張有山，果琳麗，王 平，陳仁文

(1.南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，江蘇南京210016;2.中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京100094)

1 引言

月球探測(cè)是人類(lèi)進(jìn)行太陽(yáng)系空間探測(cè)的開(kāi)端，能促進(jìn)人類(lèi)對(duì)月球、地球和太陽(yáng)系的認(rèn)識(shí)［1］。與各種探測(cè)形式相比，身臨其境的載人探測(cè)能獲得更多對(duì)月球直觀的了解，更好、更快的達(dá)到探測(cè)目的。

作為載人探月中的一個(gè)十分重要的組成部分，載人月面著陸器擔(dān)負(fù)著將航天員安全送達(dá)月面、為月面活動(dòng)提供支持并將航天員安全撤離月面的使命。月面著陸器的相關(guān)能力直接決定了月表可達(dá)范圍及月面活動(dòng)的時(shí)間，相應(yīng)影響了科學(xué)探測(cè)的結(jié)果，因此高性能月面著陸器的研究對(duì)整個(gè)載人探月任務(wù)的成功，以及獲取更多科學(xué)回報(bào)關(guān)系重大。本文對(duì)已有載人月面著陸器的相關(guān)情況進(jìn)行了研究，并總結(jié)出隨著載人探月任務(wù)需求的發(fā)展，新一代載人月面著陸器應(yīng)具備的功能、特點(diǎn)。

2 國(guó)外載人月面著陸器研究發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 早期載人月面著陸器

20世紀(jì)60年代到70年代，美國(guó)、蘇聯(lián)兩個(gè)超級(jí)大國(guó)開(kāi)展太空軍備競(jìng)賽，催生了各自的載人登月計(jì)劃，最終美國(guó)的阿波羅計(jì)劃率先成功實(shí)施，而蘇聯(lián)由于運(yùn)載火箭的多次實(shí)驗(yàn)失敗，其載人登月計(jì)劃最終擱淺。雖然最終結(jié)果不同，但兩國(guó)都對(duì)載人登月的關(guān)鍵技術(shù)投入了大量的人力物力進(jìn)行研究，載人月面著陸器更是研究的重點(diǎn)［2，3］。

2.1.1 阿波羅計(jì)劃著陸器

美國(guó)的阿波羅計(jì)劃是目前唯一一個(gè)成功將人類(lèi)送上月球的探月任務(wù)。在整個(gè)計(jì)劃實(shí)施期間，總共進(jìn)行了7次載人登月飛行(其中6次成功，1次失敗)。6次成功的載人登月中，進(jìn)行了多項(xiàng)重要的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，得到大量寶貴的數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)［4］，圖1所示為阿波羅登月艙外觀。

圖1 阿波羅登月艙Fig.1 Lunar Module(LM)

阿波羅登月艙(Lunar Module，LM)在飛行任務(wù)中完成的工作有［5］:

1)將兩名航天員從月球軌道送到月面;

2)支持月球上的艙外活動(dòng)及各項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn);

3)將航天員和所采集的月球樣品運(yùn)送月球軌道上，與指令服務(wù)艙(Command and Service Module，CSM)完成對(duì)接。

阿波羅登月艙由上升級(jí)和下降級(jí)組成，上升級(jí)、下降級(jí)獨(dú)立，級(jí)間由爆炸螺栓連接，整個(gè)著陸器由4根可收縮的懸臂式著陸腿支撐，飛行期間這4根支柱都收起來(lái)。

上升級(jí)為著陸器主體，主要由航天員座艙、返回發(fā)動(dòng)機(jī)、推進(jìn)劑貯箱、儀器艙和控制系統(tǒng)組成，航天員座艙可容納2名航天員，有導(dǎo)航、控制、通信、生命保障和電源等設(shè)備［6］。上升級(jí)與下降級(jí)各有一套發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。上升級(jí)在完成月面任務(wù)后與下降級(jí)脫離，帶著上升級(jí)密封艙返回環(huán)月軌道。下降級(jí)是著陸器的無(wú)人部分，由著陸發(fā)動(dòng)機(jī)、4條著陸腿和4個(gè)儀器艙組成。下降級(jí)負(fù)責(zé)在著陸器下降過(guò)程中提供減速、機(jī)動(dòng)等能力。阿波羅登月艙的部分參數(shù)如表1所示。

