月面大范圍探測功能需求分析及其研究現(xiàn)狀

田亞駿，張 明*，林 輕

(1. 南京航空航天大學(xué)大學(xué)飛行器先進設(shè)計技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，南京210016；2. 上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109)

1 引言

在美國公布重返月球計劃后，俄羅斯和歐洲航天大國相繼提出載人探月和建立月球基地的計劃，隨后日本與印度也相繼提出獨立開展載人航天與探月計劃。 隨著各國載人航天計劃由近地軌道向太空深處延伸，在未來的二三十年，載人探月將成為世界各航天大國競爭和角逐的熱點。

中國探月工程近、遠期規(guī)劃分別為無人月球探測、載人登月和建立月球基地3 個階段，其中近期階段又分成繞、落、回三步走。 目前，前兩步已經(jīng)順利完成，第三步也在有條不紊地進行[1]。 中國載人登月論證正處于探索預(yù)研階段，現(xiàn)有的月面交通工具任務(wù)模式及活動形式較為單一，月面活動能力較弱，為配合后續(xù)月球基地建設(shè)方案論證，進一步擴大月面探測范圍，急需進行月面大范圍探測系統(tǒng)方案論證研究。

根據(jù)美國以往經(jīng)驗，在現(xiàn)階段月面活動中，近距離采取航天員月面行走，遠距離采取月球車移動方案，月面地形及月面交通工具能源等因素對月面活動能力和范圍有著很大的影響和限制。 未來月球基地的建設(shè)及月球全面科考探測亦需要一種探測范圍大、探測能力強且經(jīng)濟高效的月面探測系統(tǒng)。 月面探測能力直接決定了月表可達范圍及月面活動時間，會相應(yīng)影響科學(xué)探索的結(jié)果，因此高性能的月面探測系統(tǒng)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。

本文對月面大范圍探測任務(wù)進行功能需求分析，在此基礎(chǔ)上對典型的Apollo 月球車和其他行星探測器進行對比分析，得出中國月面大范圍探測的可取方案。

2 需求分析

2.1 任務(wù)需求分析

2.1.1 月面大范圍探測需求

現(xiàn)有月面活動支持系統(tǒng)由于受各種因素約束，探測范圍較小。 一般來說，探測的范圍越大，獲得的探測價值越多；月球科學(xué)研究亦有大范圍探測需求，譬如月震儀的安裝，多個月震儀安裝基線距離越遠，安裝個數(shù)越多，對獲取月震相關(guān)數(shù)據(jù)精確度有很大的提高。 因此需要研制一種探測范圍較大的月面交通工具。

2.1.2 月球表面運輸需求

未來月球基地可能將以分散化、多據(jù)點的模式建立，各月球基地間存在物資相互運輸?shù)男枨?，同時月球基地有轉(zhuǎn)移或重建的需求，急需一種經(jīng)濟便捷、貨物承載量大的大范圍月面交通工具進行月面間貨物運輸。

2.1.3 月球特殊環(huán)境探測需求

月面特殊環(huán)境中最突出的便是月坑，月坑遍布月球表面，一般具有特殊科研價值和豐富的水冰資源等，因此月坑的探測在月面活動中具有現(xiàn)實意義。 大型月坑一般直徑在50 km 以上，深度(月坑壁頂端到月坑底部垂直距離)在2 km 以上，高度(月坑壁到月面垂直距離)在1 km 以上，最大落差可達7 km；小型月坑直徑一般不超過10 km，深度在1 km以上，高度為500 m[2]。 現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的最大月坑，直徑長達1300 km，對各種月坑進行全方位科研探索，現(xiàn)有月球車很難滿足要求，需要研制一種不受坡度約束的大范圍月面交通工具。

2.1.4 月面緊急救援需求

航天員的安全是月球探測任務(wù)的重中之重，航天員外出執(zhí)行任務(wù)需要緊急撤回基地，各月球基地之間需要搶險救援等，急需研制一種快速反應(yīng)的大范圍救援月面交通工具。

2.2 功能需求分析

根據(jù)2.1 節(jié)任務(wù)需求的分析，初步可以得到月面大范圍探測系統(tǒng)需要完成各項任務(wù)所需具備的功能。

2.2.1 千公里級的大范圍探測能力

未來載人探月需要對月球資源和地質(zhì)調(diào)查進行大范圍的探測，同時未來的月球基地可能是多點分布式建設(shè)(譬如月球探測前哨站等)，因此需要一種具備大范圍探測能力的交通工具。 但是，現(xiàn)有的月面交通工具探測范圍只有幾十千米量級，為了獲得更多的月球探測價值，月面探測能力需要跨越式發(fā)展，將其探測范圍擴大至103千米量級。

