新一代載人月面著陸器發(fā)展趨勢研究

張有山，果琳麗，王 平，陳仁文

(1.南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，江蘇南京210016;2.中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京100094)

1 引言

月球探測是人類進行太陽系空間探測的開端，能促進人類對月球、地球和太陽系的認識［1］。與各種探測形式相比，身臨其境的載人探測能獲得更多對月球直觀的了解，更好、更快的達到探測目的。

作為載人探月中的一個十分重要的組成部分，載人月面著陸器擔(dān)負著將航天員安全送達月面、為月面活動提供支持并將航天員安全撤離月面的使命。月面著陸器的相關(guān)能力直接決定了月表可達范圍及月面活動的時間，相應(yīng)影響了科學(xué)探測的結(jié)果，因此高性能月面著陸器的研究對整個載人探月任務(wù)的成功，以及獲取更多科學(xué)回報關(guān)系重大。本文對已有載人月面著陸器的相關(guān)情況進行了研究，并總結(jié)出隨著載人探月任務(wù)需求的發(fā)展，新一代載人月面著陸器應(yīng)具備的功能、特點。

2 國外載人月面著陸器研究發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 早期載人月面著陸器

20世紀(jì)60年代到70年代，美國、蘇聯(lián)兩個超級大國開展太空軍備競賽，催生了各自的載人登月計劃，最終美國的阿波羅計劃率先成功實施，而蘇聯(lián)由于運載火箭的多次實驗失敗，其載人登月計劃最終擱淺。雖然最終結(jié)果不同，但兩國都對載人登月的關(guān)鍵技術(shù)投入了大量的人力物力進行研究，載人月面著陸器更是研究的重點［2，3］。

2.1.1 阿波羅計劃著陸器

美國的阿波羅計劃是目前唯一一個成功將人類送上月球的探月任務(wù)。在整個計劃實施期間，總共進行了7次載人登月飛行(其中6次成功，1次失敗)。6次成功的載人登月中，進行了多項重要的科學(xué)實驗，得到大量寶貴的數(shù)據(jù)及經(jīng)驗［4］，圖1所示為阿波羅登月艙外觀。

圖1 阿波羅登月艙Fig.1 Lunar Module(LM)

阿波羅登月艙(Lunar Module，LM)在飛行任務(wù)中完成的工作有［5］:

1)將兩名航天員從月球軌道送到月面;

2)支持月球上的艙外活動及各項科學(xué)實驗;

3)將航天員和所采集的月球樣品運送月球軌道上，與指令服務(wù)艙(Command and Service Module，CSM)完成對接。

阿波羅登月艙由上升級和下降級組成，上升級、下降級獨立，級間由爆炸螺栓連接，整個著陸器由4根可收縮的懸臂式著陸腿支撐，飛行期間這4根支柱都收起來。

上升級為著陸器主體，主要由航天員座艙、返回發(fā)動機、推進劑貯箱、儀器艙和控制系統(tǒng)組成，航天員座艙可容納2名航天員，有導(dǎo)航、控制、通信、生命保障和電源等設(shè)備［6］。上升級與下降級各有一套發(fā)動機系統(tǒng)。上升級在完成月面任務(wù)后與下降級脫離，帶著上升級密封艙返回環(huán)月軌道。下降級是著陸器的無人部分，由著陸發(fā)動機、4條著陸腿和4個儀器艙組成。下降級負責(zé)在著陸器下降過程中提供減速、機動等能力。阿波羅登月艙的部分參數(shù)如表1所示。

表1 阿波羅登月艙參數(shù)［2］Table 1 Parameters of Lunar Module

2.1.2 “N1-L3”計劃登月艙

為應(yīng)對美國的阿波羅計劃，1964年8月，蘇聯(lián)政府提出了自己的載人登月計劃。但由于用于載人登月的運載火箭一直實驗失敗，在阿波羅11號成功實現(xiàn)載人登月后，蘇聯(lián)不得不取消了自己的載人登月計劃，因此L3登月系統(tǒng)沒能得到飛上月球的機會［2］。

