭和“猎户座”飞船用于飞抵“门户”。这个全新的重型火箭极有可能是核动力火箭。

关于核动力火箭的相关介绍，我会放在下期节目。因为对于核动力火箭的研发工作，不止美国在进行。

目前美国的登月计划还没有正式实施，但是准备工作已经有条不紊地推进当中。整体来看，我们在月球的探索还是落后于美国。按照中国科学院编制的50年长远规划中，中国实现载人登月工程是2030年前后，预计落后美国5年左右。

但是想想美国进行“阿波罗计划”时，我们才把“东方红1号”送上天，如今我们也要计划载人登月了，进步也是非常神速。

而且我们登月计划会不会加快，也说不好。不过从神舟12号刚刚落地，神舟13号已经发射，也能看得出我们航天计划开始逐步加速。未来谁主沉浮，暂时还真的很难判定，道常无为而无不为。不欲以静，天下将自定。

动力试车一千秒，国产载人登月飞船快速突破！NASA的压力确实不小

大约二十多天前，大洋彼岸的NASA召开了阿尔忒弥斯载人登月计划的发布会，会上该局负责人比尔·纳尔逊直截了当地表示，当前正在进行一场太空竞赛，不希望其他国家率先载人登月。

NASA负责人比尔·纳尔逊

但是，这事可由不得他们。

的确，NASA已经顺利完成阿尔忒弥斯一号任务，成功实施了猎户座飞船的无人绕月飞行任务，但要知道这项任务的旷日持久。依托一系列成熟技术用于发射猎户座飞船的SLS太空发射系统研发了十一年才完成首飞，猎户座飞船则更久，整整十七年。

返回地球后的猎户座飞船返回舱

与之对比，我方旨在服务载人登月任务的新一代载人飞船试验船从全面研制工作启动到完成飞行试验只用了不到四年时间，虽说这是一款试验飞船，但也是由返回舱+推进舱的完整构型。两相对比，效率差异显而易见。

新一代载人飞船试验船

返回地球后的我国新一代载人飞船试验船返回舱

新一代载人飞船试验船返回舱内部

近期关于我方载人登月的装备研制进展喜讯也是接连不断，比如，载人登月用新一代载人飞船15千牛再生冷却轨控发动机通过了地面热试车和高空模拟热试车验证，单次连续工作时间达到了1000秒。

15千牛再生冷却轨控发动机

还有，早在去年，我们就已经实现新一代载人运载火箭用130吨级泵后摆液氧煤油发动机累积1万秒整机热试车考核。

130吨级泵后摆液氧煤油发动机

这些也仅仅是我们载人登月工程快速推进的一个局部，面对此情此景，NASA的压力确实不小。

阿尔忒弥斯计划目前最乐观的载人登月时间是2026年，但这个时间节点是很难保证的，主要是因为作为月面着陆器的登月版星舰的新技术应用比例太高，而载人航天又是人命关天，新技术验证需要大量的时间和资源投入。

当然了，我们从未表示要与NASA进行所谓的登月竞赛，而是始终按照自己的节奏推进月球探测工程，如果最终得到一个无心插柳柳成荫的结果，也是情理之中，因为夫唯不争，故天下莫能与之争。

