利用重復(fù)使用地月轉(zhuǎn)移級往返近地軌道空間站的載人月球探測飛行模式

王書廷高朝輝童科偉鄧思超張 烽

(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展部，北京 100076)

1 引言

人類對于月球的探測始于二十世紀(jì)五十年代末，六七十年代迎來第一次高潮。對于載人登月，美國和蘇聯(lián)分別提出的阿波羅計劃和N1-L3計劃，采用的都是重型運(yùn)載火箭及月球軌道一次交會對接的方式。在經(jīng)歷了1976～1994年月球探測寧靜期后，1994年和1998年，美國成功發(fā)射了克萊門汀號和月球勘探者號月球探測器，奏響了人類重返月球的序曲。2004年美國宣布了星座計劃，方案采取人貨分離、近地軌道一次對接及環(huán)月軌道一次對接的飛行模式。2017年，美國提出了門戶計劃，計劃利用在近月軌道建設(shè)的中轉(zhuǎn)站，實(shí)現(xiàn)重返月球及后續(xù)的載人火星探測目標(biāo)。2019年，美國公布阿爾忒彌斯計劃，目標(biāo)是在2024年前將航天員送往月球并返回，并建立常態(tài)化駐留機(jī)制，為未來的火星載人登陸任務(wù)奠定基礎(chǔ)?？v觀世界各國月球探測計劃，與初期的月球探測相比較，載人重返月球，建立月球基地的目標(biāo)更明確，規(guī)模更宏大，參與國家更多。

中國已通過載人航天工程實(shí)現(xiàn)了航天員出艙行走、在軌對接、在軌物資補(bǔ)給和推進(jìn)劑加注等，還將于2022年前后完成空間站的建造。可利用空間站作為近地空間的母港，為載人月球探測飛行器提供出發(fā)和返回基地，期間探月飛行器系統(tǒng)可利用空間站進(jìn)行在軌組裝、推進(jìn)劑補(bǔ)加、檢查和測試、航天員駐留休整等工作。

對于基于近地軌道空間站開展載人月球探測，彭祺擘等利用雙二體模型對從近地軌道空間站出發(fā)的飛行器奔月軌道做出設(shè)計；彭坤等對基于近地軌道空間站與其他多種地月空間不同軌道空間站的載人登月飛行模式的優(yōu)劣進(jìn)行了定量評價和比較。這些研究僅對任務(wù)模式和相關(guān)軌道進(jìn)行了分析，并未明確給出提供地月往返轉(zhuǎn)移速度增量的飛行器方案，也并未考慮相關(guān)的經(jīng)濟(jì)性問題等。

本文在借鑒以上成果的基礎(chǔ)上，首次提出利用重復(fù)使用地月轉(zhuǎn)移級往返近地軌道空間站進(jìn)行載人月球探測的任務(wù)模式，在給出全流程任務(wù)模式和分析任務(wù)往返的軌道和窗口的基礎(chǔ)上，設(shè)計多種可重復(fù)使用地月轉(zhuǎn)移級構(gòu)型方案，提出一種評價方法進(jìn)行定量對比分析，給出2種構(gòu)型作為未來可重復(fù)使用地月轉(zhuǎn)移級構(gòu)型的較優(yōu)選擇方案。

2 任務(wù)模式分析

除發(fā)射貨運(yùn)飛船運(yùn)輸在軌加注推進(jìn)劑和補(bǔ)給物資外，利用重復(fù)使用地月轉(zhuǎn)移級往返近地軌道空間站的載人月球探測任務(wù)包括運(yùn)載火箭、地月轉(zhuǎn)移級、登月艙、載人飛船共4類飛行器。

4類飛行器的分工為:由運(yùn)載火箭完成飛行器的近地軌道運(yùn)輸；由地月轉(zhuǎn)移級完成近地軌道-地月轉(zhuǎn)移軌道-環(huán)月軌道以及返回過程的軌道轉(zhuǎn)移和中途修正；由登月艙完成落月制動和月面起飛；由載人飛船完成航天員的近地離軌再入返回。

本文提出2種基本任務(wù)模式，主要區(qū)別在于負(fù)責(zé)地月軌道往返并重復(fù)使用的轉(zhuǎn)移飛行器是否載人:①地月轉(zhuǎn)移級載人狀態(tài)下，稱為載人地月轉(zhuǎn)移級，載人飛船負(fù)責(zé)地球與空間站間的航天員往返運(yùn)輸，第一宇宙速度再入；②地月轉(zhuǎn)移級非載人狀態(tài)下，稱為不載人地月轉(zhuǎn)移級，載人飛船在地月往返期間也為航天員提供生活環(huán)境，第二宇宙速度再入。

