载人登月人货分运与人货合运模式对比分析

李宇飞，高朝辉，刘 伟，申 麟

（中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京100076）

载人登月人货分运与人货合运模式对比分析

李宇飞，高朝辉，刘 伟，申 麟

（中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京100076）

由于载人航天任务所具有的确保航天员安全的特殊属性，载人登月任务模式往往因此必须考虑救生等多种环节和因素，变得十分复杂。针对目前载人登月人货分运及人货合运两种任务模式，通过比较分析表明，从安全性、任务风险、飞船设计约束、发射窗口、测控支持复杂度方面来看，人货合运模式要优于人货分运模式，但是人货合运模式中的重型火箭如果被要求按照载人火箭标准进行设计和考核，其研制周期、经费方面的投入将会增加。

运载火箭；载人登月；发射模式；任务分析

1 引言

载人登月对于任务的安全性要求十分严格。另外，由于载人登月任务规模大、技术难度高，所涉及的系统十分复杂，对于一些重要的技术途径必须进行全面认真的分析。其中，人货分运与人货合运这两种不同技术途径就需要认真地加以分析。

所谓的人货分运指的是，整个载人登月任务由两枚运载火箭发射完成。登月舱由货运火箭首先发射至近地停泊轨道，然后载人飞船由载人火箭发射进入近地停泊轨道。载人飞船与登月舱交会对接后，由货运火箭末级助推加速进入奔月轨道［1］。

所谓的人货合运指的是，整个载人登月任务由一枚运载火箭发射完成。登月舱和载人飞船由同一枚运载火箭送入奔月轨道。在奔月轨道入口，载人飞船与登月舱对接成一体后奔月［1］。

本文从安全性、任务风险、飞船设计约束、发射窗口、测控支持复杂度、研制难度等方面对这个问题进行了初步的分析。

2 国外情况分析

目前国外真正投入资金实施的载人登月项目一共有3个，分别是美国的阿波罗计划，前苏联的N1/L3计划以及最近终止的美国星座计划。

在美国阿波罗计划中，采用了人货合运的登月模式。阿波罗飞船的发射模式为［2］：

①土星5号火箭末级第一次点火将阿波罗飞船送入地球停泊轨道；

②土星5号火箭末级第二次点火加速将阿波罗飞船送入LTO轨道；

③载人飞船与末级火箭分离，载人飞船掉头并与登月舱对接，登月舱与末级火箭分离，重新改变方向，把登月舱顶在载人飞船头上直奔月球；

④飞船沿过渡轨道飞行，经中途校正轨道后接近月球；

⑤飞船主发动机点火减速，使飞船进入环月轨道。

图1所示为阿波罗计划中登月舱和载人飞船共同装载于火箭中的画面，顶部为载人飞船，锥形壳内为登月舱［2］。图2为阿波罗计划中载人飞船与登月舱的对接过程，即载人飞船首先与火箭末级分离，然后进行掉头，与登月舱对接，登月舱与火箭末级分离［2］。

图1 阿波罗计划中登月舱和载人飞船在火箭中的安装位置Fig.1 Spacecraft in Apollo program

图2 阿波罗计划中载人飞船与登月舱的对接过程Fig.2 Transposition and docking in Apollo program

在苏联N1/L3计划中，也采用了人货合运的登月模式［3］。N1/L3的发射模式为：

①N1火箭发射进入220 km，倾角51.8°的近地轨道；

②绕地飞行1-2圈后，火箭第四级（G模块）点火，加速进入LTO轨道，G模块分离；

③火箭第五级（D模块）在过渡轨道进行中途修正，接近月球；

④火箭第五级（D模块）实施近月制动；

⑤1人离开载人飞船LOK，进行空间行走，进入登月舱LK，登月舱与载人飞船分离；

⑥D段点火制动，登月舱LK进入环月85× 16 km轨道；

⑦近月点D段再次点火，推动登月舱下降到距月面1500 m高度后分离。

图3所示为前苏联登月计划中登月舱和载人飞船共同装载于火箭中的画面［3］，上部为载人飞船LOK，下部为登月舱LK。在环月轨道上，登月舱LK以及模块D共同与载人飞船分离后执行落月任务。在美国的星座计划中，提出采用人货分运的登月模式［4］。星座计划的发射模式为：

