俄羅斯載人月球探測計劃最新進(jìn)展

苑藝 何慧東（北京空間科技信息研究所）

1 俄羅斯載人航天活動主要目標(biāo)

俄羅斯載人航天領(lǐng)域近期和中期目標(biāo)是根據(jù)《2030年前及未來俄羅斯航天發(fā)展準(zhǔn)則》建立先進(jìn)的載人航天綜合系統(tǒng)，主要致力于解決兩個基本問題。

1）完成“國際空間站”俄羅斯艙段的建造工作，并確保其能夠得到高效利用，同時擴(kuò)大低地球軌道的科學(xué)應(yīng)用研究。

2）建設(shè)先進(jìn)的載人運輸系統(tǒng)和空間基礎(chǔ)設(shè)施，確保在2030年左右實現(xiàn)繞月軌道以及月球的載人飛行。

2 低地球軌道載人航天活動

俄羅斯計劃向“國際空間站”補充發(fā)射3個新艙段：科學(xué)號（Nauka）多功能實驗艙（MLM，2020年）、碼頭號（Prichal）節(jié)點艙（UM，2021年）以及科學(xué)-動力艙（HEM，2022年）。通過擴(kuò)大俄羅斯艙段的規(guī)模，在“國際空間站”艙內(nèi)和艙外開展更加廣泛的科學(xué)研究。同時，俄羅斯正與國際伙伴商討將“國際空間站”延期運營到2028－2030年的可行性。

俄羅斯軌道站外形圖

在“國際空間站”退役后，俄羅斯計劃采取合適的解決方案，在新艙段的基礎(chǔ)上建立俄羅斯軌道站（ROS）。

3 載人月球探測計劃路線圖

俄羅斯為實現(xiàn)月球計劃，分階段開展月球探測工作。

第一階段：利用無人探測器進(jìn)行月球探測，進(jìn)行設(shè)備和技術(shù)的研發(fā)，利用“國際空間站”驗證載人飛船，實現(xiàn)繞月飛行并建立有人照料繞月站。根據(jù)計劃，2021年起，先后發(fā)射月球－25、26、27和28（Luna－25、26、27和28）無人探測器，開展月球研究，并為建立月球試驗場和載人月球飛行做準(zhǔn)備。

第二階段：研制可以抵達(dá)月球表面的設(shè)備，利用有人照料繞月站將首批月球考察隊送往月球，在月球表面建立和部署月球基地的首批組件。

第三階段：建立和開發(fā)有人照料的月球基地，研制有人和無人兩種模式結(jié)合的綜合系統(tǒng)，開展月球研究和探索活動。

4 月球探測系統(tǒng)

月球軌道和月球表面基礎(chǔ)設(shè)施

俄羅斯綜合利用無人和有人兩種方式開展月球探索和研究活動，相關(guān)設(shè)施均納入月球軌道和月球表面基礎(chǔ)設(shè)施，具體包括以下幾個部分。

1）通信和導(dǎo)航衛(wèi)星：為無人和有人月球探測活動提供通信和導(dǎo)航服務(wù)。

俄羅斯月球計劃重要節(jié)點

月球軌道和月球表面基礎(chǔ)設(shè)施圖

2）自主探測器：載人登月前，對特定區(qū)域進(jìn)行探測，同時深入開展月球研究。

3）繞月站：作為月球探測活動的中轉(zhuǎn)站，為可重復(fù)使用裝置，在繞月軌道與載人飛船和月球著陸上升器對接，解除進(jìn)入月球表面的限制。繞月站可確?？疾礻犜谠虑虮砻娉掷m(xù)停留超過3天，同時可支持開發(fā)從月球飛向更遠(yuǎn)深空的技術(shù)。

