張亞坤，李海陽

級(jí)間設(shè)計(jì)人機(jī)聯(lián)合探月方案*

張亞坤，李海陽

(國防科技大學(xué) 航天科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長沙 410073)

利用登月飛行器的級(jí)間組合設(shè)計(jì)方法對(duì)載人登月飛行器的構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計(jì)，在級(jí)間方案的論證中分析了不同組裝模式對(duì)運(yùn)載火箭能力的需求，建立了航天員和機(jī)器人聯(lián)合探測的載人登月方案。級(jí)間組合方法可為應(yīng)轉(zhuǎn)移飛行器和登月飛行器設(shè)計(jì)提供另一種思路，根據(jù)飛行器級(jí)間的不同組合方式對(duì)登月飛行器的質(zhì)量規(guī)模進(jìn)行了初步估算，并對(duì)比了不同飛行方案對(duì)運(yùn)載火箭能力的需求，研究可為我國首次載人登月任務(wù)方案提供參考。

載人登月；人機(jī)聯(lián)合；登月飛行器；質(zhì)量估計(jì)；飛行方案

(CollegeofAerospaceScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China)

自從阿波羅計(jì)劃之后，探月活動(dòng)陷入短暫的低潮期，但是人類并未停止對(duì)月球的探測，美國探測月球的方式也從“冷戰(zhàn)”期間的不惜代價(jià)轉(zhuǎn)變?yōu)楦訉?shí)用、經(jīng)濟(jì)、可靠的方式[1-2]。目前，世界各航天大國也相繼準(zhǔn)備開展無人和載人探月任務(wù)，研究月球的重點(diǎn)基本放在如何開發(fā)和利用月球資源上，包括月面環(huán)境勘測、月球重力梯度測量、月球資源探測開采和月球?yàn)榛净蛘咧修D(zhuǎn)站實(shí)現(xiàn)載人登陸火星或者其他小行星[3-6]。這種全面和深入的探測需求給月球探測技術(shù)提出了更高的要求，這種廣泛的探測現(xiàn)狀也給我國月球探測計(jì)劃提出了更多的挑戰(zhàn)，因此，嫦娥工程無人探月之后我國開展載人登月任務(wù)也勢(shì)在必行。

實(shí)施載人登月任務(wù)，對(duì)我國航天事業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。航天員對(duì)月面環(huán)境的近距離觀察和對(duì)月球樣品的采集，能夠獲取更多有關(guān)月球的信息，這是非載人探測所無法比擬的。然而，為確保航天員在月面任務(wù)過程中的安全，其出艙時(shí)間和移動(dòng)范圍在一定程度上受到了限制，因此，有待開發(fā)一種既能完成既定載人探月任務(wù)又能夠保證航天員安全性的探測模式。美國在“阿波羅任務(wù)”計(jì)劃執(zhí)行過程中逐步認(rèn)識(shí)到的一條經(jīng)驗(yàn)就是攜帶能輔助航天員進(jìn)行特定操作任務(wù)的機(jī)器人在載人登月任務(wù)中很有必要。月球車的加入使阿波羅15號(hào)中的航天員探測范圍顯著提高[7]，美國“星座計(jì)劃”也將機(jī)器人協(xié)同航天員探月作為其核心內(nèi)容之一[8]。在實(shí)施月面任務(wù)過程中，機(jī)器人協(xié)助航天員完成容易造成航天員疲勞、對(duì)航天員來說危險(xiǎn)系數(shù)較高和其不能單獨(dú)勝任的任務(wù)，可大大減輕航天員的負(fù)擔(dān)。此外，載人探月任務(wù)規(guī)模十分龐大，月面任務(wù)規(guī)模的增加必然帶來地面發(fā)射載荷成倍的增加。我國首次載人登月探月活動(dòng)屬于有限規(guī)模的任務(wù)范疇，這就要求載人探月任務(wù)既要提高月面任務(wù)效率，又要盡可能地降低月面載荷。本文從這個(gè)角度分析，對(duì)1名宇航員搭配1名機(jī)器人的搭配方式來完成我國首次載人探月任務(wù)的方案進(jìn)行了研究。