图3 前苏联登月计划中登月舱和载人飞船在火箭中的安装位置Fig.3 Spacecraft in N1/L3 program

①货运火箭Ares5的芯二级EDS将登月舱送入近地轨道；

②载人火箭Ares1将载人飞船CEV送入近地轨道；

图4所示为美国星座计划中载人飞船与登月舱以及EDS近地轨道对接后的组合体［4］。

图4 美国星座计划中载人飞船与登月舱近地轨道对接后的组合体Fig.4 Spacecraft in Constellation program

3 安全性分析

目前我国可靠性最高的运载火箭为CZ-2F，火箭可靠性指标为0.97，火箭安全性指标为0.997［5］。参照该运载火箭的可靠性指标分配，估算为人货分运模式研制的货运火箭的末级可靠性指标为0.9943。

人货分运模式中载人火箭发射航天员入轨的安全性指标，按照现在CZ-2F的指标取为0.997，那么人货分运后航天员安全进入LTO轨道的安全性指标为0.9943×0.997=0.991。

对于人货合运的载人登月模式，货运火箭必然要按照载人运载火箭设计配备逃逸系统，提高航天员的安全性，因此人货合运模式下航天员安全进入LTO轨道的安全性指标，应该是固有可靠性指标下货运火箭配置逃逸系统后的安全性指标。根据下式计算货运火箭配置逃逸系统后的安全性指标［6］。

式中RCS—航天员的安全性；RLV—运载火箭的可靠性；RMDS—故障检测系统的可靠性；RLES—发射逃逸装置的可靠性。

参照目前CZ-2F运载火箭的可靠性指标0.97，及其逃逸系统可靠性指标0.90（RMDSRLES）［5］，计算得到固有可靠性指标下货运火箭配置逃逸系统后的安全性指标为0.997，相比于人货分运安全性指标0.991要高。

综合以上结果，人货合运的安全性指标要优于人货分运的安全性指标。

4 任务风险分析

参照Apollo计划［2］和星座计划飞行任务流程［4］，得到人货合运以及人货分运模式中，在飞船进入LTO轨道之前所要执行的关键任务流程如表2所示。

表1 人货合运和人货分运模式下进入LTO之前的关键任务流程Table 1 Key procedures before entering into LTO of the twomodes

参照目前CZ-2F运载火箭的飞行可靠性指标0.97以及发射可靠性指标0.92［5］，参照美国星座计划论证中提及的自动交会对接0.85的可靠性［4］，对人货合运以及人货分运模式下，进入LTO轨道之前的任务可靠性进行计算如表2～3。

表2 人货合运模式进入LTO轨道之前的任务可靠性Table 2 M ission reliability of cargo and crew combined launch mode

表3 人货分运模式进入LTO轨道之前的任务可靠性Table3 M ission reliability of cargo and crew separated launch mode

计算得到人货合运以及人货分运模式下，进入LTO轨道之前的任务可靠性分别为0.825和0.759。

综合以上结果，在运载火箭执行任务阶段，人货合运的任务可靠性要优于人货分运的任务可靠性。

5 对载人飞船设计约束的分析

对于人货分运模式，载人飞船需要在现有火箭直径的约束下进行设计。对于人货合运模式，载人飞船需要在重型货运火箭（如土星5火箭）的约束下进行设计［2］。

为了放宽着陆场对载人登月总体方案的约束，现有载人飞船的升阻比需要从0.2增加至阿波罗返回舱的0.3～0.35［7］，为了承载3名航天员，需要扩大直径到与阿波罗飞船3.85 m相似的量级［7］，为了承载6名宇航员，需要扩大直径到与猎户座飞船5.5 m相似的量级［1］，如图5～7所示。相应的逃逸系统质量都需要有所增加。这样只能依赖重型运载火箭进行飞船发射。

