張柏楠

（中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

隨著世界航天技術(shù)的發(fā)展，人類探索太空的范圍已經(jīng)從近地軌道拓展到月球、火星，以及小行星和彗星，探測(cè)器規(guī)模從小到大，探測(cè)器從無(wú)人到載人[1-4]。在最新一輪的載人深空探索活動(dòng)中，商業(yè)公司開始大規(guī)模參與，必將推動(dòng)相應(yīng)技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展。航天器的進(jìn)入、下降、著陸和上升（Entry，Decent，Landing and Ascent，EDLA），是地外星體表面探索活動(dòng)需要經(jīng)歷的過(guò)程，該過(guò)程運(yùn)用的技術(shù)對(duì)于人類探索太空、開發(fā)資源具有重大意義，是實(shí)現(xiàn)宇宙資源開發(fā)的核心關(guān)鍵技術(shù)之一[5-6]。

雖然空間探索已經(jīng)取得了輝煌的成績(jī)，但是對(duì)于地外星球的EDLA技術(shù)還剛剛起步，探索的地外星球非常有限，任務(wù)成功率也不高，與空間探索需求的差距很大，這恰恰也說(shuō)明該領(lǐng)域后續(xù)發(fā)展的空間很大，基于此一些商業(yè)公司也陸續(xù)介入到這方面的研究探索之中。

1 對(duì)EDLA的認(rèn)識(shí)

EDLA技術(shù)源自地球軌道任務(wù)返回與回收技術(shù)。隨著地外星球探索活動(dòng)的實(shí)施，尤其是有大氣行星的探索實(shí)踐需要，提出并發(fā)展出進(jìn)入、下降與著陸（Entry，Decent and Landing，EDL）技術(shù)，并進(jìn)一步提出了EDLA技術(shù)。

1.1 EDL的起源

EDL技術(shù)起源于地球軌道樣品與膠片的返回與回收技術(shù)。

返回（Return）是航天器從任務(wù)軌道回到地球表面的過(guò)程?；氐匠霭l(fā)地，或回到地球表面是返回技術(shù)的核心任務(wù)目標(biāo)。

對(duì)于地球這類有大氣行星，航天器進(jìn)入稠密大氣后產(chǎn)生的氣動(dòng)力和氣動(dòng)熱會(huì)嚴(yán)重影響其飛行與環(huán)境，力、熱、控制等多學(xué)科緊密耦合，導(dǎo)致了復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題，這一復(fù)雜的過(guò)程被稱為再入過(guò)程。再入（Reentry）是指航天器回到發(fā)射星球，特指回到地球稠密大氣的飛行過(guò)程。

返回的目的是回收數(shù)據(jù)和樣品?；厥眨≧ecovery）是指對(duì)數(shù)據(jù)或物品的回收、重復(fù)使用、再生。地球軌道回收是返回的最后階段，一般采用降落傘回收。

1.2 EDL的提出

當(dāng)人類探索拓展到地外星球時(shí)，一方面可以借鑒地球返回與回收的經(jīng)驗(yàn)，畢竟地球也是宇宙中眾多星球之一，具有相當(dāng)?shù)钠毡樾裕涣硪环矫?，其他地外星球畢竟不是地球，自然環(huán)境和條件不同，更重要的是這些地外星球不是人類的家園，不是航天器的出發(fā)地，原有地球返回和回收技術(shù)從名詞術(shù)語(yǔ)到模型參數(shù)、到技術(shù)途徑都需要適應(yīng)這些差異。因此，國(guó)外提出了進(jìn)入、下降和著陸技術(shù)（Entry，Decent and Landing）。

進(jìn)入、下降和著陸是航天器安全著陸到星球表面需經(jīng)歷的一系列過(guò)程，航天器進(jìn)入、下降和著陸的技術(shù)和過(guò)程縮寫為EDL。

進(jìn)入或者說(shuō)大氣層進(jìn)入（Atmospheric entry）是物體從外層空間進(jìn)入或穿過(guò)行星、矮行星或天然衛(wèi)星大氣的運(yùn)動(dòng)。進(jìn)入作為飛行階段主要任務(wù)是氣動(dòng)減速到達(dá)著陸區(qū)域，為下降創(chuàng)造條件。進(jìn)入一般發(fā)生在卡門線高度，地球約100km，金星250km，火星80km。

