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。
说白了,中国的液体燃料火箭发动机技术确实不够先进。
当时,中国的液体燃料火箭发动机是以煤油做为燃料,即煤油液氧燃料发动机,而德意志第二帝国已经开始使用液氢液氧燃料发动机。
如果依然以煤油作为火箭的燃料,那无论如何也不可能达到一百四十吨的运载能力。
为此,中国必须研制液氢液氧火箭发动机,而当时中国在该领域的技术储备为零,甚至连预研项目都没有。
顾祝同为载人登月工程争取到的五十四亿启动资金中,有二十六亿花在了液氢液氧火箭发动机的研制项目上。
也就是说,差不多一半的科研经费用于启动火箭发动机的研制工作。
投入的钱不少,可是相对于需要解决的技术难题,那就不算什么了。更要命的是,时间比金钱还要宝贵。
顾祝同已经放出了豪言壮语,必须在五年内把宇航员送上月球。
显然,仅仅是研制大推力液氢液氧火箭发动机,五年时间都不够充足。
事实也确实如此,即中国的第一种推力超过一千吨的液氢液氧火箭发动机要到二十多年之后,也就是二十世纪末才问世。
在预研阶段,火箭动力工程师就意识到了这一点。
一九七零年三月,在载人登月工程的第一次总工程师会议上,运载火箭系统总工程师钱仲三教授就提出,不管花多少钱,也不可能在短短五年之内研制出能够实现载人登月的液氢液氧火箭发动机,建议采用混合型火箭,并且通过捆绑方式,使第一级火箭达到所需要的基本运载能力。
顾祝同不懂技术,却懂得听取专家的意见。
要知道,钱仲三不但是中国最优秀的火箭专家,即便在全世界,也是最优秀的火箭专家之一。
更重要的是,钱仲三一直从事液体火箭的研制工作,与其他火箭专家不大一样。
受军方导弹项目影响,中国的大部分火箭专家都把精力放在了固体火箭上,因此液体火箭专家并不多。
在此之前,钱仲三主导了载人航天工程的运载火箭研制工程。
当时,用来发射载人宇宙飞船的运载火箭所采用的火箭发动机就是由钱仲三研制的,而且其性能已经得到了充分的证实。
建议得到采纳后,钱仲三很快就提出了一个可行方案。
这就是,以载人航天工程所用的yj-4型火箭发动机为基础,研制一种推力在五百吨左右的大型煤油液氧火箭发动机,燃油以捆绑的方式,由七台这样的发动机构成第一级,产生三千五百吨的推力,获得推动总质量在三千一百吨左右的运载火箭的能力,而这枚运载火箭的近地轨道运载能力至少能达到一百二十吨。当然,运载能力不但与第一级有关,也与火箭的第二级有关。
可以说,这是最有望变成现实的方案。
更重要的是,这是花时间最少的方案。
在经过技术专家委员会的评定之后,钱仲三提出的运载火箭第一级动力系统配制方案获得了通过。
也就是说,只花了不到半年,运载火箭的第一级设计方案就确定了下来。
在几十年后,这是很难让人相信的,甚至很难想像。要知道,规模如此大的项目,仅审定就需要花上好几年,而具体设计还要花上好几年。在短短半年内就走出了第一步,这个速度绝对是个奇迹。
只是,在冷战时期,从来都不缺乏奇迹。
要知道,当初中国海军仅花了三年就设计建造了世界上第一艘超级航母,在半年内搞定大型运载火箭的第一级设计方案,确实不算什么。
当然,这也与顾祝同的领导能力有很大的关系。
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