人機(jī)聯(lián)合探月方案中采用機(jī)器人代替航天員的方式完成載人登月任務(wù)，其優(yōu)勢(shì)在于：其一，不需要為機(jī)器人準(zhǔn)備食物、宇航服和保障用品，這可以降低載人飛船的負(fù)荷，從而達(dá)到節(jié)省燃料的目的，并在一定程度上降低了對(duì)發(fā)射火箭的要求；其二，空間機(jī)器人技術(shù)是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一，實(shí)施機(jī)器人到月面執(zhí)行任務(wù)對(duì)我國發(fā)展機(jī)器人技術(shù)能起到技術(shù)牽引作用；其三，各國對(duì)采用機(jī)器人進(jìn)行深空探測興趣越來越濃，對(duì)人機(jī)聯(lián)合探測技術(shù)的需求也越顯迫切。根據(jù)航天員與機(jī)器人本身的功能特性進(jìn)行合理的任務(wù)分配，充分發(fā)揮航天員與機(jī)器人各自的優(yōu)勢(shì)，可使載人探月任務(wù)更加效率化，從而達(dá)到減輕地面發(fā)射載荷負(fù)擔(dān)。

國外對(duì)人機(jī)聯(lián)合探月的研究開展較早，美國國家航空航天局(NationalAeronauticsandSpaceAdministration,NASA)提出發(fā)射類人機(jī)器人到月球表面，機(jī)器人在航天員登月之前預(yù)先完成一系列任務(wù)，從而提高載人登月航天人員執(zhí)行任務(wù)的效率[9]。Mishkin對(duì)深空探測任務(wù)中的航天員和機(jī)器人的操作任務(wù)進(jìn)行了研究，分析了機(jī)器人輔助航天員完成探月、探火星的必要性[10]。Neerincx等基于任務(wù)的需求提出了載人登月和登火星的“機(jī)組任務(wù)執(zhí)行助理”系統(tǒng)理論，針對(duì)具體任務(wù)建立了航天員在回路中的仿真，并從任務(wù)有效性、效率、滿意度等方面對(duì)人機(jī)操作進(jìn)行了評(píng)價(jià)[11]。國內(nèi)對(duì)人機(jī)聯(lián)合探月的研究還處于起步階段，還未形成系統(tǒng)的人機(jī)聯(lián)合探月的概念，李海陽等對(duì)航天員與類人機(jī)器人月面聯(lián)合探測的概念進(jìn)行了初步研究[12]。除此之外，未見有關(guān)于人機(jī)聯(lián)合探月關(guān)鍵技術(shù)的研究成果公開發(fā)表。

1 人機(jī)聯(lián)合探月任務(wù)場景設(shè)計(jì)

對(duì)于我國首次載人登月而言，必然是先進(jìn)行有限規(guī)模的月球探測，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行以建立月球基地為目標(biāo)的大規(guī)模月球探測任務(wù)，參考阿波羅登月任務(wù)，我國首次載人登月任務(wù)可細(xì)化為以下幾點(diǎn)：

1)載人登月并安全返回；

2)采集月面巖石樣品并帶回地球；

3)月面實(shí)驗(yàn)和儀器安裝；

4)人機(jī)聯(lián)合探月技術(shù)研究。

我國開展首次載人登月任務(wù)，必須在保證完成既定任務(wù)的同時(shí)又要盡可能縮小規(guī)模，基于以上考慮，擬采用1名航天員和1個(gè)機(jī)器人作為主體來完成我國的首次載人登月任務(wù)，詳細(xì)場景設(shè)計(jì)如表1所示。人機(jī)聯(lián)合探月場景的設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括登月主體及數(shù)目、登月地點(diǎn)、載人登月總時(shí)間、月面任務(wù)時(shí)間、月面任務(wù)、航天員出艙次數(shù)和出艙時(shí)間等。

表1 人機(jī)聯(lián)合探月場景

2 登月飛行器級(jí)間組合設(shè)計(jì)

2.1 登月飛行器組成

以阿波羅登月飛行器為例，其由載人飛船系統(tǒng)和登月飛船系統(tǒng)組成。載人飛船通常包含載人部分和服務(wù)艙部分，以阿波羅載人飛船為例，其由指令艙和服務(wù)艙兩部分組成。登月飛船通常包括下降級(jí)、上升級(jí)兩部分，阿波羅登月飛船上升級(jí)由登月艙和推進(jìn)系統(tǒng)組成，登月艙可為執(zhí)行月面任務(wù)的航天員提供一個(gè)休息調(diào)整的臨時(shí)避難所，推進(jìn)部分的主要功能是在月面任務(wù)結(jié)束后將上升級(jí)和有效載荷發(fā)送至環(huán)月軌道，并與等待在環(huán)月軌道的指令艙進(jìn)行交會(huì)對(duì)接；下降級(jí)包括提供支架和推進(jìn)劑部分。阿波羅登月飛行器概念模型[7]如圖1所示。

