袁岚峰：手把手教你如何登月
【文/袁岚峰】
最近，中国宣布计划在2030年实现载人登月，引起了全国的热烈关注。
神舟十六号载人飞行任务新闻发布会。新闻发言人的原文是：“近期，中国载人月球探测工程登月阶段任务已启动实施，总的目标是：2030年前实现中国人首次登陆月球……”
这就引出了两个问题：中国将如何载人登月？美国当年的阿波罗计划登月是真的还是假的？第一个是技术性的问题，第二个很大程度上是思维方式的问题。下面，我们就来讨论一下这两个问题。
一、中国将如何载人登月？
对于中国2030年载人登月，我其实早有耳闻。2021年8月29日，中国运载火箭技术研究院运载火箭系列总设计师龙乐豪院士在一个科普报告中就明确说，中国打算在2030年前后载人登月。当时我就做过一期节目，解读了其中的关键信息。
中国工程院网站对龙乐豪院士的介绍（https://www.cae.cn/cae/html/main/colys/90803958.html）
最重要的信息有两点：一是要发两枚火箭，二是这种火箭我们差不多已经有了。这种火箭是在长征五号（CZ-5）的基础上、为了登月而研制的一种改进型号，当时龙乐豪院士说可能叫做CZ-5DY。而2023年的信息是，它被定名为长征十号（CZ-10），预期在2027年左右首飞。
长征五号的地月转移轨道运载能力为8.8至9.4吨，而长征十号的地月转移轨道运载能力预期为27吨。这两种火箭的主发动机YF-100是一样的，芯级的直径也都是5米，所以长征十号可以称为长征五号的改进版。
那为什么长征十号的运力几乎是长征五号的三倍呢？因为长征十号在起飞时，采用三芯并联结构，在芯级两侧放了两个助推器，三者都是直径5米，底端都有7台发动机，所以共有21台发动机，起飞时可产生2600吨的推力，可将2100吨的火箭送往太空。这就是为什么，长征十号的地月转移轨道运力高达27吨，近地轨道运力更是高达70吨。如今我国空间站的三大舱体，它可以一次性送往太空！
长征十号
航天的一大要点在于，火箭的运载能力是最重要的瓶颈，有多大运力就能做多少事情。所以龙乐豪院士提供的最重要的信息就是，我们的运载能力就快可以支撑登月了，但需要发两次。
两发火箭总共要运送四种部件：一，着陆器，用于登陆月球；二，上升器，用于从月球回到环月轨道；三，返回器，即载人飞船；四，转移运输器，用于把飞船从地月转移轨道送入环月轨道，以及从环月轨道送回地球。下面我们来介绍一下具体流程。
2021年讲的中国载人登月流程
第一步，第一枚火箭把着陆器+上升器+转移运输器送入地月转移轨道，转移运输器把着陆器+上升器送入环月轨道。着陆器里没有人，它在虚位以待航天员的到来。
第二步，第二枚火箭把返回器（即飞船）+转移运输器送入地月转移轨道，转移运输器把返回器送入环月轨道。
第三步，飞船和着陆器在环月轨道上交会对接，两名航天员从飞船飘到着陆器里面。
第四步，着陆器与飞船分离，着陆器带着两名航天员登陆月球，飞船在环月轨道上等着他们回来。
第五步，两名航天员在月球表面工作6个小时。
下面是一个关键问题：登月的航天员怎么回来？经常有人表示不信美国在1969年登过月，他们的核心问题之一就是这个。他们的典型表述是：我完全相信美国有能力把人送到月球，但完全不信美国能把人从月球送回地球！
实际上，这是典型的外行思维。月球的重力只有地球的1/6，又没有空气阻力，所以从月球起飞比从地球起飞容易得多。着陆器带着一个上升器，把着陆器作为底座，就可以让上升器发射起飞，同时把着陆器抛弃在月球上。这就是第六步。
第七步，上升器在环月轨道上与等待的飞船对接，航天员从上升器又飘回飞船里面。
第八步，上升器与飞船分离。这是因为转移运输器的燃料有限，不足以带着上升器一起回地球，所以把上升器丢弃，减少载荷。
第九步，转移运输器的发动机点火，带航天员回地球。
最后，再入大气层时，把所有能丢的部分全部丢弃，只剩返回舱带着航天员着陆。
总结一下，基本思想就是“走一路，丢一路”。数一数，一路抛弃了多少东西？先是丢下了两枚火箭，然后着陆器登月时暂时丢下了飞船，上升器从月球起飞时丢下了着陆器，上升器跟飞船对接后又反手丢下了上升器，最后把除返回舱之外的部分全部丢弃。令人想起那个关于垃圾分类的灵魂之问：请问你是什么垃圾？
请问你是什么垃圾？
之所以要这样，是因为火箭能达到的最高速度跟燃料质量是对数的关系，而不是正比的关系。也就是说，大量地增加燃料，也只能把运载能力增加一点点。这叫做“齐奥尔科夫斯基公式”，是航天之父、俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基（Konstantin Eduardovich Tsiolkovski，1857-1935）提出来的。
齐奥尔科夫斯基公式
这是因为燃料越多，用于推动燃料本身的消耗就越大。结果就是，让火箭加速一点所需的燃料会指数增长。因此，我们不得不在每一步都尽量减少载荷。只要你掌握了这些原理，再复杂的航天活动你也能迅速理解。
实际上，美国1969年登月和中国嫦娥五号2020年从月球取样返回都大致是相似的流程。所以，这套流程可以算是航天界的传统智慧了，是在运力约束下的最优解。
阿波罗计划登月流程
嫦娥五号月球取样返回流程
跟阿波罗计划和嫦娥五号相比，2030年登月最大的区别在于要用两枚火箭，而那两个都只用了一枚。嫦娥五号只需要一发长征五号，是因为无人，对运力的需求低。嫦娥五号的质量是8.2吨，它是人类向地外星球发射过的最重的无人探测器，不过这完全在长征五号的能力之内。
而阿波罗计划只需要一发火箭的原因，就是大力出奇迹。它用的“土星五号”（Saturn V）是人类发射过的运力最大的火箭，目前仍然保持着这个纪录。土星五号能把48.6吨的载荷送入月球轨道。
冯·布劳恩与土星五号F-1发动机
27吨对48.6吨，这就是中美登月运力的差别，怪不得我们要采取两发火箭的方案。世界上没有什么事是一发火箭不能解决的，如果有，那就再来一发！