袁嵐峯：手把手教你如何登月
【文/袁嵐峯】
最近，中國宣佈計劃在2030年實現載人登月，引起了全國的熱烈關注。
神舟十六號載人飛行任務新聞發佈會。新聞發言人的原文是：“近期，中國載人月球探測工程登月階段任務已啓動實施，總的目標是：2030年前實現中國人首次登陸月球……”
這就引出了兩個問題：中國將如何載人登月？美國當年的阿波羅計劃登月是真的還是假的？第一個是技術性的問題，第二個很大程度上是思維方式的問題。下面，我們就來討論一下這兩個問題。
一、中國將如何載人登月？
對於中國2030年載人登月，我其實早有耳聞。2021年8月29日，中國運載火箭技術研究院運載火箭系列總設計師龍樂豪院士在一個科普報告中就明確説，中國打算在2030年前後載人登月。當時我就做過一期節目，解讀了其中的關鍵信息。
中國工程院網站對龍樂豪院士的介紹（https://www.cae.cn/cae/html/main/colys/90803958.html）
最重要的信息有兩點：一是要發兩枚火箭，二是這種火箭我們差不多已經有了。這種火箭是在長征五號（CZ-5）的基礎上、為了登月而研製的一種改進型號，當時龍樂豪院士説可能叫做CZ-5DY。而2023年的信息是，它被定名為長征十號（CZ-10），預期在2027年左右首飛。
長征五號的地月轉移軌道運載能力為8.8至9.4噸，而長征十號的地月轉移軌道運載能力預期為27噸。這兩種火箭的主發動機YF-100是一樣的，芯級的直徑也都是5米，所以長征十號可以稱為長征五號的改進版。
那為什麼長征十號的運力幾乎是長征五號的三倍呢？因為長征十號在起飛時，採用三芯並聯結構，在芯級兩側放了兩個助推器，三者都是直徑5米，底端都有7台發動機，所以共有21台發動機，起飛時可產生2600噸的推力，可將2100噸的火箭送往太空。這就是為什麼，長征十號的地月轉移軌道運力高達27噸，近地軌道運力更是高達70噸。如今我國空間站的三大艙體，它可以一次性送往太空！
長征十號
航天的一大要點在於，火箭的運載能力是最重要的瓶頸，有多大運力就能做多少事情。所以龍樂豪院士提供的最重要的信息就是，我們的運載能力就快可以支撐登月了，但需要發兩次。
兩發火箭總共要運送四種部件：一，着陸器，用於登陸月球；二，上升器，用於從月球回到環月軌道；三，返回器，即載人飛船；四，轉移運輸器，用於把飛船從地月轉移軌道送入環月軌道，以及從環月軌道送回地球。下面我們來介紹一下具體流程。
2021年講的中國載人登月流程
第一步，第一枚火箭把着陸器+上升器+轉移運輸器送入地月轉移軌道，轉移運輸器把着陸器+上升器送入環月軌道。着陸器裏沒有人，它在虛位以待航天員的到來。
第二步，第二枚火箭把返回器（即飛船）+轉移運輸器送入地月轉移軌道，轉移運輸器把返回器送入環月軌道。
第三步，飛船和着陸器在環月軌道上交會對接，兩名航天員從飛船飄到着陸器裏面。
第四步，着陸器與飛船分離，着陸器帶着兩名航天員登陸月球，飛船在環月軌道上等着他們回來。
第五步，兩名航天員在月球表面工作6個小時。
下面是一個關鍵問題：登月的航天員怎麼回來？經常有人表示不信美國在1969年登過月，他們的核心問題之一就是這個。他們的典型表述是：我完全相信美國有能力把人送到月球，但完全不信美國能把人從月球送回地球！
實際上，這是典型的外行思維。月球的重力只有地球的1/6，又沒有空氣阻力，所以從月球起飛比從地球起飛容易得多。着陸器帶着一個上升器，把着陸器作為底座，就可以讓上升器發射起飛，同時把着陸器拋棄在月球上。這就是第六步。
第七步，上升器在環月軌道上與等待的飛船對接，航天員從上升器又飄回飛船裏面。
第八步，上升器與飛船分離。這是因為轉移運輸器的燃料有限，不足以帶着上升器一起回地球，所以把上升器丟棄，減少載荷。
第九步，轉移運輸器的發動機點火，帶航天員回地球。
最後，再入大氣層時，把所有能丟的部分全部丟棄，只剩返回艙帶着航天員着陸。
總結一下，基本思想就是“走一路，丟一路”。數一數，一路拋棄了多少東西？先是丟下了兩枚火箭，然後着陸器登月時暫時丟下了飛船，上升器從月球起飛時丟下了着陸器，上升器跟飛船對接後又反手丟下了上升器，最後把除返回艙之外的部分全部丟棄。令人想起那個關於垃圾分類的靈魂之問：請問你是什麼垃圾？
請問你是什麼垃圾？
之所以要這樣，是因為火箭能達到的最高速度跟燃料質量是對數的關係，而不是正比的關係。也就是説，大量地增加燃料，也只能把運載能力增加一點點。這叫做“齊奧爾科夫斯基公式”，是航天之父、俄羅斯科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基（Konstantin Eduardovich Tsiolkovski，1857-1935）提出來的。
齊奧爾科夫斯基公式
這是因為燃料越多，用於推動燃料本身的消耗就越大。結果就是，讓火箭加速一點所需的燃料會指數增長。因此，我們不得不在每一步都儘量減少載荷。只要你掌握了這些原理，再複雜的航天活動你也能迅速理解。
實際上，美國1969年登月和中國嫦娥五號2020年從月球取樣返回都大致是相似的流程。所以，這套流程可以算是航天界的傳統智慧了，是在運力約束下的最優解。
阿波羅計劃登月流程
嫦娥五號月球取樣返回流程
跟阿波羅計劃和嫦娥五號相比，2030年登月最大的區別在於要用兩枚火箭，而那兩個都只用了一枚。嫦娥五號只需要一發長征五號，是因為無人，對運力的需求低。嫦娥五號的質量是8.2噸，它是人類向地外星球發射過的最重的無人探測器，不過這完全在長征五號的能力之內。
而阿波羅計劃只需要一發火箭的原因，就是大力出奇跡。它用的“土星五號”（Saturn V）是人類發射過的運力最大的火箭，目前仍然保持着這個紀錄。土星五號能把48.6噸的載荷送入月球軌道。
馮·布勞恩與土星五號F-1發動機
27噸對48.6噸，這就是中美登月運力的差別，怪不得我們要採取兩發火箭的方案。世界上沒有什麼事是一發火箭不能解決的，如果有，那就再來一發！