圖1 登月飛行器概念模型Fig.1 Conception model of lunar spacecraft

我國的載人登月飛行器系統(tǒng)可參照阿波羅載人登月飛行器進(jìn)行設(shè)計(jì)，即整個(gè)登月飛行器由載人飛船系統(tǒng)、登月飛船系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)組成。載人飛船可參照阿波羅飛船的兩艙構(gòu)型或者繼承我國神舟飛船的三艙構(gòu)型，本文的研究假設(shè)我國的登月飛船是將我國神舟載人飛船的軌道艙和返回艙合并成一個(gè)整體，推進(jìn)艙保持不變的兩艙構(gòu)型，其中軌道艙和載人艙合并后稱為載人艙。登月飛船由上升級(jí)、下降級(jí)兩部分組成，其中上升級(jí)包含登月艙。

2.2 登月飛行器級(jí)間組合

登月飛行器完成載人登月任務(wù)過程中需要推進(jìn)級(jí)完成若干次軌道機(jī)動(dòng)。為降低整個(gè)任務(wù)的載荷和提高載荷效率，在登月過程中，登月飛行器的某些部件在完成既定任務(wù)后即被拋掉，從而使剩余推進(jìn)劑可以更高效地完成余下任務(wù)。以阿波羅登月任務(wù)為例，登月飛船下降級(jí)完成月面任務(wù)后留在月面、上升級(jí)將航天員和月面采集樣品送至指令艙后留在環(huán)月軌道、服務(wù)艙進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道后與指令艙分離。在保證整個(gè)任務(wù)順利實(shí)施的前提下，使推進(jìn)系統(tǒng)效率最大化是登月飛行級(jí)間組合設(shè)計(jì)的目的，通常包括推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)量和推進(jìn)系統(tǒng)組合方式。

采取級(jí)間設(shè)計(jì)方法對(duì)登月飛行器的推進(jìn)級(jí)構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)人機(jī)聯(lián)合探月的任務(wù)需求將登月飛行器的級(jí)間組合可分以下幾種方案[13]，如圖2所示。

圖2 登月飛行器級(jí)間組合方案Fig.2 Staging options of lunar spacecraft

在A方案中，載人登月飛行過程的各主要機(jī)動(dòng)階段的推進(jìn)級(jí)部分是完全獨(dú)立的，即每個(gè)軌道機(jī)動(dòng)環(huán)節(jié)都配備一套獨(dú)立的推進(jìn)系統(tǒng)。該種方案為登月飛行器和載人登月的組裝方案提供了較大的冗余性，從而使登月任務(wù)的飛行方案更加靈活，飛行器的組裝可以經(jīng)過多次軌道交會(huì)對(duì)接來完成。飛行方案靈活性的提高固然重要，然而推進(jìn)級(jí)數(shù)量的增加必然會(huì)帶來推進(jìn)系統(tǒng)總體規(guī)模的增大，此外，增加交會(huì)對(duì)接次數(shù)也必然會(huì)提高任務(wù)的復(fù)雜性，這會(huì)使整體任務(wù)載荷規(guī)模和風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)變大，所以該種級(jí)間組合方案多處于理論研究階段。

B方案與阿波羅登月飛行器方案相似[7]。推進(jìn)級(jí)1將整個(gè)登月飛行器加速至地月轉(zhuǎn)移軌道。與A方案不同的是，B方案將A中的推進(jìn)級(jí)2和推進(jìn)級(jí)5合并為一個(gè)整體，并將合并后的推進(jìn)級(jí)2安裝在載人飛船中，用來完成環(huán)月制動(dòng)和月地轉(zhuǎn)移階段的軌道機(jī)動(dòng)。登月飛船包含推進(jìn)級(jí)3和推進(jìn)級(jí)4兩部分，分別安裝在登月飛船的下降級(jí)和上升級(jí)，推進(jìn)級(jí)3完成登月飛船下降段的軌道機(jī)動(dòng)，月面任務(wù)完成后推進(jìn)級(jí)4將月面上升級(jí)發(fā)送至環(huán)月軌道與載人飛船交會(huì)對(duì)接。推進(jìn)級(jí)2完成登月飛行器制動(dòng)后留在環(huán)月軌道，與上升級(jí)交會(huì)對(duì)接后將載人艙發(fā)送至月地轉(zhuǎn)移軌道。該種方案較A方案降低了對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)量要求，此外，將登月飛船分為上升級(jí)和下降級(jí)可以有效降低月面上升總體載荷。

