俄羅斯載人月球探測計劃最新進展

苑藝 何慧東（北京空間科技信息研究所）

1 俄羅斯載人航天活動主要目標

俄羅斯載人航天領(lǐng)域近期和中期目標是根據(jù)《2030年前及未來俄羅斯航天發(fā)展準則》建立先進的載人航天綜合系統(tǒng)，主要致力于解決兩個基本問題。

1）完成“國際空間站”俄羅斯艙段的建造工作，并確保其能夠得到高效利用，同時擴大低地球軌道的科學應用研究。

2）建設(shè)先進的載人運輸系統(tǒng)和空間基礎(chǔ)設(shè)施，確保在2030年左右實現(xiàn)繞月軌道以及月球的載人飛行。

2 低地球軌道載人航天活動

俄羅斯計劃向“國際空間站”補充發(fā)射3個新艙段：科學號（Nauka）多功能實驗艙（MLM，2020年）、碼頭號（Prichal）節(jié)點艙（UM，2021年）以及科學-動力艙（HEM，2022年）。通過擴大俄羅斯艙段的規(guī)模，在“國際空間站”艙內(nèi)和艙外開展更加廣泛的科學研究。同時，俄羅斯正與國際伙伴商討將“國際空間站”延期運營到2028－2030年的可行性。

俄羅斯軌道站外形圖

在“國際空間站”退役后，俄羅斯計劃采取合適的解決方案，在新艙段的基礎(chǔ)上建立俄羅斯軌道站（ROS）。

3 載人月球探測計劃路線圖

俄羅斯為實現(xiàn)月球計劃，分階段開展月球探測工作。

第一階段：利用無人探測器進行月球探測，進行設(shè)備和技術(shù)的研發(fā)，利用“國際空間站”驗證載人飛船，實現(xiàn)繞月飛行并建立有人照料繞月站。根據(jù)計劃，2021年起，先后發(fā)射月球－25、26、27和28（Luna－25、26、27和28）無人探測器，開展月球研究，并為建立月球試驗場和載人月球飛行做準備。

第二階段：研制可以抵達月球表面的設(shè)備，利用有人照料繞月站將首批月球考察隊送往月球，在月球表面建立和部署月球基地的首批組件。

第三階段：建立和開發(fā)有人照料的月球基地，研制有人和無人兩種模式結(jié)合的綜合系統(tǒng)，開展月球研究和探索活動。

4 月球探測系統(tǒng)

月球軌道和月球表面基礎(chǔ)設(shè)施

俄羅斯綜合利用無人和有人兩種方式開展月球探索和研究活動，相關(guān)設(shè)施均納入月球軌道和月球表面基礎(chǔ)設(shè)施，具體包括以下幾個部分。

1）通信和導航衛(wèi)星：為無人和有人月球探測活動提供通信和導航服務。

俄羅斯月球計劃重要節(jié)點

月球軌道和月球表面基礎(chǔ)設(shè)施圖

2）自主探測器：載人登月前，對特定區(qū)域進行探測，同時深入開展月球研究。

3）繞月站：作為月球探測活動的中轉(zhuǎn)站，為可重復使用裝置，在繞月軌道與載人飛船和月球著陸上升器對接，解除進入月球表面的限制。繞月站可確保考察隊在月球表面持續(xù)停留超過3天，同時可支持開發(fā)從月球飛向更遠深空的技術(shù)。

4）月球著陸上升器：繞月站和月球表面之間的往返運輸工具，實現(xiàn)人員、科學設(shè)備、樣品的運輸，確保人員在月球表面開展工作。

5）月球基地：包括基礎(chǔ)艙、動力艙、實驗艙等。基礎(chǔ)艙可支持航天員在月球表面開展長期考察任務；動力艙為月球基地自主電站；實驗艙配備相關(guān)科學設(shè)備，可開展科學實驗和研究。同時，月球基地具備與月球車對接的能力，還能夠支持出艙活動。

6）自動推進艙：即月球車，可協(xié)助航天員在月球表面移動，能夠自主收集樣本，航天員不需出艙即可開展相關(guān)活動。

有人照料繞月站

月球計劃運輸系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分

月球探索的第一步可能是建立有人照料繞月站。目前，俄羅斯正在探討在繞月軌道上建立有人照料平臺的概念。俄羅斯計劃以“國際空間站”俄羅斯部分艙段（節(jié)點艙和科學-動力艙）為基礎(chǔ)，同時結(jié)合聯(lián)邦號飛船的發(fā)動機裝置，研制繞月站的基礎(chǔ)艙段。

運輸系統(tǒng)

為實現(xiàn)月球探測目標，同時兼顧低地球軌道載人航天任務需要，俄羅斯計劃研制相關(guān)運輸系統(tǒng)，包括超重型運載火箭、軌道間牽引器、聯(lián)盟－5（Soyuz－5）中型運載火箭、新一代載人飛船——聯(lián)邦號載人飛船等。為了在月球表面勘測，還需要研制月球著陸上升器。

（1）超重型運載火箭和軌道間牽引器

俄羅斯計劃為載人月球探測任務研制超重型運載火箭，火箭200km圓軌道運載能力不低于88t。

同時，研制軌道間牽引器，KVTK型軌道間牽引器將提供飛離推力，DM型軌道間牽引器將用于確保助推加速。

（2）聯(lián)盟－5運載火箭

聯(lián)邦號飛船將在低地球軌道開展一系列試驗任務，使用聯(lián)盟－5中型運載火箭發(fā)射入軌。

聯(lián)盟－5火箭采用兩級串聯(lián)構(gòu)型，使用液氧/煤油推進劑。火箭一級采用RD－171MV發(fā)動機，該發(fā)動機是RD－171M的改進型，后者應用于“天頂”（Zenit）運載火箭，并通過多年的飛行證明了自身的高效性和可靠性；火箭二級采用RD－0124MS發(fā)動機，該發(fā)動機是在RD－0124的基礎(chǔ)上進行改進的，后者應用于聯(lián)盟－2.1b運載火箭。

