嫦娥五号带回2千克月岩,阿波罗飞船20千克,中美差距在哪里?

2020年12月17日1时59分,嫦娥五号返回舱在内蒙古四子王旗着陆,带回了1731克月岩,这些月球土壤样本已经移交中科院国家天文台,未来将由月球样品实验室将开展存储、分析和研究工作。

这是最激动人心的时刻,40多年来,第一次从月球带回月壤样本,不久我们将在《自然》或者《科学》上看到突破性的研究进展!

在大家庆祝嫦娥五号返回地球并且带回样品的时刻,网上也出现了一些不和谐的声音,比如就有说法,嫦娥五号花了那么大力气,只带回了2千克都不到的月岩,而五十多年前的阿波罗11号,除了三个大活人外还带回了21.55千克的月岩,这技术难道是退步了吗?

阿波罗11带回的样品

嫦娥五号和阿波罗11号,哪个更先进?

相信很多朋友都有这样一个想法,但事实上两者完全不是同一个数量级的计划,根本无法比较,不过其中应用的技术层面上还是可以相比较的,下文做个简单分析!

阿波罗计划的运载火箭和长征五号

阿波罗计划的成功,必须归功于巨无霸土星五号火箭,它的规模是有史以来推力最大的火箭,其尺寸与参数即使到现在也没有任何一家运载火箭可以比拼!土星五号高度:110.6米,直径:10.1米,总质量:3039吨,近地轨道运载能力:140吨!

这个参数放到现在,请问有哪种火箭能比得上它,直接就绝杀了现代所有运载火箭!而给它如此底气的正是第一级F1发动机,一张图可以看出F1发动机的变态级别,冯布劳恩博士站在发动机下,背后的5台发动机的第一级简直就像座小山!

再来看看F1的参数,土星五号一级火箭总共有5台F1发动机,每台发动机的海平面推力为6770千牛,比冲为263秒,它点火后每秒都要烧掉1789千克液氧,788千克煤油,第一级火箭只工作150秒,能将火箭送至68千米的高空,达到2.76千米/秒!

二级火箭是5台液氢液氧的J2火箭发动机,它工作300秒,将飞船送至170千米的高度,达到7千米/秒,最后三级火箭工作月150秒,将飞船送入191.2千米高度的过渡轨道,此时速度为7.75千米/秒!

从这些参数我们可以看到,土星五号一点都不拖泥带水,并且三级火箭还憋了一半的时间,因为它要在过渡轨道上点火,直接将飞船送入地月转移轨道!

嫦娥五号的长征五号火箭

从推力上来看,长征五号完全比不上土星五号,因为嫦娥五号的近地轨道运载能力也就25吨,和土星五号相比,直接就被秒杀了,但事实上从先进程度上来比较,两者可比性仍然是具备的,比如长征五号第一级助推器也是液氧煤油,海平面比冲是300S,远比F1发动机要高!

这是因为土星五号的第一级F1发动机用的是开式循环,浪费了不少推力,而长征五号助推器YF-100则是富氧预燃分级燃烧循环,技术上比F1至少提高一个数量级,但比变态的RD-180仍然有不少的差距。

长征五号芯级则是YF-77,属于氢氧机,为燃气发生器循环,真空比冲为427.71秒,这个参数中规中矩,这也是我国首次研制大推力氢氧机,但它比J2的421秒仍然要略好一些!

整体上而言土星五号是一台大卡车,傻大笨粗,发动机功率大,却是国一排放,污染大,燃料浪费率高,而长征五号则像一台中型货车,发动机国六排放,拉货能力稍低,但技术够先进。

阿波罗计划的飞船结构和嫦娥五号组合体

阿波罗计划是载人飞船,嫦娥五号是无人探测器,两者可比性也不太高,同样只能在技术层面上做个简单比较!

阿波罗飞船和嫦娥五号组合体,从飞船结构上来看几乎就一致,阿波罗计划中是服务舱+指令舱和下降级和上升级,嫦娥五号则是轨道器+返回舱和着陆器和上升器!毫无疑问嫦娥五号借鉴了阿波罗登月飞船的经典结构!

但技术上却无法借鉴,因为阿波罗登月是有人驾驶,它的操控除了轨道参数外,大都是宇航员自主控制,比如着陆时场地选择,比无人驾驶条件要好得多,而嫦娥五号则是无人探测器测控完成,着陆时也是自主选择!

四号落月参考图

当然阿波罗时代的计算机根本不足以处理登陆时的自主选择能力,只能听天由命,着陆地没有大块岩石,平坦,着陆不倾倒那么成功率会更高,如果选择位置不好,那就比较倒霉了!如果遥控着陆,地月之间的操控延迟会让着陆燃料控制很难,因为需要更多的悬停与寻找着陆地时间。

阿波罗登月维生系统

另外有一个复杂问题必须要考虑的是阿波罗的维生系统,因为阿波罗是载人登月,必须要保障宇航员生命安全,而嫦娥五号则不需要,因此在这个复杂度上嫦娥五号是无法和阿波罗飞船相比的,当然也没有可比性!

因此从工程复杂度来分析,阿波罗计划完胜嫦娥五号,但从技术先进性来看,嫦娥五号完胜阿波罗计划,这两个不是同一个时代的产品,可比性真不高。

而从载重能力上分析,主要出于运载火箭的差异,土星五号的地月转移轨道运载能力接近50吨,长征五号接近9吨,几乎只有1/5,所以带回的月岩出现数量级差异也无法避免!

但凭良心说,嫦娥五号返回舱带2千克还是太保守了,我们在这里大胆的猜测一下,未来的嫦娥六号在月球南部登陆,样品带回可能会在5-10千克之间,因为以嫦娥五号上升器富余推力,10千克并不是什么特别大的问题。

不过这是我国第一次从月面带回样品,首先是保证有无,其次才是量多量少,我们带回月岩就是成功,未来才能在返回舱上动心思,如何让它带回更多的月岩样品!

延伸阅读:长征九号运载火箭

这是中国在研的重型运载火箭,近地轨道运载能力为180吨,地月转移轨道接近50吨,和土星五号是同一个级别,长征九号的目标是载人登月和登陆火星!

首次试飞时间是2028年,各位可以大胆猜测一下,如果顺利的话,估计2040年前必定将实施载人登月,甚至载人登陆火星也是可以期待的,毕竟按咱一贯以来的先例,在2049年以前将会办成很多大事,不信咱走着瞧!