李志杰 王平 黃震 張小琳

(1 中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094) (2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

小行星是太陽(yáng)系中具有特殊意義的天體，載人小行星探測(cè)有助于人類(lèi)深入探索宇宙，并開(kāi)展地球免受小行星撞擊威脅的相關(guān)研究，還可以為更遠(yuǎn)的深空探測(cè)提供技術(shù)驗(yàn)證[1-3]。人類(lèi)對(duì)小行星的探測(cè)至今已有約20年的歷史，迄今為止發(fā)射了多個(gè)以小行星為主要探測(cè)對(duì)象的無(wú)人深空探測(cè)器：2012年12月13日，中國(guó)嫦娥二號(hào)衛(wèi)星完成了對(duì)“圖塔蒂斯”小行星的飛越探測(cè)；2015年3月6日，美國(guó)黎明號(hào)探測(cè)器完成了對(duì)“谷神星”小行星的環(huán)繞探測(cè)，實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)對(duì)小行星帶區(qū)域的首次探測(cè)[4-5]。在美國(guó)政府2010年公布的“太空探索藍(lán)圖”中，提出在2025年實(shí)現(xiàn)載人小行星探測(cè)，2035年將人類(lèi)送入環(huán)火星軌道，最終實(shí)現(xiàn)載人登陸火星[6]。相比無(wú)人探測(cè)，載人小行星探測(cè)能夠發(fā)揮人的主觀判斷力，具備更好的創(chuàng)造性和靈活性，同時(shí)能夠?yàn)槲磥?lái)更遠(yuǎn)的載人深空探測(cè)做技術(shù)儲(chǔ)備和驗(yàn)證，因此，載人小行星探測(cè)目前已成為目前各國(guó)研究的熱點(diǎn)，各研究機(jī)構(gòu)和組織紛紛開(kāi)展了總體方案及關(guān)鍵技術(shù)研究。

載人小行星探測(cè)任務(wù)的核心是飛行模式研究與選擇，本文通過(guò)對(duì)載人小行星探測(cè)任務(wù)特點(diǎn)分析，提出了3種典型的載人小行星探測(cè)飛行模式，并對(duì)不同飛行模式下速度增量、任務(wù)時(shí)間、飛行器系統(tǒng)規(guī)模以及推進(jìn)劑選擇進(jìn)行了分析，并結(jié)合任務(wù)窗口、交會(huì)對(duì)接難度、任務(wù)支撐能力和安全性等方面給出最優(yōu)的載人小行星探測(cè)飛行模式選擇和建議。

1 載人小行星探測(cè)任務(wù)特點(diǎn)

載人小行星探測(cè)可分為訪問(wèn)式探測(cè)和捕獲式探測(cè)兩類(lèi)[4,8]：①訪問(wèn)式探測(cè)任務(wù)時(shí)間及航程相對(duì)較長(zhǎng)，但可選擇目標(biāo)星范圍較廣，如初期可選擇較大規(guī)模小行星，利于發(fā)現(xiàn)與觀測(cè)，獲得小行星特性并為后續(xù)長(zhǎng)周期載人深空探測(cè)提供支撐；②捕獲式探測(cè)任務(wù)時(shí)間和航程較短，但發(fā)現(xiàn)、探測(cè)與捕獲難度大，可選擇捕獲小行星范圍有限，只能選擇較小規(guī)模小行星[8-9]，因此相對(duì)于訪問(wèn)式探測(cè)實(shí)現(xiàn)難度更大，本文重點(diǎn)對(duì)訪問(wèn)式小行星探測(cè)飛行模式開(kāi)展研究。編號(hào)為“2007SQ6”的小行星作為本文載人小行星探測(cè)飛行模式分析的假想目標(biāo)星，任務(wù)時(shí)間段在2020年～2030年期間。

