可移動式月球著陸器在載人月球探測活動中的任務(wù)分析

梁 魯，張志賢，果琳麗，楊 晨，曾 曜，李 民，葉培建

(1.中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京100094；2.中國空間技術(shù)研究院，北京100081)

可移動式月球著陸器在載人月球探測活動中的任務(wù)分析

梁 魯1，張志賢1，果琳麗1，楊 晨1，曾 曜1，李 民2，葉培建2

(1.中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京100094；2.中國空間技術(shù)研究院，北京100081)

基于對阿波羅計劃登月艙以及其它載人月球探測計劃著陸器系統(tǒng)任務(wù)的調(diào)研，針對固定式著陸器任務(wù)與功能的局限性，提出了可移動式月球著陸器概念，以未來載人登月以及載人月球基地任務(wù)為背景，分析了可移動式著陸器在月面大范圍探測、增強探測靈活性和月球基地建造、運營等任務(wù)中的優(yōu)勢:移動式月球著陸器能夠兼顧載人登月任務(wù)和月球基地任務(wù)，優(yōu)化月面系統(tǒng)組成，實現(xiàn)兩個任務(wù)的銜接和過渡，對以建立月球基地為目標(biāo)的載人航天計劃、移動式月球著陸器以及基于著陸器形成的探測模式都很有助益。

移動式；著陸器；載人月球探測

1 引言

載人月球著陸器(登月艙)是實現(xiàn)將航天員、載荷送往月球表面，支持航天員月面活動和科學(xué)試驗等任務(wù)的航天器?？梢苿邮街懫髦妇邆湟苿幽芰Φ脑虑蛑懫鳌?/p>

阿波羅計劃、蘇聯(lián)登月計劃和星座計劃短期任務(wù)月球著陸器的最新一輪狀態(tài)均采用了固定式月面著陸設(shè)計(著陸后著陸器位置固定)[1]。在阿波羅計劃的后期任務(wù)中還在著陸器上配備了載人月球車，形成了固定式月球著陸器與月球車組合的登月模式，在實際飛行任務(wù)中，這種登月模式得到了驗證，月球車的加入拓展了航天員的活動范圍，提升了探測活動的效率。然而，固定式著陸器結(jié)合月球車模式還存在一定的局限性，并且隨著持續(xù)性登月任務(wù)的開展，以及在未來載人月球基地任務(wù)中，這種模式的局限性將更為明顯，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

1)探測線路重復(fù)、探測范圍有限

使用固定式月球著陸器，航天員每一次出艙活動后都必須返回著陸器之中，并最終通過著陸器的上升飛行器返回地球到達范圍顯見將受制于艙外服的持續(xù)工作能力(6～9小時)[2]。航天員將花費相當(dāng)多的時間和能量在返回路程上。假設(shè)載人月球車行駛平均速度10 km/h，進行一次20 km外的探測，其返回著陸器就需要2小時，占去了整個艙外活動時間的25％以上。

2)用于月球基地任務(wù)需配套多種設(shè)施和操作

著陸器著陸于月球表面的過程中發(fā)動機氣浪將掀起月表土壤和石塊。為保護基地設(shè)施并考慮避免著陸偏差造成的危害，著陸區(qū)域距離月球基地本體的距離至少應(yīng)達到幾百米至幾公里[3]。從著陸點運送航天員和貨物前往月球基地是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。可以預(yù)見，使用固定式著陸器作為運輸工具則相應(yīng)地必須使用月面的大型運輸車輛、起重機械等輔助設(shè)施共同完成這“最后一公里”的作業(yè)。

月球基地壽命周期內(nèi)可能需要數(shù)多月球著陸任務(wù)的支持，固定式著陸器棄用部分將遺留在月球基地周圍(除非使用整體起飛的著陸器)，占用著陸場資源并增加后續(xù)任務(wù)著陸風(fēng)險，清理廢棄著陸器也必須使用輔助設(shè)施付出操作成本[4]。

針對上述局限性，本文提出具有移動能力的月球著陸器概念，探討其在月面大范圍探測中的安全性、靈活性及其在簡化月球基地任務(wù)中的獨特優(yōu)勢。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 移動式月球著陸器概念及方案研究