2.2.2 快速響應(yīng)的強探測能力

很多月面探測任務(wù)、貨運任務(wù)甚至救援任務(wù)有一定的時間強約束，因此要在一定時間內(nèi)到達預(yù)定的位置，開展相應(yīng)任務(wù)，需要月面大范圍探測系統(tǒng)具有行程103千米量級、探測時間在小時量級內(nèi)的快速、強探測能力。

2.2.3 具備多次可重復(fù)使用能力

從地球?qū)⑽镔|(zhì)運輸?shù)皆虑颍\輸成本極其昂貴，需要考慮月面探測系統(tǒng)的經(jīng)濟高效性，因此要求月面探測系統(tǒng)具備可重復(fù)使用能力:①月面交通工具應(yīng)具備多次可重復(fù)使用性；②與此相配的地面支持及維修系統(tǒng)也應(yīng)具備可重復(fù)使用性。

2.2.4 具備較強的載荷承載能力

月面探測系統(tǒng)主要用作月面物質(zhì)運輸和月面大范圍探測，應(yīng)當具備相應(yīng)的載荷承載能力。 在月面大范圍探測任務(wù)中，其主要承載探測載荷和相應(yīng)的傳感器等設(shè)備；在月面物質(zhì)運輸任務(wù)中，其主要承載一定質(zhì)量的物質(zhì)。

2.2.5 具備多用途擴展的能力

月面大范圍探測系統(tǒng)的研究應(yīng)具有遠程操控能力，同時兼顧月面長期駐留、月球基地建造、應(yīng)急救援等多樣化的后續(xù)任務(wù)，并且應(yīng)采用模塊化設(shè)計，具備多用途擴展能力。

3 行星探測器研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

月面103千米級大范圍月面交通工具的研究一般從現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，其功能性指標可參考載人月球車和火星飛行器的設(shè)計思路和技術(shù)特點。

3.1 Apollo 載人月球車

月球車是目前最為成熟的行星探測器，國內(nèi)外對月球車的研究較多，本文對最具代表性的Apollo 載人月球車進行詳細綜述，此外還有許多其他的典型月球車可供參考，如ATHLETE 載人月球車[3]、DMLRV 雙模式月球車[4]、好奇號火星車[5]、Chariot 載 人 月 球 車[6]、 LUNAR TRUCK CONCEPT 月球車[7]。

上世紀70 年代初，美國Apollo 月球車執(zhí)行了3 次載人登月任務(wù)，屬于一個具有基本配置和功能的經(jīng)典月球車，能在3 h 左右時間內(nèi)進行最大距離為30 km 左右的探測任務(wù)，最具有借鑒價值的是其折疊展開方式和車輪結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。Apollo 的車輪直徑為81.3 cm，寬度為22.9 cm，主要由盤形輪轂、內(nèi)外輪轂和絲網(wǎng)胎面構(gòu)成。 車輪在輪轂處的退耦裝置可以在牽引驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過退耦操作使其變?yōu)閺膭虞啞?其車體分為3 段，最大限度增加了輪軸距，提高了車輛穩(wěn)定性。 此外，折疊時只涉及車輪，不涉及車體承載的操控分系統(tǒng)、天線、相機和有效載荷，相對容易實現(xiàn)[8-11]。

圖1 月球車折疊狀態(tài)Fig.1 Lunar rover in folding state

但Apollo 載人月球車主要存在以下缺陷:

1)Apollo 月球車采用了后背式的生命保障系統(tǒng)，這樣容易使航天員產(chǎn)生身體疲勞，且探測范圍較小，一般限制在距離登月艙5 km 的范圍內(nèi)。

2)Apollo 載人月球車的可攜帶載荷較少，一般可搭載2 人，車身質(zhì)量約為270 kg，其他負載約為670 kg，車體較為笨重，設(shè)備相對簡陋，傳輸能力和運載能力較差。

3)由于月壤較為松軟[12]，且月球的重力加速度約為地球的1/6，所以Apollo 載人月球車在月面環(huán)境下行駛速度不能超過16 km/h，當速度接近14.4 km/h 時，若遇到?jīng)_擊，車輪會離開地面，導(dǎo)致月球車失控。

4)由于Apollo 載人月球車的結(jié)構(gòu)設(shè)計較為簡單，執(zhí)行任務(wù)時會導(dǎo)致月壤黏在車輪表面，甚至進入月球車的構(gòu)建內(nèi)部，造成零部件磨損損壞，且會降低車輛散熱性能，壽命較低。