2.1 模式一:載人地月轉(zhuǎn)移級進(jìn)行地月往返運(yùn)輸模式

如圖1所示，載人地月轉(zhuǎn)移級、登月艙可通過空間站進(jìn)行在軌檢測和組裝形成聯(lián)合體進(jìn)行奔月，載人飛船在空間站上停泊等待；探月后載人地月轉(zhuǎn)移級返回近地軌道與空間站再次對接，利用空間站進(jìn)行在軌加注，實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用，載人飛船完成航天員從空間站的離軌再入地球大氣返回。

圖1 利用載人地月轉(zhuǎn)移級往返近地軌道空間站的載人月球探測飛行任務(wù)過程Fig.1 Manned lunar exploration mission process using the manned reusable Earth-Moon transfer stage departing from and returning back to the LEO space station

根據(jù)載人地月轉(zhuǎn)移級是否分級，可將其設(shè)計為一級或多級狀態(tài)，一級狀態(tài)的載人地月轉(zhuǎn)移級，奔月出發(fā)和月地返回加速后，整體往返和重復(fù)使用；二級狀態(tài)，奔月出發(fā)加速后，拋掉第一級，載人的第二級進(jìn)行返回重復(fù)使用；三級狀態(tài)，奔月出發(fā)加速后，拋掉第一級，月地返回加速后，拋掉第二級，載人的第三級進(jìn)行返回重復(fù)使用。

2.2 模式二:不載人地月轉(zhuǎn)移級進(jìn)行地月往返運(yùn)輸模式

如圖2所示，不載人地月轉(zhuǎn)移級、登月艙、載人飛船通過空間站進(jìn)行在軌組裝形成聯(lián)合體進(jìn)行奔月；不載人地月轉(zhuǎn)移級和載人飛船的聯(lián)合體返回近地軌道并分離，不載人地月轉(zhuǎn)移級與空間站再次對接，利用空間站進(jìn)行在軌加注，實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用，載人飛船完成航天員的第二宇宙速度再入地球大氣返回。同樣，根據(jù)不載人地月轉(zhuǎn)移級是否分級，可將其設(shè)計為一級或多級狀態(tài)。

圖2 利用不載人地月轉(zhuǎn)移級往返近地軌道空間站的載人月球探測飛行任務(wù)過程(不載人一級狀態(tài))Fig.2 Manned lunar exploration mission process using the unmanned reusable Earth-Moon transfer stage departing from and returning back to the LEO space station(one-stage status of unmanned Earth-Moon transfer)

2.3 模式對比

采用以上載人月球任務(wù)模式，具備一定的優(yōu)點(diǎn)，包括:

1)充分利用空間站的空間、位置優(yōu)勢，可使航天員探月前適應(yīng)太空環(huán)境和返回地球前近地休整等；

2)結(jié)合在軌加注技術(shù)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)地月轉(zhuǎn)移級的長期在軌重復(fù)使用，后期任務(wù)一次入軌的有效載荷質(zhì)量較小，降低對運(yùn)載火箭的需求，對于長遠(yuǎn)多次的月球探測也具有很好的經(jīng)濟(jì)性。

同時，相對于直接往返載人月球探測模式也有一定的缺點(diǎn):

