對EDLA技術的認識與展望

張柏楠

（中國空間技術研究院載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

隨著世界航天技術的發展，人類探索太空的范圍已經從近地軌道拓展到月球、火星，以及小行星和彗星，探測器規模從小到大，探測器從無人到載人[1-4]。在最新一輪的載人深空探索活動中，商業公司開始大規模參與，必將推動相應技術和應用的發展。航天器的進入、下降、著陸和上升（Entry，Decent，Landing and Ascent，EDLA），是地外星體表面探索活動需要經歷的過程，該過程運用的技術對于人類探索太空、開發資源具有重大意義，是實現宇宙資源開發的核心關鍵技術之一[5-6]。

雖然空間探索已經取得了輝煌的成績，但是對于地外星球的EDLA技術還剛剛起步，探索的地外星球非常有限，任務成功率也不高，與空間探索需求的差距很大，這恰恰也說明該領域后續發展的空間很大，基于此一些商業公司也陸續介入到這方面的研究探索之中。

1 對EDLA的認識

EDLA技術源自地球軌道任務返回與回收技術。隨著地外星球探索活動的實施，尤其是有大氣行星的探索實踐需要，提出并發展出進入、下降與著陸（Entry，Decent and Landing，EDL）技術，并進一步提出了EDLA技術。

1.1 EDL的起源

EDL技術起源于地球軌道樣品與膠片的返回與回收技術。

返回（Return）是航天器從任務軌道回到地球表面的過程。回到出發地，或回到地球表面是返回技術的核心任務目標。

對于地球這類有大氣行星，航天器進入稠密大氣后產生的氣動力和氣動熱會嚴重影響其飛行與環境，力、熱、控制等多學科緊密耦合，導致了復雜的技術問題，這一復雜的過程被稱為再入過程。再入（Reentry）是指航天器回到發射星球，特指回到地球稠密大氣的飛行過程。

返回的目的是回收數據和樣品。回收（Recovery）是指對數據或物品的回收、重復使用、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

當人類探索拓展到地外星球時，一方面可以借鑒地球返回與回收的經驗，畢竟地球也是宇宙中眾多星球之一，具有相當的普遍性；另一方面，其他地外星球畢竟不是地球，自然環境和條件不同，更重要的是這些地外星球不是人類的家園，不是航天器的出發地，原有地球返回和回收技術從名詞術語到模型參數、到技術途徑都需要適應這些差異。因此，國外提出了進入、下降和著陸技術（Entry，Decent and Landing）。

進入、下降和著陸是航天器安全著陸到星球表面需經歷的一系列過程，航天器進入、下降和著陸的技術和過程縮寫為EDL。

進入或者說大氣層進入（Atmospheric entry）是物體從外層空間進入或穿過行星、矮行星或天然衛星大氣的運動。進入作為飛行階段主要任務是氣動減速到達著陸區域，為下降創造條件。進入一般發生在卡門線高度，地球約100km，金星250km，火星80km。

下降（Decent）是指進入著陸區域后再下降到著陸安全高度的過程。對于無大氣星球也將動力減速過程稱為下降過程。下降段的主要任務是降低高度，進行定點或避障控制，為安全著陸創造條件。

著陸（Landing）源自飛機飛行過程，一般指飛機從安全高度下滑、過渡、接地、滑跑直至完全停止的整個減速運動過程。對于空間飛行器是指從安全高度降落到行星表面，并完全停止的運動過程。著陸段的主要任務是停止相對星體表面的運動，吸收和緩沖撞擊能量，形成穩固的停放狀態，保證飛行器安全，為后續考察活動創造條件。

1.3 EDLA的由來

人類早期的無人行星探索都是單程，任務就是在目的地星球表面進行現場考察，無需上升并回到地球。隨著人類對宇宙認識的需要、技術的發展，尤其是載人月球探測，不僅需要將探測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射，一般稱為上升的任務需求。其他星球目前不具備像地球一樣的表面設施和人員的保障和支持，工程上將下降和上升動力艙段組合在一起，關系密切，由此在EDL的基礎上增加上升的概念。

