新世紀的月亮（上）

鐘建業

從20世紀60年代初到70年代中期,美國和前蘇聯分別向月球發送了大量的探測器、登陸器,并對其進行了大量的科學考察。特別是1969年～1972年,美國成功地實施了“阿波羅”計劃,連續6次載人登月,掀起了人類第一次月球熱。隨著前蘇聯1976年最后一次向月球表面發射登月艙的結束,第一次月球熱降下了帷幕。其后,盡管人類向月球發射過一系列探測器,繼續對月球進行科學考察,但無論是人還是登月艙再也沒有到達過月球表面。

20世紀末,第二次月球熱再次興起,美國、俄羅斯、日本、歐洲乃至印度都紛紛制定了自己的月球開發和探測計劃。人們期望在21世紀能夠建立起穩固的地月交通線、月球太空港、天文觀測臺和月球實驗室、礦山、工廠、農作物生產基地、旅游點和生活區。盡管現在還很難預測這些愿望是否能完全成為現實,但可以肯定，在21世紀,人類將部分實現自己的愿望。如果說第一次月球熱的興起是冷戰時期的產物,歸結于美、蘇爭奪世界航天霸主地位的話,那第二次月球熱的到來要歸功于月球的神奇魅力,人類了解太空、開發月球的強烈欲望以及航天及其他科學技術的飛速發展。

一、地月交通運輸線

30多年前，一些預言家就曾經指出,在“阿波羅”計劃之后將出現商業性航天飛機，大型軌道空間站以及人們將在地球和逐漸擴大的月球聚居地之間往返飛行。目前,這些預言已部分變為現實,美國研制的航天飛機已在地面和地球軌道之間往返飛行了100多次,向太空運送了大量的物資和宇航員;俄羅斯的“和平”號空間站在軌道上飛行了15年,完成了大量的科學試驗,并為人類長期在太空生活積累了豐富的經驗。目前，美國正在研制單級入軌可重復使用的運載器并與其他國家一起建造國際空間站。除此以外，NASA的人類空間探索與開發計劃還預想了利用地球以外的資源和開發創新性推進技術，這對建立最初到月球而后到火星的交通運輸線是不可缺少的。今后10年～15年間可能被開發出來的更先進的推進技術可能為今后更先進、更經濟的地月交通運輸系統打下良好的基礎。

(1)先進的推進技術。

1988年～1992年之間，NASA對各種地月運輸系統的設想方案進行了分析。其中大部分方案都采用液氫液氧化學推進劑運載火箭，或是一次性使用的或是部分可重復使用的。當月球著陸運載器在低月軌道上使用時，可重復使用一個大型空氣剎車使月球運輸火箭重返近地軌道。與此同時，美國劉易斯研究中心考核了熱核火箭,分析表明，由于它有高比沖和高發動機推力,因而有許多優點:1利用它可實施一個完整的推進任務;2任務結束時，熱核火箭推動的月球運輸運載器和它的月球著陸飛行器可完全回收;3比部分可重復使用的空氣制動化學系統有更小的近地軌道初始質量。但在使用這種可重復使用的熱核推進系統時，必須為近地軌道永久性設施投入巨資,以便下次為熱核火箭重裝燃料。再有，專門使用低密度液氫還將增加月球運輸飛行器的尺寸，而且需要大直徑(10米)有效載荷防護罩加到運載火箭部件上。為了開發熱核火箭的性能，減小運載器尺寸以及利用月球上的氧，科學家提出了一個革新的推進方案，那就是把傳統液氫冷卻的熱核火箭和超音速燃燒沖壓式噴氣發動機技術結合起來,被稱為液氧增強型熱核火箭，這種技術為“革命性”的月球運輸系統提供了基礎。