1)由于空間站運(yùn)行于固定的軌道上，從空間站出發(fā)時和從月球返回空間站時，存在較為嚴(yán)格的發(fā)射窗口要求；

2)為了避免異面返回，在月面容許的停留時間也受到限制，存在嚴(yán)格的軌道面共面約束以及進(jìn)入大氣層的角度約束，工程控制難度大；

3)由于去、返都需要增加交會對接過程，會帶來由此引發(fā)的可靠性問題，以及由此帶來的控制、測控的復(fù)雜性。

3 基于近地軌道空間站進(jìn)行載人月球探測的軌道分析

在已知地球停泊軌道和需要到達(dá)的環(huán)月軌道前提下，通過選擇合適的設(shè)計參數(shù)，設(shè)計和優(yōu)化出一條或幾條飛行軌道，使其滿足轉(zhuǎn)移軌道兩端的約束條件。取空間站軌道高度400 km，空間站的軌道傾角為42°，基于雙二體假設(shè)圓錐曲線拼接法，固定出發(fā)軌道傾角為約束值，通過仿真實(shí)驗(yàn)，對滿足約束的自由返回軌道參數(shù)特性做出了分析，如圖3～5所示，得到地月轉(zhuǎn)移級在月度(28天)內(nèi)至少存在3次轉(zhuǎn)移窗口，這主要是由空間站軌道的運(yùn)動，特別是地球扁率攝動引起的，而傳統(tǒng)地月軌道在近地軌道停泊期間每圈均可能存在發(fā)射窗口；地月轉(zhuǎn)移級需要提供的轉(zhuǎn)移軌道速度增量在3.2 km/s量級，且隨飛行時間增加逐漸減??；自由返回軌道對到達(dá)月球的落月點(diǎn)存在一定限制，無法全月面到達(dá)，在本算例中只能到達(dá)±10°的緯度范圍內(nèi)。

圖3 地月轉(zhuǎn)移出發(fā)時刻與飛行時間關(guān)系Fig.3 Relationship between departure time and flight duration of earth to moon transfer

返回過程基于雙二體假設(shè)圓錐曲線拼接法，分析得到地月轉(zhuǎn)移級在月度(28天)內(nèi)至少存在3次從環(huán)月軌道返回空間站的轉(zhuǎn)移窗口，如圖6所示。

4 地月轉(zhuǎn)移級多構(gòu)型對比分析和方案設(shè)計

4.1 地月轉(zhuǎn)移級各方案對比分析

圖4 地月轉(zhuǎn)移飛行時間與出發(fā)速度增量關(guān)系Fig.4 Relationship between flight time and velocity increment of earth to moon transfer

圖5 到達(dá)月球軌道星下點(diǎn)軌跡經(jīng)緯度Fig.5 Longitude and latitude for the ground track of accessible moon orbit

圖6 月地轉(zhuǎn)移出發(fā)時刻與飛行時間關(guān)系Fig.6 Relationship between departure time and flight duration of moon to earth transfer

針對2種任務(wù)模式下，地月轉(zhuǎn)移級采用一級、二級、三級狀態(tài)，推進(jìn)劑采用常規(guī)推進(jìn)劑、液氧甲烷、液氫液氧3種推進(jìn)劑，返回空間站采用推進(jìn)系統(tǒng)制動或大氣減速方法，共36種地月轉(zhuǎn)移級方案進(jìn)行了規(guī)模估算分析。每種方案編號規(guī)則見表1。

表1 地月轉(zhuǎn)移級方案編號表Table 1 The number table of the Earth-Moon transfer stage schemes

從以下5個方面分別評價各方案技術(shù)難度和應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)性，給出推薦指數(shù)數(shù)字表征:

1)一次性發(fā)射入軌可行性(小0/大1)；

2)在軌組裝或重復(fù)使用時在軌加注易實(shí)現(xiàn)性(小0/中1/大2)；

3)長期在軌推進(jìn)劑管理和加注易實(shí)現(xiàn)性(小(液氫液氧)0/中(液氧)1/大(常規(guī))2)；

4)重復(fù)使用難度(大0/小1)；

5)重復(fù)使用效益(小0/稍小0.5/中1/稍大1.5/大2)。

根據(jù)分析出的36種地月轉(zhuǎn)移級方案參數(shù)，計算以上評價指標(biāo)，得出的推薦指數(shù)1)～4)項(xiàng)總和作為技術(shù)難度評價指標(biāo)，以高/中/低表征，0～2技術(shù)難度高，3～4技術(shù)難度中等，5～6技術(shù)難度低；計算1)～5)項(xiàng)總和，作為推薦指數(shù)數(shù)字表征，見表2。

表2 各構(gòu)型地月轉(zhuǎn)移級方案推薦指數(shù)統(tǒng)計表Table 2 The recommended index statistics table of the Earth-Moon transfer stage schemes

依據(jù)統(tǒng)計結(jié)果:在模式一下，構(gòu)型13＃，即采用動力系統(tǒng)制動返回常規(guī)推進(jìn)劑三級方案得分較高，為6分；在模式二下，多項(xiàng)構(gòu)型得分都為最高5分，綜合比較認(rèn)為構(gòu)型23?？芍貜?fù)使用性較好，即采用大氣減速制動返回液氧甲烷推進(jìn)劑單級方案。即以構(gòu)型13＃和23＃作為推薦方案，并進(jìn)行方案設(shè)計。