下降（Decent）是指進(jìn)入著陸區(qū)域后再下降到著陸安全高度的過(guò)程。對(duì)于無(wú)大氣星球也將動(dòng)力減速過(guò)程稱為下降過(guò)程。下降段的主要任務(wù)是降低高度，進(jìn)行定點(diǎn)或避障控制，為安全著陸創(chuàng)造條件。

著陸（Landing）源自飛機(jī)飛行過(guò)程，一般指飛機(jī)從安全高度下滑、過(guò)渡、接地、滑跑直至完全停止的整個(gè)減速運(yùn)動(dòng)過(guò)程。對(duì)于空間飛行器是指從安全高度降落到行星表面，并完全停止的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。著陸段的主要任務(wù)是停止相對(duì)星體表面的運(yùn)動(dòng)，吸收和緩沖撞擊能量，形成穩(wěn)固的停放狀態(tài)，保證飛行器安全，為后續(xù)考察活動(dòng)創(chuàng)造條件。

1.3 EDLA的由來(lái)

人類早期的無(wú)人行星探索都是單程，任務(wù)就是在目的地星球表面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考察，無(wú)需上升并回到地球。隨著人類對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)的需要、技術(shù)的發(fā)展，尤其是載人月球探測(cè)，不僅需要將探測(cè)器或航天員送到地外行星表面，還要將它（他）們安全的接回到地球，因此，提出了在地外星球表面發(fā)射，一般稱為上升的任務(wù)需求。其他星球目前不具備像地球一樣的表面設(shè)施和人員的保障和支持，工程上將下降和上升動(dòng)力艙段組合在一起，關(guān)系密切，由此在EDL的基礎(chǔ)上增加上升的概念。

作為航空器，飛機(jī)最初的運(yùn)動(dòng)階段是起飛，即從靜止開始滑跑、離地、上升至安全速度的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。而在地球把航天器送入飛行軌道叫做發(fā)射，是指運(yùn)載火箭運(yùn)送航天器起飛、加速、進(jìn)入預(yù)定軌道的過(guò)程。同樣地外星球表面上升（Ascent）是指探測(cè)器從地外星球表面起飛、加速、進(jìn)入預(yù)定軌道的過(guò)程。上升段的任務(wù)是提升探測(cè)器的飛行高度和速度，并進(jìn)入預(yù)定軌道。EDLA的概念由此而來(lái)。

1.4 對(duì)EDLA的解讀

為了更進(jìn)一步的理解EDLA的概念，需要從歷史、運(yùn)動(dòng)過(guò)程、任務(wù)、飛行階段認(rèn)識(shí)EDLA共同的屬性，也要從著陸地點(diǎn)和環(huán)境認(rèn)識(shí)EDLA不同的屬性。

（1）從歷史的角度

EDLA是以地球?yàn)槠瘘c(diǎn)和原點(diǎn)，不斷演變發(fā)展而來(lái)的。

EDLA是以航空為基礎(chǔ)，以地球軌道數(shù)據(jù)和樣品回收作為發(fā)展的起點(diǎn)。起飛、著陸等都采用飛機(jī)或者地球返回的概念和經(jīng)驗(yàn)。

以地球作為空間的原點(diǎn)向地外的星體表面拓展，導(dǎo)致一些概念和術(shù)語(yǔ)的說(shuō)法不同。雖然落到地球和落到其他星球表面的運(yùn)動(dòng)過(guò)程是相似的，但人類是生活在地球表面的。因此，落到地球表面叫回，例如返回、再入、回收；而落到其他星球表面就叫進(jìn)，如進(jìn)入、下降。

（2）從運(yùn)動(dòng)過(guò)程的角度

EDLA本質(zhì)上是一個(gè)航天器在中心引力場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并呈現(xiàn)V字形變化。