C方案是美國“星座計(jì)劃”提出的登月飛行器構(gòu)造方案[8]。該方案大體與阿波羅方案相似，唯一不同的地方在于該方案中登月飛船的下降級(jí)承擔(dān)了將整個(gè)登月飛行器發(fā)送至地月轉(zhuǎn)移軌道的任務(wù)。采用登月飛行器來完成登月飛行器的地月轉(zhuǎn)移軌道機(jī)動(dòng)無疑會(huì)大大增加整個(gè)登月飛行器的整體質(zhì)量規(guī)模，對(duì)運(yùn)載火箭的能力也提出了更高的要求，此外，登月飛船需要較大質(zhì)量的高比沖低溫推進(jìn)劑，這對(duì)低溫推進(jìn)技術(shù)也提出了更高的要求。然而，采用該種方案的優(yōu)勢(shì)也是顯而易見的，一方面降低了推進(jìn)級(jí)系統(tǒng)的數(shù)量，另一方面增加了登月飛行器組裝的靈活性，即可以通過多次運(yùn)載火箭來完成。

D方案與B方案類似，不同的部分在于登月飛船不分上升級(jí)和下降級(jí)而是由一個(gè)整體構(gòu)成。登月飛船完成月面任務(wù)后返回環(huán)月軌道，登月飛船的下降和上升段的動(dòng)力皆由推進(jìn)級(jí)1提供。該種方案在C方案的基礎(chǔ)上再次減少了推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)量，這在一定程度上可以降低登月飛行器推進(jìn)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，但是同樣面臨大質(zhì)量、高比沖低溫推進(jìn)劑的工程技術(shù)難題，此外，登月飛船的采用一個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的方案是否優(yōu)于登月飛船上升級(jí)和下降級(jí)都裝有一套推進(jìn)系統(tǒng)的方案還有待論證。

登月飛行器級(jí)間組合設(shè)計(jì)需要統(tǒng)籌考慮登月飛行器的質(zhì)量規(guī)模和我國已有的載人飛船的技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)要兼顧我國載人登月飛行方案，是需要在概念設(shè)計(jì)階段重點(diǎn)考慮的環(huán)節(jié)。

3 質(zhì)量規(guī)模需求分析

3.1 登月飛行器質(zhì)量估算流程

按照NASA提出的質(zhì)量規(guī)模估計(jì)方法[13]，登月飛行器的質(zhì)量規(guī)模估計(jì)要遵循以下幾個(gè)步驟。

3.1.1 加壓艙體積估計(jì)

所謂加壓艙即通過加壓、加氧等手段建立的密封艙。在奔月和返回地球階段，載人飛船加壓艙可供航天員生活和休息，在月面活動(dòng)期間，航天員通過登月飛船加壓艙進(jìn)出休息室。加壓艙在數(shù)量上并不等于航天員工作生活空間的體積，還包括航天員日常生活供給和設(shè)備的體積。加壓艙的體積會(huì)隨著航天任務(wù)的時(shí)間和航天員的數(shù)量的增加而增大，大致符合如圖3所示的曲線規(guī)律[13]。

圖3 加壓艙體積與任務(wù)天數(shù)的參考案例Fig.3 Pressurized volume versus mission duration with historical reference cases

3.1.2 登月飛船質(zhì)量估計(jì)

登月飛船加壓艙為航天員在月面活動(dòng)期間和月球上升下降段提供工作休息場所?；谳d人登月任務(wù)要求和功能分析，登月飛船的上升級(jí)主要包括登月艙部分和推進(jìn)系統(tǒng)部分。登月艙不但包含艙體機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)組成部分，還包括供航天員日常生活和出艙的生保用品、登月服、導(dǎo)航制導(dǎo)與控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)等；推進(jìn)系統(tǒng)除了推進(jìn)劑部分外還包括推進(jìn)系統(tǒng)支持結(jié)構(gòu)、熱防護(hù)系統(tǒng)等。

根據(jù)1994年NASA總結(jié)出的飛行器加壓艙質(zhì)量經(jīng)驗(yàn)公式[13]，登月飛行器的加壓艙質(zhì)量可由式(1)進(jìn)行估算。加壓艙質(zhì)量決定因素包括member(機(jī)組人數(shù))、day(任務(wù)時(shí)間)、volume(加壓艙容積)。

mbo=592×(member×day×volume)0.346

(1)