圖2 L3登月系統(tǒng)著陸假想圖Fig.2 Imagination of L3 landing system

在計劃中，L3登月系統(tǒng)的任務(wù)包括完成航天員從環(huán)月軌道降至月面以及月面任務(wù)完成后把航天員從月面帶回至環(huán)月軌道與繞月飛行器對接。L3登月系統(tǒng)采用單艙構(gòu)形，在著陸下降過程中提供主要減速動力的是運載火箭的末級(Block D)，L3登月系統(tǒng)自身攜帶1臺變推力發(fā)動機(RD-858)作為主份發(fā)動機、2臺常推力發(fā)動機(RD-859)作為輔助發(fā)動機，只負責(zé)在下降段末期提供機動能力以及較少的減速動力。在月面任務(wù)結(jié)束后，密封艙與著陸月面裝置脫離，L3登月系統(tǒng)著陸發(fā)動機再次點火，作為上升動力使用［2］。圖2為計劃中的L3登月系統(tǒng)著陸假想圖，表2為著陸系統(tǒng)的部分設(shè)計參數(shù)。

表2 L3登月系統(tǒng)部分參數(shù)Table 2 Parameters of L3 landing system

2.2 新一代載人月面著陸器

根據(jù)重返月球計劃，NASA計劃于2018年再次實現(xiàn)載人登月。早在方案論證的初期，其團隊便確定了月面著陸器的基本方案，即采用類似于阿波羅計劃的LM兩級縱向分布結(jié)構(gòu)［7］。

2007年12月，NASA將新的載人月面著陸器正式命名為牽牛星號(Altair)，并將其作為重返月球的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在2010年奧巴馬總統(tǒng)宣布計劃停止前，相關(guān)部門已完成了對著陸器的多次論證，論證內(nèi)容包括用于短期載人著陸，包含上升級、下降級以及氣閘艙三部分的著陸器，以及月球基地型著陸器和貨運著陸器。月球基地型著陸器用于未來執(zhí)行210天的月球基地任務(wù)，不帶氣閘艙;貨運著陸器是用于貨運的無人飛行器，沒有上升級和氣閘艙［7］，對應(yīng)著陸器的三種構(gòu)型如圖3所示，部分參數(shù)如表3所示。

表3 牽牛星號月面著陸器參數(shù)Table 3 Parameters of Altair

兩種載人著陸器的奔月主要采用近地軌道對接的方式，即ARES-I和ARES-V分別發(fā)射載人飛船和月面著陸器，并進行近地軌道對接，共同飛向月球。進入環(huán)月軌道后二者分離，月面著陸器下降至月球，載人飛船留在環(huán)月軌道，月面著陸器完成月表任務(wù)后，其上升級起飛并進入環(huán)月軌道與載人飛船對接，再由載人飛船將航天員送回地球。其中，地月轉(zhuǎn)移段軌道修正和近月制動均由月面著陸器完成。

圖3 牽牛星號月面著陸器的三種構(gòu)型Fig.3 Configurations of Altair

表4 阿波羅與牽牛星月面著陸器需求比較Table 4 Requirements compare between Apollo LM and Altair

2.3 兩代載人月面著陸器需求的比較

根據(jù)NASA重返月球計劃的任務(wù)需求，新的載人探月任務(wù)要求Altair月面著陸器需具有以下能力［8］:①全月面到達;②可以支持航天員在月面活動更長的時間;③可以在任意時間返回。

全月面到達和可支持更長時間的月面活動意味著航天員能夠到月面更多緯度區(qū)域的更大范圍進行探索，能對月球有更全面、直觀的了解。可以在任意時間返回保證航天員在執(zhí)行月面任務(wù)過程中遇到緊急情況時能及時撤離，最大限度保證航天員的安全。

阿波羅與星座計劃中著陸器任務(wù)方案比較如表4［8］。

通過上述對比可以看出，作為新一代的載人月面著陸器，Altair除了在著陸能力上要求更高外，其要經(jīng)歷的月面熱環(huán)境也更嚴(yán)酷，對航天員的保護能力、自主性的要求也在提高，此外，還考慮了后續(xù)探測任務(wù)可延續(xù)性等。作為當(dāng)前最先進的載人月面著陸器，Altair的任務(wù)需求在一定程度上代表了對新一代載人月面著陸器的要求。