由于載人小行星探測(cè)任務(wù)距離遠(yuǎn)、速度增量大、任務(wù)周期長(zhǎng)，采用單級(jí)飛行器很難直接完成探測(cè)任務(wù)，因此飛行器需要采用多級(jí)艙段直接組合發(fā)射或空間交會(huì)對(duì)接的方式實(shí)現(xiàn)探測(cè)任務(wù)[10-11]。與無(wú)人探測(cè)不同，載人小行星探測(cè)為適應(yīng)長(zhǎng)期的宇宙航行任務(wù)，需要為航天員提供能夠居住、工作和生活空間，即生活艙；為完成載人探測(cè)任務(wù)，需要利用探索飛行器攜帶航天員靠近或著陸小行星，對(duì)小行星進(jìn)行實(shí)地探測(cè)；為完成返回地球任務(wù)，需要具備返回再入大氣層功能的載人飛船攜帶航天員和采集樣本；同時(shí)為了提供有效和足夠的逃逸速度增量，需要提供推進(jìn)飛行器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)推進(jìn)艙)。因此，考慮載人小行星探測(cè)飛行器系統(tǒng)分為4個(gè)基本功能模塊，即生活艙、探索飛行器、載人飛船和推進(jìn)艙。

由于星際往返航行段和小行星探測(cè)段的飛行方案較固定，對(duì)系統(tǒng)速度增量變化影響較小[12]，因此本文重點(diǎn)討論在地球影響球內(nèi)軌道段的飛行模式，不同的交會(huì)對(duì)接和逃逸方式將影響飛行模式的選擇。目前考慮的飛行模式包括近地組裝發(fā)射飛行模式、日地L2點(diǎn)停泊飛行模式、地月L1/L2點(diǎn)停泊飛行模式。對(duì)于飛行器速度增量的提供方式，采用小推力模式將導(dǎo)致飛行器的飛行任務(wù)周期大幅增加，但可以節(jié)省推進(jìn)劑的質(zhì)量，因此上述3種飛行模式載人飛行過(guò)程以化學(xué)推進(jìn)模式為主，無(wú)人飛行過(guò)程中引入能夠提供小推力的電推進(jìn)模塊[13]。

2 載人小行星探測(cè)飛行模式研究

2.1 近地組裝飛行模式

基于近地組裝的載人小行星探測(cè)飛行模式是指利用2枚或2枚以上運(yùn)載火箭將飛行器分開(kāi)發(fā)射進(jìn)入近地軌道，通過(guò)一次或多次對(duì)接形成組合體后實(shí)現(xiàn)逃逸，完成探測(cè)任務(wù)。采用該模式，可以將航天員和飛行器所需載荷和燃料分別送入近地軌道，從而降低任務(wù)對(duì)單枚運(yùn)載火箭運(yùn)載能力的過(guò)高需求，如可利用一枚運(yùn)載能力較小的載人運(yùn)載火箭將載人飛船發(fā)射至近地軌道，從而避免使用重型載人運(yùn)載火箭，大大降低運(yùn)載火箭的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、研制成本與研制難度。