作為航空器，飛機最初的運動階段是起飛，即從靜止開始滑跑、離地、上升至安全速度的運動過程。而在地球把航天器送入飛行軌道叫做發射，是指運載火箭運送航天器起飛、加速、進入預定軌道的過程。同樣地外星球表面上升（Ascent）是指探測器從地外星球表面起飛、加速、進入預定軌道的過程。上升段的任務是提升探測器的飛行高度和速度，并進入預定軌道。EDLA的概念由此而來。

1.4 對EDLA的解讀

為了更進一步的理解EDLA的概念，需要從歷史、運動過程、任務、飛行階段認識EDLA共同的屬性，也要從著陸地點和環境認識EDLA不同的屬性。

（1）從歷史的角度

EDLA是以地球為起點和原點，不斷演變發展而來的。

EDLA是以航空為基礎，以地球軌道數據和樣品回收作為發展的起點。起飛、著陸等都采用飛機或者地球返回的概念和經驗。

以地球作為空間的原點向地外的星體表面拓展，導致一些概念和術語的說法不同。雖然落到地球和落到其他星球表面的運動過程是相似的，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，如進入、下降。

（2）從運動過程的角度

EDLA本質上是一個航天器在中心引力場作用下的運動過程，并呈現V字形變化。

運動高度變化包括由高到低的下降運動過程和由低到高的上升過程；運動速度變化包括由軌道速度到靜止的減速運動過程和由靜止到軌道速度的加速運動過程。

（3）從任務需求的角度

EDLA核心任務是物質在軌道與星體表面的往返運輸，形成星體間的物質流。具體任務主要包括：1）承擔向行星表面部署考察儀器設備或開發建設設備，采集數據和樣品，建設考察開發基地；2）回收載有科學信息或利用價值的儀器、樣品和物質資源；3）在地球和行星表面之間往返運輸航天員；4）部署和回收航天器以便重復使用降低任務成本。

（4）從飛行階段的角度

EDLA從探測飛行任務的角度，在目的地星球軌道和表面之間劃分了不同飛行階段：1）進入段，是從進入大氣層開始，到預定著陸區上空；2）下降段，該段從到達落區或無大氣星球動力下降開始，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動；4）上升段，指從行星表面到進入行星軌道的階段。

（5）從著陸地點環境和條件的角度

地球表面的發射、返回和回收任務，是在發射、測控、回收等地面系統的強大支撐下完成的。由于飛行運動和環境狀態變化快，過程不可逆，因此是航天器飛行最危險的階段。

地外星球表面是一個沒有任何支持的陌生環境，且自然環境與地球差別很大，極端惡劣，風險更大。人類地外星球表面探索任務的成功概率不高，美國載人登月的EDLA任務均獲成功不能不說是一個奇跡，其主要原因一方面是舉國之力的巨大投入，另一方面是由于人的參與解決了未知環境的綜合判斷和自主決策問題。

由于目的地星球自然環境的差異，導致每個星球EDLA的具體問題和技術途經都不相同，且由于認識的不足存在較大的不確定性，這導致地外星球的EDLA任務可靠性和安全性問題尤為突出，而且需要飛行器具有高度自主能力處理大量不可預計的問題。

綜上所述，可以認為：EDLA是航天器從運行軌道安全著陸到星體表面，以及從星體表面上升至運行軌道的運動過程。航天器利用大氣層阻力或火箭發動機動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行軌道。在進入、下降、著陸和上升過程中運用的技術稱為EDLA技術。EDLA技術用于乘員、飛行器、設備、物資、樣品在星體軌道和星體表面之間往返運輸飛行。

2 EDLA的任務需求

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

2.1 運輸乘員或物品需求

乘員運輸需求包括人數、需要支持乘員生存的時間，以及需要保證的醫學、工效學條件和環境等。物品運輸需求包括運輸物品的質量和空間，需要提供的信息和能源支持，以及需要保證的環境。

2.2 運行軌道需求

進入和下降過程開始于探測器最初的運行軌道，而上升的最終目標是進入可返回地球的預定運行軌道，運行軌道決定了對EDLA過程所需要消耗或提供的能量。運行軌道可分為星球環繞軌道和星際軌道兩類。