式(1)計(jì)算得到的結(jié)果是加壓艙的干重，其并未考慮登月飛行器系統(tǒng)其他部分如對(duì)接機(jī)構(gòu)、太陽能帆板、通信系統(tǒng)等質(zhì)量。此外，登月飛行器的質(zhì)量估計(jì)屬于概念設(shè)計(jì)階段的初步估計(jì)，隨著登月飛行器概念設(shè)計(jì)的逐步深入、載人登月任務(wù)和結(jié)構(gòu)功能的更加明確，登月飛行器的總體質(zhì)量規(guī)模較前期會(huì)有所增加。按照美國NASA的經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)，登月艙從飛行器的概念設(shè)計(jì)到應(yīng)用階段質(zhì)量有25%的增長量[14]。

在得到登月艙干重后，登月飛船上升級(jí)可通過式(2)來計(jì)算。

(2)

同理，可對(duì)登月飛行器下降級(jí)的質(zhì)量進(jìn)行估算。基于載人登月任務(wù)要求和功能分析，登月飛船下降級(jí)主要包括架體機(jī)構(gòu)、推進(jìn)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)以及部分月球科學(xué)儀器設(shè)備。根據(jù)式(2)計(jì)算得到的登月飛船上升級(jí)的質(zhì)量，可用式(3)對(duì)登月飛船的質(zhì)量進(jìn)行估算。

(3)

3.1.3 載人飛船質(zhì)量估計(jì)

根據(jù)載人登月任務(wù)的需要，載人飛船加壓艙主要供航天員在地月往返段工作休息，載人飛船的質(zhì)量同樣可利用齊奧爾科夫斯基公式來進(jìn)行估算，按照美國NASA的經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)，阿波羅指令艙的最終質(zhì)量較概念設(shè)計(jì)階段增長率為50%[13]，因此本文載人飛船載人艙的質(zhì)量估計(jì)也設(shè)置50%的冗余量。

根據(jù)式(1)對(duì)載人飛船載人艙的體積進(jìn)行估計(jì)，在此基礎(chǔ)上可根據(jù)質(zhì)量估算公式對(duì)載人艙質(zhì)量進(jìn)行估計(jì)：

(4)

其中： mCM表示利用公式估算載人飛船加壓艙的干重；mCM1表示考慮質(zhì)量增長率后加壓艙重量；mCMp表示加壓艙推進(jìn)劑質(zhì)量；mCMps表示推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)支持系統(tǒng)質(zhì)量；mCMp1表示重新估計(jì)的推進(jìn)劑質(zhì)量；mCM2表示載人飛船最終質(zhì)量；s6表示載人飛船從概念設(shè)計(jì)階段到最后產(chǎn)品階段的質(zhì)量增長率；s7表示推進(jìn)系統(tǒng)所占推進(jìn)劑質(zhì)量的比例，一般取15%；s8表示載人飛船推進(jìn)劑冗余比重。

3.1.4 環(huán)月制動(dòng)級(jí)和地月轉(zhuǎn)移級(jí)質(zhì)量估計(jì)

根據(jù)載人登月任務(wù)的需要，環(huán)月制動(dòng)級(jí)提供動(dòng)力使載人飛船和登月飛船進(jìn)入環(huán)月軌道，地月轉(zhuǎn)移級(jí)將提供動(dòng)力使載人飛船和登月飛船進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道。環(huán)月制動(dòng)級(jí)和地月轉(zhuǎn)移級(jí)質(zhì)量的估計(jì)也按照齊奧爾科夫斯基公式進(jìn)行計(jì)算。

3.2 登月飛行器質(zhì)量估算

完成整個(gè)載人登月任務(wù)需要登月飛行器進(jìn)行多次軌道機(jī)動(dòng)，推進(jìn)劑系統(tǒng)占登月飛行器總體質(zhì)量的比例很大，推進(jìn)劑質(zhì)量可依據(jù)轉(zhuǎn)移速度增量進(jìn)行估計(jì)。此外，推進(jìn)劑也要根據(jù)我國的推進(jìn)技術(shù)水平來選擇，考慮到低溫推進(jìn)劑的揮發(fā)性、不宜長時(shí)間儲(chǔ)存，所以只在地月轉(zhuǎn)移軌道機(jī)動(dòng)段使用液氫/液氧推進(jìn)劑，其推進(jìn)劑比沖取4400m/s，其他階段的機(jī)動(dòng)采用更易于長時(shí)間儲(chǔ)存的常規(guī)推進(jìn)劑，推進(jìn)劑比沖取2800m/s，如表2所示。

