主题：【原创】载人中继登月 -- 心有戚戚
最近的太空竞赛主战场似乎又回到了月球。美国计划2024年重返月球，计划称为阿耳忒弥斯（Artemis），希望能再现阿波罗（Apollo）计划的辉煌。中国不需用希腊的日月之神来大张旗鼓地宣传，只须用嫦娥计划稳步推进的事实说话。
无人绕落回完成后，下一步自然是载人登月，究竟会采用怎样的技术路径呢？一般认为中国载人登月将会采用和阿波罗计划相似的方式，曾在嫦娥5号上验证。然而，最近有消息天舟会改装成为绕月空间站（姑且称为“月宫”）补给的货运飞船（姑且称为“月舟”）。这似乎揭示了另外一条技术路线，即用绕月空间站作为造访嫦娥的跳板、让航天员中继登月。
无独有偶，美国最近披露的阿提密斯具体计划也采用了中继登月的方案，也许可以用来对比。其核心同样是建造绕月空间站，起名“月关（Lunar Gateway）”。NASA的计划是按国际空间站的路子搞，以美国为主，拉欧洲、日本和加拿大等交份子钱。“月关” 大部分将由商业合作伙伴建造，由四个部分组成。
1. 居住后勤舱（Habitation and Logistics Outpost，HALO）为来访的宇航员提供生命支持，以及指挥、控制和数据处理能力。它有几个对接端口，用于飞船和其它模块的接驳。居住后勤舱由诺斯罗普格鲁曼公司开发，由NASA位于休斯顿约翰逊航天中心管理。
2. 电源推进舱（Power Propulsion Element， PPE）提供60 千瓦光伏、高速通信、姿态控制和轨道转移能力。2019 年 5 月，NASA选择科罗拉多州的 Maxar科技公司开发和建造电源推进舱，由NASA位于俄亥俄州的格伦研究中心管理。
3. 货运飞船（Logistics Capabilities，LC）向“月关”空间站运送加压和非加压货物、包括登月用品。2020 年 3 月，NASA 宣布 SpaceX 成为第一个货船提供商，按次交付费用。货船由NASA位于佛罗里达州的肯尼迪航天中心运营。
4. 载人着陆系统（Human Landing System，HLS）运输宇航员往返月球表面。2021 年 4 月，NASA宣布SpaceX将用基于星际飞船（Starship）的载人着陆系统依靠猛禽发动机登陆月球。可重复使用的载人着陆系统上有两个出舱气闸、供宇航员月球漫步。
2021 年 2 月，NASA 选择 SpaceX 用猎鹰重型火箭发射居住后勤模块和电源推进模块。目前的计划是先在地面上将两者整合为一体，然后最早于 2024 年 5 月在肯尼迪中心一起发射升空。等到货运飞船和载人着陆系统发射与“月关” 绕月空间站对接后，登月之旅即可展开，分为两阶段。第一阶段将四名宇航员由“猎户座”飞船用太空发射系统（Space Launch System，SLS）火箭发射至“月关”。第二阶段，其中两名宇航员转到载人着陆系统前往月球表面，停留大约一周后，又用载人着陆系统返回“月关”，和其他两个留守人员进入“猎户座”返回地球。
阿耳忒弥斯计划是否能够如期完成，让我们尽管拭目以待，而我国的载人登月计划会按部就班地进行。下面假设采用921火箭（地月转移轨道运力25吨左右）为发射载具、对中国载人中继登月作一些的猜测:
1. 首先，中国采用通过绕月空间站中继登月的方式的话，“月宫”会和“天宫”相似、有一个核心舱。其大概率继承“天和”构型，最早被发射到月球轨道。
2. 其次，登月舱会是可复用的，但规模没有“星际飞船”那么大。将它发射到月球轨道和核心舱前向对接（有燃料加注功能）。
3. 再发射一艘 “月舟” 货运飞船，在月轨上和“月宫”组合体后向对接，补加核心舱和登月舱的推进剂。
4. 然后，发射新型载人飞船（三人乘组可能性较大，至少早期如此）和“月宫”径向对接，搬运“月舟”上的物资，实施登月准备。
5. 最后，两名航天员进入登月舱登月，一名值守。登月舱返回后，三名航天员同乘载人飞船返回地球。
万一921火箭进展不顺利（比如一级复用搞不定），可考虑用长5B将核心舱和登月舱先发射到地球低轨对接，再发射一艘天舟货船作推进舱将组合体多次变轨用最省燃料的方式进入月轨（耗时多不要紧）。如果长征9号重型火箭进展同样顺利，前两步也可合一，即用长9火箭一次性将“月宫”核心舱和登月舱组合体送入地月转移轨道（不过921一出，长9就不是很急需了）。当然，中国首次载人登月也许还是会采用阿波罗式的一锤子买卖，但也不能排除一步跨越到可复用中继登月的可能性，而且这种可能性正随着921的登场变得越来越大。