以美國“星座”計劃體系為指引，多個研究機構(gòu)提出了可移動式月球著陸器和火星著陸器的概念并拓展移動式月球著陸器的任務(wù)模式，提升概念的附加值。我國尚未公開發(fā)表可移動式月球著陸器的概念和方案設(shè)想。

2.1.1 Lockheed Martin可移動月球著陸器概念

Lockheed Martin公司參與了NASA的探索系統(tǒng)體系研究(ESAS)，提出了可移動月球著陸器設(shè)想，但仍停留在概念階段[4]。Lockheed Martin對月球著陸器移動能力的需求進行了簡略的歸納，并主要提出了2種可移動載人月球著陸器概念。其中一種月球著陸器整體具備輪式運動系統(tǒng)，月球著陸器整器實現(xiàn)月面軟著陸和月面移動(圖1. a)；另一種月球著陸器僅在上升級上配備輪式運動系統(tǒng)，月面下降減速過程中將主減速推進系統(tǒng)分離掉，上升級單獨完成軟著陸并實現(xiàn)在月面的移動(圖1.b)。

圖1 Lockheed Martin月球著陸器概念Fig·1 Lunar lander concept of Lockheed Martin

2.1.2 Boeing火星著陸器概念

Boeing公司于2012年發(fā)表了火星探測器架構(gòu)，實現(xiàn)4人落火480天的任務(wù)[5]。每一次火星任務(wù)中包括了4個火星著陸器，其中含3個貨運著陸器和1個載人著陸器MPL。3個貨運著陸器中分為兩種，一種是載有居住艙的居住型著陸器MCL-H(2個)，另一種實際上是大型的增壓月球車MCL-R。

在一次火星任務(wù)中，3個貨運著陸器首先著陸，并各自單獨到達預(yù)定的交匯點，等待載人火星著陸器的到來。理想情況下，載人火星著陸器將盡可能的靠近火星貨運著陸器的交匯點進行著陸，以減少載人火星著陸器的移動距離，但也不能離得太近，避免動力下降過程中下降發(fā)動機對火星貨運著陸器造成傷害。圖2.a和圖2.b是火星載人著陸器和火星貨運著陸器著陸后的示意圖，圖2.c是火星基地組成示意圖。

圖2 Boeing火星著陸器概念Fig·2 MARS lander concept of Boeing

2.1.3 NASA可移動月球著陸器概念

美國在星座計劃的體系框架內(nèi)系統(tǒng)地開展了月球著陸器方案的研究，其中包括可移動月球著陸器的概念，論證了可移動月球著陸器的優(yōu)點和在月球探測任務(wù)中的應(yīng)用前景，并基于一種高機動性的輪腿移動系統(tǒng)(ATHLETE全地形探測系統(tǒng)[6]，圖3.a)提出了可移動月球著陸器(圖3.b)的方案設(shè)想。著陸器可在月面移動和調(diào)整姿態(tài)，多個著陸器密封艙首尾相接可組成月球基地(圖3.c)。載人型月球著陸器在貨運著陸器的基礎(chǔ)上增加了上升級，供航天員返回月球軌道?？梢苿釉虑蛑懫鲀?yōu)勢有如下幾點：1)便捷地組成月球基地；2)便于月球基地的重定位、定向和變形；3)大型載荷裝卸、運輸；4)基地魯棒性更高，易于商業(yè)開發(fā)和擴展；5)提高月面任務(wù)的靈活性。

2.2 后續(xù)發(fā)展啟示

1)移動式著陸器可提高月球探測和月球基地任務(wù)的靈活性、經(jīng)濟性

在基地建造和維護以及基地設(shè)施重復(fù)利用方面，移動式著陸器對于簡化系統(tǒng)持續(xù)月球探測任務(wù)的月面設(shè)施種類有重要作用。可移動貨運型著陸器不需要配備專用的起重和運輸設(shè)備即可完成基地的構(gòu)建，在初級月球基地或月球基地的建造初期，可便捷地組成基地和變換基地構(gòu)型。在航天員離開月球之后，自行前往下一科考點等待航天員的到來，大幅節(jié)省了向月面輸送基地設(shè)施的費用。

