嫦娥五号：从挖土开始，一文看清中国登月竞赛中的江湖地位
作者：佰思科学 ｜沈东旭 邱亚明
11月24日4时30分，嫦娥再次奔月。搭载着嫦娥五号的长征五号运载火箭，从海南文昌发射升空，开始了新一轮奔月征程。与之前几次嫦娥之旅不同的是，嫦娥五号将实现取样返回，在十二月中旬携带约2千克月壤返回地球。
11月24日4时30分，我国长征5号运载火箭搭载嫦娥五号在海南文昌发射升空
这次嫦娥五号的任务，实质上是为未来登月打基础。嫦娥五号整个飞船包括轨道器、着陆器、上升器、返回器四大部分，全部重量大约8.2吨，结构见下图。其中上升器重量高达509公斤。
嫦娥五号的结构
嫦娥五号登陆与返回的流程是这样的。11月24日出发之后，四大件一家齐齐整整奔向月球。路上经历大概4天半时间，到达月球轨道。然后着陆器带着上升器与轨道舱分离，降落月球表面。
降落月球表面的嫦娥五号（想象图）
这一系列操作，与之前的几次嫦娥登月过程类似。下面这几步才是最精彩而关键的。完成取样后，上升器火箭点火，同仍在月球轨道上的返回器和轨道器进行无人对接。对接成功之后，月壤被送入返回舱，轨道器和返回舱返回地球，最后返回舱进入大气层，回到地面。
嫦娥五号任务流程
对比美国上世纪六七十年代的阿波罗登月计划，以上是标准的阿波罗载人登月流程。阿波罗登月飞船，由指令舱（command module），服务舱（service module），登月舱（lunar module）三部分组成，其中指令舱住人，也是最后返回地球时的返回舱，服务舱装有仪器设备、燃料、氧气等物品，登月舱包括上升器，相当于嫦娥五号登陆器和上升器的合体。
阿波罗飞船结构
嫦娥五号等于把阿波罗登月过程全部演练一遍，为将来的载入登月做铺垫。其实阿波罗登月这种通过上升器与轨道舱会合的方式并不是唯一的登月方式。它的优点就是省：从月球起飞时，只需要把载荷（月壤或人）带到轨道舱，能最大限度节省燃料，这样从地面起飞的火箭就不用做得太大。
星舰登陆月球想象图
如果能把火箭造得像Space X的星舰（Starship）那么大，就可以直接用上面级（火箭连着舱室）登月，再直接从月球起飞返回地球。这也是著名漫画《丁丁历险记》中丁丁一帮人登月的模式。真别说，星舰长得和《丁丁历险记》中的火箭还挺像。
《丁丁历险记》中的登月火箭
星舰将是人类有史以来建造的最大的火箭，比阿波罗登月的土星五号火箭还要大，起飞重量为5000吨，土星五号是3000吨，预计2021年后首飞。星舰投入使用之后，不仅能完成登月任务，还可以用来进行火星探索。马斯克希望在2027年用星舰载人登陆火星。
世界上几种超重型火箭对比
中国载人登月，指望的是长征九号运载火箭，也就是上图中的Long March 9。长征九号是中国正在研发中的超重型火箭，主要为载人登月服务，预计2028年首飞。长征九号运载火箭的起飞重量将近4000吨，比星舰小，但高于土星五号，能把重量为130吨的载荷送入地球低轨道，送入地月转移轨道的登月飞船重量可达65吨。相比之下，阿波罗飞船的重量是45吨。因此，长征九号研制完成之后，水平终于可以超越1969年首次登月时的美国了，当然时间已经过了大约60年。
SLS和长五、长九对比
如果拿长九和现今中国最大的运载火箭，这次发射嫦娥五号的长五做对比，可以看出起飞重量867吨的长五简直就是小朋友。尽管如此，长五的起飞重量已经超过了俄罗斯的安加拉（769吨）、质子（700吨）、欧洲的阿丽亚娜5号（777吨），在现役火箭中仅排在美国Space X的重型猎鹰（1400吨）之后。