4）月球著陸上升器：繞月站和月球表面之間的往返運輸工具，實現(xiàn)人員、科學(xué)設(shè)備、樣品的運輸，確保人員在月球表面開展工作。

5）月球基地：包括基礎(chǔ)艙、動力艙、實驗艙等?；A(chǔ)艙可支持航天員在月球表面開展長期考察任務(wù)；動力艙為月球基地自主電站；實驗艙配備相關(guān)科學(xué)設(shè)備，可開展科學(xué)實驗和研究。同時，月球基地具備與月球車對接的能力，還能夠支持出艙活動。

6）自動推進(jìn)艙：即月球車，可協(xié)助航天員在月球表面移動，能夠自主收集樣本，航天員不需出艙即可開展相關(guān)活動。

有人照料繞月站

月球計劃運輸系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分

月球探索的第一步可能是建立有人照料繞月站。目前，俄羅斯正在探討在繞月軌道上建立有人照料平臺的概念。俄羅斯計劃以“國際空間站”俄羅斯部分艙段（節(jié)點艙和科學(xué)-動力艙）為基礎(chǔ)，同時結(jié)合聯(lián)邦號飛船的發(fā)動機(jī)裝置，研制繞月站的基礎(chǔ)艙段。

運輸系統(tǒng)

為實現(xiàn)月球探測目標(biāo)，同時兼顧低地球軌道載人航天任務(wù)需要，俄羅斯計劃研制相關(guān)運輸系統(tǒng)，包括超重型運載火箭、軌道間牽引器、聯(lián)盟－5（Soyuz－5）中型運載火箭、新一代載人飛船——聯(lián)邦號載人飛船等。為了在月球表面勘測，還需要研制月球著陸上升器。

（1）超重型運載火箭和軌道間牽引器

俄羅斯計劃為載人月球探測任務(wù)研制超重型運載火箭，火箭200km圓軌道運載能力不低于88t。

同時，研制軌道間牽引器，KVTK型軌道間牽引器將提供飛離推力，DM型軌道間牽引器將用于確保助推加速。

（2）聯(lián)盟－5運載火箭

聯(lián)邦號飛船將在低地球軌道開展一系列試驗任務(wù)，使用聯(lián)盟－5中型運載火箭發(fā)射入軌。

聯(lián)盟－5火箭采用兩級串聯(lián)構(gòu)型，使用液氧/煤油推進(jìn)劑。火箭一級采用RD－171MV發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)是RD－171M的改進(jìn)型，后者應(yīng)用于“天頂”（Zenit）運載火箭，并通過多年的飛行證明了自身的高效性和可靠性；火箭二級采用RD－0124MS發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)是在RD－0124的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的，后者應(yīng)用于聯(lián)盟－2.1b運載火箭。

為確保聯(lián)邦號載人飛船發(fā)射和與“國際空間站”對接，俄羅斯計劃在拜科努爾航天發(fā)射中心對“天頂”火箭的地面基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改造，使其可用于聯(lián)盟－5火箭的發(fā)射。

聯(lián)盟－5運載火箭技術(shù)參數(shù)

（3）聯(lián)邦號載人飛船

俄羅斯聯(lián)邦號飛船主要用于月球探測任務(wù)，并能夠完成低地球軌道空間站的技術(shù)維護(hù)，能夠自主開展空間實驗和研究。飛船發(fā)射質(zhì)量為20t，在短期向月飛行時，飛船可重復(fù)使用10次；在與繞月軌道站對接進(jìn)行長期飛行時，飛船可重復(fù)使用不少于3次。聯(lián)邦號飛船最多可搭載4人，可在軌自主飛行近30天，也可停靠在空間站上在軌駐留近1年的時間。

聯(lián)邦號飛船頭部以暴露的形式安裝在運載火箭頂部，承擔(dān)整流罩的功能；使用兩級火箭緊急逃逸系統(tǒng)，保障乘組人員在整個入軌階段的安全；采用了實用新型結(jié)構(gòu)材料和熱防護(hù)材料，改善飛船的性能（合金材料強度將增加1.2～1.5倍，熱防護(hù)材料使用碳纖維材料和三層設(shè)計，材料密度是“聯(lián)盟”飛船的1/3）；依靠起落架系統(tǒng)實現(xiàn)垂直軟著陸，保障飛船能夠重復(fù)使用。飛船的通信、導(dǎo)航和定位通過衛(wèi)星實時完成，“射線”（Luch）中繼衛(wèi)星以及控制回路能夠以統(tǒng)一的數(shù)字格式對運行在地球軌道的載人飛船進(jìn)行控制。