為確保聯(lián)邦號載人飛船發(fā)射和與“國際空間站”對接，俄羅斯計劃在拜科努爾航天發(fā)射中心對“天頂”火箭的地面基礎(chǔ)設(shè)施進行改造，使其可用于聯(lián)盟－5火箭的發(fā)射。

聯(lián)盟－5運載火箭技術(shù)參數(shù)

（3）聯(lián)邦號載人飛船

俄羅斯聯(lián)邦號飛船主要用于月球探測任務，并能夠完成低地球軌道空間站的技術(shù)維護，能夠自主開展空間實驗和研究。飛船發(fā)射質(zhì)量為20t，在短期向月飛行時，飛船可重復使用10次；在與繞月軌道站對接進行長期飛行時，飛船可重復使用不少于3次。聯(lián)邦號飛船最多可搭載4人，可在軌自主飛行近30天，也可停靠在空間站上在軌駐留近1年的時間。

聯(lián)邦號飛船頭部以暴露的形式安裝在運載火箭頂部，承擔整流罩的功能；使用兩級火箭緊急逃逸系統(tǒng)，保障乘組人員在整個入軌階段的安全；采用了實用新型結(jié)構(gòu)材料和熱防護材料，改善飛船的性能（合金材料強度將增加1.2～1.5倍，熱防護材料使用碳纖維材料和三層設(shè)計，材料密度是“聯(lián)盟”飛船的1/3）；依靠起落架系統(tǒng)實現(xiàn)垂直軟著陸，保障飛船能夠重復使用。飛船的通信、導航和定位通過衛(wèi)星實時完成，“射線”（Luch）中繼衛(wèi)星以及控制回路能夠以統(tǒng)一的數(shù)字格式對運行在地球軌道的載人飛船進行控制。

聯(lián)邦號飛船結(jié)構(gòu)示意圖

聯(lián)邦號飛船空間較大，在長期飛行中航天員可以完全伸直雙腿并能在失重條件下全身站立，飛船艙內(nèi)還配備了全新用復合材料制作的座椅，預計每個座椅可以節(jié)約15～20kg的質(zhì)量。同時，飛船上能儲備大量的食物和水，還配備舒適的衛(wèi)生間和污水處理裝置。

測控系統(tǒng)

聯(lián)邦號飛船在飛往月球的過程中計劃利用S頻段和X頻段實現(xiàn)大量控制指令、文件、遙測信息、電視信號、電話通信，以及導航參數(shù)實時變化信息的收發(fā)。

導航系統(tǒng)

飛行過程中，計劃通過飛船自身導航裝置和導航衛(wèi)星共同解決導航問題。對于導航衛(wèi)星建議分3個階段開展相關(guān)工作：第一階段，利用現(xiàn)有在軌衛(wèi)星；第二階段，對低地球軌道衛(wèi)星進行升級改造；第三階段，建立先進的繞月軌道導航衛(wèi)星集群。

其他關(guān)鍵技術(shù)

機器人技術(shù)是俄羅斯發(fā)展的最具有前景的技術(shù)之一。目前，“國際空間站”俄羅斯艙段正在開發(fā)名為“貨物起重臂”的機械操縱裝置。作為多功能實驗艙的一部分，“歐洲機械臂”（ERA）將被送入軌道。科學-動力艙將載有自動重新對接電子機械操縱裝置。

俄羅斯目前開展的空間機器人技術(shù)有：“太空機器人”（Kosmorobot）項目，研制可用于在科學-動力艙外表面執(zhí)行裝配、維修及其他技術(shù)操作的自動裝置；“可視機器人”（Teledroid）項目，研制可在“國際空間站”俄羅斯艙段外表面進行局部維修的仿真機器人；“測試員”（Tester）項目，研制可在載人飛船內(nèi)和“國際空間站”俄羅斯艙段執(zhí)行工作的自主機器人。

聯(lián)邦號載人飛船的通信保障

太空機器人技術(shù)項目

此外，為確保提升質(zhì)量和可靠性，同時降低火箭航天技術(shù)產(chǎn)品的研制成本，能源火箭航天集團計劃引入數(shù)字化生產(chǎn)，可帶來如下益處：工藝基準可為端到端產(chǎn)品開發(fā)提供統(tǒng)一的環(huán)境；能夠以電子形式發(fā)布新產(chǎn)品的施工設(shè)計文件；利用3D技術(shù)建模；擴大計算機建模的應用，從而降低實際加工量。

5 結(jié)束語

現(xiàn)階段，俄羅斯利用“國際空間站”開發(fā)飛往月球及更遠深空的相關(guān)技術(shù)，同時，著手制定關(guān)于月球探索和研究的一系列國家專項規(guī)劃，包括開發(fā)先進的航天運輸系統(tǒng)，以及月球著陸上升和貨運綜合系統(tǒng)。

未來，俄羅斯載人月球探測活動需要就本國計劃與國際合作計劃進行深入研究，解決與國際伙伴共同開展月球探測活動所面臨的諸多重要問題。