以上只不过是一种航天爱好者的设想，中国航天人一定会一步一个脚印地扎实推进载人登月的计划，不为外界所动。目前，美国看似遥遥领先，不过怎么知道这不是又一次的“龟兔赛跑”呢？
921火箭的名称来自中国载人航天工程的代号"921工程"，是根据中国的未来航天发展需要而全新研制的中重型系列运载火箭。基本型一级采用通用芯级助推（CBC）设计，共三级，可将25吨的载人飞船和其它载荷发射入地月转移轨道。921继承了长征5号火箭的5米箭体直径，但比“胖五”的只有八九吨的地月转移能力有大幅提升，因为它“高”。
921基本型的一级正好有21个发动机， 每个通用助推器或芯一级有7个YF-100K液氧煤油发动机，形成6-1布局。中心的那台可以多次空中启动，让助推器和芯一级都能软着陆以回收重复使用。二级和三级各有4台发动机，所以每次发射只要新造16%数量的发动机。当然，二级的2台YF-100K真空发动机和三级的2台YF-75D液氢液氧发动机比较贵。即使再算上回收清理维护的费用，每次的发射成本可以至少降低一半以上，还是十分可观的。
而且921的光杆型还可发射近地载人飞船。此时只有芯一级和二级，可将14吨的新型载人飞船送达天宫二期空间站，一次可送6人。下面的图中，和光杆核心舱对接的更像是20吨嫦娥版载人飞船，组成绕月空间站“月宫”组合体。当然这仅仅是第一阶段技术验证的构型。能够作为登月踏板的组合体还要有登月舱和货运飞船才算齐全。而这四个部分（月宫核心舱、嫦娥版载人飞船、往返登月舱和月舟货运飞船）每个20来吨，都可用921火箭直送月球、在轨对接。
921是大高个，长征9号就是巨无霸。长9原来是作为登月方案的主打火箭，地月转移运力达50吨，是921的整整两倍。但是发动机不像921用的是“货架产品”、都需要新研制。而且不能复用，发射次数又少，成本要比921高个数量级。所以921一出，长征9号就显得不是必须的了。
原来发展长9火箭就是延续阿波罗登月的思路，然而方案太贵了，一旦没有后续，浪费会很严重（阿波罗计划虽然成功了，但是教训也十分深刻）。而且，“一步登月”模式将轨道器、返回器、着陆器和上升器捆绑在一起发射。偌大的火箭发射上天、回来的只有小小的返回器，实在可惜。
而用绕月空间站作为造访嫦娥的跳板， “中继登月”方案复用比例高、可持续性好，长期效费比有望比“一步登月”方案提高至少一个数量级。这是因为绕月空间站组合体起到了复用轨道器、着陆器和上升器的作用，而不是将它们用完丢弃。绕月空间站运营费用并不高（长期无人值守、不需轨道维持），一次性投入多次使用，分摊下来成本不高。而作为登月舱的加油站和载人飞船的中转站，起到不可或缺的枢纽作用。将来有了月面基地，还可以作为太空大本营，为多个场站提供补给和服务。
只有航天港一直在宣传921火箭，国家的目标还是长9。
长9的发动机(YF-130)全工况半系统试车：测试了一个喷管(YF-130有两个喷管，总推力500吨左右)，非常成功。而且推力可调范围大（60%~105%）。长9的第一级和助推器是一起回收的，因为发动机推力可调，回收时只点燃一台发动机，甚至只是一个喷管。现在长9的发动机是国家战略项目，长9火箭本身还不是。YF-130的成功研制和使用，将使中国成为和美国并驾齐驱的航天超级强国。
921反而有点尴尬，高不成低不就，而且无法推动中国火箭发动机技术的突破。
所以各项技术肯定要持续推进，一旦时机成熟，可以投入使用。然而中国载人登火最快也是一二十年以后的事情了。
而921火箭但对于我们的近邻月球来说却是最适合的。载人登月有望在10年内实现，而绕月空间站发射任务要更早。
所以921火箭和长9目标不同，紧迫性也相差很大。
另外，如果YF-130全工况半系统试车（两个喷管中测试了一个喷管）情况属实，则涡轮泵至少是可以在完全不同的转速下运行，深度节流、动力可调的能力的确不一般。
地月转移轨道可以到25吨，近地轨道的货运飞船只有14吨？应该更大才对啊
