新世纪的月亮（上）

钟建业

从20世纪60年代初到70年代中期,美国和前苏联分别向月球发送了大量的探测器、登陆器,并对其进行了大量的科学考察。特别是1969年～1972年,美国成功地实施了“阿波罗”计划,连续6次载人登月,掀起了人类第一次月球热。随着前苏联1976年最后一次向月球表面发射登月舱的结束,第一次月球热降下了帷幕。其后,尽管人类向月球发射过一系列探测器,继续对月球进行科学考察,但无论是人还是登月舱再也没有到达过月球表面。

20世纪末,第二次月球热再次兴起,美国、俄罗斯、日本、欧洲乃至印度都纷纷制定了自己的月球开发和探测计划。人们期望在21世纪能够建立起稳固的地月交通线、月球太空港、天文观测台和月球实验室、矿山、工厂、农作物生产基地、旅游点和生活区。尽管现在还很难预测这些愿望是否能完全成为现实,但可以肯定，在21世纪,人类将部分实现自己的愿望。如果说第一次月球热的兴起是冷战时期的产物,归结于美、苏争夺世界航天霸主地位的话,那第二次月球热的到来要归功于月球的神奇魅力,人类了解太空、开发月球的强烈欲望以及航天及其他科学技术的飞速发展。

一、地月交通运输线

30多年前，一些预言家就曾经指出,在“阿波罗”计划之后将出现商业性航天飞机，大型轨道空间站以及人们将在地球和逐渐扩大的月球聚居地之间往返飞行。目前,这些预言已部分变为现实,美国研制的航天飞机已在地面和地球轨道之间往返飞行了100多次,向太空运送了大量的物资和宇航员;俄罗斯的“和平”号空间站在轨道上飞行了15年,完成了大量的科学试验,并为人类长期在太空生活积累了丰富的经验。目前，美国正在研制单级入轨可重复使用的运载器并与其他国家一起建造国际空间站。除此以外，NASA的人类空间探索与开发计划还预想了利用地球以外的资源和开发创新性推进技术，这对建立最初到月球而后到火星的交通运输线是不可缺少的。今后10年～15年间可能被开发出来的更先进的推进技术可能为今后更先进、更经济的地月交通运输系统打下良好的基础。

(1)先进的推进技术。

1988年～1992年之间，NASA对各种地月运输系统的设想方案进行了分析。其中大部分方案都采用液氢液氧化学推进剂运载火箭，或是一次性使用的或是部分可重复使用的。当月球着陆运载器在低月轨道上使用时，可重复使用一个大型空气刹车使月球运输火箭重返近地轨道。与此同时，美国刘易斯研究中心考核了热核火箭,分析表明，由于它有高比冲和高发动机推力,因而有许多优点:1利用它可实施一个完整的推进任务;2任务结束时，热核火箭推动的月球运输运载器和它的月球着陆飞行器可完全回收;3比部分可重复使用的空气制动化学系统有更小的近地轨道初始质量。但在使用这种可重复使用的热核推进系统时，必须为近地轨道永久性设施投入巨资,以便下次为热核火箭重装燃料。再有，专门使用低密度液氢还将增加月球运输飞行器的尺寸，而且需要大直径(10米)有效载荷防护罩加到运载火箭部件上。为了开发热核火箭的性能，减小运载器尺寸以及利用月球上的氧，科学家提出了一个革新的推进方案，那就是把传统液氢冷却的热核火箭和超音速燃烧冲压式喷气发动机技术结合起来,被称为液氧增强型热核火箭，这种技术为“革命性”的月球运输系统提供了基础。

这种液氧增强型热核火箭,既可以作为一台传统的液氢冷却热核火箭，也可作为一台双推进剂液氧液氢发动机。它的主要组成部分包括一个核裂变反应堆和使推进剂受热膨胀的喷管、氢氧供给系统和储箱以及一个闭合的用于产生电能和加速发动机冷却的“比瑞顿”循环系统。在液氧增强型热核火箭运转过程中，氧被注入热核火箭喷管的大型扩散段，喷管相当于一个“后燃烧室”。在那里，氧与在液氧增强型热核火箭的音速喷管喉部出现的反应堆加热的氢自发地燃烧，从而增加超音速燃烧冲压式喷气发动机反向推进必需的喷出质量和能量。

当核反应堆产生相对稳定的能量输出时，液氧增强型热核火箭通过改变氢氧混合比，发动机将能在一个更宽的推力和比冲值范围里运转。推力增强特性意味着“大发动机”的性能可以由较小的、更便宜的、更易于测试的热核火箭发动机得到，缩短燃烧时间也可延长发动机寿命而且提高“寿命周期成本”。最后，更多地用高密度液氧代替低密度液氢，不用返回地球而用来自月球的氧为未来的液氧增强型热核火箭充氧，极大地减小了运载器的尺寸和质量，并同时增加运输的有效载荷。

(2)地月运输线的建立。

NASA已经研究了利用月球轨道汇合点的月球运输方案，试图：1减少空间基础设施的早期投资；2取消体积和重量都很大的起飞助推器；3尽可能增大每次月球登陆任务的月面有效载荷；4尽量减少月球往返系统的重复使用费用。为了达到上述目的，计划一系列货物的运输和载人飞行，最初使用一次性的“完全液氢”热核火箭系统以最大限度地运送月面有效载荷。每次飞行增加的有效载荷专门用于运送“模块化的”月球氧的生产设备,目的是开发和应用月球氧,以尽早为月球着陆火箭和月球运输运载器充氧,最后过渡到可重复使用的液氧增强型热核火箭结构并改善寿命循环费用。已出现的费用节余和使用月球氧的工业利润将逐渐被用于投资发展另外的空间设施，比如低地轨道和低月轨道推进剂补给站，从而支持以后的重复使用。另外,随着一次性使用运载器的近地轨道初始质量和尺寸都有所减少,可使用两个具有66吨升空能力的航天飞机运送部件到近地轨道,然后借助简单的汇合点和在外层空间汇合机动性完成运载器的组装。