如圖1和表1、表2所示，基于近地組裝的載人小行星探測(cè)飛行模式具體如下：①推進(jìn)艙(含第一級(jí)、第二級(jí)和第三級(jí))、生活艙和探索飛行器組成的無(wú)人飛行器組合體由重型貨運(yùn)運(yùn)載火箭發(fā)射進(jìn)入近地停泊軌道；②載人飛船(含返回艙和推進(jìn)模塊)由一枚載人運(yùn)載火箭發(fā)射進(jìn)入近地停泊軌道；③載人飛船作為主動(dòng)飛行器與無(wú)人飛行器組合體完成近地軌道交會(huì)對(duì)接，形成載人飛行器組合體；④到達(dá)預(yù)定的轉(zhuǎn)移窗口，推進(jìn)艙第一級(jí)、第二級(jí)先后點(diǎn)火，載人飛行器組合體進(jìn)行地球逃逸，達(dá)到逃逸速度后，進(jìn)行推進(jìn)艙第一級(jí)和第二級(jí)分離；⑤星際航行階段利用推進(jìn)艙第三級(jí)進(jìn)行軌道中途修正；⑥到達(dá)小行星附近，利用推進(jìn)艙第三級(jí)進(jìn)行制動(dòng)，將載人飛行器組合體送入環(huán)小行星軌道后，拋掉推進(jìn)艙第三級(jí)；⑦探索飛行器與飛行器組合體分離，著陸或附著在小行星表面，開(kāi)展載人小行星探測(cè)；⑧探索飛行器與飛行器組合體對(duì)接，完成人員與貨物轉(zhuǎn)移后，進(jìn)行探索飛行器分離，利用載人飛船推進(jìn)模塊加速使載人飛行器組合體從小行星附近逃逸，進(jìn)入地球返回軌道；⑨進(jìn)行載人飛船分離，載人飛船返回艙再入地球大氣層，在著陸場(chǎng)安全著陸。

圖1 基于近地組裝的載人小行星探測(cè)飛行模式Fig.1 Flight mode of manned asteroid exploration based on earth orbit rendezvous

表1 基于近地組裝的飛行模式各階段速度增量和任務(wù)時(shí)間

表2 基于近地組裝的飛行模式飛行器系統(tǒng)規(guī)模及推進(jìn)劑比沖選擇

可以看出，根據(jù)任務(wù)時(shí)間和探測(cè)距離的不同，基于多次發(fā)射、多次近地軌道交會(huì)對(duì)接的載人小行星探測(cè)飛行模式具備可行性。但隨著交會(huì)次數(shù)的增加，對(duì)發(fā)射窗口要求增高，以及短期連續(xù)發(fā)射任務(wù)增加了對(duì)發(fā)射場(chǎng)任務(wù)保障能力的要求。

2.2 日地L2點(diǎn)停泊飛行模式

日地L2點(diǎn)是日地系統(tǒng)的5個(gè)平衡點(diǎn)之一，具有良好的動(dòng)力學(xué)特性，位于日地L2點(diǎn)的物體保持與地球和太陽(yáng)的相對(duì)位置不變?；谌盏豅2點(diǎn)停泊的載人小行星探測(cè)飛行模式是指將無(wú)人飛行器組合體長(zhǎng)期停泊于日地L2點(diǎn)，需要執(zhí)行任務(wù)時(shí)利用流形返回至地球附近，與從地球發(fā)射的載人飛船完成交會(huì)對(duì)接形成載人飛行器組合體后進(jìn)行地球逃逸，開(kāi)展載人小行星探測(cè)任務(wù)。在組合體返回地球時(shí)載人飛船進(jìn)行分離并再入地球；其余艙段通過(guò)少量速度修正借助流形返回L2點(diǎn)停泊軌道，等待下一次探測(cè)任務(wù)，后續(xù)可利用無(wú)人補(bǔ)給飛行器對(duì)組合體補(bǔ)充燃料和生活物資。