3 新一代載人月面著陸器發(fā)展趨勢分析

相比于40多年前阿波羅計劃探月時期，科學(xué)技術(shù)顯著發(fā)展，對載人探月科學(xué)回報要求也相應(yīng)提高。新一代載人月面著陸器除了要把航天員安全送上月球以外，還需具備更強大的能力，這些功能既是滿足發(fā)展新一代載人月面著陸器的任務(wù)需求，也代表了其今后發(fā)展的趨勢。

1)多乘員運載能力

阿波羅任務(wù)中，參與飛行的三位航天員只有兩名著陸到月面，另一名留守在月球軌道的CSM中。新一輪的探測任務(wù)中，留在月球軌道的飛行器將具備自主飛行的能力，因此所有的航天員便都可以進行著陸，一起著陸到月面的航天員可能是4個甚至6個［8］，在人數(shù)充足的情況下就可以根據(jù)航天員的狀況分批、結(jié)組進行月面活動。當(dāng)一組人員執(zhí)行月面任務(wù)時，另一組人員休息、提供月面活動支持或是在月面著陸器內(nèi)進行一些艙內(nèi)實驗。這樣一方面減小了航天員的工作強度，另一方面還能更充分的利用著陸這段時間完成更多的工作。

2)全月面到達能力

受活動能力和任務(wù)時間的限制，航天員只能對著陸點附近的區(qū)域進行探測［9］，因此想要獲得更多區(qū)域的實地探測數(shù)據(jù)就要求著陸器有在更多區(qū)域進行著陸的能力。隨著對探測任務(wù)科學(xué)回報要求的提高，也就使得人們不再滿足于只在月球赤道附近著陸，具有全月面到達能力必定是新一代載人月面著陸器發(fā)展的趨勢。

3)長時間執(zhí)行任務(wù)與任意時間返回能力

除了多搭載乘員提高時間利用率和全月面到達以增加探測樣本點，另一個能直接提高科學(xué)回報的方法就是延長任務(wù)持續(xù)時間，美國對Altair月面著陸器短期任務(wù)提出的要求是在月面工作7天。在月面上停留的時間越長，需要的消耗品也就越多，同時也就需要長時間的應(yīng)對月面上的惡劣環(huán)境，一些難以預(yù)料的事件很可能導(dǎo)致任務(wù)無法繼續(xù)，為了最大限度保證航天員的安全，需要對長時間月面活動的防護技術(shù)進行研究，并且月面著陸器需具有隨時起飛并返回地球的能力。

4)任務(wù)可持續(xù)發(fā)展及功能模塊化能力

在制定阿波羅計劃時，沒有特別關(guān)注載人月面著陸器的后續(xù)發(fā)展性和可擴展性，導(dǎo)致開展新的登月計劃時可繼承的技術(shù)有限，仍然需要投入大量的人力物力來開發(fā)新技術(shù)［10］。因此在設(shè)計新一代載人月面著陸器時，要同時考慮后續(xù)的無人、有人月球基地任務(wù)，載人探火星任務(wù)，使其具備良好的可擴展、升級的性能，以求能為后續(xù)任務(wù)提供可靠、成熟的技術(shù)，節(jié)省資金投入、縮短研制周期。

考慮任務(wù)的可持續(xù)發(fā)展，可以將載人月面著陸器進行模塊化設(shè)計，比如Altair月球基地型著陸器可以不帶氣閘艙，貨運型著陸器則上升級和氣閘艙都不帶。因此，新一代載人月面著陸器各部分應(yīng)相互獨立，以實現(xiàn)同一平臺經(jīng)不同組合即可滿足新的任務(wù)需求。

4 發(fā)展新一代載人月面著陸器需攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)

在發(fā)展新一代載人月面著陸器的初期，就應(yīng)充分重視其發(fā)展規(guī)律，借鑒已有探月工程的成熟技術(shù)和美國、蘇聯(lián)早期載人月面著陸器的研制經(jīng)驗，同時考慮支持后續(xù)任務(wù)的功能升級、更新。對應(yīng)于新一代載人月面著陸器的發(fā)展趨勢要求，已有技術(shù)還無法滿足全部要求，一批關(guān)鍵技術(shù)還要繼續(xù)攻關(guān)。