七年，我们只需要再有七年时间就能实现载人登月，用时之短将创造新的人类纪录，因为时间周期比昔日阿波罗登月计划更短，他们用了九年时间。

继今年上半年载人航天办官宣载人登月阶段任务已经启动实施之后，近日，又宣布启动载人月球探测任务新飞行器征名活动。

此次征名活动顺带发布了更为完整的载人登月宣传视频，使得我们可以对我国载人登月任务有更为准确的认知。

我国载人登月任务将采用两次发射，环月轨道对接的任务实施方案：

第一步：使用一枚CZ-10货运版火箭将月面着陆器送入地月转移轨道，月面着陆器自行进入环月轨道绕飞等待。

CZ-10火箭

月面着陆器由推进舱、登月舱组成，发射质量约26吨。

月面着陆器

第二步：使用一枚CZ-10载人版火箭将新一代载人飞船送入地月转移轨道，新一代载人飞船自行进入环月轨道。

新一代载人飞船是在新一代载人飞船试验船基础上升级改进而来，后者曾于三年前搭乘CZ-5B遥一火箭成功实施了首飞试验任务。成功验证了包括自主变轨、近第二宇宙速度再入热流烧蚀、自适应预测校正制导、群伞减速、气囊缓冲着陆等一系列新技术，为载人登月任务的实施奠定了坚实基础。

新一代载人飞船由推进舱、返回舱组成，发射质量与月面着陆器一样，也是约26吨。

新飞船返回舱内部可居住容积非常大，为世界各型现役飞船之最，甚至有供航天员就餐娱乐的位置设计，也有独立的卫生间，内饰设计相较于神舟系列飞船也更具科技感现代感。

仿真模拟返回舱内饰

该型飞船可以搭载3名航天员至环月轨道，在执行近地轨道空间站天地往返运输任务时可搭载7名航天员，可以满足后续空间站二期扩建的航天员天地往返运输需求。

从宣传画面中可以看到，新飞船推进舱配置有二次展开设计的太阳能电池翼，如此设计可以减小太阳翼收拢状态下的尺寸，以适应运载火箭整流罩的包络，也可以保证有较大的展开尺寸，布置的太阳能电池数量更多，据推测，该太阳翼将采用高光电转换效率的三结砷化镓太阳能电池，以满足新飞船的电力需求。

第三步：新一代载人飞船与月面着陆器在环月轨道交会对接 ，届时两个航天器对接后将形成近50吨的组合体，为什么是近50吨，而不是超过50吨？因为要考虑到月面着陆器与新飞船在进入绕月轨道时皆需要执行近月制动减速任务，会消耗大量的燃料，重量自然也就降低了。

形成组合体后，新飞船3名航天员中的2名航天员进入月面着陆器登月舱，并执行登月任务，1名航天员留守新飞船。

待确认月面着陆器状态、登月时间窗口等条件具备后，新飞船与月面着陆器分离，后者开始执行登月任务。

可以看到，新一代载人飞船与月面着陆器配置的太阳翼构型完全不同，前者是二次展开设计的刚性太阳翼，后者则是呈扇形展开的柔性太阳翼，这是因为后者对于重量更为敏感，有强烈的减重需求，有更轻的重量就可以降低登月舱月面着陆、月面起飞阶段的燃料消耗。

月面着陆器的减重需求是全方位的，除了太阳翼，还有舱体结构，比如科研人员曾在央视这样说道，我们用一年多的时间，完成了上百次的迭代和相关的实验，我们现在整个舱壁的厚度已经达到了一毫米左右 ，还要保证航天员在月面上的工作安全，还要设置里面舱内的环境，所以它的难度是非常大的。

月面着陆器分离后在进入登月下降程序之前还将收拢太阳翼，进入下降程序后就轻车熟路了。

截至目前，我们已经成功实施嫦娥三号、嫦娥四号、嫦娥五号三次登月任务，成功率高达100%，在实施载人登月任务之前还将实施若干次无人登月任务，登月技术的可靠性将再上一个新台阶。

虽说有无人登月技术为依托，但载人登月任务的工程约束条件与无人登月毕竟不同，其中一个最大的不同点就在于着陆重量的约束，为了在保障航天员安全的基础上尽可能降低着陆重量，科研人员为月面着陆器设计了全新的登月方案。

从环月轨道到月面通常有这么几个阶段：主减速段、快速调整段、接近段、悬停段、避障段、缓速下降段，月面软着陆的一个主要目标就是将着陆器的飞行速度从六千多公里每小时降至零。