4.2 構(gòu)型13＃載人地月轉(zhuǎn)移級方案

構(gòu)型13＃載人地月轉(zhuǎn)移級采用常規(guī)推進(jìn)劑四氧化二氮和偏二甲肼，是三級構(gòu)型，采用推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行近地軌道制動返回空間站?？傎|(zhì)量為113 t，加注推進(jìn)劑加注量為103.81 t，構(gòu)型如圖7所示，總長約為18.4 m，最大直徑約為7 m，各級貯箱采用并聯(lián)布局。主要由動力系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)、環(huán)控生保系統(tǒng)等組成。

圖7 構(gòu)型13＃載人地月轉(zhuǎn)移級構(gòu)型圖Fig.7 Configuration 13＃of the reusable manned Earth-Moon transfer stage

4.3 構(gòu)型23＃不載人地月轉(zhuǎn)移級方案

構(gòu)型23＃不載人地月轉(zhuǎn)移級采用液氧甲烷作為推進(jìn)劑，是一級構(gòu)型，利用大氣減速進(jìn)行近地軌道制動返回空間站?？傎|(zhì)量為58.56 t，推進(jìn)劑加注量49.80 t。采用錐體構(gòu)型，如圖8所示，最大直徑約為7 m，全長約為5.8 m，4個液氧貯箱直徑各為2.0 m，甲烷貯箱直徑為4.0 m。主要由推進(jìn)劑貯存與管理系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)等組成。

圖8 構(gòu)型23＃不載人地月轉(zhuǎn)移級構(gòu)型圖Fig.8 Configuration 23＃of the reusable unmanned Earth-Moon transfer stage

5 成本分析

參考文獻(xiàn)[12]，建立地月轉(zhuǎn)移級的全任務(wù)周期成本計算模型和給出參數(shù)設(shè)置假設(shè)，開展成本分析。一次性使用的地月轉(zhuǎn)移級，全任務(wù)周期成本

P

可估算如式(1):

其中

C

為地月轉(zhuǎn)移級成本，取為5億元，

n

為任務(wù)次數(shù)?；趧恿ο到y(tǒng)近地制動的地月轉(zhuǎn)移級，全任務(wù)周期成本

P

可估算如式(2):

其中，

k

為基于推進(jìn)劑的可重復(fù)使用地月轉(zhuǎn)移級成本與一次性地月轉(zhuǎn)移級成本的比例系數(shù)，取1.5；

k

為維修成本與地月轉(zhuǎn)移級成本的比例系數(shù)，取0.08；

k

為推進(jìn)劑成本與地月轉(zhuǎn)移級成本的比例系數(shù)，取0.1。基于大氣減速近地制動的地月轉(zhuǎn)移級全任務(wù)周期成本

P

可估算如式(3):

其中，

k

為基于大氣減速的可重復(fù)使用地月轉(zhuǎn)移級成本與一次性地月轉(zhuǎn)移級成本的比例系數(shù)，取1.8；

k

為維修成本與地月轉(zhuǎn)移級成本的比例系數(shù)，取0.08；

k

為燒蝕成本與地月轉(zhuǎn)移級成本的比例系數(shù)，取0.15。

采用一次性、推進(jìn)劑可重復(fù)使用和大氣減速可重復(fù)使用地月轉(zhuǎn)移級全周期成本隨著執(zhí)行任務(wù)次數(shù)的變化趨勢如圖9所示。

圖9 地月轉(zhuǎn)移級多次執(zhí)行任務(wù)后全周期成本變化曲線Fig.9 The change curve for the whole cycle cost of Earth-Moon transfer stages after multiple tasks

從圖9可以看出，執(zhí)行單次探測任務(wù)的地月轉(zhuǎn)移級可重復(fù)使用方案成本較高，當(dāng)任務(wù)超過2次后，可重復(fù)使用方案將具有更低的成本，且基于推進(jìn)劑的可重復(fù)使用方案全任務(wù)周期成本略低于基于大氣減速的可重復(fù)使用方案。即從任務(wù)成本角度出發(fā)，對于長期多次載人月球探測任務(wù)而言，采用可重復(fù)使用地月轉(zhuǎn)移級方案將具有更低的任務(wù)成本。

6 結(jié)論

綜合以上研究成果，基于近地軌道空間站開展載人月球探測的飛行模式具有一定的優(yōu)點(diǎn)，如航天員可以提前適應(yīng)太空環(huán)境，采用重復(fù)使用的地月軌道轉(zhuǎn)移級可降低任務(wù)成本等；同時也有受空間站軌道限制，減少了地月轉(zhuǎn)移窗口和對落月點(diǎn)有一定限制等缺點(diǎn)；在未來大規(guī)模開展月球開發(fā)，進(jìn)行多次往返載人月球探測任務(wù)中應(yīng)用具有一定意義。