如圖2和表3、表4所示，基于日地L2點(diǎn)停泊的載人小行星探測(cè)飛行模式具體如下：①推進(jìn)艙(含化學(xué)推進(jìn)模塊和電推進(jìn)模塊)、生活艙和探索飛行器形成無(wú)人飛行器組合體長(zhǎng)期停泊于日地L2點(diǎn)附近軌道，執(zhí)行探測(cè)任務(wù)時(shí)接近地球，進(jìn)入近地軌道；②載人飛船(含返回艙和推進(jìn)模塊)由一枚重型載人運(yùn)載火箭發(fā)射，進(jìn)入近地軌道；③載人飛船作為主動(dòng)飛行器，與無(wú)人飛行器組合體完成交會(huì)對(duì)接，形成載人飛行器組合體；④由推進(jìn)艙對(duì)載人飛行器組合體施加逃逸脈沖，實(shí)現(xiàn)地球逃逸；⑤星際航行階段利用載人飛船推進(jìn)模塊進(jìn)行中途修正；⑥到達(dá)小行星附近，利用載人飛船推進(jìn)模塊進(jìn)行制動(dòng)，將載人飛行器組合體送入環(huán)小行星軌道；⑦探索飛行器與載人飛行器組合體分離，著陸或附著在小行星表面，開(kāi)展載人小行星探測(cè)；⑧探索飛行器與飛行器組合體對(duì)接，完成人員與貨物轉(zhuǎn)移后，進(jìn)行探索飛行器分離，利用載人飛船推進(jìn)模塊加速使載人飛行器組合體從小行星附近逃逸，進(jìn)入地球返回軌道；⑨進(jìn)行載人飛船分離，載人飛船返回艙再入地球大氣層，在著陸場(chǎng)安全著陸；⑩推進(jìn)艙、生活艙和探索飛行器組成的無(wú)人飛行器組合體施加速度修正，返回日地L2點(diǎn)附近，等待下一次任務(wù)。

圖2 基于日地L2點(diǎn)停泊的載人小行星探測(cè)飛行模式Fig.2 Flight mode of manned asteroid exploration based on berth in L2 of sun-earth system

表3 基于日地L2點(diǎn)停泊的飛行模式各階段速度增量和任務(wù)時(shí)間

表4 基于日地L2點(diǎn)停泊的飛行模式飛行器系統(tǒng)規(guī)模及推進(jìn)劑比沖選擇

續(xù) 表

基于日地L2點(diǎn)停泊的載人小行星探測(cè)飛行模式充分利用了日地L2點(diǎn)的物理特性，可以節(jié)省飛行器交會(huì)對(duì)接后所需的逃逸速度增量，同時(shí)僅需重型貨運(yùn)運(yùn)載火箭對(duì)推進(jìn)艙、生活艙和探索飛行器進(jìn)行一次發(fā)射，即可滿(mǎn)足多次的任務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用。在開(kāi)展多次探測(cè)任務(wù)的背景下，節(jié)約成本的同時(shí)降低了發(fā)射場(chǎng)連續(xù)發(fā)射的壓力，但載人飛船與無(wú)人飛行器組合體進(jìn)行交會(huì)對(duì)接時(shí)絕對(duì)速度較大，載人飛船在交會(huì)前需提前加速、對(duì)接準(zhǔn)備時(shí)間短，給地面測(cè)定軌帶來(lái)較高要求，對(duì)接失敗后也無(wú)法提供更多機(jī)會(huì)重新進(jìn)行交會(huì)，因此交會(huì)對(duì)接具有很大的難度和危險(xiǎn)性。另一方面，無(wú)人飛行器組合體雖然從日地L2點(diǎn)附近周期軌道借助流形可以實(shí)現(xiàn)低能量轉(zhuǎn)移，但轉(zhuǎn)移時(shí)間較長(zhǎng)，初次入軌的能量消耗較大。

2.3 地月L1/L2點(diǎn)停泊飛行模式

地月L1/L2點(diǎn)停泊點(diǎn)飛行模式與日地L2點(diǎn)停泊點(diǎn)飛行模式相似：選擇地月L1/L2點(diǎn)作為停泊點(diǎn)，無(wú)人飛行器組合體在地月L1或地月L2點(diǎn)附近保持與地球和月球的相對(duì)位置不變，需要執(zhí)行任務(wù)時(shí)利用流形返回至地球附近，與從地球發(fā)射的載人飛船完成交會(huì)對(duì)接形成載人飛行器組合體后實(shí)現(xiàn)地球逃逸，開(kāi)展載人小行星探測(cè)任務(wù)。在組合體返回地球時(shí)載人飛船進(jìn)行分離并再入地球；其余艙段通過(guò)少量速度修正借助流形返回地月L1/L2點(diǎn)停泊軌道，等待下一次探測(cè)任務(wù)，后續(xù)可利用無(wú)人補(bǔ)給飛行器對(duì)組合體補(bǔ)充燃料和生活物資。

