利用重復使用地月轉移級往返近地軌道空間站的載人月球探測飛行模式

王書廷高朝輝童科偉鄧思超張 烽

(中國運載火箭技術研究院研究發展部，北京 100076)

1 引言

人類對于月球的探測始于二十世紀五十年代末，六七十年代迎來第一次高潮。對于載人登月，美國和蘇聯分別提出的阿波羅計劃和N1-L3計劃，采用的都是重型運載火箭及月球軌道一次交會對接的方式。在經歷了1976～1994年月球探測寧靜期后，1994年和1998年，美國成功發射了克萊門汀號和月球勘探者號月球探測器，奏響了人類重返月球的序曲。2004年美國宣布了星座計劃，方案采取人貨分離、近地軌道一次對接及環月軌道一次對接的飛行模式。2017年，美國提出了門戶計劃，計劃利用在近月軌道建設的中轉站，實現重返月球及后續的載人火星探測目標。2019年，美國公布阿爾忒彌斯計劃，目標是在2024年前將航天員送往月球并返回，并建立常態化駐留機制，為未來的火星載人登陸任務奠定基礎。縱觀世界各國月球探測計劃，與初期的月球探測相比較，載人重返月球，建立月球基地的目標更明確，規模更宏大，參與國家更多。

中國已通過載人航天工程實現了航天員出艙行走、在軌對接、在軌物資補給和推進劑加注等，還將于2022年前后完成空間站的建造。可利用空間站作為近地空間的母港，為載人月球探測飛行器提供出發和返回基地，期間探月飛行器系統可利用空間站進行在軌組裝、推進劑補加、檢查和測試、航天員駐留休整等工作。

對于基于近地軌道空間站開展載人月球探測，彭祺擘等利用雙二體模型對從近地軌道空間站出發的飛行器奔月軌道做出設計；彭坤等對基于近地軌道空間站與其他多種地月空間不同軌道空間站的載人登月飛行模式的優劣進行了定量評價和比較。這些研究僅對任務模式和相關軌道進行了分析，并未明確給出提供地月往返轉移速度增量的飛行器方案，也并未考慮相關的經濟性問題等。

本文在借鑒以上成果的基礎上，首次提出利用重復使用地月轉移級往返近地軌道空間站進行載人月球探測的任務模式，在給出全流程任務模式和分析任務往返的軌道和窗口的基礎上，設計多種可重復使用地月轉移級構型方案，提出一種評價方法進行定量對比分析，給出2種構型作為未來可重復使用地月轉移級構型的較優選擇方案。

2 任務模式分析

除發射貨運飛船運輸在軌加注推進劑和補給物資外，利用重復使用地月轉移級往返近地軌道空間站的載人月球探測任務包括運載火箭、地月轉移級、登月艙、載人飛船共4類飛行器。

4類飛行器的分工為:由運載火箭完成飛行器的近地軌道運輸；由地月轉移級完成近地軌道-地月轉移軌道-環月軌道以及返回過程的軌道轉移和中途修正；由登月艙完成落月制動和月面起飛；由載人飛船完成航天員的近地離軌再入返回。

本文提出2種基本任務模式，主要區別在于負責地月軌道往返并重復使用的轉移飛行器是否載人:①地月轉移級載人狀態下，稱為載人地月轉移級，載人飛船負責地球與空間站間的航天員往返運輸，第一宇宙速度再入；②地月轉移級非載人狀態下，稱為不載人地月轉移級，載人飛船在地月往返期間也為航天員提供生活環境，第二宇宙速度再入。

2.1 模式一:載人地月轉移級進行地月往返運輸模式

如圖1所示，載人地月轉移級、登月艙可通過空間站進行在軌檢測和組裝形成聯合體進行奔月，載人飛船在空間站上停泊等待；探月后載人地月轉移級返回近地軌道與空間站再次對接，利用空間站進行在軌加注，實現重復使用，載人飛船完成航天員從空間站的離軌再入地球大氣返回。

圖1 利用載人地月轉移級往返近地軌道空間站的載人月球探測飛行任務過程Fig.1 Manned lunar exploration mission process using the manned reusable Earth-Moon transfer stage departing from and returning back to the LEO space station

根據載人地月轉移級是否分級，可將其設計為一級或多級狀態，一級狀態的載人地月轉移級，奔月出發和月地返回加速后，整體往返和重復使用；二級狀態，奔月出發加速后，拋掉第一級，載人的第二級進行返回重復使用；三級狀態，奔月出發加速后，拋掉第一級，月地返回加速后，拋掉第二級，載人的第三級進行返回重復使用。