1)先進的推進和動力技術(shù)

新一代載人月面著陸器所承擔(dān)的變軌任務(wù)可能會更多［11］，同時還要具有任意時間返回的能力，也就是要求月面著陸器的發(fā)動機推力更大、點火時間更長、點火次數(shù)更多。但受限于運載技術(shù)的發(fā)展，月面著陸器的總質(zhì)量不能過大，因此可能需要使用高比沖、低質(zhì)量的低溫推進劑。目前低溫推進劑的長時間在軌儲存問題可采用被動蒸發(fā)量控制和主動蒸發(fā)量控制兩種方式來應(yīng)對，從國外發(fā)展來看，被動蒸發(fā)量控制技術(shù)已具備工程應(yīng)用的條件，主動蒸發(fā)量控制技術(shù)還無法應(yīng)用于工程實踐中［12］。

大推力、高變化范圍的變推力發(fā)動機是載人月面著陸器下降發(fā)級動機的重要方式。在美國的阿波羅工程中，著陸器選擇了最大推力為46.7 kN，最大可變范圍為10:1的變推力發(fā)動機。在“重返月球”計劃中，也將采用最大推力82.9 kN，變推比10:1的變推力發(fā)動機［2］。為保證探月任務(wù)的順利完成，大推力和高變化范圍變推力發(fā)動機的設(shè)計與生產(chǎn)將是一個必需完成的任務(wù)。

2)輕量化結(jié)構(gòu)技術(shù)

相比于其他的探測器，載人月面著陸器規(guī)模龐大，若采用以往的材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計勢必加大發(fā)射的難度，因此要開展對輕量化結(jié)構(gòu)的研究。

在開展研究時，應(yīng)借鑒國內(nèi)外先進材料、機構(gòu)結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想，深挖現(xiàn)有技術(shù)工藝的結(jié)構(gòu)潛能。開展先進輕質(zhì)合金材料基本性能研究和性能優(yōu)化工作，研究對輕質(zhì)合金材料結(jié)構(gòu)件精密成形工藝、機械加工工藝、焊接工藝、熱處理工藝及表面處理工藝等，在保證強度要求的基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)進行輕量化處理。

3)自主障礙檢測技術(shù)

軟著陸的成功率直接決定了航天員的生存率。阿波羅任務(wù)中月面著陸器在著陸的最后階段，航天員通過艙體上的舷窗對月面進行觀察，控制著陸器規(guī)避障礙［13］。這種方法要求著陸時的光照條件需比較理想，但在實際任務(wù)中航天員反映說很難分辨出月面上平緩的隕石坑，而且隨著著陸器接近月球，月面上的揚塵會對視線造成很大影響。阿波羅15號在著陸后就發(fā)現(xiàn)著陸器傾斜11°，距最大允許值只有1°之差，險些造成災(zāi)難性后果［13］。因此研究新的自主障礙檢測技術(shù)，減小著陸時對光照條件的依賴和月塵的影響，提高障礙的識別速度及準(zhǔn)確性，對于載人月面著陸器的安全有十分重要的意義。

4)高承載著陸緩沖技術(shù)

新一代載人月面著陸器在著陸時規(guī)模比以前龐大，著陸的質(zhì)量也相應(yīng)增加。現(xiàn)有的著陸緩沖著陸技術(shù)可能無法保證如此大質(zhì)量著陸器的安全，因此需要對著陸腿強度及結(jié)構(gòu)進行進一步的研究，發(fā)展效率更高，姿態(tài)控制能力更強，相對尺寸更小的著陸緩沖技術(shù)，以保證著陸器的安全。

另外，考慮到后續(xù)的著陸任務(wù)，新一代月面著陸器的著陸腿將可能不只是用于支撐著陸器，通過設(shè)計新型的著陸結(jié)構(gòu)，使下降級具備一定的移動能力，將會使著陸器對以后的任務(wù)提供更多支持。

5)防月塵技術(shù)

在阿波羅任務(wù)之前，人們對月塵知之甚少，最大的擔(dān)心是月塵會不會導(dǎo)致著陸器或是航天員陷進去。在經(jīng)歷阿波羅任務(wù)中月塵給航天員健康以及著陸器儀器帶來的傷害后，人們才對它有了更正確的認識［14，15］。

