基于地月周期重訪軌道空間站的載人月球探測(cè)方案設(shè)想

楊 雷，向開(kāi)恒，童科偉，閔學(xué)龍

(中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部北京100094)

1 引言

目前國(guó)際載人航天事業(yè)正處于新的發(fā)展時(shí)期，各國(guó)紛紛將目標(biāo)瞄向載人月球、小行星及行星際探索。隨著天宮一號(hào)與神舟九號(hào)載人交會(huì)對(duì)接任務(wù)的成功實(shí)施，標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)掌握了天地往返、出艙活動(dòng)和交會(huì)對(duì)接三大載人航天基本技術(shù)，正在開(kāi)展的近地空間站研制工作進(jìn)展順利。我國(guó)嫦娥一號(hào)、二號(hào)的成功發(fā)射，已實(shí)現(xiàn)繞月探測(cè)并計(jì)劃不久執(zhí)行落月探測(cè)和月球取樣返回任務(wù)?？梢哉J(rèn)為，通過(guò)載人航天工程與月球探測(cè)活動(dòng)的有機(jī)結(jié)合，借助已取得的成功經(jīng)驗(yàn)，適時(shí)開(kāi)展載人登月任務(wù)，是一種符合技術(shù)發(fā)展邏輯的選擇。

國(guó)外圍繞載人登月的任務(wù)目標(biāo)進(jìn)行了一系列的規(guī)劃設(shè)計(jì)，如美國(guó)的“阿波羅”計(jì)劃［1］、重返月球的“星座”計(jì)劃［2］和前蘇聯(lián)的N1-L3計(jì)劃等，但成功實(shí)施的只有“阿波羅”載人登月工程。

1987年，作為對(duì)空間站的一項(xiàng)應(yīng)用，美國(guó)提出了基于近地軌道“自由”號(hào)空間站組裝的載人月球探測(cè)方案，但這種方案技術(shù)復(fù)雜、運(yùn)行成本巨大，最終沒(méi)有實(shí)施。2000年之后，美國(guó)、歐洲等參與國(guó)際空間站建造運(yùn)營(yíng)的各方，針對(duì)后空間站時(shí)代載人空間探索的途徑進(jìn)行了研究。NASA先后成立了 DPT(decadal planning team)團(tuán)隊(duì)、NEXT(NASA exploration team)團(tuán)隊(duì)和FISO(future inspace operations)工作組［3-5］，提出并持續(xù)開(kāi)展了基于地月拉格朗日點(diǎn)載人空間平臺(tái)的方案研究，以支持未來(lái)空間科學(xué)研究，包括載人月球、小行星和火星探測(cè)。歐空局通過(guò)研究則更傾向于在月球軌道建設(shè)載人空間平臺(tái)，支持載人登月任務(wù)［6］。

本文首次提出了基于地月周期重訪軌道(Earth-Moon cycler orbit)的空間站系統(tǒng)方案設(shè)想及其特定的載人登月模式，以期能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)載人地月空間及月球的科學(xué)探測(cè)，并能夠?yàn)閷?lái)載人小行星及火星探測(cè)提供技術(shù)支持，為未來(lái)近地以遠(yuǎn)(beyond LEO)的載人空間探測(cè)提供一種新的技術(shù)途徑選擇。

2 地月周期重訪軌道

地月周期重訪軌道是地月限制性三體問(wèn)題下的一種周期軌道［7］。在地心慣性坐標(biāo)系中來(lái)看，地月周期重訪軌道就是一個(gè)大橢圓軌道，通常其近地點(diǎn)高度在數(shù)百千米到幾千千米，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度在47萬(wàn)千米左右，軌道周期約為1/2個(gè)月球公轉(zhuǎn)周期。在地月周期重訪軌道上的航天器繞地球每運(yùn)行2圈就在遠(yuǎn)地點(diǎn)附近與月球“會(huì)合”，從月球外側(cè)經(jīng)過(guò)1次，近月點(diǎn)距離月球數(shù)萬(wàn)千米。