圖3 M L可移動著陸器Fig·3 MLmobile lunar lander concept of NASA

2)移動式著陸器是建立火星基地的首選

然而執(zhí)行載人火星任務(wù)，必須通過多次火星著陸任務(wù)建立可長期生存的火星基地，并依賴于火星表面的基地建造和表面交會對接操作。受測控條件和火星大氣的影響，實現(xiàn)高精度火星表面著陸具有更大的挑戰(zhàn)性，各個著陸器的著陸點間距必須保持適當(dāng)?shù)木嚯x。利用可移動著陸器是實現(xiàn)表面交會，減少火星運輸規(guī)模的首選模式。

3 移動式月球著陸器任務(wù)分析

3.1 載人登月任務(wù)

初級載人登月任務(wù)中的月面活動以小范圍的月面移動和適度的月面探測活動為主，每次飛行任務(wù)的登陸區(qū)域都不相同，各次飛行任務(wù)以廣覆蓋的形式遍布月球表面，在探測月球的同時也對各類技術(shù)進行驗證。此外，為保障乘員安全，月球著陸器還必須具備在任意時間安全返回月球軌道的能力。

航天員出艙通過步行方式到達指定區(qū)域或?qū)ρ赝具M行探測，著陸器具備移動能力，以與航天員相同的速度跟隨航天員。。

3.1.1 基本假設(shè)和約束

航天員每天睡眠時間保證不小于8小時，每天保持清醒的狀態(tài)為16小時。航天員每天累積出艙時間不超過8小時，航天員單次出艙活動時間不超過8小時，航天員每工作3天需要休息2天(NASA START團隊研究的假設(shè)和約束條件[7])。

航天員平均行走速度假設(shè)為1 km/h。在固定式月球著陸器加非增壓月球車模式下，月球車平均行駛速度為10 km/h(阿波羅月球車LRV設(shè)計時速為13 km/h[8]，本文取10 km/h進行分析)。

3.1.2 任務(wù)模式：跟隨探測

在7天任務(wù)內(nèi)，假設(shè)航天員每天進行出艙活動，則航天員通過出艙行走每天最大行走距離為1 km/h×8 h＝8 km，在有增壓艙跟隨的情況下，航天員不需要返回著陸點，在航天員結(jié)束當(dāng)天8 h工作后可就地返回著陸器，在艙內(nèi)工作或休息期間(非睡眠)著陸器通過航天員操作或地面遙操作方式可再繼續(xù)行走8 h。因此在可移動著陸器的支持下，航天員在7天內(nèi)最遠(yuǎn)可到達距著陸點112 km處的區(qū)域，即可以完成一次100 km范圍的貫穿探測，圖4.b)。并且在探測過程中發(fā)生了必須離開月球的事件，航天員可就近返回著陸器飛離月球。

如果以固定式月球著陸器+載人月球車的模式進行探測(圖4.a)，則在7天任務(wù)內(nèi)，航天員的實際可出艙工作時間為5天，每天8 h。在7天內(nèi)可完成對5個距著陸點7.3 km內(nèi)區(qū)域的探測，總里程約73 km。

當(dāng)任務(wù)周期增加至14天，則航天員最遠(yuǎn)可到達距著陸點224 km處的區(qū)域，即可以完成一次200 km范圍的貫穿探測(圖5.b，這一距離相當(dāng)于可以橫穿虹灣地區(qū)(直徑約236 km))。并且在探測過程中發(fā)生了必須離開月球的事件，航天員可以就近返回著陸器飛離月球。

如果以固定式月球著陸器+載人月球車+固定式貨運著陸器(含居住艙)的模式進行探測，則在14天任務(wù)內(nèi)，航天員的實際可出艙工作時間為9天，每天8 h。無論是使用增壓式月球車還是非增壓式月球車都應(yīng)遵守不大于7.3 km的活動距離限制。在9天內(nèi)可完成對9個距著陸點7.3 km內(nèi)區(qū)域的探測，總里程約131 km (圖5.a)。

