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美國的月球建築設計理念高度依賴一個高性能的主引擎,該引擎負責關鍵的任務階段。在下降過程中,這個引擎主導整個從月球軌道到月球表面的旅程。而在上升階段,這個單一系統成為返回宇航員至月球軌道的唯一手段。缺乏冗餘設計意味著一旦發生故障,將消除任何備用選項,這一問題在三月份發表於《中國空間科學與技術》期刊的同行評審研究中被強調,該研究認為該系統「存在一些明顯的弱點」。
相比之下,中國提議的月球著陸器採用了多引擎方案。由上海的一個國家實驗室團隊開發,該方案使用四個可變推力的引擎,總共產生超過 30 千牛頓的推力。即使其中一個引擎完全失效,剩下的三個引擎仍能提供與美國宇航局 Orion 太空船主引擎相當的推力。
中國的月球著陸器設計提供了更高的冗餘性
有關月球上升安全的討論集中在冗餘設計與質量限制之間。除了主要的推進系統外,設計還包含一層額外的安全措施,旨在提高任務的韌性。如果主引擎失效,六個較小的軌道控制推進器仍然可以在月球表面啟動,提供快速上升的替代路徑。這種冗餘設計引發了一個更廣泛的工程問題:如果多個引擎提供的安全性優於單一引擎,為何不普遍採用?《南華早報》指出,限制因素是質量,因為額外的引擎通常會增加整體載具的重量,降低效率和有效載荷能力。
中國的工程團隊通過一種稱為共用艙壁油箱的結構優化來解決這一權衡,該設計能更高效地整合燃料儲存,並減少多餘的質量,同時仍然允許多引擎配置。
新型油箱設計提升了整體效率
中國在一個載人深空載具中引入了一種新的油箱設計,該設計使用壓力供給系統,燃料和氧化劑由一個共享的隔壁分隔,通常稱為「共用底部」。在早期的月球著陸器設計中,這兩種推進劑完全存儲在各自獨立的油箱中,這增加了結構重量並佔用了更多車內空間。通過將它們合併為一個具有共享隔板的單一結構,該系統減少了油箱框架中的不必要重複。根據研究人員的説法,這一變化在「百公斤級別」上減輕了重量,使整體設計在不影響容量或性能的情況下更加高效。
這一設計所創造的質量減少使得使用四個引擎而非單一主引擎成為可能,增加了冗餘而不超出發射限制。該油箱由複合材料製成,相比傳統金屬材質實現了超過 20% 的重量減輕。除了儲存推進劑外,這一結構還擔任了航天器的承載組件,有效地成為載具框架的一部分,提高了整體質量效率。這一方法得到了實驗數據的支持,該論文借鑒了全系統熱火測試的結果。這些測試提供了在操作條件下的實際性能數據,確認了集成結構和推進設計的可行性。
測試結果顯示,四個可變推力的引擎可以緊密協調,保持推力變化在 100 牛頓以內。此精度對於防止在關鍵飛行階段造成著陸器翻滾至關重要。實驗還表明,共用艙壁油箱內的壓力挑戰可以得到有效管理。複製這種系統對於其他任何航天計劃來説都將是困難的。它需要對共享油箱結構內的壓力進行高度精確的自主控制,且必須在非常狹窄的安全邊際內運行。此外,還要求多個可調引擎之間的性能緊密同步,隨著每增加一個引擎,任務的複雜性將顯著增加。
項目 規格 引擎數量 四個可變推力引擎 推力 超過 30 千牛頓 重量減輕 超過 20%