如圖3和表5、表6所示，基于地月L1/L2點(diǎn)停泊的載人小行星探測(cè)飛行模式具體如下：①推進(jìn)艙(含低溫推進(jìn)模塊和電推進(jìn)模塊)、生活艙和探索飛行器形成無(wú)人飛行器組合體長(zhǎng)期停泊于地月L1/L2點(diǎn)附近軌道，執(zhí)行探測(cè)任務(wù)時(shí)接近地球，進(jìn)入近地軌道；②載人飛船(含返回艙和推進(jìn)模塊)由一枚重型載人運(yùn)載火箭發(fā)射，進(jìn)入近地軌道；③載人飛船作為主動(dòng)飛行器，與無(wú)人飛行器組合體完成交會(huì)對(duì)接，形成載人飛行器組合體；④由推進(jìn)艙對(duì)載人飛行器組合體施加逃逸脈沖，實(shí)現(xiàn)地球逃逸；⑤星際航行階段利用載人飛船推進(jìn)模塊進(jìn)行中途修正；⑥到達(dá)小行星附近，利用載人飛船推進(jìn)模塊進(jìn)行制動(dòng)，將載人飛行器組合體送入環(huán)小行星軌道；⑦探索飛行器與載人飛行器組合體分離，著陸或附著在小行星表面，開(kāi)展載人小行星探測(cè)；⑧探索飛行器與飛行器組合體對(duì)接，完成人員與貨物轉(zhuǎn)移后，進(jìn)行探索飛行器分離，利用載人飛船推進(jìn)模塊加速使載人飛行器組合體從小行星附近逃逸，進(jìn)入地球返回軌道；⑨進(jìn)行載人飛船分離，載人飛船返回艙再入地球大氣層，在著陸場(chǎng)安全著陸；⑩推進(jìn)艙、生活艙和探索飛行器組成的無(wú)人飛行器組合體施加速度修正，返回地月L1/L2點(diǎn)附近，等待下一次任務(wù)。

圖3 基于地月L1/L2點(diǎn)停泊的載人小行星探測(cè)飛行模式Fig.3 Flight mode of manned asteroid explorationbased on berth in L1/L2 of earth-moon system

表5 基于地月L1/L2點(diǎn)停泊的飛行模式各階段速度增量和任務(wù)時(shí)間

續(xù) 表

表6 基于地月L1/L2點(diǎn)停泊的飛行模式飛行器系統(tǒng)規(guī)模及推進(jìn)劑比沖選擇

基于地月L1/L2點(diǎn)停泊的載人小行星探測(cè)飛行模式的系統(tǒng)組成和功能以及主要階段與日地L2點(diǎn)停泊的飛行模式相同。相比日地L2點(diǎn)，地月L1/L2點(diǎn)距離地球較近，停泊在地月L1/L2點(diǎn)除可完成小行星探測(cè)任務(wù)外，對(duì)載人月球探測(cè)也可提供中轉(zhuǎn)和系統(tǒng)支持。但由于地月L1/L2點(diǎn)相對(duì)于地月旋轉(zhuǎn)系靜止，而在日地系下運(yùn)動(dòng)，因此由推進(jìn)艙、生活艙和探索飛行器組成的無(wú)人飛行器組合體再入地球和返回地月L1/L2點(diǎn)時(shí)受星歷約束較大，可能無(wú)法找到低能量的轉(zhuǎn)移軌道，需要增加中間脈沖才能接近近地軌道，相比日地L2點(diǎn)飛行模式需要增加推進(jìn)劑的消耗量。

