载人登月工程的核心是月球飞船,而真正的难点则是大型运载火箭,其中的核心又是大推力火箭发动机。
当时,中国的宇航科研机构做的第一件事情就是估算月球飞船的总质量。
只有估计出了月球飞船的总质量,才能确定需要多大的运载火箭,也才能够启动火箭发动机的研制工作。
估算工作,实际上就是一个逆推工作,首先需要确定的是搭载能力。
也就是说,月球飞船需要搭载多少名宇航员。
当然,最少也得搭载一名宇航员。
只是,一名宇航员显然不够。关键就是,月球飞船必须分成两个部分,即登月舱与轨道舱。这两个部分组成了月球飞船,在到达月球轨道之后,登月舱将载着登月宇航员到达月球表面,而轨道舱则停留在绕月轨道上。受自动化程度限制,登月舱与轨道舱里至少各需要一名宇航员。也就是说,月球飞船至少需要两名宇航员。在深入研究之后,宇航工程师最终确定需要三名宇航员。这就是,登月舱在月球上着陆之后,需要脱离月球,与轨道舱会合,宇航员则搭乘轨道舱返回地球。登月舱在升空的时候,有很多工作需要宇航员来做,而一名宇航员肯定忙不过来。
三名宇航员的标准确定下来之后,就能大致计算出重返大气层的着陆舱的质量了。
在这方面,中国的宇航工程师有着较为丰富的经验,因为中国已经实现了载人航天,而能够搭载三名宇航员的飞船也已研制成功。即便这艘飞船上没有科研设备,其总质量也达到了五吨。
也就是说,月球飞船的核心部分重达五吨。
当然,这只是核心部分。
登月舱可以做得小一点,主要是月球没有大气层,因此不需要考虑在月球上着陆时减速所产生的摩擦热量,也就可以省去隔热部分。此外。如果选择恰当的着陆区,并且尽可能的控制在月球上的停留时间,温度变化幅度也不会很大。更重要的是,月球表面的引力强度只地球表面的六分之一,月球的第一宇宙速度也要比地球小得多。因此登月舱重返太空所需的发射能量就小得多。
只是。要把两名宇航员送到月球表面上,再让其搭乘登月舱返回到轨道舱上,登月舱的总质量也不会低于十五吨。
当然,这还不是月球飞船质量最大的部分。
真正的大头是轨道舱。
虽然通过精确控制飞船的航线。利用星体引力,月球飞船在达到了第二宇宙速度,飞往月球的过程中几乎不会消耗能量,而且只要航线足够精确,在靠近月球之后。能被月球的引力捕获,成为月球的卫星,因此也不存在减速的问题。也就是说,在飞往月球、进入月球轨道的过程中,月球飞船对能量的需求非常低。
关键在返回地球的过程。
这就是,月球飞船首先得摆脱月球的引力控制,即达到月球的第二宇宙速度,然后平稳飞行三十万公里,到达地球的近地轨道上。成为地球的卫星。相对而言,摆脱月球的引里并不难,而且月球的第二宇宙速度也不高。真正麻烦的是在靠近地球的时候,月球飞船需要提高速度,才能达到地球的第一宇宙速度。也才能够成为地球的卫星,不然就会直接坠入大气层烧毁。
虽然月球飞船的最终目的是把宇航员送回地球,但是绝对不是直接坠入大气层。
说得简单一些,重返大气层是一个逐渐降低轨道高度的过程。飞船是沿着一条螺旋线航线逐步接近地面,而不是直接坠向地面。
根据宇航工程师计算得出的结果。轨道舱的质量至少为二十吨。
也就是说,月球飞船的总质量在四十吨以上。
要知道,这还是理论计算结果,而且并没有考虑到其他需要。比如在登陆月球后,宇航员肯定会采集岩石标本,并且得把这些标本带回地球,还需要妥善保管,因此就会增加返航时的重量。
如果各个子系统的研制工作出现了问题,还会增加月球飞船的总质量。
最后,宇航工程师把整个月球火箭的质量上限定为六十吨,并且争取一切可能把质量控制在五十吨以内。
当然,这只是最初的估算,而不是月球飞船的设计指标。
进入设计阶段后,月球飞船被分成了三个部分,即指挥舱、服务舱与登月舱。指挥舱与服务舱就是前面提到的轨道舱,主要就是把维持宇航员生存的返回舱分割出来,形成了指挥舱,而把动力系统等部分集中到了服务舱里。这种分舱设计,主要就是为了避开当时无法解决的技术难题。
当然,这都是后话了。
确定了月球飞船的总体质量之后,就得着手设计运载火箭。
毫无疑问,这是登月项目中最大的技术问题。
即便月球飞船的研制工作收到了理想的结果,即月球飞船的总质量为五十吨,也意味着运载火箭需要具备五十吨的月球轨道运载能力,而这相当于一百四十吨的地球近地轨道运载能力。
这是个什么概念?
在二十世纪六零年代末,这是一个中国航天技术所无法企及的高度。
当时,中国拥有的推力最大的运载火箭,其近地轨道运载能力还不到二十吨,而且已经是中国拥有的液体燃料火箭发动机的极限了。
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