表2 載人登月任務(wù)階段速度增量及推進(jìn)劑

按照NASA提出的質(zhì)量估計(jì)方法，首先，對(duì)載人飛船和登月飛船加壓艙體積進(jìn)行估算，航天員在載人飛船加壓艙中的時(shí)間大約為8～10天，在登月艙時(shí)間為1～2天，根據(jù)圖3可初步估算出載人飛船可供航天員活動(dòng)的加壓艙體積Vs為1.2m3、登月飛船供航天員活動(dòng)的加壓艙體積Vl為6m3。以阿波羅飛船為例，登月艙總體積為6.7m3，其中，可供航天員使用的空間體積為4.5m3(即每名航天員平均可支配體積為2.25m3)，系統(tǒng)設(shè)備和日常生活用品所占體積為2.2m3；載人飛船加壓艙系統(tǒng)設(shè)備和日常生活用品所占的體積空間為3m3，根據(jù)以上參考數(shù)據(jù)可初步估算我國載人飛船加壓艙和登月艙的體積。

載人飛船加壓艙體積Vms為：

Vms=V1+V2=3+6=9m3

(5)

式中：V1代表設(shè)備空間體積；V2為航天員生活空間體積。

登月飛船加壓艙Vml為：

Vml=V4+V5+V6=2.2+1.2+1=4.4m3

(6)

式中：V4為設(shè)備空間所占體積；V5為登月艙生活空間體積；V6為機(jī)器人及其支持系統(tǒng)所占體積。

在此基礎(chǔ)上，可按照式(1)、式(2)對(duì)登月飛船上升級(jí)和下降級(jí)的質(zhì)量進(jìn)行估算。推進(jìn)劑支持系統(tǒng)不但包括推進(jìn)劑本身，還包括推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)和其他一些推進(jìn)支持機(jī)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)一般占總推進(jìn)劑總質(zhì)量的15%[15]，在計(jì)算飛船重量的時(shí)候，需要將這部分質(zhì)量考慮在內(nèi)。假設(shè)推進(jìn)劑冗余量取值10%，上行載荷為100kg，下行載荷為500kg，則登月飛船的質(zhì)量如表3所示。

表3 登月飛船質(zhì)量估算

3.3 火箭運(yùn)載能力需求

從表3中可以看出，要完成1人1機(jī)、月面活動(dòng)1天的載人登月任務(wù)至少需要運(yùn)載火箭具備70t級(jí)的近地軌道運(yùn)輸能力，如果登月飛行器在環(huán)月軌道完成組裝，則至少需要運(yùn)載火箭具備10t級(jí)的載人火箭運(yùn)載能力和14t級(jí)的貨運(yùn)火箭運(yùn)載能力。

4 飛行方案研究

載人登月飛行方案的確定需要綜合考慮運(yùn)載火箭的能力、載人登月任務(wù)、任務(wù)測控條件、登月飛行器構(gòu)造等約束，是載人登月計(jì)劃中最為關(guān)鍵的一環(huán)。目前，載人登月飛行方案的分類多以是否需要進(jìn)行近地交會(huì)對(duì)接和環(huán)月交會(huì)對(duì)接來完成登月任務(wù)進(jìn)行分類[14]，在此基礎(chǔ)上，有些學(xué)者根據(jù)近地和環(huán)月交會(huì)對(duì)接次數(shù)來對(duì)登月飛行方案進(jìn)行分類[15-16]，也有一些學(xué)者結(jié)合我國火箭發(fā)射能力來對(duì)我國的載人登月飛行模式進(jìn)行研究[17]。

本文根據(jù)登月飛行器組裝方式的不同來對(duì)飛行方案進(jìn)行研究，文中假設(shè)登月飛行器組裝完成后所采用的飛行方案與阿波羅相同，主要包括：地面組裝方案、近地軌道交會(huì)對(duì)接組裝、環(huán)月軌道對(duì)接組裝，下面分別對(duì)幾種方案進(jìn)行分析。

4.1 地面組裝方案

登月飛行器地面組裝方案與美國阿波羅登月計(jì)劃方案相同，登月飛行器的組裝在地面完成后由重型運(yùn)載火箭一次性地將其發(fā)送至近地軌道。經(jīng)過短暫的調(diào)整后由地月轉(zhuǎn)移級(jí)提供動(dòng)力將登月飛行器組合體發(fā)送至奔月軌道，途中經(jīng)過數(shù)次奔月軌道修正，環(huán)月制動(dòng)級(jí)減速調(diào)整使登月飛行器進(jìn)入環(huán)月軌道，之后登月飛船與載人飛船分離并著陸月面，月面任務(wù)完成后上升級(jí)進(jìn)入環(huán)月軌道并與載人飛船交會(huì)對(duì)接，下降級(jí)留在月面。航天員由上升級(jí)進(jìn)入載人飛船后，載人飛船載人艙加速進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道。地面組裝載人登月方案過程如圖4所示。