3.2 火星飛行器

3.2.1 火星直升機

NASA 噴氣推進實驗室在2014 年首次公開了一款概念型的小型無人火星直升機，如圖2 所示。 這種直升機外形近似立方體，邊長為10 cm，整機質(zhì)量約為1.8 kg，采用雙旋翼共軸串列布局，長為1.2 m，旋翼軸的轉(zhuǎn)速為2800 r/min。 最新的原理樣機已于2017 年底成功進行了火星大氣環(huán)境模擬試驗，設(shè)計的飛行次數(shù)不超過5 次，每次可飛行600 m 左右，在飛行過程中能定位許多值得研究的目標[13]。 這種低空偵查直升機可以對火星車進行領(lǐng)航，為火星車的移動探測提供最佳路線。 2018 年美國已正式宣布將該項目納入到火星2020 探測器項目任務(wù)中。

圖2 NASA 火星直升機[13]Fig.2 NASA mars helicopter[13]

3.2.2 空中區(qū)域性環(huán)境探測(ARES)火星飛行器

2004 年美國提出了空中區(qū)域性環(huán)境探測計劃(Aerial Regional-scale Environmental Survey)，并進行了原理樣機的地面驗證試驗。 由于火星表面大氣稀薄，故采用火箭發(fā)動機為動力源，以克服相關(guān)難題。 以飛行的方式可以到達一些極端復(fù)雜區(qū)域進行探測，對火星實現(xiàn)較為全面的覆蓋。 得益于翼身融合技術(shù)和較大的展弦比，ARES 飛行器擁有良好的氣動特性，可在火星表面完成較大范圍的一次性探測任務(wù)。 通過其攜帶的高分辨率攝像機，可以在飛行過程中得到高分辨率圖像數(shù)據(jù)。飛行器以Li-SO2電池為電子設(shè)備供電，以雙組元液體火箭發(fā)動機為動力裝置，故不可重復(fù)使用。飛行器由進入艙攜帶進入火星大氣，在離地8 km處同進入艙分離并減速下降，并在離地2 km 時進入巡航飛行狀態(tài)，巡航速度為145 m/s，飛行時間約為1 h，航程最大可達600 km[14-16]。 ARES飛行器的飛行效果和總體任務(wù)路線如圖3 所示。

圖3 ARES 飛行效果和總體任務(wù)路線[14-16]Fig.3 ARES flight effectiveness and overall mission route[14-16]

3.2.3 火星滑翔機

NASA 阿姆斯特朗飛行研究中心計劃在2022～2024 年火星任務(wù)中搭載一種小型滑翔機Prandtl-m，如圖4 所示。 受到回旋鏢和鳥類的啟發(fā)，這種滑翔機是在100 多年前德國工程師Ludwig 提出概念的基礎(chǔ)上進行研發(fā)的。 它沒有方向舵，機翼微微扭曲，有助于減小空氣阻力，使效率最大化，在火星大氣上空釋放，在降落的過程中收集數(shù)據(jù)。 其翼展為61 cm，質(zhì)量為0.45 kg，在進入火星大氣后高度為600 m 時開始滑翔，航時10 min，航程為32 km[17]。 NASA 希望能在即將到來的Mars2020 任務(wù)中發(fā)射這種滑翔機。

圖4 火星滑翔機[17]Fig.4 Mars glider[17]

3.3 其他方案

3.3.1 風滾火星探測器

NASA 在1998 年就已經(jīng)開始了風滾火星探測器的研究工作，如圖5 所示。 這種火星探測器不需要任何引擎，只需要風力就可進行移動。 主要用于火星飛行器和火星車難以到達的溝壑和峽谷處探測，預(yù)計質(zhì)量為20 kg，直徑在6 m 以內(nèi)，速度為20 m/s，所需的科學(xué)儀器位于球內(nèi)部，如果需要停下來進行測量，可以使球體部分泄氣[18]。目前，NASA 已經(jīng)在地球上順利測試了風滾火星探測器原型機。

圖5 風滾火星探測器[18]Fig.5 Wind rolling Mars probe[18]

3.3.2 跳躍式探測器

以色列的SpaceIL 團隊參加Google 月球X 大獎的跳躍式探測器方案較為出眾，如圖6 所示。探測器高為1.5 m，直徑為2 m，質(zhì)量約為600 kg。SpaceIL 的月面移動方案未使用履帶式或輪式車輛，而是計劃使用火箭推進，并利用彈跳裝置在月球表面移動500 m， SpaceIL 的著陸器在著陸后將使用水平與垂直方向的助推火箭進行短距離飛行，完成在月面移動500 m 的比賽要求[19]。 此項目原計劃2017 年年底使用SpaceX 公司的獵鷹9火箭運輸?shù)顷懫髑巴虑?，最終以2019 年墜毀于月球表面宣告失敗[20]。