運(yùn)動(dòng)高度變化包括由高到低的下降運(yùn)動(dòng)過(guò)程和由低到高的上升過(guò)程；運(yùn)動(dòng)速度變化包括由軌道速度到靜止的減速運(yùn)動(dòng)過(guò)程和由靜止到軌道速度的加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

（3）從任務(wù)需求的角度

EDLA核心任務(wù)是物質(zhì)在軌道與星體表面的往返運(yùn)輸，形成星體間的物質(zhì)流。具體任務(wù)主要包括：1）承擔(dān)向行星表面部署考察儀器設(shè)備或開發(fā)建設(shè)設(shè)備，采集數(shù)據(jù)和樣品，建設(shè)考察開發(fā)基地；2）回收載有科學(xué)信息或利用價(jià)值的儀器、樣品和物質(zhì)資源；3）在地球和行星表面之間往返運(yùn)輸航天員；4）部署和回收航天器以便重復(fù)使用降低任務(wù)成本。

（4）從飛行階段的角度

EDLA從探測(cè)飛行任務(wù)的角度，在目的地星球軌道和表面之間劃分了不同飛行階段：1）進(jìn)入段，是從進(jìn)入大氣層開始，到預(yù)定著陸區(qū)上空；2）下降段，該段從到達(dá)落區(qū)或無(wú)大氣星球動(dòng)力下降開始，到降落到著陸安全高度；3）著陸段，是從著陸安全高度到行星表面停止運(yùn)動(dòng)；4）上升段，指從行星表面到進(jìn)入行星軌道的階段。

（5）從著陸地點(diǎn)環(huán)境和條件的角度

地球表面的發(fā)射、返回和回收任務(wù)，是在發(fā)射、測(cè)控、回收等地面系統(tǒng)的強(qiáng)大支撐下完成的。由于飛行運(yùn)動(dòng)和環(huán)境狀態(tài)變化快，過(guò)程不可逆，因此是航天器飛行最危險(xiǎn)的階段。

地外星球表面是一個(gè)沒有任何支持的陌生環(huán)境，且自然環(huán)境與地球差別很大，極端惡劣，風(fēng)險(xiǎn)更大。人類地外星球表面探索任務(wù)的成功概率不高，美國(guó)載人登月的EDLA任務(wù)均獲成功不能不說(shuō)是一個(gè)奇跡，其主要原因一方面是舉國(guó)之力的巨大投入，另一方面是由于人的參與解決了未知環(huán)境的綜合判斷和自主決策問(wèn)題。

由于目的地星球自然環(huán)境的差異，導(dǎo)致每個(gè)星球EDLA的具體問(wèn)題和技術(shù)途經(jīng)都不相同，且由于認(rèn)識(shí)的不足存在較大的不確定性，這導(dǎo)致地外星球的EDLA任務(wù)可靠性和安全性問(wèn)題尤為突出，而且需要飛行器具有高度自主能力處理大量不可預(yù)計(jì)的問(wèn)題。

綜上所述，可以認(rèn)為：EDLA是航天器從運(yùn)行軌道安全著陸到星體表面，以及從星體表面上升至運(yùn)行軌道的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。航天器利用大氣層阻力或火箭發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力降低自身的高度和速度，保證其安全著陸，并可以再次起飛上升至運(yùn)行軌道。在進(jìn)入、下降、著陸和上升過(guò)程中運(yùn)用的技術(shù)稱為EDLA技術(shù)。EDLA技術(shù)用于乘員、飛行器、設(shè)備、物資、樣品在星體軌道和星體表面之間往返運(yùn)輸飛行。

2 EDLA的任務(wù)需求

保證乘員和物品安全地在目的地與軌道之間往返運(yùn)輸是 EDLA的核心任務(wù)。 具體來(lái)講需要詳細(xì)確定運(yùn)什么（運(yùn)輸乘員或物品需求），從哪來(lái)（初始星體運(yùn)行軌道）到哪去（目的地和環(huán)境需求），可能面臨多大的風(fēng)險(xiǎn)（可靠性和安全性需求）等。