這種液氧增強型熱核火箭,既可以作為一臺傳統的液氫冷卻熱核火箭，也可作為一臺雙推進劑液氧液氫發動機。它的主要組成部分包括一個核裂變反應堆和使推進劑受熱膨脹的噴管、氫氧供給系統和儲箱以及一個閉合的用于產生電能和加速發動機冷卻的“比瑞頓”循環系統。在液氧增強型熱核火箭運轉過程中，氧被注入熱核火箭噴管的大型擴散段，噴管相當于一個“后燃燒室”。在那里，氧與在液氧增強型熱核火箭的音速噴管喉部出現的反應堆加熱的氫自發地燃燒，從而增加超音速燃燒沖壓式噴氣發動機反向推進必需的噴出質量和能量。

當核反應堆產生相對穩定的能量輸出時，液氧增強型熱核火箭通過改變氫氧混合比，發動機將能在一個更寬的推力和比沖值范圍里運轉。推力增強特性意味著“大發動機”的性能可以由較小的、更便宜的、更易于測試的熱核火箭發動機得到，縮短燃燒時間也可延長發動機壽命而且提高“壽命周期成本”。最后，更多地用高密度液氧代替低密度液氫，不用返回地球而用來自月球的氧為未來的液氧增強型熱核火箭充氧，極大地減小了運載器的尺寸和質量，并同時增加運輸的有效載荷。

(2)地月運輸線的建立。

NASA已經研究了利用月球軌道匯合點的月球運輸方案，試圖：1減少空間基礎設施的早期投資；2取消體積和重量都很大的起飛助推器；3盡可能增大每次月球登陸任務的月面有效載荷；4盡量減少月球往返系統的重復使用費用。為了達到上述目的，計劃一系列貨物的運輸和載人飛行，最初使用一次性的“完全液氫”熱核火箭系統以最大限度地運送月面有效載荷。每次飛行增加的有效載荷專門用于運送“模塊化的”月球氧的生產設備,目的是開發和應用月球氧,以盡早為月球著陸火箭和月球運輸運載器充氧,最后過渡到可重復使用的液氧增強型熱核火箭結構并改善壽命循環費用。已出現的費用節余和使用月球氧的工業利潤將逐漸被用于投資發展另外的空間設施，比如低地軌道和低月軌道推進劑補給站，從而支持以后的重復使用。另外,隨著一次性使用運載器的近地軌道初始質量和尺寸都有所減少,可使用兩個具有66噸升空能力的航天飛機運送部件到近地軌道,然后借助簡單的匯合點和在外層空間匯合機動性完成運載器的組裝。

當月球前哨的貴重器材和月球氧的生產水平足夠支持月球表面基地的月球著陸火箭時，就算成功地邁出了減少空間運輸費用的顯著的第一步。沒必要每次飛行都運送帶有“液氧”的月球著陸火箭到近月軌道上，一次性使用的熱核火箭已有足夠的推進劑，能在重復使用模式下運轉而且能將至少9噸的有效載荷運到近月軌道。在每次新任務之前，一次性使用的航天飛機推進劑儲箱將被用于為熱核火箭重加燃料。

第二步，當月球氧可在近月軌道使用時，兩個熱核火箭將借助液氧推進劑補給系統和用于雙推進運作的后燃燒室噴管裝填液氧。以“液氧增強型熱核火箭”為基礎的月球運輸結構的轉變將從較小的可重復使用的月球運輸飛行器開始,每次飛行中能運輸至少36噸貨物和“地球供給”的液氫到近月軌道,增加了300％的有效載荷。以月面為基礎的月球著陸火箭將運送月球氧到近月軌道補給站，之后裝上液氫和非推進劑貨物返回月球。

在去月球的路上，采用“液氧增強型熱核火箭”的月球運輸運載器加倍了液氫儲箱，返回地球前就可加21噸月球氧。在往返的路上，“液氧增強型熱核火箭”發動機運轉的氫氧混合比為1∶3，這使熱核火箭全部推力輸出量增加約275％，推力增量還減少了總飛行燃燒時間約30分鐘——一次性使用的熱核火箭系統飛行時間的一半，因此加倍了發動機壽命而且減少了月球運輸系統的重復使用費用。