1）星球環繞軌道。包括人們熟悉的地球軌道，還包括月球環繞軌道、火星環繞軌道等。這類軌道相對簡單、穩定，一般是考慮攝動的二體問題。

2）星際軌道。目前能夠飛行的太陽系內軌道，可分為以地球為引力中心的月地軌道，以及以太陽為引力中心的行星際軌道。這類軌道尤其是在與EDLA銜接的軌道非常復雜、且不大穩定，一般是三體問題，是一類沒有解析解的復雜數學問題。在三體引力的平衡點附近形成了一些特征軌道，例如在地月拉格朗日點附近形成的軌道，尤其是L2點附近的暈軌道（又叫HALO軌道）有很多獨特的優勢可以利用[7-9]。

2.3 目的地和環境需求

廣義的目的地可以認為是星球的表面，包括地球、火星等地外行星、月球等自然衛星、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境差異巨大，大多數還沒有詳細認識。

地球的自然條件已為人們所熟悉，其質量約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 太陽系行星自然環境主要指標Tab.1 The main index of natural environment on Solar system planets

太陽系行星的衛星環境也是千差萬別，但有一些衛星有水，比月球更具有開發價值，這些行星主要衛星的特性指標見表2。

太陽系內小行星或彗星分布較廣，一些近地小行星對地球可能構成威脅，具備一定的科學研究價值，這些小行星的主要特性指標見表3。

表2 太陽系行星主要衛星的特性指標Tab.2 The characteristics of the major planets of the solar system satellites

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

根據地外星球環境特點和人類探測歷史[10-11]，可以總結如下：

1）小行星：質量很小，引力效應微弱，技術難度相對較低，人類已實現成功無人著陸和上升。

2）太陽系行星的衛星：對于小規模的衛星，大小相當于小行星，技術難度不大，但相對探測價值不大，人類尚未實現著陸；對于中等規模的衛星，大小與月球相似，技術難度適中。由于月球是地球的衛星，是離地球最近的星體，需要優先考察，人類實現了載人月球著陸和上升，積累了大量的經驗；對于行星規模的衛星，如木衛三、土衛六，甚至有大氣和水，科學和開發價值大，技術難度適中，人類成功實現了無人著陸。

3）太陽系的行星：對無大氣行星，如水星，環境較為苛刻，尚未成功著陸；對于有大氣固體表面行星，如金星和火星，已實現成功無人著陸，但未實現上升返回；對于外行星，質量大，大氣稠密，無明顯邊界，環境嚴酷且不確定性大，人類還沒有實現成功著陸，甚至對下層大氣也沒有足夠的認識。

由此可以看到，目的地環境條件的千差萬別使EDLA技術存在巨大的發展空間。

具體來講目的地一般指星球表面的著陸區或著陸點，一般根據任務、環境、能力和著陸安全等條件選取，由具體位置和范圍確定。由于著陸點條件的不確定性，從安全性角度考慮，需要探測器具備自主選取落點和避障的能力。

2.4 可靠性和安全性需求

由于 EDLA機會的稀缺性和環境的不確定性以及 EDLA的風險性，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。

從定量角度來說，可靠性規定了探測任務成功的概率要求，安全性規定了乘員在正常和故障狀態生還的概率。

從定性的角度，可以根據任務特點規定意外故障發生時的安全策略和要求。例如在EDLA過程中發生故障時需要幾重冗余、向什么方向撤離、進入什么安全狀態和模式等。一般當載人地球軌道任務遇到故障時希望航天員能夠立即返回著陸，因為地面有生存環境和額外的支持是最安全的。但地外星球載人任務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行在星球軌道上的軌道站。