2.1 運(yùn)輸乘員或物品需求

乘員運(yùn)輸需求包括人數(shù)、需要支持乘員生存的時(shí)間，以及需要保證的醫(yī)學(xué)、工效學(xué)條件和環(huán)境等。物品運(yùn)輸需求包括運(yùn)輸物品的質(zhì)量和空間，需要提供的信息和能源支持，以及需要保證的環(huán)境。

2.2 運(yùn)行軌道需求

進(jìn)入和下降過(guò)程開始于探測(cè)器最初的運(yùn)行軌道，而上升的最終目標(biāo)是進(jìn)入可返回地球的預(yù)定運(yùn)行軌道，運(yùn)行軌道決定了對(duì)EDLA過(guò)程所需要消耗或提供的能量。運(yùn)行軌道可分為星球環(huán)繞軌道和星際軌道兩類。

1）星球環(huán)繞軌道。包括人們熟悉的地球軌道，還包括月球環(huán)繞軌道、火星環(huán)繞軌道等。這類軌道相對(duì)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，一般是考慮攝動(dòng)的二體問(wèn)題。

2）星際軌道。目前能夠飛行的太陽(yáng)系內(nèi)軌道，可分為以地球?yàn)橐χ行牡脑碌剀壍?，以及以太?yáng)為引力中心的行星際軌道。這類軌道尤其是在與EDLA銜接的軌道非常復(fù)雜、且不大穩(wěn)定，一般是三體問(wèn)題，是一類沒有解析解的復(fù)雜數(shù)學(xué)問(wèn)題。在三體引力的平衡點(diǎn)附近形成了一些特征軌道，例如在地月拉格朗日點(diǎn)附近形成的軌道，尤其是L2點(diǎn)附近的暈軌道（又叫HALO軌道）有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)可以利用[7-9]。

2.3 目的地和環(huán)境需求

廣義的目的地可以認(rèn)為是星球的表面，包括地球、火星等地外行星、月球等自然衛(wèi)星、冥王星等矮行星，以及小行星或彗星的表面。目的地的自然條件和環(huán)境差異巨大，大多數(shù)還沒有詳細(xì)認(rèn)識(shí)。

地球的自然條件已為人們所熟悉，其質(zhì)量約59 700×1020kg，直徑12 756km；引力適中，表面重力加速度9.81m/s2，逃逸速度11.2km/s；有大氣，表面大氣壓力101kPa；溫度適宜，大致在±40℃之間。

太陽(yáng)系其他行星的條件差異很大，尤其是外層行星人類目前所了解到的信息更少，甚至可能不存在可著陸的表面，各行星自然條件詳見表1。

表1 太陽(yáng)系行星自然環(huán)境主要指標(biāo)Tab.1 The main index of natural environment on Solar system planets

太陽(yáng)系行星的衛(wèi)星環(huán)境也是千差萬(wàn)別，但有一些衛(wèi)星有水，比月球更具有開發(fā)價(jià)值，這些行星主要衛(wèi)星的特性指標(biāo)見表2。

太陽(yáng)系內(nèi)小行星或彗星分布較廣，一些近地小行星對(duì)地球可能構(gòu)成威脅，具備一定的科學(xué)研究?jī)r(jià)值，這些小行星的主要特性指標(biāo)見表3。

表2 太陽(yáng)系行星主要衛(wèi)星的特性指標(biāo)Tab.2 The characteristics of the major planets of the solar system satellites

表3 太陽(yáng)系有威脅近地小行星的主要待性指標(biāo)Tab.3 The characteristics of the threatened near earth asteroid in the solar system

根據(jù)地外星球環(huán)境特點(diǎn)和人類探測(cè)歷史[10-11]，可以總結(jié)如下：

1）小行星：質(zhì)量很小，引力效應(yīng)微弱，技術(shù)難度相對(duì)較低，人類已實(shí)現(xiàn)成功無(wú)人著陸和上升。

2）太陽(yáng)系行星的衛(wèi)星：對(duì)于小規(guī)模的衛(wèi)星，大小相當(dāng)于小行星，技術(shù)難度不大，但相對(duì)探測(cè)價(jià)值不大，人類尚未實(shí)現(xiàn)著陸；對(duì)于中等規(guī)模的衛(wèi)星，大小與月球相似，技術(shù)難度適中。由于月球是地球的衛(wèi)星，是離地球最近的星體，需要優(yōu)先考察，人類實(shí)現(xiàn)了載人月球著陸和上升，積累了大量的經(jīng)驗(yàn)；對(duì)于行星規(guī)模的衛(wèi)星，如木衛(wèi)三、土衛(wèi)六，甚至有大氣和水，科學(xué)和開發(fā)價(jià)值大，技術(shù)難度適中，人類成功實(shí)現(xiàn)了無(wú)人著陸。