圖6 SpacelL 著陸器原理樣機[19]Fig.6 Principle prototype of SpacelL Lander[19]

3.3.3 月面電磁發(fā)射

1970 年末，NASA 的研究就已經(jīng)明確表明，相比于傳統(tǒng)化學(xué)火箭運輸，基于月球基地的電磁發(fā)射技術(shù)是最佳技術(shù)選擇途徑，如圖7 所示。 在技術(shù)條件成熟的情況下，這種電磁發(fā)射的方法具有極大的優(yōu)勢，可以做到快速連續(xù)發(fā)射、無廢氣、維護成本低、無危險燃料[21]。 雖然電磁發(fā)射技術(shù)還不成熟，但是各國對電磁彈射的研究從沒有中斷過，將飛行器以電磁發(fā)射方式入軌，無論是探測還是貨物運輸，都具有著不可替代的優(yōu)越性。

圖7 月球電磁彈射想象圖[21]Fig.7 Imagination map of electromagnetic lunar launch[21]

4 月面大范圍探測方案

4.1 技術(shù)途徑分析

根據(jù)月球車、火星飛行器以及其他方案的研究現(xiàn)狀，歸納出可采用的技術(shù)途徑分為2 類:①采用月球表面移動技術(shù)，典型的譬如月球車方案；②采用月面低空飛行技術(shù)途徑，典型的如飛行器方案。 典型月面探測技術(shù)途徑如圖8 所示，對4 種典型技術(shù)途徑優(yōu)缺點對比見表1。

圖8 典型月面探測技術(shù)途徑Fig.8 Typical approaches of lunar surface detection

表1 技術(shù)途徑概述與優(yōu)缺點對比Table 1 Overview of technical approaches and comparison of their advantages and disadvantages

其中，月球車方案技術(shù)最為成熟，已有多種不同類型和型號的月球車用于月球探測，但月球車在月球表面行駛且速度較慢，探測范圍一般為幾十千米，運輸能力一般為幾百千克，可擴展性較差。 對月面特殊環(huán)境探測一般要用到多種不同功能與形態(tài)的月球車，單一月球車難以滿足；火星與月球最大不同在于火星表面存在稀薄大氣，火星探測器可依靠大氣作為動力對其進行探測，如火星直升機、火星滑翔機、風滾火星探測器等。 但月球表面近乎真空，這種飛行方式在月面不可實現(xiàn)，實現(xiàn)月面飛行必須依靠類似火箭發(fā)動機的動力源來實現(xiàn)，如空中區(qū)域性環(huán)境探測火星飛行器。 飛行器方案的飛行速度較快，具有較好的快速響應(yīng)能力和緊急救援能力，裝備起落裝置后，具備可重復(fù)使用性。 運載能力和探測范圍可根據(jù)需要綜合分析，配備滿足條件的發(fā)動機和推進劑。 同時考慮模塊化設(shè)計和起飛質(zhì)量優(yōu)化問題，可擴展性較好，可采用子母機的方式對一些特殊區(qū)域進行探測，如溝壑或峽谷等；電磁發(fā)射方案的難度較地面發(fā)射低，月球重力加速度約為地球的1/6，且無氣動影響，使得月面磁懸浮電磁發(fā)射可行性更高，同時電磁發(fā)射系統(tǒng)可以大幅提高飛行器的初始速度，以增強飛行器快速響應(yīng)的強機動性；彈跳飛行方案的技術(shù)實現(xiàn)途徑較為新穎，每次彈跳距離有一定限制，可通過多次彈跳的方式實現(xiàn)大范圍探測，但技術(shù)難度過大，目前為止還沒有成功樣例，需要進一步的技術(shù)積累與驗證。 由于其自身的特殊結(jié)構(gòu)，其他性能一般。 各技術(shù)途徑特點見表2。