氣閘艙的使用只是在空間上對月塵與工作區(qū)進行了隔離，在著陸器內(nèi)部對月塵進行處理也只是月塵防護工作的一小部分。由于航天員在月面工作過程中與月塵接觸最多［8］，因此在研究月塵防護時，應(yīng)針對其易吸附的特性開展，減少其在宇航服及其他器材上的附著量。

5 結(jié)束語

本文在分析早期與新一代國外載人月面著陸器發(fā)展情況的基礎(chǔ)上，總結(jié)了新一代載人月面著陸器的任務(wù)需求及其發(fā)展趨勢，并對發(fā)展新一代載人月面著陸器時應(yīng)注意的問題進行了分析，提出新一代月面著陸器要攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。其中推力與動力技術(shù)的研究對著陸器總體方案及后續(xù)其他技術(shù)方案的確定有很大的影響，應(yīng)盡早開展。高承載著陸緩沖技術(shù)、熱控技術(shù)、多次出艙支持技術(shù)及防月塵技術(shù)等是由探月任務(wù)特點而引進的技術(shù)，也應(yīng)制定合理研究計劃，以保證載人登月任務(wù)按時完成。

新一代月面著陸器必將沿著乘員人數(shù)多、月表可達能力高、任務(wù)時間持續(xù)時間長、系統(tǒng)可擴展及航天員安全性高的趨勢發(fā)展，因此我國應(yīng)在已有探月成果的基礎(chǔ)上，瞄準(zhǔn)方向，著重發(fā)展相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，以在今后的載人探月活動中占據(jù)主要地位。

［1］歐陽自遠.我國月球探測的總體科學(xué)目標(biāo)與發(fā)展戰(zhàn)略［J］.地球科學(xué)進展，2004(3):7-14.

［2］李斌，丁豐年，張小平.載人登月推進系統(tǒng)［M］.北京:中國宇航出版社，2011.

［3］鄧連印，崔乃剛.月球探測發(fā)展歷程及啟示［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版).2008，10(3):14-19.

［4］沈祖煒.阿波羅登月艙最終下降及著陸綜述［J］.航天返回與遙感，2008，29(1):11-14.

［5］T.Kelly.A Review of the Apollo Lunar Module Program and Its Lessons for Future Space Missions［C］//Space Program and Technologies Conference，Huntsville:AIAA，1990.

［6］Thomas J.Kelly.Manned lunar lander design—the project A-pollo lunar module(lm)［C］//Space Programs and Technologies Conference，Huntsville:AIAA，1992.

［7］Kathleen C.Laurini，John F.Connolly.Altair Lunar Lander Development Status: EnablingLunarExploration［R］.20090035549，American，Johnson Space Center，2009.

［8］Marc M.Cohen.From Apollo LM to Altair:Design，Environments，Infrastructure，Missions，and Operations［C］//AIAA SPACE 2009 Conference＆ Exposition.Pasadena，California:AIAA，2009.

［9］Neal Valerie，Shields Nicholas Jr，Carr Gerald P，etc.Advanced extravehicular activity systems requirements definition study.Phase 2 Extravehicular activity at a lunar base［R］.19890010438，American，NASA，1989.

［10］Rhatigan Jennifer，Neubek，Deborah J，ect.Constellation Program Lessons Learned［R］.20110015803，American，Jonson Space Center，2011.

［11］Peng Jing，Liu Zhongyao，Zhang He.Conceptual Design of A Lunar Lander［J］.SPACECRAFT ENGINEERING，2008，17(1).

［12］胡偉峰，申麟，彭小波，等.低溫推進劑長時間在軌的蒸發(fā)量控制關(guān)鍵技術(shù)分析［J］.低溫工程，2011(3):59-66.

［13］Tye Brady，Edward Robertson，Chirold Epp，etc.Hazard Detection Methods for Lunar Landing［C］//Houston:NASA，Johnson Space Center，2009.

［14］葉培建，肖福根.月球探測工程中的月球環(huán)境問題.航天器環(huán)境工程［J］.2006(1):5-15.

［15］沈羨云.載人登月的危險因素—月塵［J］.中國航天，2011(5):31-37.