3）太陽(yáng)系的行星：對(duì)無(wú)大氣行星，如水星，環(huán)境較為苛刻，尚未成功著陸；對(duì)于有大氣固體表面行星，如金星和火星，已實(shí)現(xiàn)成功無(wú)人著陸，但未實(shí)現(xiàn)上升返回；對(duì)于外行星，質(zhì)量大，大氣稠密，無(wú)明顯邊界，環(huán)境嚴(yán)酷且不確定性大，人類還沒有實(shí)現(xiàn)成功著陸，甚至對(duì)下層大氣也沒有足夠的認(rèn)識(shí)。

由此可以看到，目的地環(huán)境條件的千差萬(wàn)別使EDLA技術(shù)存在巨大的發(fā)展空間。

具體來(lái)講目的地一般指星球表面的著陸區(qū)或著陸點(diǎn)，一般根據(jù)任務(wù)、環(huán)境、能力和著陸安全等條件選取，由具體位置和范圍確定。由于著陸點(diǎn)條件的不確定性，從安全性角度考慮，需要探測(cè)器具備自主選取落點(diǎn)和避障的能力。

2.4 可靠性和安全性需求

由于 EDLA機(jī)會(huì)的稀缺性和環(huán)境的不確定性以及 EDLA的風(fēng)險(xiǎn)性，可靠性和安全性的需求特別突出。地球返回和著陸是航天員生還的最后手段，而地外星球載人EDLA的順利完成也是航天員生還的重要手段。

從定量角度來(lái)說(shuō)，可靠性規(guī)定了探測(cè)任務(wù)成功的概率要求，安全性規(guī)定了乘員在正常和故障狀態(tài)生還的概率。

從定性的角度，可以根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)規(guī)定意外故障發(fā)生時(shí)的安全策略和要求。例如在EDLA過(guò)程中發(fā)生故障時(shí)需要幾重冗余、向什么方向撤離、進(jìn)入什么安全狀態(tài)和模式等。一般當(dāng)載人地球軌道任務(wù)遇到故障時(shí)希望航天員能夠立即返回著陸，因?yàn)榈孛嬗猩姝h(huán)境和額外的支持是最安全的。但地外星球載人任務(wù)安全策略方向恰恰相反，如遇故障則希望立即上升，回到可返回地球的飛船或運(yùn)行在星球軌道上的軌道站。

3 EDLA的過(guò)程和技術(shù)

3.1 EDLA的過(guò)程

EDLA過(guò)程由進(jìn)入、下降、著陸三個(gè)下降減速過(guò)程，以及起飛、上升、入軌三個(gè)上升加速過(guò)程，呈V字形的系列過(guò)程組成。該過(guò)程各階段的不同特征如表4所示。

表4 EDLA過(guò)程特征Tab.4 The characteristics of EDLA process

根據(jù)任務(wù)階段，可以定義彈道特征點(diǎn)，一般包括：1）進(jìn)入點(diǎn)，是進(jìn)入星體大氣層特征點(diǎn)，開始利用氣動(dòng)力減速和彈道控制；2）下降點(diǎn)，指動(dòng)力下降起點(diǎn)或開傘點(diǎn)，進(jìn)入著陸區(qū)；3）停控點(diǎn)，指到達(dá)著陸點(diǎn)上空的動(dòng)力關(guān)機(jī)點(diǎn)，或者緩沖發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火點(diǎn)；4）著陸點(diǎn)，指觸地緩沖后停止相對(duì)運(yùn)動(dòng)的地點(diǎn)；5）起飛點(diǎn)，是探測(cè)器發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火離開星體表面的地點(diǎn)；6）入軌點(diǎn)，指進(jìn)入預(yù)定軌道的位置。