3 EDLA的過程和技術

3.1 EDLA的過程

EDLA過程由進入、下降、著陸三個下降減速過程，以及起飛、上升、入軌三個上升加速過程，呈V字形的系列過程組成。該過程各階段的不同特征如表4所示。

表4 EDLA過程特征Tab.4 The characteristics of EDLA process

根據任務階段，可以定義彈道特征點，一般包括：1）進入點，是進入星體大氣層特征點，開始利用氣動力減速和彈道控制；2）下降點，指動力下降起點或開傘點，進入著陸區；3）停控點，指到達著陸點上空的動力關機點，或者緩沖發動機點火點；4）著陸點，指觸地緩沖后停止相對運動的地點；5）起飛點，是探測器發動機點火離開星體表面的地點；6）入軌點，指進入預定軌道的位置。

3.2 EDLA的技術

EDLA的技術途徑主要由任務和目的地環境決定。

按照資源消耗最少的原則，一般充分利用當地條件實現減速和下降。因此有大氣星球，盡可能利用大氣實現減速和下降。由于進入能量、大氣密度和任務過載的要求和約束，可以利用本體外形實現減速下降，或者通過柔性體展開擴大阻力面積，提高低大氣密度或低速條件下阻力偏小的問題，提高效率。但是對于無大氣星球，動力減速下降是目前的唯一途徑[12]。各階段可采用的技術途徑如表5所示。

表5 EDLA技術途徑Tab.5 The technical approach of EDLA

3.3 EDLA方案

實現EDLA過程需要進行航天器的EDLA方案設計，根據航天器的任務、運行軌道以及星體環境，權衡和比較不同技術途徑，確定初步方案[13]。在建立氣動力熱模型或運動模型的基礎上進行彈道設計和氣動外形設計，在建立軌道動力學模型的基礎上進行動力系統或柔性阻力系統設計，在建立結構動力學和運動學模型的基礎上進行著陸緩沖系統設計，在建立軌道動力學和姿態動力學模型的基礎上進行彈道和姿態控制系統設計，在建立大氣運動和星體表面熱環境和熱響應模型的基礎上進行防熱和熱控系統設計。考慮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實現EDLA過程。

典型的EDLA航天器包括：

1）衛星返回艙。為將在軌道上獲取的信息或試驗樣品回收到地面分析研究，早期主要依靠直接返回。在衛星上設計返回艙，完成任務后收集樣品并返回地面。回收的樣品包括對地觀測的膠片、微重力實驗和生物實驗的樣品等。由于任務要求不高，環境相對較好，一般采用運載火箭發射，彈道式返回，采用降落傘下降，無緩沖著陸。典型的衛星包括對地光學成像衛星膠片返回艙、微重力實驗衛星樣品返回艙、生物實驗衛星樣品返回艙。

2）載人飛船。為了給空間站或其他載人軌道任務提供乘員的往返運輸，主要采用載人飛船的方式實現。由于航天員醫學環境和安全性要求，一般采用載人運載火箭發射，升力控制返回再入，降落傘下降，發動機或氣囊緩沖著陸，具備救生能力。

3）航天飛機。為了提供乘員和貨物便捷的天地往返運輸，在載人飛船的基礎上發展出航天飛機，進一步降低運輸成本。航天飛機一般采用火箭動力垂直發射，全升力再入，飛機式滑翔進場滑跑著陸，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輸，主要采用登月艙實現下降、著陸和上升。月球是無大氣星球，一般采用發動機動力下降、結構緩沖著陸，發動機上升。

5）火星著陸器。為了對火星表面進行現場考察，一般采用著陸器的方式。由于火星大氣稀薄，無人探測雖對環境要求不高但不確定性大，一般采用本體氣動減速與減速傘柔性氣動減速相結合的方式進入，發動機動力下降，氣囊或懸吊緩沖著陸[14-15]。

6）小行星探測器。為了對小行星進行現場考察，一般采用集成式探測器的方式。由于小行星的引力微弱，減速下降過程演化為非合作目標的交會對接問題，而在小行星表面附著和錨定成為主要問題[16-18]。

7）可回收火箭一級。隨著近年來重復使用技術的發展，使得傳統運載火箭的回收和重復使用成為可能。目前一般是在傳統火箭的基礎上做適當補充完善，以較少的變化和代價實現回收和重用。由于火箭一級飛行高度和速度不大，一般采用氣動穩定下降，降落傘或發動機動力減速，機構支架緩沖著陸。