(3)典型的月球交通及運輸方案。

隨著月球氧生產的進行和以可重復使用的液氧增強型熱核火箭為基礎的月球運輸系統投入使用，最初的月球前哨基地將成為代表政府和風險事業的科學家和工程師們的永久性定居點。“液氧增強型熱核火箭”方案可使快速地經常往返于地球和月球之間的航天飛機變為現實,這種飛機往返一次的時間約為24小時——大約相當于現在從華盛頓特區到澳大利亞悉尼的時間。在“阿波羅”計劃中，三天半到月球的旅行需要“德爾它5”火箭的飛行速度約為4.1千米／秒。而24小時內往返的旅行將需要“德爾它5”火箭的飛行速度達到6.9千米/秒。

基于“液氧增強型熱核火箭”的經常往返于地球和月球之間的航天飛機的動力系統是“完全液氫”的熱核火箭的改進型，它能在一天內將15噸搭載物運抵月球。除了它的“液氧增強型熱核火箭”發動機，其他主要的航天器修改是在液氫“核心”段之前的小型推進劑儲箱中用液氧代替液氫。在標準的經常往返于地球和月球之間的飛行中，假設“液氧增強型熱核火箭”航天飛機只用“地球供給”的約43噸液氫與“地球供給”的約105噸液氧以及約92噸月球氧分別用于去月球和返回地球的旅程中。航天飛機的雙“液氧增強型熱核火箭”發動機工作整個約47分鐘,離開時氫氧混合比為1∶4，而歸航時氫氧混合比為1∶6,這些條件幾乎提供了最佳性能并允許有足夠大的飛行器組件,允許每天安排兩至三次航天飛機往返飛行。乘客艙直徑大約4.6米，長約8米，能用當前的航天飛機或下一代可重復使用的運載火箭運抵軌道。

典型的經常往返于地球和月球之間的旅行如何開始呢？乘客可能首先搭乘一架未來的穿過大氣層的航天飛機或者是飛往國際空間站的乘客型可重復使用運載火箭。在那里，他們將進入包括自身生命保障系統、儀表設備和控制系統以及輔助推進系統的乘客運輸艙。乘客運輸艙為“液氧增強型熱核火箭”推動的航天飛機提供“大腦”，而且乘客運輸艙是去月球途中18名乘客和2名乘務員的家。從國際空間站分離后，乘客運輸艙與在安全距離外等候的加足燃料的“液氧增強型熱核火箭”航天飛機對接。在適當時刻，“液氧增強型熱核火箭”發動機點火升空，而航天飛機迅速爬升脫離地球。

經過24小時的飛行之后，“液氧增強型熱核火箭”航天飛機到達近月軌道，在那里乘客運輸艙分離并與等在那里的月球著陸火箭對接。近月軌道上的商業推進劑補給站為軌道上的飛行器提供方便的補給。它用月球氧支持“液氧增強型熱核火箭”航天飛機返回地球，需要地球供給液氫的月球著陸火箭送乘客運輸艙到月球表面。在那里,乘客運輸艙將成為月面運載工具，而電子控制系統操縱它進行月面機動。其后，乘客運輸艙將與月球基地的密封艙會合，乘客到達目的地。

除了去月球本身令人十分興奮以外，人們還期望“液氧增強型熱核火箭”能有力地把空間運輸發展到地球以外任何可得到液氧和液氫的地方,如火星系統,主要區域的小行星和木星的衛星歐羅巴和卡里斯托。在不久的將來，“液氧增強型熱核火箭”和月球氧方案能向公眾提供革命性的空間運輸，就像預言家描述的那樣，不出意外，只需一天多一點，人類夢想了2000年的不可思議的旅行將變為飛往月球的例行程序。