3.2 EDLA的技術(shù)

EDLA的技術(shù)途徑主要由任務(wù)和目的地環(huán)境決定。

按照資源消耗最少的原則，一般充分利用當(dāng)?shù)貤l件實(shí)現(xiàn)減速和下降。因此有大氣星球，盡可能利用大氣實(shí)現(xiàn)減速和下降。由于進(jìn)入能量、大氣密度和任務(wù)過(guò)載的要求和約束，可以利用本體外形實(shí)現(xiàn)減速下降，或者通過(guò)柔性體展開擴(kuò)大阻力面積，提高低大氣密度或低速條件下阻力偏小的問(wèn)題，提高效率。但是對(duì)于無(wú)大氣星球，動(dòng)力減速下降是目前的唯一途徑[12]。各階段可采用的技術(shù)途徑如表5所示。

表5 EDLA技術(shù)途徑Tab.5 The technical approach of EDLA

3.3 EDLA方案

實(shí)現(xiàn)EDLA過(guò)程需要進(jìn)行航天器的EDLA方案設(shè)計(jì)，根據(jù)航天器的任務(wù)、運(yùn)行軌道以及星體環(huán)境，權(quán)衡和比較不同技術(shù)途徑，確定初步方案[13]。在建立氣動(dòng)力熱模型或運(yùn)動(dòng)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行彈道設(shè)計(jì)和氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)，在建立軌道動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)或柔性阻力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在建立結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行著陸緩沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在建立軌道動(dòng)力學(xué)和姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行彈道和姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在建立大氣運(yùn)動(dòng)和星體表面熱環(huán)境和熱響應(yīng)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行防熱和熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？紤]到地外星球缺少支持的條件，需要盡可能借助自主控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)EDLA過(guò)程。

典型的EDLA航天器包括：

1）衛(wèi)星返回艙。為將在軌道上獲取的信息或試驗(yàn)樣品回收到地面分析研究，早期主要依靠直接返回。在衛(wèi)星上設(shè)計(jì)返回艙，完成任務(wù)后收集樣品并返回地面?；厥盏臉悠钒▽?duì)地觀測(cè)的膠片、微重力實(shí)驗(yàn)和生物實(shí)驗(yàn)的樣品等。由于任務(wù)要求不高，環(huán)境相對(duì)較好，一般采用運(yùn)載火箭發(fā)射，彈道式返回，采用降落傘下降，無(wú)緩沖著陸。典型的衛(wèi)星包括對(duì)地光學(xué)成像衛(wèi)星膠片返回艙、微重力實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星樣品返回艙、生物實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星樣品返回艙。

2）載人飛船。為了給空間站或其他載人軌道任務(wù)提供乘員的往返運(yùn)輸，主要采用載人飛船的方式實(shí)現(xiàn)。由于航天員醫(yī)學(xué)環(huán)境和安全性要求，一般采用載人運(yùn)載火箭發(fā)射，升力控制返回再入，降落傘下降，發(fā)動(dòng)機(jī)或氣囊緩沖著陸，具備救生能力。

3）航天飛機(jī)。為了提供乘員和貨物便捷的天地往返運(yùn)輸，在載人飛船的基礎(chǔ)上發(fā)展出航天飛機(jī)，進(jìn)一步降低運(yùn)輸成本。航天飛機(jī)一般采用火箭動(dòng)力垂直發(fā)射，全升力再入，飛機(jī)式滑翔進(jìn)場(chǎng)滑跑著陸，但救生能力有限。

4）載人登月艙。為了給航天員和樣品提供月球軌道和月球表面之間的往返運(yùn)輸，主要采用登月艙實(shí)現(xiàn)下降、著陸和上升。月球是無(wú)大氣星球，一般采用發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力下降、結(jié)構(gòu)緩沖著陸，發(fā)動(dòng)機(jī)上升。