3 飛行模式分析與選擇

如表7所示，載人小行星探測(cè)可分為直接奔向小行星的飛行模式(近地軌道組裝)和基于高勢(shì)能點(diǎn)(日地L2點(diǎn)停泊、地月L1/L2點(diǎn)停泊)的飛行模式，前者在近期可實(shí)現(xiàn)程度高，需要突破長(zhǎng)期深空居住、低溫推進(jìn)、先進(jìn)能源、小行星附著與著陸等載人小行星探測(cè)通用關(guān)鍵技術(shù)之外，沒(méi)有其它亟需突破的關(guān)鍵技術(shù)；而基于高勢(shì)能點(diǎn)的飛行模式可通過(guò)含小推力電推進(jìn)模塊的推進(jìn)艙將無(wú)人飛行器部分送入高勢(shì)能點(diǎn)，從而大大降低飛行器系統(tǒng)總規(guī)模，是未來(lái)載人小行星探測(cè)的發(fā)展方向，但需在突破載人小行星探測(cè)通用關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，亟需解決高速交會(huì)對(duì)接和電推進(jìn)的難題。

表7 不同載人小行星探測(cè)飛行模式比較分析

不同飛行模式的對(duì)比分析具體如下：

①基于近地軌道組裝的載人小行星探測(cè)飛行模式實(shí)現(xiàn)難度較低、技術(shù)繼承性、安全性較好，如載人飛船和載人運(yùn)載火箭可直接采用現(xiàn)有成熟飛行器，近地軌道載人交會(huì)對(duì)接也經(jīng)歷了“921”二期工程的多次成功驗(yàn)證，此外，如果重型貨運(yùn)火箭研制難度大，可采用多次近地軌道交會(huì)對(duì)接的方式完成任務(wù)，因此該模式是基于現(xiàn)有技術(shù)水平在近期內(nèi)實(shí)現(xiàn)載人小行星探測(cè)任務(wù)的合理選擇；②日地L2點(diǎn)停泊飛行模式中，系統(tǒng)規(guī)模小，任務(wù)窗口靈活，并且主要飛行器可實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用，對(duì)于多次小行星探測(cè)任務(wù)，運(yùn)行成本相對(duì)較低，且可支持載人火星探測(cè)等后續(xù)載人深空探測(cè)任務(wù)，是載人小行星探測(cè)發(fā)展路線的合理選擇；③基于地月L1/L2點(diǎn)停泊的飛行模式雖然支持多種載人深空探測(cè)飛行任務(wù)，但其任務(wù)窗口靈活性差，對(duì)行星際探測(cè)約束較大，此外相對(duì)于日地L2點(diǎn)停泊飛行模式其速度增量相對(duì)較大，系統(tǒng)規(guī)模以及后續(xù)運(yùn)營(yíng)成本都將大幅增加。

4 結(jié)束語(yǔ)

開(kāi)展載人小行星探測(cè)任務(wù)的首要技術(shù)是飛行模式的選擇，合理的飛行模式對(duì)載人小行星探測(cè)飛行器系統(tǒng)規(guī)模和任務(wù)復(fù)雜性有著至關(guān)重要的影響?；谳d人小行星探測(cè)的任務(wù)特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)近地組裝、日地L2點(diǎn)停泊、地月L1/L2點(diǎn)停泊的載人小行星探測(cè)飛行模式的對(duì)比分析可知：

(1)基于現(xiàn)有航天技術(shù)水平，可采用近地軌道組裝的飛行模式作為先導(dǎo)開(kāi)展載人小行星探測(cè)任務(wù)；

(2)隨著載人小行星探測(cè)范圍不斷拓展，逐步以日地L2點(diǎn)作為未來(lái)載人小行星探測(cè)的中轉(zhuǎn)站，選擇日地L2點(diǎn)停泊的飛行模式開(kāi)展載人小行星探測(cè)任務(wù)，以及后續(xù)更為廣泛的載人深空探測(cè)任務(wù)。