表2 各技術(shù)途徑特點Table 1 Characteristics of various technical approaches

由上述可知，4 種典型技術(shù)途徑各有優(yōu)缺點，根據(jù)需求分析，結(jié)合中國載人探月相關(guān)任務(wù)規(guī)劃以及對未來載人行星探測的技術(shù)帶動，綜合比較，月面飛行器方案和月面電磁發(fā)射方案能夠滿足大范圍探測的任務(wù)和功能需求。 飛行器方案相較電磁發(fā)射方案系統(tǒng)規(guī)模較小，實現(xiàn)難度較低，貨物承載量小，可在月球基地前期，未完成月面電磁發(fā)射系統(tǒng)建設(shè)之前使用。 完成月面電磁發(fā)射系統(tǒng)建設(shè)后，可利用月面電磁發(fā)射系統(tǒng)為飛行器提供初始速度和動能，從而減少推進劑消耗量，提高貨物承載能力。 因為電磁發(fā)射時加速度過大，已超過航天員承受過載，所以電磁發(fā)射技術(shù)途徑是無人貨運的最優(yōu)方案。 綜上，月面大范圍探測的最優(yōu)技術(shù)途徑為月面飛行器方案。

4.2 飛行器方案

4.2.1 方案概述

飛行器相比于傳統(tǒng)行星探測器，擬采用低空飛行方式，飛行器配備有起落滑跑裝置、矢量火箭發(fā)動機、應(yīng)急救援設(shè)備等，兼具有人與無人遠程控制2 種操作模式，并采用模塊化設(shè)計，可通過增掛推進劑儲箱實現(xiàn)103千米級大范圍探測。 月面飛行器假想圖如圖9 所示。

圖9 月面飛行器假想圖Fig.9 Imagination map of lunar aircraft

采用低空飛行方式，可以對月面的各種復(fù)雜情況實施大范圍探測；起落滑跑裝置可保證飛行器可重復(fù)使用性，同時具備月球車的相關(guān)功能；矢量火箭發(fā)動機可保證飛行器具有良好的動力與承載能力，為其提供優(yōu)越的機動性和操作性，使其擁有快速響應(yīng)能力；應(yīng)急救援設(shè)備可以最大限度地保障航天員的生命安全，并可執(zhí)行應(yīng)急救援任務(wù)，應(yīng)對多種突發(fā)情況；多種操作模式可以提高飛行器的可靠性，擴展不同任務(wù)需求；模塊化設(shè)計可以為多型號、多任務(wù)擴展提供基礎(chǔ)，使飛行器具有良好的可擴展性。

4.2.2 任務(wù)流程

月面大范圍探測任務(wù)由月球基地出發(fā)，對月面進行大范圍探測，探測范圍103千米級，探測過程中不進行推進劑補給，由飛行器全程攜帶推進劑，任務(wù)流程如圖10 所示，具體如下:

圖10 任務(wù)流程圖Fig.10 Diagram of mission flow

1) 月球基地處，由月面后勤保障人員和相關(guān)機器人完成對月面低空飛行器的推進劑裝填和貨物裝載。

2) 航天員穿戴好航天服，進入月面低空飛行器，月面低空飛行器開啟發(fā)動機升空，發(fā)動機主要提供抵消飛行器月球重力的推力和飛行器向前飛行的動力，由于月面沒有大氣阻力，飛行器達到最優(yōu)平飛速度以及預(yù)期飛行高度后，發(fā)動機主要提供抵消月球重力的推力即可。.

3) 月面低空飛行器飛行接近至月面探測區(qū)，水平減速和姿控發(fā)動機開機工作，進行水平方向減速和調(diào)姿，而后軟著陸于月面探測區(qū)域。

4) 航天員在探測區(qū)域進行月球科學(xué)探測或執(zhí)行相關(guān)任務(wù)，期間航天員可利用月面低空飛行器輪式機構(gòu)進行月面小范圍移動，同時可以在探測區(qū)域卸載物資，建立月球前哨站或在探測區(qū)域進行應(yīng)急救援任務(wù)。

5) 完成任務(wù)后，月面低空飛行器根據(jù)預(yù)期彈道先進行上升段飛行，返回月球基地A 處。

6) 月面低空飛行器飛行接近至月球基地A處，水平減速和姿控發(fā)動機開機工作，進行水平方向減速和調(diào)姿，而后軟著陸于月球基地處。

采取月面飛行器方案可以滿足大范圍探測的功能需求，能夠達到具備103千米級大范圍探測能力、快速響應(yīng)的強探測能力、可重復(fù)使用能力、較強的承載能力和多用途擴展能力等，并且可完成大范圍探測任務(wù)、運輸任務(wù)、特殊環(huán)境探測任務(wù)、緊急救援任務(wù)等。

5 結(jié)論

1)月面飛行器方案可以滿足月面大范圍探測的要求，多任務(wù)擴展能力好，該方案是月面大范圍探測的最優(yōu)方案。

2)結(jié)合電磁發(fā)射的技術(shù)特點，在后期月球基地建立的基礎(chǔ)上，電磁發(fā)射方案為貨運任務(wù)的最優(yōu)方案。