5）火星著陸器。為了對(duì)火星表面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考察，一般采用著陸器的方式。由于火星大氣稀薄，無(wú)人探測(cè)雖對(duì)環(huán)境要求不高但不確定性大，一般采用本體氣動(dòng)減速與減速傘柔性氣動(dòng)減速相結(jié)合的方式進(jìn)入，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力下降，氣囊或懸吊緩沖著陸[14-15]。

6）小行星探測(cè)器。為了對(duì)小行星進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考察，一般采用集成式探測(cè)器的方式。由于小行星的引力微弱，減速下降過(guò)程演化為非合作目標(biāo)的交會(huì)對(duì)接問(wèn)題，而在小行星表面附著和錨定成為主要問(wèn)題[16-18]。

7）可回收火箭一級(jí)。隨著近年來(lái)重復(fù)使用技術(shù)的發(fā)展，使得傳統(tǒng)運(yùn)載火箭的回收和重復(fù)使用成為可能。目前一般是在傳統(tǒng)火箭的基礎(chǔ)上做適當(dāng)補(bǔ)充完善，以較少的變化和代價(jià)實(shí)現(xiàn)回收和重用。由于火箭一級(jí)飛行高度和速度不大，一般采用氣動(dòng)穩(wěn)定下降，降落傘或發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力減速，機(jī)構(gòu)支架緩沖著陸。

4 EDLA的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)

4.1 EDLA未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

EDLA技術(shù)是空間探索飛行的核心技術(shù)，以滿足空間探索任務(wù)需求為牽引。在航天活動(dòng)初期，空間探索以發(fā)現(xiàn)為目的，重點(diǎn)是通過(guò)提高配置效率，解決工程可行性問(wèn)題。當(dāng)天航天技術(shù)發(fā)展正處在從追求科學(xué)發(fā)現(xiàn)向追求經(jīng)濟(jì)效益轉(zhuǎn)變的階段。

地外星球蘊(yùn)藏著無(wú)盡的空間和資源，是人類未來(lái)的開發(fā)方向，技術(shù)和市場(chǎng)發(fā)展空間巨大。因此，人類始終沒有停止向地外星球發(fā)展的腳步。

探索宇宙、開發(fā)資源的夢(mèng)想不斷驅(qū)使人類在EDLA領(lǐng)域進(jìn)行探索，主要航天大國(guó)都持續(xù)投入資源開發(fā)相應(yīng)的技術(shù)，不斷進(jìn)行探索活動(dòng)。從目的地的價(jià)值與環(huán)境出發(fā)，今后探測(cè)的重點(diǎn)是月球、火星和對(duì)人類有威脅的近地小行星。為提高探測(cè)器效率實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的探測(cè)和利用，航天器重復(fù)使用、高效可再生動(dòng)力和柔性減速技術(shù)成為發(fā)展的重點(diǎn)。

同樣是由于地外資源的吸引和技術(shù)的發(fā)展，地外資源探索和開發(fā)正逐步由國(guó)家政府投資驅(qū)動(dòng)向市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)發(fā)展，商業(yè)資本開始逐步進(jìn)入EDLA領(lǐng)域，并引發(fā)了大量的創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步。政府指導(dǎo)投入并開放技術(shù)支持，以商業(yè)公司為主開發(fā)和運(yùn)營(yíng)正成為一種新的發(fā)展模式。地球的返回與著陸，甚至月球和火星的EDLA都不同程度的向著市場(chǎng)化發(fā)展，如美國(guó)的金道釘公司登月計(jì)劃和SpaceX的紅龍登火計(jì)劃。商業(yè)資本的介入大大刺激了工程應(yīng)用創(chuàng)新。這既是挑戰(zhàn)，更是機(jī)遇。

4.2 EDLA面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

EDLA過(guò)程的特點(diǎn)決定了具有來(lái)自各個(gè)方面的技術(shù)挑戰(zhàn)。

與人類開發(fā)地外資源的需求相比，目前EDLA的能力差距很大，一些悲觀論者甚至認(rèn)為人類注定無(wú)法離開太陽(yáng)系。目前人類載人僅登陸了月球。無(wú)人登陸的星球也非常有限，而且成功率不高。太陽(yáng)系八大行星，包括地球只成功登陸了3顆，太陽(yáng)系行星的衛(wèi)星包括月球只登陸了3顆。EDLA技術(shù)有很多空白，環(huán)境不確定性和能源動(dòng)力的局限性是主要障礙，需要大力攻克。