圖4 地面組裝方案Fig.4 Ground composing mode

美國為阿波羅計(jì)劃研制了大推力三級(jí)土星V運(yùn)載火箭，火箭起飛質(zhì)量大約2950t，近地運(yùn)載能力達(dá)到120t，可滿足阿波羅三人乘組、兩人登月、月面任務(wù)持續(xù)3天的任務(wù)需求。根據(jù)上一節(jié)對(duì)登月飛行器質(zhì)量規(guī)模分析可知，如果采用地面組裝方案完成1名航天員和1個(gè)機(jī)器人、月面任務(wù)1天的任務(wù)需要我國研制至少具備70t級(jí)運(yùn)輸能力的運(yùn)載火箭。

采用地面組裝登月飛行器方案使載人登月任務(wù)的流程簡單明了，登月飛行器組裝完成后，僅用一枚重型運(yùn)載火箭即可直接將其發(fā)送至奔月軌道，降低了對(duì)發(fā)射場連續(xù)工作的要求，避免了協(xié)調(diào)多次交會(huì)對(duì)接帶來的窗口選擇問題。但是，本方案的實(shí)施對(duì)重型火箭的依賴性較大，同時(shí)，重型運(yùn)載火箭的研制需要兼顧考慮載人狀態(tài)和載貨狀態(tài)，這無疑又加大了研制難度，會(huì)使研制周期相對(duì)來說更長、研制費(fèi)用投入更大，經(jīng)濟(jì)和進(jìn)度實(shí)現(xiàn)性較差。

4.2 近地組裝方案

近地交會(huì)對(duì)接組裝方案的實(shí)現(xiàn)途徑為：采用運(yùn)載火箭和載人運(yùn)載火箭分別將登月飛船系統(tǒng)和載人飛船系統(tǒng)分批次送至近地軌道，并在近地軌道通過交會(huì)對(duì)接完成登月飛行器的組裝任務(wù)，組裝完成后地月轉(zhuǎn)移級(jí)提供動(dòng)力將登月飛行器送入奔月軌道，之后的任務(wù)程序與地面組裝方案相同。近地交會(huì)對(duì)接組裝方案可通過數(shù)次發(fā)射來完成，本文只討論近地一次交會(huì)對(duì)接組裝載人登月方案，即采用一枚重型運(yùn)載火箭和一枚載人運(yùn)載火箭分別將登月飛船和載人飛船發(fā)送至近地軌道，通過交會(huì)對(duì)接完成登月飛行器的組裝。美國“星座計(jì)劃”就是以“人貨分運(yùn)”為原則，采用近地交會(huì)對(duì)接的組裝方案，方案流程如圖5所示。

圖5 近地組裝方案Fig.5 Earth orbit composing mode

根據(jù)上一節(jié)登月飛行器質(zhì)量規(guī)模分析可知，如果采用近地一次交會(huì)對(duì)接組裝方案，我國需要研制至少具備60t級(jí)運(yùn)輸能力的貨運(yùn)火箭和至少具備10t級(jí)近地運(yùn)輸能力的載人火箭，才能確保本種方案的實(shí)施。

近地交會(huì)對(duì)接組裝方案采用“人貨分運(yùn)”的方式，是近些年各國載人登月的主要論證方案[8,18]，相比于重型運(yùn)載火箭“人貨合運(yùn)”的方案，“人貨分運(yùn)”降低了對(duì)發(fā)射場連續(xù)發(fā)射能力的要求，這在一定程度上可以提高任務(wù)的靈活性和安全性。然而，采用一次近地交會(huì)對(duì)接組裝的方案同樣對(duì)重型運(yùn)載火箭依賴性較大，研制周期較長，增加近地交會(huì)對(duì)接次數(shù)，任務(wù)復(fù)雜性也會(huì)相應(yīng)變大。

4.3 環(huán)月組裝方案

基于環(huán)月軌道交會(huì)對(duì)接組裝的方案是將載人飛船和月面著陸器直接發(fā)送至環(huán)月軌道，并通過環(huán)月軌道交會(huì)對(duì)接完成登月飛行器的組裝。該種飛行方案也可按照環(huán)月交會(huì)次數(shù)進(jìn)行細(xì)分，本文只討論一次環(huán)月組裝的方案，即采用1枚貨運(yùn)火箭和1枚載人運(yùn)載火箭直接將登月飛船和載人飛船發(fā)射至地月轉(zhuǎn)移軌道，進(jìn)入環(huán)月軌道后完成登月飛行器組裝，環(huán)月軌道交會(huì)對(duì)接組裝方案流程如圖6所示。