土星5号的月球轨道运载能力45吨，近地轨道运载能力可达118吨（不包括3级干重），按照这个比例，921火箭的近地轨道运载能力应该在60吨以上呀
近地14吨，CBC构型近地70吨。
在讨论载人中继登月的时候，开了个脑洞：抱着复用的原则，对绕月空间站补给任务完成后的货运飞船都不能浪费，可以让它降落到月面上作为月球基地的增压舱。
这样，航天员在月面上的活动时间就可以大大延长，而不会受到往返登月舱上所带氧气，食品和能源的限制。
条件如下：A）建月球基地要有增压仓，B）增压仓要软着陆在月面。货运飞船作为增压仓是现成的，满足条件A，不会不利用。条件B的困难程度要比地球上回收火箭一级要容易（当然也比火星上更容易），所要做的也就是：1）用足够大的发动机；2）装着陆支架。
问题1：要多大的发动机？
天舟货船现有4台490N的轨控发动机，共有推力4*490=1960N。这对近地轨道来说是够了，但是要被月球捕获进入月球轨道肯定不够。所以天舟要成为绕月空间站的货船，本来就必须换大发动机。参考嫦娥三号4吨不到一点的总质量，用了一台7500牛变推力发动机。假设嫦娥版天舟离轨落月前质量近8吨（含足够推进剂），那么两台7500牛变推力发动机就应该够了。除此之外，天舟还有32台25N、120N、150N三种不同推力量级的姿控发动机，可供调姿和平移。由于货船尾部垂直向下软着陆，姿控发动机后向喷管还能提供约1000N的额外推力。
问题2：如何装着陆支架？
考虑到着陆支架必须十分强壮稳定，可以在地面上装好占地较小的基座机构等，再在月轨上加装展开的“腿脚”。离轨着月前，航天员需要把天舟的太阳能帆板收拢固定好。
最后的问题是如何进出？
降落后天舟的对接口向上。往返登月舱上也有对接口（平时和空间站对接），在月球上可以向下和天舟对接（可将发动机方向转180度）。这样就必须保证天舟必须完全垂直。为此，首批航天员不进入天舟、而会降落月面，对天舟的着陆支架进行调整。并且他们会打开和支撑天舟上的太阳能帆板，让其重获电源。后续航天员则驾驶登月舱直接和天舟垂直对接，通过接口通道用软梯进入天舟。天舟里面的结构稍加改造，就可分为上下几层。
天舟除了对接口，在后锥段和柱段都有开口，便于地面组装时人员和仪器进出。
在后锥段的开口可以改装成一个迷你气闸舱，外部事先吊挂一件太空衣。在一名航天员的协助下，另一名航天员穿进太空衣、然后被吊放到月面出舱活动。回来的过程相反，出舱航天员将太空衣挂到吊具上、被提升到舱口，密封加压后，从太空衣中金蝉脱壳。
将来有更好的条件时，还可以将天舟放平在月面（比如将一个腿拆掉，倒下时用绳子拉住以及气垫缓冲；或者用起重设备，将货舱与推进舱直接分离）。这样可以用月壤掩埋，抵御太阳风。
此时柱段上的开口可装通道和其它月面舱连接。通道中心节点处还有气闸舱，用来让航天员到月面上活动。
从100公里高度近月轨道（LLO）到月面的DV是1800m/s左右。参考嫦娥5号由轨道器进行下降轨道切入至15 公里高度轨道，可将着月器的DV节省至1700m/s左右。绕月空间站的降轨不仅为了天舟落月，而且为了往返登月器能节省保命推进剂，一举两得。天舟和绕月空间站分离时质量8吨、带3.5吨推进剂，最终降落月面质量4.5吨（和近地天舟的结构重量差不多）。而7500N发动机的比冲是309秒，所产生的DV达到1750m/s，可满足需要。
此外，天舟是用921火箭发射至月球，而不是靠自身动力。由于921火箭的运力有剩余，轨道设计上货运飞船可用低能量转移方案被月球捕获，自身只需消耗很少的推进剂。下面动图中，绿色的是月轨。低能量转移方案将载荷发射至月轨之外，返回时正好和月轨相切，轻松进入绕月轨道。
所以天舟所携的几乎所有推进剂都可带到月球：除了给自己落月，还要补加给绕月空间站核心舱和往返登月器。目前，近地轨道版天舟可带3.5吨推进剂（一般情况下，1吨半自用、2吨用来补加），嫦娥版天舟需要将其增加一倍左右，才能同时满足落月和补给要求。由于绕月空间站长期无人值守，天舟只需携带必要“干货”，所以可将部分货舱空间装上额外的推进剂储箱，专门用来补加。
友管上看到还在试验中，吊车落火也算是个折中，大家持续观察。
有一个概念应该明确一下.登陆器和巡航器. 登录器只能原地一动不动地呆着,巡航器可以"巡航",可以移动.