美国的SLS
美国除了SpaceX在研的星舰，还有NASA主导研发的SLS，大小和长九类似，也可以用来执行登月任务，计划于2021年首飞。此外，俄罗斯正在研制叶尼塞超重型火箭，大小与长九相当，也准备在2028年首飞，为日后建立月球基地做准备。总之，这次的载人登月竞赛，在相当一段时间之内，玩家只有三个，即中美俄。但真正竞争的，恐怕只有中美，弄不好俄国中间又掉链子。
俄罗斯计划中的叶尼塞火箭
美国的登月计划名为Artemis，打算在2024年让宇航员重返月球，预定的降落地点是月球的南极。对美国人来说，不需要像中国嫦娥系列做的软着陆、取月壤等验证工作，这些工作美国早就做过了。
美国规划中的重返月球计划
这之后，美国期望在2020年代末建立月球基地，预定地点是南极的沙克尔顿陨石坑。这里建基地的好处是：陨石坑内部因为环形山遮挡，永远受不到光照，蕴藏着大量的水冰资源；而陨石坑边缘位置，处在常年日照下，非常适合于太阳能发电。否则的话，月球上的白天与夜晚持续的时间各为半个月，对月球基地来说，能源就会成问题。
美国人规划的月球基地
美国月球基地规划做得很细，甚至各种月球车都规划好了。在下图中你可以看到两种月球车的形态。大个头的那个叫做宜居移动平台，车内密封加压，可以脱去宇航服。另外一个小点的，叫做月球全地形车，和上世纪的月球车一样，需要穿宇航服来驾驶的。
NASA规划的月球车
不仅如此，Artemis计划还邀请了美国一班小弟们参加，包括欧洲航天局、英国、意大利、日本、加拿大、澳大利亚、甚至阿联酋航天局。皇协军阵营非常强大，大多数有钱又有技术，最没技术的土豪阿联酋，起码能帮忙打钱。
月球基地
可以这样说，这一回合的登月竞赛不是像几十年前那样玩一日游，真的要跑马圈地了。月球现在是无主之地，谁占了资源就归谁。月球上面有什么资源呢？吹烂了的氦三就别提了，对现在的人类来说一点用没有。月球上最有价值的是水资源和月壤中富含的钛铁矿。
阿波罗十七带回来的月壤
月球水的用处不仅是给人解渴或洗澡，最重要的是分解成氢和氧做火箭燃料。而钛铁矿由铁、钛和氧构成，FeTiO3，和氢反应，可以得到铁、钛和水。铁和钛又可以成为太空建设的重要建筑材料。未来人类建造的巨型太空城市，原材料不可能都从地球运来，成本太高了；而月球和其他小行星则是优质的原材料基地，引力低运输成本低啊。
未来的太空城市
大航海时代，郑和错过了美洲大陆。在新的太空大航海时代，中国人不能再缺席了。然而，这场竞争中的态势，基本上是中国vs外国。中国现在的情况是，技术肯定不如美国；至于钱嘛，还是不如。所以操作上就得精打细算，小步快跑。
月球就是人类的新大陆
嫦娥五号成功之后，下面还有嫦娥六号，预定发射时间为2023年，计划登陆月球南极并取样返回。这之后，嫦娥七号会对月球南极进行综合探测，为最终基地选址做准备。2026年前后，嫦娥八号将在月球表面实验3D打印技术，尝试将月壤通过3D打印变成建房子的材料，为建设月球基地做准备。
中国宇航员登月想象图
一旦2028年长征九号首飞成功，中国宇航员将很快向月球进发。这之后不久，中国的月球基地就要出现在月球啦。如果说房地产三要点是什么，当然是'地段、地段、还是地段'。之前已经讨论过，月球南极就是建月球基地最好的地段，月球北极则是次好的地段。趁现在月球上还没有国土局，能多占点是点，手快有手慢无。到时候中美两国月球竞赛，跑马圈地，大家一起见证历史。