圖6 環(huán)月組裝方案Fig.6 Lunar orbit composing mode

根據(jù)上一節(jié)登月飛行器質(zhì)量規(guī)模分析可知，如果采用環(huán)月軌道交會(huì)對(duì)接組裝方案，需要研制至少具備25t級(jí)環(huán)月軌道運(yùn)輸能力的貨運(yùn)火箭和至少具備10t級(jí)環(huán)月運(yùn)輸能力的載人火箭，才能確保本種方案的實(shí)施。

采用環(huán)月交會(huì)對(duì)接的方式完成登月飛行器的組裝為我國載人登月飛行方案提供了另外一種思路，從交會(huì)對(duì)接過程所需能量的角度來看，環(huán)月交會(huì)對(duì)接較近地交會(huì)對(duì)接要更節(jié)省能量。但是，環(huán)月交會(huì)對(duì)接較近地交會(huì)對(duì)接所需的條件也更加苛刻，受到深空測控網(wǎng)、我國環(huán)月交會(huì)技術(shù)等條件的約束，該種方案對(duì)我國的載人運(yùn)載火箭也提出了較高的要求。

4.4 登月方案建議

通過以上幾種方案比較可知，不同的組裝方案都有各自的缺點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，其中，火箭的運(yùn)載能力是制約實(shí)施我國載人登月的關(guān)鍵因素。對(duì)于我國來講，火箭運(yùn)載能力不足的情況下，可考慮多次發(fā)射、多次對(duì)接的有限規(guī)模載人登月。無論采取哪種方案，都需要對(duì)方案的可靠性、風(fēng)險(xiǎn)、成本等方面進(jìn)行考量，建立符合我國當(dāng)前國情的載人登月方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)，篩選出最優(yōu)的登月方案。

5 結(jié)論

在參考載人登月任務(wù)的基礎(chǔ)上提出了采用1名航天員和1個(gè)機(jī)器人的聯(lián)合探月方案。根據(jù)載人登月任務(wù)需求對(duì)人機(jī)聯(lián)合探月場景進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括任務(wù)時(shí)間、出艙次數(shù)和月面載荷等設(shè)計(jì)指標(biāo)；對(duì)登月飛行器的級(jí)間構(gòu)造進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)登月飛行器的質(zhì)量規(guī)模進(jìn)行了估算；分析了該方案在不同組裝模式下對(duì)火箭的運(yùn)載能力需求。

文中對(duì)登月飛行器的質(zhì)量規(guī)模估算屬于概念研究階段，隨著登月飛行器設(shè)計(jì)的逐步深入、載人登月任務(wù)的更加明確，并且考慮到登月飛行器的冗余性設(shè)計(jì)，登月飛行器總體質(zhì)量規(guī)模必然較概念設(shè)計(jì)階段有所增加，完成人機(jī)聯(lián)合探月任務(wù)就需要更大的火箭運(yùn)載能力。此外，為完成繼有限規(guī)模登月任務(wù)之后的大規(guī)模載人登月任務(wù)，研制更大負(fù)載能力的重型運(yùn)載火箭與載人運(yùn)載火箭勢(shì)在必行。

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Manned lunar exploration of human-machine combination based on staging method

ZHANG Yakun, LI Haiyang

Theconstructionmodeofmannedlunarspacecraftwasdesignedbyusingtheclassicstagingcombinationdesignmethodoflunarspacecraft.Apreliminaryestimationoftherocketcarryingcapacitywasmadeaccordingtotheanalysisofthedifferentstagingmethods,andtheexplorationschemesofhuman-machinesynergyareobtainedaswell.Thestagingmethodcanprovideanewsolutiontoorbittransfervehicleandlandingcraftdesign.Themassestimationoflunarcraftbasedontheanalysisofdifferentstagingoptionswasgiven,andthecorrespondingrocketcarryingcapacityofdifferentflightmodeswascompared.Thestudycanprovidereferencetotheschemeofourcountry’sfirstmannedlunarmission.

mannedlunarmission;human-machinecombination;lunarspacecraft;massestimation;flightmode

2015-01-15

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11472301)；國家973計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013CB733100)作者簡介：張亞坤(1987—)，男,河北饒陽人，博士研究生，E-mail：zhangyakun_13@163.com；李海陽(通信作者)，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，E-mail：lihaiyang@nudt.edu.cn

10.11887/j.cn.201504024

http://journal.nudt.edu.cn

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