由于航天器在地月周期重訪軌道每次與月球“會(huì)合”都會(huì)受到較大的月球引力攝動(dòng)影響，使得地月周期重訪軌道與月球軌道運(yùn)動(dòng)發(fā)生“共振”。圖1給出一條典型的地月周期重訪軌道在地心慣性坐標(biāo)系中軌道平面內(nèi)的運(yùn)行軌跡，其在地月會(huì)合坐標(biāo)系(x軸由地心指向月心)中軌道平面內(nèi)的軌跡如圖2所示。從地月會(huì)合坐標(biāo)系來(lái)看，地月周期重訪軌道具有固定的軌跡，并且具有較好的穩(wěn)定性。初步分析，每年軌道維持所需的速度增量不大于30 m/s。工程上可基于此類(lèi)軌道特性，制定地月空間和月球探測(cè)任務(wù)，只要求任務(wù)軌道周期與月球軌道周期之比為1∶2，其它軌道參數(shù)適應(yīng)工程約束即可。

圖1 地心慣性坐標(biāo)系下的地月周期重訪軌道Fig.1 Earth-Moon cycler orbit in geocentric inertial coordinate system

圖2 地月會(huì)合坐標(biāo)系下的地月周期重訪軌道Fig.2 Earth-Moon cycler orbit in Earth-Moon rendezvous coordinate system

3 基于地月周期重訪軌道的空間站系統(tǒng)

基于地月周期重訪軌道的空間站系統(tǒng)(下稱(chēng)地月空間站系統(tǒng))，可由地月空間站、載人飛船和貨運(yùn)飛船3個(gè)基本模塊組成，根據(jù)任務(wù)需要可擴(kuò)展功能和規(guī)模。在航天員、運(yùn)載火箭、測(cè)控、回收等系統(tǒng)的配合下，實(shí)現(xiàn)對(duì)地月空間的科學(xué)探測(cè)以及載人月球、小行星和火星探索。

3.1 地月空間站系統(tǒng)能力分析

初步分析，地月空間站系統(tǒng)具備以下能力:

1)作為太空實(shí)驗(yàn)室，支持科學(xué)研究;

2)可作為超大型空間科學(xué)設(shè)施(如地月拉格朗日點(diǎn)超大口徑天文望遠(yuǎn)鏡等)的組裝、部署、維修及升級(jí)平臺(tái);

3)可作為載人登月航天器組裝、推進(jìn)劑補(bǔ)加和出發(fā)與返回平臺(tái);

4)可作為載人小行星、火星探測(cè)航天器的組裝與出發(fā)平臺(tái);

5)為未來(lái)深空載人長(zhǎng)期飛行驗(yàn)證技術(shù)并積累經(jīng)驗(yàn)。

3.2 地月空間站系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

地月空間站是整個(gè)系統(tǒng)的核心，具備近地空間站常規(guī)功能，配備機(jī)械臂、2～4個(gè)對(duì)接口和1個(gè)氣閘艙;載人飛船用于乘員在地球與地月空間站間往返，具備常規(guī)載人飛船平臺(tái)功能、主動(dòng)交會(huì)對(duì)接功能和第二宇宙速度再入功能;貨運(yùn)飛船完成對(duì)地月空間站的上行貨運(yùn)，支持推進(jìn)劑補(bǔ)加，具備常規(guī)貨運(yùn)飛船平臺(tái)功能、主動(dòng)交會(huì)對(duì)接功能。

地月空間站系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)模式采用類(lèi)似近地空間站的成熟模式，即地月空間站長(zhǎng)期運(yùn)行，載人飛船和貨運(yùn)飛船定期發(fā)射用于人員輪換和補(bǔ)給。地月周期重訪軌道不存在大氣阻力、光照條件良好、熱環(huán)境穩(wěn)定、微流星/空間碎片撞擊概率相對(duì)較小，比近地空間站有更好的運(yùn)行環(huán)境，地月空間站在主要技術(shù)、產(chǎn)品甚至艙段上可以繼承近地空間站的成熟技術(shù)，研制難度低;但由于運(yùn)行軌道上沒(méi)有地球磁場(chǎng)的防護(hù)，地月空間站的空間輻射環(huán)境較近地惡劣，是所有近地以遠(yuǎn)載人空間平臺(tái)、載人深空長(zhǎng)期飛行所面臨的共同問(wèn)題需研究解決。