表1 阿波羅登月艙參數(shù)［2］Table 1 Parameters of Lunar Module

2.1.2 “N1-L3”計(jì)劃登月艙

為應(yīng)對(duì)美國(guó)的阿波羅計(jì)劃，1964年8月，蘇聯(lián)政府提出了自己的載人登月計(jì)劃。但由于用于載人登月的運(yùn)載火箭一直實(shí)驗(yàn)失敗，在阿波羅11號(hào)成功實(shí)現(xiàn)載人登月后，蘇聯(lián)不得不取消了自己的載人登月計(jì)劃，因此L3登月系統(tǒng)沒(méi)能得到飛上月球的機(jī)會(huì)［2］。

圖2 L3登月系統(tǒng)著陸假想圖Fig.2 Imagination of L3 landing system

在計(jì)劃中，L3登月系統(tǒng)的任務(wù)包括完成航天員從環(huán)月軌道降至月面以及月面任務(wù)完成后把航天員從月面帶回至環(huán)月軌道與繞月飛行器對(duì)接。L3登月系統(tǒng)采用單艙構(gòu)形，在著陸下降過(guò)程中提供主要減速動(dòng)力的是運(yùn)載火箭的末級(jí)(Block D)，L3登月系統(tǒng)自身攜帶1臺(tái)變推力發(fā)動(dòng)機(jī)(RD-858)作為主份發(fā)動(dòng)機(jī)、2臺(tái)常推力發(fā)動(dòng)機(jī)(RD-859)作為輔助發(fā)動(dòng)機(jī)，只負(fù)責(zé)在下降段末期提供機(jī)動(dòng)能力以及較少的減速動(dòng)力。在月面任務(wù)結(jié)束后，密封艙與著陸月面裝置脫離，L3登月系統(tǒng)著陸發(fā)動(dòng)機(jī)再次點(diǎn)火，作為上升動(dòng)力使用［2］。圖2為計(jì)劃中的L3登月系統(tǒng)著陸假想圖，表2為著陸系統(tǒng)的部分設(shè)計(jì)參數(shù)。

表2 L3登月系統(tǒng)部分參數(shù)Table 2 Parameters of L3 landing system

2.2 新一代載人月面著陸器

根據(jù)重返月球計(jì)劃，NASA計(jì)劃于2018年再次實(shí)現(xiàn)載人登月。早在方案論證的初期，其團(tuán)隊(duì)便確定了月面著陸器的基本方案，即采用類(lèi)似于阿波羅計(jì)劃的LM兩級(jí)縱向分布結(jié)構(gòu)［7］。

2007年12月，NASA將新的載人月面著陸器正式命名為牽牛星號(hào)(Altair)，并將其作為重返月球的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在2010年奧巴馬總統(tǒng)宣布計(jì)劃停止前，相關(guān)部門(mén)已完成了對(duì)著陸器的多次論證，論證內(nèi)容包括用于短期載人著陸，包含上升級(jí)、下降級(jí)以及氣閘艙三部分的著陸器，以及月球基地型著陸器和貨運(yùn)著陸器。月球基地型著陸器用于未來(lái)執(zhí)行210天的月球基地任務(wù)，不帶氣閘艙;貨運(yùn)著陸器是用于貨運(yùn)的無(wú)人飛行器，沒(méi)有上升級(jí)和氣閘艙［7］，對(duì)應(yīng)著陸器的三種構(gòu)型如圖3所示，部分參數(shù)如表3所示。

表3 牽牛星號(hào)月面著陸器參數(shù)Table 3 Parameters of Altair

兩種載人著陸器的奔月主要采用近地軌道對(duì)接的方式，即ARES-I和ARES-V分別發(fā)射載人飛船和月面著陸器，并進(jìn)行近地軌道對(duì)接，共同飛向月球。進(jìn)入環(huán)月軌道后二者分離，月面著陸器下降至月球，載人飛船留在環(huán)月軌道，月面著陸器完成月表任務(wù)后，其上升級(jí)起飛并進(jìn)入環(huán)月軌道與載人飛船對(duì)接，再由載人飛船將航天員送回地球。其中，地月轉(zhuǎn)移段軌道修正和近月制動(dòng)均由月面著陸器完成。

圖3 牽牛星號(hào)月面著陸器的三種構(gòu)型Fig.3 Configurations of Altair

表4 阿波羅與牽牛星月面著陸器需求比較Table 4 Requirements compare between Apollo LM and Altair

2.3 兩代載人月面著陸器需求的比較

根據(jù)NASA重返月球計(jì)劃的任務(wù)需求，新的載人探月任務(wù)要求Altair月面著陸器需具有以下能力［8］:①全月面到達(dá);②可以支持航天員在月面活動(dòng)更長(zhǎng)的時(shí)間;③可以在任意時(shí)間返回。