開發(fā)地外資源另一個(gè)主要的制約是經(jīng)濟(jì)因素。開發(fā)資源需要盈利，盈利首先需要找到可供開發(fā)的高價(jià)值資源，另外需要大幅降低開發(fā)成本。開發(fā)成本取決于航天器規(guī)模和所需的速度增量，可重復(fù)使用航天器和可再生能源動(dòng)力是未來(lái)的主要方向和挑戰(zhàn)。目前以 SpaceX公司為代表的商業(yè)公司和資本，正在重復(fù)使用技術(shù)上發(fā)力，大幅降低了EDLA成本，使EDLA市場(chǎng)化運(yùn)行成為可能，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，以EDLA為代表的航天運(yùn)輸必將像計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)一樣蓬勃發(fā)展，造福人類。

1）環(huán)境挑戰(zhàn)。不同目的地環(huán)境的不確定性引發(fā)大量的技術(shù)挑戰(zhàn)。適應(yīng)不確定環(huán)境高度自主的智能控制技術(shù)、稠密大氣環(huán)境進(jìn)入高效防熱技術(shù)、稀薄大氣進(jìn)入的高效減速技術(shù)、無(wú)大氣星球的高效動(dòng)力技術(shù)、未知星體表面環(huán)境下自主尋址與避障技術(shù)、高效低沖擊著陸技術(shù)、微重力環(huán)境下的附著與錨定技術(shù)、可再生動(dòng)力的制備和上升技術(shù)等都需要不斷突破和提高。

2）可靠性挑戰(zhàn)。大時(shí)延不確定環(huán)境下任務(wù)的可靠性和安全性需求引發(fā)復(fù)雜的技術(shù)挑戰(zhàn)。未知環(huán)境條件下自主任務(wù)規(guī)劃和決策技術(shù)、故障自主診斷和決策處置技術(shù)、高效冗余備份技術(shù)、高可靠的輕量化結(jié)構(gòu)技術(shù)等需要繼續(xù)攻克。

3）能力挑戰(zhàn)。距離遙遠(yuǎn)、速度增量需求巨大，對(duì)于航天器的能力提出了巨大的挑戰(zhàn)。地外星球最大的技術(shù)瓶頸和能力挑戰(zhàn)是動(dòng)力，推進(jìn)的比沖對(duì)航天器的規(guī)模影響巨大，高比沖先進(jìn)動(dòng)力構(gòu)成探測(cè)器的最主要能力，是重點(diǎn)發(fā)展方向。相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的輕量化要求更加苛刻，系統(tǒng)集成配置優(yōu)化、先進(jìn)材料、原位資源利用等技術(shù)也需要突破。

4）市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)挑戰(zhàn)。商業(yè)資本的參與引發(fā)了劇烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，既刺激了技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，更形成了競(jìng)爭(zhēng)的挑戰(zhàn)。提升能力降低成本是競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，圍繞著航天器重復(fù)使用、壓縮設(shè)備品種等引發(fā)的技術(shù)迫切需要突破和提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著任務(wù)需求和技術(shù)的發(fā)展，在傳統(tǒng)的進(jìn)入、下降和著陸技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加上升技術(shù)能夠更全面地適應(yīng)任務(wù)和技術(shù)融合的需要。從認(rèn)識(shí)、開發(fā)和利用地外星體資源的需求出發(fā)，EDLA迫切需要研究發(fā)展高效推進(jìn)技術(shù)、重復(fù)使用技術(shù)、智能自主控制技術(shù)、柔性控制技術(shù)，滿足未知世界的探索和開發(fā)的需求。EDLA技術(shù)是航天技術(shù)中不確定因素最多、風(fēng)險(xiǎn)最大、最具挑戰(zhàn)的技術(shù)領(lǐng)域，更是影響最大、機(jī)遇最多、最具潛力的技術(shù)領(lǐng)域，必將是未來(lái)二十年發(fā)展最快的技術(shù)領(lǐng)域。