4 EDLA的未來發展趨勢與挑戰

4.1 EDLA未來發展趨勢

EDLA技術是空間探索飛行的核心技術，以滿足空間探索任務需求為牽引。在航天活動初期，空間探索以發現為目的，重點是通過提高配置效率，解決工程可行性問題。當天航天技術發展正處在從追求科學發現向追求經濟效益轉變的階段。

地外星球蘊藏著無盡的空間和資源，是人類未來的開發方向，技術和市場發展空間巨大。因此，人類始終沒有停止向地外星球發展的腳步。

探索宇宙、開發資源的夢想不斷驅使人類在EDLA領域進行探索，主要航天大國都持續投入資源開發相應的技術，不斷進行探索活動。從目的地的價值與環境出發，今后探測的重點是月球、火星和對人類有威脅的近地小行星。為提高探測器效率實現更大規模的探測和利用，航天器重復使用、高效可再生動力和柔性減速技術成為發展的重點。

同樣是由于地外資源的吸引和技術的發展，地外資源探索和開發正逐步由國家政府投資驅動向市場驅動發展，商業資本開始逐步進入EDLA領域，并引發了大量的創新和技術進步。政府指導投入并開放技術支持，以商業公司為主開發和運營正成為一種新的發展模式。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化發展，如美國的金道釘公司登月計劃和SpaceX的紅龍登火計劃。商業資本的介入大大刺激了工程應用創新。這既是挑戰，更是機遇。

4.2 EDLA面臨的技術挑戰

EDLA過程的特點決定了具有來自各個方面的技術挑戰。

與人類開發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為人類注定無法離開太陽系。目前人類載人僅登陸了月球。無人登陸的星球也非常有限，而且成功率不高。太陽系八大行星，包括地球只成功登陸了3顆，太陽系行星的衛星包括月球只登陸了3顆。EDLA技術有很多空白，環境不確定性和能源動力的局限性是主要障礙，需要大力攻克。

開發地外資源另一個主要的制約是經濟因素。開發資源需要盈利，盈利首先需要找到可供開發的高價值資源，另外需要大幅降低開發成本。開發成本取決于航天器規模和所需的速度增量，可重復使用航天器和可再生能源動力是未來的主要方向和挑戰。目前以 SpaceX公司為代表的商業公司和資本，正在重復使用技術上發力，大幅降低了EDLA成本，使EDLA市場化運行成為可能，在不遠的將來，以EDLA為代表的航天運輸必將像計算機和互聯網一樣蓬勃發展，造福人類。

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

2）可靠性挑戰。大時延不確定環境下任務的可靠性和安全性需求引發復雜的技術挑戰。未知環境條件下自主任務規劃和決策技術、故障自主診斷和決策處置技術、高效冗余備份技術、高可靠的輕量化結構技術等需要繼續攻克。

3）能力挑戰。距離遙遠、速度增量需求巨大，對于航天器的能力提出了巨大的挑戰。地外星球最大的技術瓶頸和能力挑戰是動力，推進的比沖對航天器的規模影響巨大，高比沖先進動力構成探測器的最主要能力，是重點發展方向。相應的結構和系統的輕量化要求更加苛刻，系統集成配置優化、先進材料、原位資源利用等技術也需要突破。

4）市場競爭挑戰。商業資本的參與引發了劇烈的市場競爭，既刺激了技術的創新與發展，更形成了競爭的挑戰。提升能力降低成本是競爭的焦點，圍繞著航天器重復使用、壓縮設備品種等引發的技術迫切需要突破和提高。

5 結束語

隨著任務需求和技術的發展，在傳統的進入、下降和著陸技術的基礎上，增加上升技術能夠更全面地適應任務和技術融合的需要。從認識、開發和利用地外星體資源的需求出發，EDLA迫切需要研究發展高效推進技術、重復使用技術、智能自主控制技術、柔性控制技術，滿足未知世界的探索和開發的需求。EDLA技術是航天技術中不確定因素最多、風險最大、最具挑戰的技術領域，更是影響最大、機遇最多、最具潛力的技術領域，必將是未來二十年發展最快的技術領域。