全月面到達(dá)和可支持更長(zhǎng)時(shí)間的月面活動(dòng)意味著航天員能夠到月面更多緯度區(qū)域的更大范圍進(jìn)行探索，能對(duì)月球有更全面、直觀的了解。可以在任意時(shí)間返回保證航天員在執(zhí)行月面任務(wù)過(guò)程中遇到緊急情況時(shí)能及時(shí)撤離，最大限度保證航天員的安全。

阿波羅與星座計(jì)劃中著陸器任務(wù)方案比較如表4［8］。

通過(guò)上述對(duì)比可以看出，作為新一代的載人月面著陸器，Altair除了在著陸能力上要求更高外，其要經(jīng)歷的月面熱環(huán)境也更嚴(yán)酷，對(duì)航天員的保護(hù)能力、自主性的要求也在提高，此外，還考慮了后續(xù)探測(cè)任務(wù)可延續(xù)性等。作為當(dāng)前最先進(jìn)的載人月面著陸器，Altair的任務(wù)需求在一定程度上代表了對(duì)新一代載人月面著陸器的要求。

3 新一代載人月面著陸器發(fā)展趨勢(shì)分析

相比于40多年前阿波羅計(jì)劃探月時(shí)期，科學(xué)技術(shù)顯著發(fā)展，對(duì)載人探月科學(xué)回報(bào)要求也相應(yīng)提高。新一代載人月面著陸器除了要把航天員安全送上月球以外，還需具備更強(qiáng)大的能力，這些功能既是滿足發(fā)展新一代載人月面著陸器的任務(wù)需求，也代表了其今后發(fā)展的趨勢(shì)。

1)多乘員運(yùn)載能力

阿波羅任務(wù)中，參與飛行的三位航天員只有兩名著陸到月面，另一名留守在月球軌道的CSM中。新一輪的探測(cè)任務(wù)中，留在月球軌道的飛行器將具備自主飛行的能力，因此所有的航天員便都可以進(jìn)行著陸，一起著陸到月面的航天員可能是4個(gè)甚至6個(gè)［8］，在人數(shù)充足的情況下就可以根據(jù)航天員的狀況分批、結(jié)組進(jìn)行月面活動(dòng)。當(dāng)一組人員執(zhí)行月面任務(wù)時(shí)，另一組人員休息、提供月面活動(dòng)支持或是在月面著陸器內(nèi)進(jìn)行一些艙內(nèi)實(shí)驗(yàn)。這樣一方面減小了航天員的工作強(qiáng)度，另一方面還能更充分的利用著陸這段時(shí)間完成更多的工作。

2)全月面到達(dá)能力

受活動(dòng)能力和任務(wù)時(shí)間的限制，航天員只能對(duì)著陸點(diǎn)附近的區(qū)域進(jìn)行探測(cè)［9］，因此想要獲得更多區(qū)域的實(shí)地探測(cè)數(shù)據(jù)就要求著陸器有在更多區(qū)域進(jìn)行著陸的能力。隨著對(duì)探測(cè)任務(wù)科學(xué)回報(bào)要求的提高，也就使得人們不再滿足于只在月球赤道附近著陸，具有全月面到達(dá)能力必定是新一代載人月面著陸器發(fā)展的趨勢(shì)。

3)長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行任務(wù)與任意時(shí)間返回能力

除了多搭載乘員提高時(shí)間利用率和全月面到達(dá)以增加探測(cè)樣本點(diǎn)，另一個(gè)能直接提高科學(xué)回報(bào)的方法就是延長(zhǎng)任務(wù)持續(xù)時(shí)間，美國(guó)對(duì)Altair月面著陸器短期任務(wù)提出的要求是在月面工作7天。在月面上停留的時(shí)間越長(zhǎng)，需要的消耗品也就越多，同時(shí)也就需要長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)對(duì)月面上的惡劣環(huán)境，一些難以預(yù)料的事件很可能導(dǎo)致任務(wù)無(wú)法繼續(xù)，為了最大限度保證航天員的安全，需要對(duì)長(zhǎng)時(shí)間月面活動(dòng)的防護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究，并且月面著陸器需具有隨時(shí)起飛并返回地球的能力。