当月球前哨的贵重器材和月球氧的生产水平足够支持月球表面基地的月球着陆火箭时，就算成功地迈出了减少空间运输费用的显著的第一步。没必要每次飞行都运送带有“液氧”的月球着陆火箭到近月轨道上，一次性使用的热核火箭已有足够的推进剂，能在重复使用模式下运转而且能将至少9吨的有效载荷运到近月轨道。在每次新任务之前，一次性使用的航天飞机推进剂储箱将被用于为热核火箭重加燃料。

第二步，当月球氧可在近月轨道使用时，两个热核火箭将借助液氧推进剂补给系统和用于双推进运作的后燃烧室喷管装填液氧。以“液氧增强型热核火箭”为基础的月球运输结构的转变将从较小的可重复使用的月球运输飞行器开始,每次飞行中能运输至少36吨货物和“地球供给”的液氢到近月轨道,增加了300％的有效载荷。以月面为基础的月球着陆火箭将运送月球氧到近月轨道补给站，之后装上液氢和非推进剂货物返回月球。

在去月球的路上，采用“液氧增强型热核火箭”的月球运输运载器加倍了液氢储箱，返回地球前就可加21吨月球氧。在往返的路上，“液氧增强型热核火箭”发动机运转的氢氧混合比为1∶3，这使热核火箭全部推力输出量增加约275％，推力增量还减少了总飞行燃烧时间约30分钟——一次性使用的热核火箭系统飞行时间的一半，因此加倍了发动机寿命而且减少了月球运输系统的重复使用费用。

(3)典型的月球交通及运输方案。

随着月球氧生产的进行和以可重复使用的液氧增强型热核火箭为基础的月球运输系统投入使用，最初的月球前哨基地将成为代表政府和风险事业的科学家和工程师们的永久性定居点。“液氧增强型热核火箭”方案可使快速地经常往返于地球和月球之间的航天飞机变为现实,这种飞机往返一次的时间约为24小时——大约相当于现在从华盛顿特区到澳大利亚悉尼的时间。在“阿波罗”计划中，三天半到月球的旅行需要“德尔它5”火箭的飞行速度约为4.1千米／秒。而24小时内往返的旅行将需要“德尔它5”火箭的飞行速度达到6.9千米/秒。

基于“液氧增强型热核火箭”的经常往返于地球和月球之间的航天飞机的动力系统是“完全液氢”的热核火箭的改进型，它能在一天内将15吨搭载物运抵月球。除了它的“液氧增强型热核火箭”发动机，其他主要的航天器修改是在液氢“核心”段之前的小型推进剂储箱中用液氧代替液氢。在标准的经常往返于地球和月球之间的飞行中，假设“液氧增强型热核火箭”航天飞机只用“地球供给”的约43吨液氢与“地球供给”的约105吨液氧以及约92吨月球氧分别用于去月球和返回地球的旅程中。航天飞机的双“液氧增强型热核火箭”发动机工作整个约47分钟,离开时氢氧混合比为1∶4，而归航时氢氧混合比为1∶6,这些条件几乎提供了最佳性能并允许有足够大的飞行器组件,允许每天安排两至三次航天飞机往返飞行。乘客舱直径大约4.6米，长约8米，能用当前的航天飞机或下一代可重复使用的运载火箭运抵轨道。

典型的经常往返于地球和月球之间的旅行如何开始呢？乘客可能首先搭乘一架未来的穿过大气层的航天飞机或者是飞往国际空间站的乘客型可重复使用运载火箭。在那里，他们将进入包括自身生命保障系统、仪表设备和控制系统以及辅助推进系统的乘客运输舱。乘客运输舱为“液氧增强型热核火箭”推动的航天飞机提供“大脑”，而且乘客运输舱是去月球途中18名乘客和2名乘务员的家。从国际空间站分离后，乘客运输舱与在安全距离外等候的加足燃料的“液氧增强型热核火箭”航天飞机对接。在适当时刻，“液氧增强型热核火箭”发动机点火升空，而航天飞机迅速爬升脱离地球。

经过24小时的飞行之后，“液氧增强型热核火箭”航天飞机到达近月轨道，在那里乘客运输舱分离并与等在那里的月球着陆火箭对接。近月轨道上的商业推进剂补给站为轨道上的飞行器提供方便的补给。它用月球氧支持“液氧增强型热核火箭”航天飞机返回地球，需要地球供给液氢的月球着陆火箭送乘客运输舱到月球表面。在那里,乘客运输舱将成为月面运载工具，而电子控制系统操纵它进行月面机动。其后，乘客运输舱将与月球基地的密封舱会合，乘客到达目的地。

除了去月球本身令人十分兴奋以外，人们还期望“液氧增强型热核火箭”能有力地把空间运输发展到地球以外任何可得到液氧和液氢的地方,如火星系统,主要区域的小行星和木星的卫星欧罗巴和卡里斯托。在不久的将来，“液氧增强型热核火箭”和月球氧方案能向公众提供革命性的空间运输，就像预言家描述的那样，不出意外，只需一天多一点，人类梦想了2000年的不可思议的旅行将变为飞往月球的例行程序。