圖4 單次任務(wù)探測距離(7天)Fig·4 Drivingrange at a single flight(7 days)

圖5 單次任務(wù)探測距離(14天)Fig·5 Drivingrangeat a single flight(14 days)

3.2 月球基地任務(wù)

想定的月球基地任務(wù)以建設(shè)和維護3艙剛性艙月球基地并結(jié)合月球基地開展大范圍探測為目標(biāo)(任務(wù)規(guī)劃如圖6所示)。假定月球基地此前的選址、地表的穩(wěn)固與處理已在先期的無人登月任務(wù)中完成。自首個剛性艙運至月球基地起，基地組成艙段使用移動式月球著陸器運送至基址附近的預(yù)定地點。

3.2.1 基本假設(shè)及約束條件

著陸過程發(fā)動機工作將產(chǎn)生氣浪，它主要影響著陸平臺與基地設(shè)施設(shè)備的距離。研究表明，具著陸點2 km范圍內(nèi)，基地設(shè)施的玻璃表面會遭到一定程度的侵蝕。在經(jīng)歷多次侵蝕之后，光學(xué)儀器的玻璃透光面可能失效[3]。

圖6 可移動式月球著陸器月球基地任務(wù)模式Fig·6 Mobile lander in lunar base mission

另一方面，著陸器的落點偏差也會影響著陸平臺的大小以及平臺與月球基地的距離。在有完善的外部跟蹤導(dǎo)航服務(wù)并且在月球上存在易于識別的地標(biāo)的情況下，著陸器的偏差范圍約為2 km。如果有月基導(dǎo)航系統(tǒng)的支持，以Apollo-17的經(jīng)驗推測，航天器的3σ著陸區(qū)域基本上可以縮小到100m以內(nèi)[3]。但考慮到月面已存在的導(dǎo)航系統(tǒng)有失效的可能性，并綜合考慮著陸氣浪造成的影響，著陸點與月球基地的距離至少應(yīng)為3 km。

3.2.2 任務(wù)模式：月球基地建造與維護

1)基地建造

第1臺月球著陸器攜帶基地艙段著陸于距基地3 km的著陸區(qū)，自行前往基址。

第2臺月球著陸器攜帶基地艙段著陸于著陸區(qū)，自行前往基址。

第1臺載人月球著陸器到達基地，航天員現(xiàn)場指揮2個艙段使用可移動著陸器進行對接組裝，并對基地進行調(diào)試維護。然后離開月面。

第3臺月球著陸器攜帶基地艙段著陸于著陸區(qū)，自行前往基址。

第2臺載人月球著陸器到達基地，航天員現(xiàn)場指揮第3個艙段使用可移動著陸器進行對接組裝與前兩個艙段組合體對接組裝，對基地進行調(diào)試維護。

航天員陸續(xù)到達月球基地進行探測活動和科學(xué)實驗。在基地的建造過程中，可移動著陸器縮短了航天員出艙作業(yè)的時間，并能夠簡化基地的建造流程，減少月面上的長時間閑置設(shè)施(表1、圖7)。

表1 航天員出艙活動時間Table 1 Astronaut EVA time

圖7 月球基地建造Fig·7 Construction of lunar base

2)著陸區(qū)清理

當(dāng)著陸器著陸于月球基地附近，在貨物卸載之后，著陸器下降級將留在著陸場成為廢棄物，在基地建造和維護的過程中，將需要數(shù)次著陸任務(wù)，若不進行清理，則廢棄物將在月球基地附近不斷積累，占用基地附近的著陸區(qū)資源。此時必須使用運輸車輛和/或吊車將著陸器運往更遠(yuǎn)的區(qū)域存放(圖7.a)。

若著陸器具備一定移動能力，則著陸器可自行或在其它車輛的牽引下前往存放區(qū)域，簡化了基地配置的操作內(nèi)容(圖7.b)

3.2.3 任務(wù)模式：月球基地轉(zhuǎn)移和重建

可移動式月球著陸器可以便捷地組成可移動式月球基地，與月球基地的建造過程類似，可移動式月球基地可以便捷地進行轉(zhuǎn)移前往下一處考察站點，并重新組成月球基地，且在基地拆解過程不需要航天員進行現(xiàn)場監(jiān)視，可由地面遙操作完成(圖8.a)。