聯(lián)邦號飛船結(jié)構(gòu)示意圖

聯(lián)邦號飛船空間較大，在長期飛行中航天員可以完全伸直雙腿并能在失重條件下全身站立，飛船艙內(nèi)還配備了全新用復(fù)合材料制作的座椅，預(yù)計每個座椅可以節(jié)約15～20kg的質(zhì)量。同時，飛船上能儲備大量的食物和水，還配備舒適的衛(wèi)生間和污水處理裝置。

測控系統(tǒng)

聯(lián)邦號飛船在飛往月球的過程中計劃利用S頻段和X頻段實現(xiàn)大量控制指令、文件、遙測信息、電視信號、電話通信，以及導(dǎo)航參數(shù)實時變化信息的收發(fā)。

導(dǎo)航系統(tǒng)

飛行過程中，計劃通過飛船自身導(dǎo)航裝置和導(dǎo)航衛(wèi)星共同解決導(dǎo)航問題。對于導(dǎo)航衛(wèi)星建議分3個階段開展相關(guān)工作：第一階段，利用現(xiàn)有在軌衛(wèi)星；第二階段，對低地球軌道衛(wèi)星進(jìn)行升級改造；第三階段，建立先進(jìn)的繞月軌道導(dǎo)航衛(wèi)星集群。

其他關(guān)鍵技術(shù)

機(jī)器人技術(shù)是俄羅斯發(fā)展的最具有前景的技術(shù)之一。目前，“國際空間站”俄羅斯艙段正在開發(fā)名為“貨物起重臂”的機(jī)械操縱裝置。作為多功能實驗艙的一部分，“歐洲機(jī)械臂”（ERA）將被送入軌道。科學(xué)-動力艙將載有自動重新對接電子機(jī)械操縱裝置。

俄羅斯目前開展的空間機(jī)器人技術(shù)有：“太空機(jī)器人”（Kosmorobot）項目，研制可用于在科學(xué)-動力艙外表面執(zhí)行裝配、維修及其他技術(shù)操作的自動裝置；“可視機(jī)器人”（Teledroid）項目，研制可在“國際空間站”俄羅斯艙段外表面進(jìn)行局部維修的仿真機(jī)器人；“測試員”（Tester）項目，研制可在載人飛船內(nèi)和“國際空間站”俄羅斯艙段執(zhí)行工作的自主機(jī)器人。

聯(lián)邦號載人飛船的通信保障

太空機(jī)器人技術(shù)項目

此外，為確保提升質(zhì)量和可靠性，同時降低火箭航天技術(shù)產(chǎn)品的研制成本，能源火箭航天集團(tuán)計劃引入數(shù)字化生產(chǎn)，可帶來如下益處：工藝基準(zhǔn)可為端到端產(chǎn)品開發(fā)提供統(tǒng)一的環(huán)境；能夠以電子形式發(fā)布新產(chǎn)品的施工設(shè)計文件；利用3D技術(shù)建模；擴(kuò)大計算機(jī)建模的應(yīng)用，從而降低實際加工量。

5 結(jié)束語

現(xiàn)階段，俄羅斯利用“國際空間站”開發(fā)飛往月球及更遠(yuǎn)深空的相關(guān)技術(shù)，同時，著手制定關(guān)于月球探索和研究的一系列國家專項規(guī)劃，包括開發(fā)先進(jìn)的航天運輸系統(tǒng)，以及月球著陸上升和貨運綜合系統(tǒng)。

未來，俄羅斯載人月球探測活動需要就本國計劃與國際合作計劃進(jìn)行深入研究，解決與國際伙伴共同開展月球探測活動所面臨的諸多重要問題。