4)任務(wù)可持續(xù)發(fā)展及功能模塊化能力

在制定阿波羅計(jì)劃時(shí)，沒(méi)有特別關(guān)注載人月面著陸器的后續(xù)發(fā)展性和可擴(kuò)展性，導(dǎo)致開(kāi)展新的登月計(jì)劃時(shí)可繼承的技術(shù)有限，仍然需要投入大量的人力物力來(lái)開(kāi)發(fā)新技術(shù)［10］。因此在設(shè)計(jì)新一代載人月面著陸器時(shí)，要同時(shí)考慮后續(xù)的無(wú)人、有人月球基地任務(wù)，載人探火星任務(wù)，使其具備良好的可擴(kuò)展、升級(jí)的性能，以求能為后續(xù)任務(wù)提供可靠、成熟的技術(shù)，節(jié)省資金投入、縮短研制周期。

考慮任務(wù)的可持續(xù)發(fā)展，可以將載人月面著陸器進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，比如Altair月球基地型著陸器可以不帶氣閘艙，貨運(yùn)型著陸器則上升級(jí)和氣閘艙都不帶。因此，新一代載人月面著陸器各部分應(yīng)相互獨(dú)立，以實(shí)現(xiàn)同一平臺(tái)經(jīng)不同組合即可滿足新的任務(wù)需求。

4 發(fā)展新一代載人月面著陸器需攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)

在發(fā)展新一代載人月面著陸器的初期，就應(yīng)充分重視其發(fā)展規(guī)律，借鑒已有探月工程的成熟技術(shù)和美國(guó)、蘇聯(lián)早期載人月面著陸器的研制經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)考慮支持后續(xù)任務(wù)的功能升級(jí)、更新。對(duì)應(yīng)于新一代載人月面著陸器的發(fā)展趨勢(shì)要求，已有技術(shù)還無(wú)法滿足全部要求，一批關(guān)鍵技術(shù)還要繼續(xù)攻關(guān)。

1)先進(jìn)的推進(jìn)和動(dòng)力技術(shù)

新一代載人月面著陸器所承擔(dān)的變軌任務(wù)可能會(huì)更多［11］，同時(shí)還要具有任意時(shí)間返回的能力，也就是要求月面著陸器的發(fā)動(dòng)機(jī)推力更大、點(diǎn)火時(shí)間更長(zhǎng)、點(diǎn)火次數(shù)更多。但受限于運(yùn)載技術(shù)的發(fā)展，月面著陸器的總質(zhì)量不能過(guò)大，因此可能需要使用高比沖、低質(zhì)量的低溫推進(jìn)劑。目前低溫推進(jìn)劑的長(zhǎng)時(shí)間在軌儲(chǔ)存問(wèn)題可采用被動(dòng)蒸發(fā)量控制和主動(dòng)蒸發(fā)量控制兩種方式來(lái)應(yīng)對(duì)，從國(guó)外發(fā)展來(lái)看，被動(dòng)蒸發(fā)量控制技術(shù)已具備工程應(yīng)用的條件，主動(dòng)蒸發(fā)量控制技術(shù)還無(wú)法應(yīng)用于工程實(shí)踐中［12］。

大推力、高變化范圍的變推力發(fā)動(dòng)機(jī)是載人月面著陸器下降發(fā)級(jí)動(dòng)機(jī)的重要方式。在美國(guó)的阿波羅工程中，著陸器選擇了最大推力為46.7 kN，最大可變范圍為10:1的變推力發(fā)動(dòng)機(jī)。在“重返月球”計(jì)劃中，也將采用最大推力82.9 kN，變推比10:1的變推力發(fā)動(dòng)機(jī)［2］。為保證探月任務(wù)的順利完成，大推力和高變化范圍變推力發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)將是一個(gè)必需完成的任務(wù)。

2)輕量化結(jié)構(gòu)技術(shù)

相比于其他的探測(cè)器，載人月面著陸器規(guī)模龐大，若采用以往的材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)勢(shì)必加大發(fā)射的難度，因此要開(kāi)展對(duì)輕量化結(jié)構(gòu)的研究。

在開(kāi)展研究時(shí)，應(yīng)借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)材料、機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，深挖現(xiàn)有技術(shù)工藝的結(jié)構(gòu)潛能。開(kāi)展先進(jìn)輕質(zhì)合金材料基本性能研究和性能優(yōu)化工作，研究對(duì)輕質(zhì)合金材料結(jié)構(gòu)件精密成形工藝、機(jī)械加工工藝、焊接工藝、熱處理工藝及表面處理工藝等，在保證強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化處理。