美国直到2004年才成功在火星上登陆巡航器. 之前的都是登录器.但是啊,直到2012年好奇号巡航器成功登陆,之前的美国所有的巡航器,因为反推火箭技术不过关,所以它的登录器和着陆器都做得非常小,尤其是巡逻器,简直与沃尔玛的儿童玩具车没啥区别.
因为反推火箭技术不过关,2012年之前的美国火星登录器和巡航器的重量都不大, 搭载的仪器都非常简单,因为如果搭载复杂的仪器,容易摔坏. 2012年好奇号第一次有了突破,第一次发射和登陆了与天问号/祝融大小和重量一样的巡航器,但是,由于美国的反推力火箭技术仍然不过关,不能指哪, 登陆哪,所以只能搞skycrane来登陆,以确保巡航器搭载的仪器不被损坏.
2021年,中国的天问号/祝融号登录器,成功登陆火星.近乎两顿的大家伙,一次成功登陆火星, 把包括NASA在内的全球各国,震得吓掉下吧. 他们万万没有想到,中国的反推力火箭和控制技术这么牛逼,竟然能把近乎两顿的东西,安全地降落在火星上.
要知道,美国人使用skycrane技术登陆火星,唯一的原因是他们的反推火箭技术和控制技术不过关, 否则他们是不会使用这一技术的.因为火星登陆器也好,巡航器也白, 未来都面临一个火星样品回收的问题,必须需要登录器,作为发射平台来来完成火星取样返回, 所以登录器加巡航器是最理想的火星登陆和巡航模式. 美国2004年以后改变登陆技术路径, 说明两件事: 1是美国的火星巡航器搭载的仪器越来越精确, 重量越来越重, 2, 常规的登陆/巡航两位一体的登陆方式,由于反推火箭技术和控制技术不过关,已经等不起了,美国只能另辟蹊径, 搞skycrane 登陆.
天问号另一个技术两点是,天问号搞了至少7次的变轨!这点也让包括NASA在内的各国震惊. 之前包括NASA在星际探测,最危险的就是变轨, 中国天问多次变轨,似乎变轨技术对中国人而言,已经是非常成熟的技术,这点是西方各国万万没有想到的.
中国嫦娥登月取样返回与火星登陆巡航,总指挥是同一个人,同一拨人同时在搞的. 所以人们有理由认为,未来几年,中国火星取样返回,从技术角度讲,一点问题都没有. 中国完全可以成为全球第一个火星取样返回的国家,但是中国大陆有无胆子跑到美国前面完成之一壮举,技术上没有难度和问题,问题在于政治层面的考虑,担心会过度刺激美国.
反正没有风没有水也没有地震，所以我想啊，不管啥东西，预先都做好三个脚，最好可以调整的，到了那里都能放好，而且保证稳定。就是如果降落时，怎么让它们到落在一个地方？大东西要水平移动怎么移？要不要先搞一个降落场？然后要不要修点路呢？想想还挺有意思。
真碰上了，可以PK一下。估计祝融占优，因为用的是脉冲宽度毫秒级的固体激光器，单脉冲能量达焦耳级。而毅力号的激光器脉冲宽度是纳秒级、单脉冲能量只有毫焦级（当然，频率较快）。两者的区别就像战列舰主炮对鱼雷艇机关炮。
是分开越远越好，一个萝卜一个坑。这样在即将来临的月球“圈地”竞赛中，能多占地方。
将来扩大规模，可以多个聚集。水平移动位置只要放平滚动即可。
附：
2020年10月，美国国家航空航天局（NASA）与澳大利亚、加拿大、日本等七国航天机构签署协议，这些国家将参与美国的新登月计划“阿尔忒弥斯”。此前美国方面曾宣称，计划联合“志同道合”的国家制定规范月球采矿的太空法律框架。协议中有关“安全区”、太空资源利用的内容显示美国图谋抢先登月“圈地”。《阿尔忒弥斯协议》相关计划的目标是2024年实现载人登月、2030年建成一个月球基地。
中国航天真的好棒。