2.2 模式二:不載人地月轉移級進行地月往返運輸模式

如圖2所示，不載人地月轉移級、登月艙、載人飛船通過空間站進行在軌組裝形成聯合體進行奔月；不載人地月轉移級和載人飛船的聯合體返回近地軌道并分離，不載人地月轉移級與空間站再次對接，利用空間站進行在軌加注，實現重復使用，載人飛船完成航天員的第二宇宙速度再入地球大氣返回。同樣，根據不載人地月轉移級是否分級，可將其設計為一級或多級狀態。

圖2 利用不載人地月轉移級往返近地軌道空間站的載人月球探測飛行任務過程(不載人一級狀態)Fig.2 Manned lunar exploration mission process using the unmanned reusable Earth-Moon transfer stage departing from and returning back to the LEO space station(one-stage status of unmanned Earth-Moon transfer)

2.3 模式對比

采用以上載人月球任務模式，具備一定的優點，包括:

1)充分利用空間站的空間、位置優勢，可使航天員探月前適應太空環境和返回地球前近地休整等；

2)結合在軌加注技術的應用，可以實現地月轉移級的長期在軌重復使用，后期任務一次入軌的有效載荷質量較小，降低對運載火箭的需求，對于長遠多次的月球探測也具有很好的經濟性。

同時，相對于直接往返載人月球探測模式也有一定的缺點:

1)由于空間站運行于固定的軌道上，從空間站出發時和從月球返回空間站時，存在較為嚴格的發射窗口要求；

2)為了避免異面返回，在月面容許的停留時間也受到限制，存在嚴格的軌道面共面約束以及進入大氣層的角度約束，工程控制難度大；

3)由于去、返都需要增加交會對接過程，會帶來由此引發的可靠性問題，以及由此帶來的控制、測控的復雜性。

3 基于近地軌道空間站進行載人月球探測的軌道分析

在已知地球停泊軌道和需要到達的環月軌道前提下，通過選擇合適的設計參數，設計和優化出一條或幾條飛行軌道，使其滿足轉移軌道兩端的約束條件。取空間站軌道高度400 km，空間站的軌道傾角為42°，基于雙二體假設圓錐曲線拼接法，固定出發軌道傾角為約束值，通過仿真實驗，對滿足約束的自由返回軌道參數特性做出了分析，如圖3～5所示，得到地月轉移級在月度(28天)內至少存在3次轉移窗口，這主要是由空間站軌道的運動，特別是地球扁率攝動引起的，而傳統地月軌道在近地軌道停泊期間每圈均可能存在發射窗口；地月轉移級需要提供的轉移軌道速度增量在3.2 km/s量級，且隨飛行時間增加逐漸減小；自由返回軌道對到達月球的落月點存在一定限制，無法全月面到達，在本算例中只能到達±10°的緯度范圍內。

圖3 地月轉移出發時刻與飛行時間關系Fig.3 Relationship between departure time and flight duration of earth to moon transfer

返回過程基于雙二體假設圓錐曲線拼接法，分析得到地月轉移級在月度(28天)內至少存在3次從環月軌道返回空間站的轉移窗口，如圖6所示。

4 地月轉移級多構型對比分析和方案設計

4.1 地月轉移級各方案對比分析

圖4 地月轉移飛行時間與出發速度增量關系Fig.4 Relationship between flight time and velocity increment of earth to moon transfer

圖5 到達月球軌道星下點軌跡經緯度Fig.5 Longitude and latitude for the ground track of accessible moon orbit

圖6 月地轉移出發時刻與飛行時間關系Fig.6 Relationship between departure time and flight duration of moon to earth transfer

針對2種任務模式下，地月轉移級采用一級、二級、三級狀態，推進劑采用常規推進劑、液氧甲烷、液氫液氧3種推進劑，返回空間站采用推進系統制動或大氣減速方法，共36種地月轉移級方案進行了規模估算分析。每種方案編號規則見表1。

表1 地月轉移級方案編號表Table 1 The number table of the Earth-Moon transfer stage schemes

從以下5個方面分別評價各方案技術難度和應用可實現性，給出推薦指數數字表征:

1)一次性發射入軌可行性(小0/大1)；

2)在軌組裝或重復使用時在軌加注易實現性(小0/中1/大2)；

3)長期在軌推進劑管理和加注易實現性(小(液氫液氧)0/中(液氧)1/大(常規)2)；

4)重復使用難度(大0/小1)；

5)重復使用效益(小0/稍小0.5/中1/稍大1.5/大2)。

根據分析出的36種地月轉移級方案參數，計算以上評價指標，得出的推薦指數1)～4)項總和作為技術難度評價指標，以高/中/低表征，0～2技術難度高，3～4技術難度中等，5～6技術難度低；計算1)～5)項總和，作為推薦指數數字表征，見表2。

表2 各構型地月轉移級方案推薦指數統計表Table 2 The recommended index statistics table of the Earth-Moon transfer stage schemes

依據統計結果:在模式一下，構型13＃，即采用動力系統制動返回常規推進劑三級方案得分較高，為6分；在模式二下，多項構型得分都為最高5分，綜合比較認為構型23＃可重復使用性較好，即采用大氣減速制動返回液氧甲烷推進劑單級方案。即以構型13＃和23＃作為推薦方案，并進行方案設計。

4.2 構型13＃載人地月轉移級方案

構型13＃載人地月轉移級采用常規推進劑四氧化二氮和偏二甲肼，是三級構型，采用推進系統進行近地軌道制動返回空間站。總質量為113 t，加注推進劑加注量為103.81 t，構型如圖7所示，總長約為18.4 m，最大直徑約為7 m，各級貯箱采用并聯布局。主要由動力系統、結構與機構系統、電氣系統、熱控系統、環控生保系統等組成。

圖7 構型13＃載人地月轉移級構型圖Fig.7 Configuration 13＃of the reusable manned Earth-Moon transfer stage

4.3 構型23＃不載人地月轉移級方案

構型23＃不載人地月轉移級采用液氧甲烷作為推進劑，是一級構型，利用大氣減速進行近地軌道制動返回空間站。總質量為58.56 t，推進劑加注量49.80 t。采用錐體構型，如圖8所示，最大直徑約為7 m，全長約為5.8 m，4個液氧貯箱直徑各為2.0 m，甲烷貯箱直徑為4.0 m。主要由推進劑貯存與管理系統、動力系統、結構與機構系統、電氣系統、熱控系統等組成。

圖8 構型23＃不載人地月轉移級構型圖Fig.8 Configuration 23＃of the reusable unmanned Earth-Moon transfer stage

5 成本分析

參考文獻[12]，建立地月轉移級的全任務周期成本計算模型和給出參數設置假設，開展成本分析。一次性使用的地月轉移級，全任務周期成本

P

可估算如式(1):

其中

C

為地月轉移級成本，取為5億元，

n

為任務次數。基于動力系統近地制動的地月轉移級，全任務周期成本

P

可估算如式(2):

其中，

k

為基于推進劑的可重復使用地月轉移級成本與一次性地月轉移級成本的比例系數，取1.5；

k

為維修成本與地月轉移級成本的比例系數，取0.08；

k

為推進劑成本與地月轉移級成本的比例系數，取0.1。基于大氣減速近地制動的地月轉移級全任務周期成本

P

可估算如式(3):

其中，

k

為基于大氣減速的可重復使用地月轉移級成本與一次性地月轉移級成本的比例系數，取1.8；

k

為維修成本與地月轉移級成本的比例系數，取0.08；

k

為燒蝕成本與地月轉移級成本的比例系數，取0.15。

采用一次性、推進劑可重復使用和大氣減速可重復使用地月轉移級全周期成本隨著執行任務次數的變化趨勢如圖9所示。

圖9 地月轉移級多次執行任務后全周期成本變化曲線Fig.9 The change curve for the whole cycle cost of Earth-Moon transfer stages after multiple tasks

從圖9可以看出，執行單次探測任務的地月轉移級可重復使用方案成本較高，當任務超過2次后，可重復使用方案將具有更低的成本，且基于推進劑的可重復使用方案全任務周期成本略低于基于大氣減速的可重復使用方案。即從任務成本角度出發，對于長期多次載人月球探測任務而言，采用可重復使用地月轉移級方案將具有更低的任務成本。

6 結論

綜合以上研究成果，基于近地軌道空間站開展載人月球探測的飛行模式具有一定的優點，如航天員可以提前適應太空環境，采用重復使用的地月軌道轉移級可降低任務成本等；同時也有受空間站軌道限制，減少了地月轉移窗口和對落月點有一定限制等缺點；在未來大規模開展月球開發，進行多次往返載人月球探測任務中應用具有一定意義。