4 三種近地以遠(yuǎn)空間站初步對(duì)比分析

從任務(wù)支持能力、速度增量需求、空間運(yùn)行環(huán)境、登月任務(wù)等方面對(duì)地月空間站、地月拉格朗日點(diǎn)空間站和月球軌道空間站進(jìn)行了初步對(duì)比分析(表1)。地月空間站和拉格朗日點(diǎn)空間站對(duì)多任務(wù)支持能力相當(dāng)，前者較后者在整個(gè)地月空間可以開(kāi)展更多的空間科學(xué)和應(yīng)用研究，拓展人類(lèi)對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí);月球軌道空間站對(duì)未來(lái)小行星和火星探測(cè)不能提供有效支持。圖3給出了從近地軌道出發(fā)到達(dá)不同位置所需速度增量，部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)［6］，可看出到達(dá)這三種空間站并返回地球所需的速度增量差別較大。對(duì)載人飛船一次往返任務(wù)，拉格朗日點(diǎn)空間站和月球軌道空間站將比地月空間站分別多出約1100 m/s和1500 m/s速度增量，這就意味著同樣重量的飛船去地月空間站可以帶更多有效載荷，或者完成同樣任務(wù)只需較小的運(yùn)載火箭和飛船，因此地月空間站的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)成本最低，而且地月空間站和拉格朗日點(diǎn)空間站的運(yùn)行環(huán)境相當(dāng)，都好于月球軌道空間。綜合比較，地月空間站具有一定的優(yōu)勢(shì)。

5 基于地月空間站系統(tǒng)的載人登月飛行方案設(shè)想

5.1 登月艙功能及特點(diǎn)

地月空間站可作為載人登月航天器組裝、推進(jìn)劑補(bǔ)加和出發(fā)與返回平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)載人登月任務(wù)，需增加登月艙模塊。登月艙具備常規(guī)載人航天器平臺(tái)功能、月面著陸功能、月面任務(wù)支持功能、月面起飛上升功能和交會(huì)對(duì)接功能。

5.2 登月飛行模式

基于地月空間站系統(tǒng)的一種典型載人登月飛行方案如圖4。(1)登月艙由運(yùn)載火箭發(fā)射進(jìn)入地月空間站運(yùn)行的地月周期重訪軌道，自主飛行，在地月周期重訪軌道與地月空間站交會(huì)對(duì)接，共同構(gòu)成組合體;(2)載人飛船由運(yùn)載火箭發(fā)射進(jìn)入地月周期重訪軌道，自主飛行，完成與上述組合體的交會(huì)對(duì)接;(3)登月艙在航天員進(jìn)入后與地月空間站分離;(4)登月艙減速制動(dòng)捕獲月球并降落月面，地月空間站繼續(xù)在地月周期重訪軌道運(yùn)行;(5)完成任務(wù)后，登月艙起飛上升，與地月空間站對(duì)接，航天員返回地月空間站;(6)飛船在航天員進(jìn)入后與地月空間站分離，飛船進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道;(7)在大氣層外，飛船返回艙與服務(wù)艙分離;(8)返回艙降落在陸地或海上。

表1 三種近地以遠(yuǎn)空間站初步對(duì)比分析Table 1 Characteristics and comparison of selected space stations beyond LEO

5.3 登月飛行模式初步分析

圖3 從近地軌道出發(fā)到達(dá)不同位置所需速度增量Fig.3 ΔV requirements for cis-lunar transfers

圖4 基于地月空間站系統(tǒng)的載人登月飛行方案Fig.4 Earth-Moon space Station based lunar exploration systems architecture

根據(jù)前文分析，地月周期重訪軌道的運(yùn)行周期約為1/2個(gè)月球公轉(zhuǎn)周期，在地月周期重訪軌道上的航天器繞地球每運(yùn)行2圈就在遠(yuǎn)地點(diǎn)附近與月球“會(huì)合”，因此基于地月空間站的載人登月任務(wù)每月都有一次落月窗口，即每年可有12次登月機(jī)會(huì)，這一任務(wù)頻率能夠滿(mǎn)足目前各國(guó)研究者提出的所有載人任務(wù)頻率要求。地月周期重訪軌道本身也是一種地月轉(zhuǎn)移軌道，為節(jié)省登月艙的推進(jìn)劑需求，登月任務(wù)中登月艙一般選擇在近地點(diǎn)附近與地月空間站分離，根據(jù)需要進(jìn)行較小速度增量的軌道中途修正后約3～4 d可達(dá)到近月制動(dòng)點(diǎn)，登月艙減速制動(dòng)捕獲月球并降落月面，月面停留時(shí)間約為4 d，其后登月艙起飛與地月空間站對(duì)接。圖3給出了登月艙上、下行速速增量需求，登月艙從地月空間站分離到到達(dá)月面所需速度增量約為2800 m/s，從月面起飛到完成與地月空間站對(duì)接所需速度增量約為3100 m/s。