不同于登陆火星的探测器可以利用火星大气进行气动减速，登月探测器需要完全依靠自主动力进行动力减速，因此主减速段将消耗大量的燃料，同时在完成动力减速段后着陆器也基本接近了着陆区上空。

如果按照嫦娥五号的模式，由着陆器承担月面着陆任务，再由上升器承担月面起飞任务，那么月面着陆器从地球出发的发射质量将超过27吨，这就超过了CZ-10火箭的运力，为此月面着陆器独辟蹊径，将下降登月过程中的主减速段任务交由推进舱负责。

推进舱完成主减速段任务后与着陆器分离，着陆器在4台7500N变推力发动机及姿控发动机配合下完成后续阶段的调姿、减速、避障等任务，独自软着陆于月球表面。

推进舱负责主减速段的动力减速任务

整个登月过程将主要由基于机器视觉的自动驾驶系统负责，同时航天员手控着陆为备份，如同载人航天器交会对接任务中的自动交会对接与手控交会对接一样，人机互为备份，增强系统可靠性安全性。

相信载人登月舱也会应用嫦娥系列着陆器的激光三维成像精避障技术

载人登月舱着陆月面

着陆器着陆月面后，舱内两名航天员将身着月面舱外服出舱，出舱后还将展开由着陆器携带的载人月球车。

画面中登月舱右侧挂载的便是月球车

载人月球车的作用是扩大航天员在月面的活动范围，实现在更广大月面区域内的采样科考任务，该月球车重约200公斤，可搭乘两名航天员在半径10公里范围内活动。

两名航天员完成月面作业后，进入着陆器，此时着陆器将承担上升器的功能，自月面点火发射起飞，此前在登月阶段推进舱承担了主减速段任务，为着陆器节省了大量的燃料，这部分节省的燃料就是用来执行月面起飞任务。

当着陆器自月面起飞进入环月轨道后，再与在环月轨道等待的新一代载人飞船对接，完成对接后两名登月航天员进入飞船返回舱，并将月面采集的样品、实验载荷等物品转移至返回舱，随后月面着陆器与新一代载人飞船分离，后者独自经月地转移轨道返回地球。

载人登月舱与新一代载人飞船环月轨道对接

新一代载人飞船月地返回

在实施正式的载人登月任务之前，预计还将有若干次飞行试验，比如新一代载人飞船无人绕月飞行、新一代载人飞船有人绕月飞行、新一代载人飞船+月面着陆器的全流程无人登月演示飞行。

新一代载人飞船+月面着陆器的全流程无人登月演示飞行是前所未有的 ，此项任务将在无人状态下全面检验载人登月的全流程环节所用到的几乎全部关键技术。昔日阿波罗载人登月计划就没有实施此项飞行试验的条件，因为当时的人类并没有掌握着陆末段的悬停避障技术，只能依赖航天员的手控着陆避障，以实现高可靠的安全登月。

阿波罗10号是阿波罗11号载人登月前唯一一次将登月舱带至环月轨道的飞行试验，其与月面最近距离15.6公里。

话说，我们的第一次载人登月会降落在哪里呢？ 月球正面区域是大概率的，甚至月球极区都可能不会选择，首次载人登月最核心的指标仍然是安全，因为载人航天人命关天，确保高可靠的测控通信是确保安全的基础，也只有月球正面非极区月面的登月活动可以不需要中继卫星。

月球正面

如果为了突出科学价值，那么可以在广大的月球正面区域仔细遴选人类未曾触及的着陆区，但如果要突出工程技术能力，还可以选择降落在嫦娥三号旁边。

近十年前，玉兔号月球车的故障一直也是一个遗憾，由于不能实地考察，该月球车的故障全貌也未能100%完全定位，如果借着首次载人登月的机会，以嫦娥三号着陆区为目标实施定点落月，不仅可以体现我们的高精度控制能力，也可以去看看我们的老朋友“玉兔号月球车”，是技术与情怀的结合，此项任务也曾是嫦娥四号的任务选项。