而固定式月球基地則必須使用吊車和運輸車輛，并消耗航天員出艙活動時間。在基地的拆解作業(yè)中至少需要1臺運輸機和1臺起重機進行配合，而在轉(zhuǎn)運過程中則至少需要4～5臺運輸機(圖8.b)。

圖8 月球基地轉(zhuǎn)移Fig·8 Transfer of lunar base

3.2.4 任務(wù)模式：大范圍區(qū)域探測中途應(yīng)急返回

在大范圍轉(zhuǎn)移或探測過程中，為確保途中的安全，應(yīng)由兩臺增壓式月球車組成團隊共同執(zhí)行任務(wù)(圖9.a)。在一個月晝周期內(nèi)，假設(shè)每天行駛8 h，月球車平均時速10 km/h，至少應(yīng)可行進1000 km以上，在中途發(fā)生航天員必須返回的情況時(傷病、月球車故障等)，月球車返回月球基地的時間過長。當(dāng)行駛500 km時，則需約7天返回基地；行駛560km以上則必然經(jīng)歷月夜，進而必須降低行使速度或無法及時返回。

若使用可移動著陸器與一臺增壓月球車組成團隊(圖9.b)，則航天員可就近轉(zhuǎn)移至著陸器的上升級，上升級起飛在10～20分鐘內(nèi)返回至月球基地或返回月球軌道。

圖9 大范圍探測中途應(yīng)急返回Fig·9 Emergencyreturn in large range roving

4 結(jié)論

本文以載人登月和月球基地為背景，分析了可移動式月球著陸器的任務(wù)適用性，指出移動式月球著陸器在單次飛行短期橫穿區(qū)域探測、大范圍月面轉(zhuǎn)移越障、月球基地建造維護與月球基地轉(zhuǎn)移和重建任務(wù)中具有顯著的優(yōu)勢。

移動式月球著陸器與固定式月球著陸器并非替代與被替代的關(guān)系，兩者各有所長。固定式著陸器完全能夠勝任小規(guī)模月球探測以及特定區(qū)域詳細(xì)探測等任務(wù)。

移動式月球著陸器能夠兼顧載人登月任務(wù)和月球基地任務(wù)，優(yōu)化月面系統(tǒng)組成，實現(xiàn)兩個任務(wù)的過渡，對于以建立月球基地為目標(biāo)的載人航天計劃，移動式月球著陸器本身以及基于著陸器形成的探測模式將成為未來月球探測任務(wù)的一大亮點。

在研制月球著陸器的過程中，應(yīng)采用模塊化的設(shè)計思路，使月球著陸器具備移動能力從而適應(yīng)多種類型任務(wù)的需求，是一條較經(jīng)濟的具備高附加值的技術(shù)途徑。

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Task Analysis of Mobile Lunar Lander in Crewed Lunar Exploration Missions

LIANG Lu1，ZHANG Zhixian1，GUO Linli1，YANG Chen1，ZENG Yao1，LI Min2，YE Peijian2
(1.Institute of Manned Space System Engineering，CAST，Beijing 100094，China；2.China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China)

Manned lunar lander is one of the core systems in the lunar exploration spacecraft system.Fixed lunar lander，as the Apollo lunar lander style，has its own limitations in extended and advanced missions.For these limitations，the concept of mobile lunar lander was introduced in the background of future crewed lunar explorations.Initiative analysis of advantages of mobile lander was made，including mobile lander in wide area roving mission，lunar base construction and operation.Mobile lunar lander itself，and mission modes around it will be a highlight that can serve as a reference in the transition period from manned lunar landing stage towards lunar base stage.

mobile；lunar lander；crewed lunar exploration

V478

A

1674-5825(2015)05-0472-07

2014-09-14；

2015-08-30

梁 魯(1980-)，男，博士研究生，高級工程師，研究方向為載人航天器總體設(shè)計。E-mail：llu20081025＠163.com