載人登月是迄今為止最為復(fù)雜的載人航天任務(wù)，即使像“阿波羅”載人登月這種通過(guò)一次發(fā)射來(lái)實(shí)現(xiàn)的任務(wù)，也具有任務(wù)窗口約束多、時(shí)間緊、環(huán)節(jié)多、組織難度大、風(fēng)險(xiǎn)高的顯著特點(diǎn)。從圖4可以看出，在基于地月空間站的載人登月任務(wù)中，地月空間站相當(dāng)于在地月之間設(shè)置了一個(gè)中轉(zhuǎn)站，這樣就可以將一個(gè)類(lèi)“阿波羅”任務(wù)分解為從地球出發(fā)到達(dá)地月空間站并返回地球以及從地月空間站出發(fā)到達(dá)月球并返回地月空間站這樣兩個(gè)在任務(wù)時(shí)間上耦合度比較小的子任務(wù)，具有更大的靈活性和較低的任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。此外，登月艙在完成任務(wù)后要返回地月空間站而不是像“阿波羅”任務(wù)那樣拋棄掉，這樣登月艙可以按可重復(fù)使用來(lái)設(shè)計(jì)，在完成一次登月任務(wù)后通過(guò)推進(jìn)劑補(bǔ)加和檢修可以用于下一次任務(wù)從而可以大幅降低任務(wù)成本。

6 結(jié)論

本文提出了地月空間站系統(tǒng)方案設(shè)想，對(duì)其任務(wù)支持能力和系統(tǒng)組成及特點(diǎn)進(jìn)行了初步分析，地月空間站系統(tǒng)由地月空間站、載人飛船和貨運(yùn)飛船3個(gè)基本模塊組成，在運(yùn)營(yíng)模式、主要技術(shù)、產(chǎn)品甚至艙段上可以繼承近地空間站的成熟技術(shù)，研制難度低。基于地月空間站系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)載人月球探測(cè)任務(wù)，并給出了任務(wù)實(shí)施模式。地月空間站系統(tǒng)方案，能夠克服類(lèi)“阿波羅”載人登月方案任務(wù)目標(biāo)相對(duì)單一、任務(wù)組織難度大且不易調(diào)整的不足，不僅能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)載人地月空間及月球的科學(xué)探測(cè)，也能夠?yàn)閷?lái)載人小行星及火星探測(cè)提供技術(shù)支持，為未來(lái)近地以遠(yuǎn)的載人空間探測(cè)提供一種新的技術(shù)途徑選擇。

［1］ Robert C，Seamans J.Project Apollo the tough decisions［R］.NASA SP-2005-4537.

［2］ Stanley D，Cook S，Connolly J，et al.Exploration systems architecture study［R］.NASA TM-2005-214062，November，2005.

［3］ Robertson E，Geffre J，Joosten K，et al.Lunararchitecturefocused trade study final report［R］.ESMD-RQ-0005，04 February 2005.

［4］ Lunar L1 gateway conceptual design report，EX15-01-001［N/OL］.http://history.nasa.gov/DPT/DPT.htm.

［5］ Thronson HA，Lester DF，Moe R，et al.Review of US concepts for post-ISS space habitation facilities and future operations［C］.AIAA Space 2010.Washington，D.C.:Manuscript 818583，2010.

［6］ Santovincenzo A，Thomas U，Khna M，et al.Architecture study for sustainable lunar exploration［R］.CDF Study Report:CDF-33(A)December，2004.

［7］ Farquhar RW.A new trajectory concept for exploring the earth’s geomagnetictail［R］.AIAA-80-0112.