3)自主障礙檢測(cè)技術(shù)

軟著陸的成功率直接決定了航天員的生存率。阿波羅任務(wù)中月面著陸器在著陸的最后階段，航天員通過(guò)艙體上的舷窗對(duì)月面進(jìn)行觀察，控制著陸器規(guī)避障礙［13］。這種方法要求著陸時(shí)的光照條件需比較理想，但在實(shí)際任務(wù)中航天員反映說(shuō)很難分辨出月面上平緩的隕石坑，而且隨著著陸器接近月球，月面上的揚(yáng)塵會(huì)對(duì)視線造成很大影響。阿波羅15號(hào)在著陸后就發(fā)現(xiàn)著陸器傾斜11°，距最大允許值只有1°之差，險(xiǎn)些造成災(zāi)難性后果［13］。因此研究新的自主障礙檢測(cè)技術(shù)，減小著陸時(shí)對(duì)光照條件的依賴(lài)和月塵的影響，提高障礙的識(shí)別速度及準(zhǔn)確性，對(duì)于載人月面著陸器的安全有十分重要的意義。

4)高承載著陸緩沖技術(shù)

新一代載人月面著陸器在著陸時(shí)規(guī)模比以前龐大，著陸的質(zhì)量也相應(yīng)增加?，F(xiàn)有的著陸緩沖著陸技術(shù)可能無(wú)法保證如此大質(zhì)量著陸器的安全，因此需要對(duì)著陸腿強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的研究，發(fā)展效率更高，姿態(tài)控制能力更強(qiáng)，相對(duì)尺寸更小的著陸緩沖技術(shù)，以保證著陸器的安全。

另外，考慮到后續(xù)的著陸任務(wù)，新一代月面著陸器的著陸腿將可能不只是用于支撐著陸器，通過(guò)設(shè)計(jì)新型的著陸結(jié)構(gòu)，使下降級(jí)具備一定的移動(dòng)能力，將會(huì)使著陸器對(duì)以后的任務(wù)提供更多支持。

5)防月塵技術(shù)

在阿波羅任務(wù)之前，人們對(duì)月塵知之甚少，最大的擔(dān)心是月塵會(huì)不會(huì)導(dǎo)致著陸器或是航天員陷進(jìn)去。在經(jīng)歷阿波羅任務(wù)中月塵給航天員健康以及著陸器儀器帶來(lái)的傷害后，人們才對(duì)它有了更正確的認(rèn)識(shí)［14，15］。

氣閘艙的使用只是在空間上對(duì)月塵與工作區(qū)進(jìn)行了隔離，在著陸器內(nèi)部對(duì)月塵進(jìn)行處理也只是月塵防護(hù)工作的一小部分。由于航天員在月面工作過(guò)程中與月塵接觸最多［8］，因此在研究月塵防護(hù)時(shí)，應(yīng)針對(duì)其易吸附的特性開(kāi)展，減少其在宇航服及其他器材上的附著量。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析早期與新一代國(guó)外載人月面著陸器發(fā)展情況的基礎(chǔ)上，總結(jié)了新一代載人月面著陸器的任務(wù)需求及其發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)發(fā)展新一代載人月面著陸器時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題進(jìn)行了分析，提出新一代月面著陸器要攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。其中推力與動(dòng)力技術(shù)的研究對(duì)著陸器總體方案及后續(xù)其他技術(shù)方案的確定有很大的影響，應(yīng)盡早開(kāi)展。高承載著陸緩沖技術(shù)、熱控技術(shù)、多次出艙支持技術(shù)及防月塵技術(shù)等是由探月任務(wù)特點(diǎn)而引進(jìn)的技術(shù)，也應(yīng)制定合理研究計(jì)劃，以保證載人登月任務(wù)按時(shí)完成。

新一代月面著陸器必將沿著乘員人數(shù)多、月表可達(dá)能力高、任務(wù)時(shí)間持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、系統(tǒng)可擴(kuò)展及航天員安全性高的趨勢(shì)發(fā)展，因此我國(guó)應(yīng)在已有探月成果的基礎(chǔ)上，瞄準(zhǔn)方向，著重發(fā)展相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，以在今后的載人探月活動(dòng)中占據(jù)主要地位。

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