图5 联盟号飞船3名乘员布置［7］Fig.5 Arrangement in Soyuz spacecraft

图6 阿波罗飞船3名乘员布置［7］Fig.6 Arrangem ent in Apollo spacecraft

重型运载火箭的芯级直径达8 m以上，可以容纳大直径载人飞船。

图7 猎户座飞船6名乘员布置［1］Fig.7 Arrangement in Orion spacecraft

综合以上结果，人货合运模式对载人飞船的约束要小于人货分运模式。

6 发射窗口及发射任务实施风险分析

人货分运模式对于发射窗口的选择更为复杂和苛刻。载人登月任务所需要进入的地球停泊轨道，必须兼顾运载能力和轨道寿命两方面的考虑。为了提高运载能力，希望选择尽量低的停泊轨道高度，但是轨道寿命相应变短。阿波罗计划选择了可接受的最低轨道高度180 km［8］。

根据以上论述，载人火箭和载货火箭的发射间隔不能太长，否则载货火箭就必须进行轨道维持，或者进入更高的停泊轨道，这都将损失运载能力。以美国星座计划为例，Ares5载货火箭首先进入240 km轨道，预计4天之后轨道衰减至180 km，载人飞船必须在这4天内发射升空实施对接［8］。

另外较长时间的在轨等待也将损失一定量的低温推进剂，Ares5为4天在轨滑行预留了318 kg的推进剂蒸发量［9］。

综合以上结果，人货分运模式对于发射窗口的选择更为复杂和苛刻。

7 发射、测控支持系统复杂度分析

对于人货分运模式，发射场需要同时进行两枚火箭的发射准备工作，而且一旦货运火箭发射升空，载人火箭的发射支持可靠性要求更高，必须支持火箭在尽可能短的时间内发射升空。

对于人货分运模式，整个任务增加了4天左右的近地轨道对接时间［1］，测控系统支持的时间延长，测控的目标增多，测控复杂性增加。

综合以上结果，人货分运模式对于发射、测控支持系统的要求更为严酷。

8 对重型运载火箭研制难点分析

在人货合运与人货分运两种登月模式下，重型运载火箭有着不同的技术难点。

对于人货分运模式，相比于人货合运模式，重型运载火箭在轨滑行时间大大缩短，低温推进剂在轨贮存技术的难度大大降低。

对于人货合运模式，相比于人货分运模式，重型运载火箭需要兼顾载人状态和载货状态，即需要研制载人状态整流罩和常规的货运整流罩。

对于人货合运模式而言，重型运载火箭需要满足载人的要求，可靠性指标必须验证到设计指标。比如对于土星5火箭而言，F-1液氧煤油发动机单机累积24万秒试车、多机并联试车累积1.6万秒，全周期试验次数达1100多次，如图8所示［10］。这样试车时间和成本对于我国来说太高了，我国新研的发动机还从未达到过如此高的水平。

图8 F-1火箭发动机累计点火时间Fig.8 Cumulative burn time of F-1 rocket engine

相比于人货分运模式，人货合运模式中重型火箭如果按照载人火箭标准进行设计和考核，研制周期、经费投入方面相比于单纯载货的重型运载火箭将严格和苛刻得多，经济和进度实现性上较差。

9 总结

本文从国外情况、安全性、任务可靠性、对载人飞船的设计约束、对重型运载火箭研制难度的影响、发射窗口及发射任务实施风险、发射测控支持系统复杂度、重型载人火箭研制必要性等方面，对载人登月人货合运及人货分运模式进行了分析，得到以下一些结论：

1）如果重型运载的可靠性指标按照在用运载火箭的可靠性指标来研制，那么人货合运的安全性指标要优于人货分运的安全性指标。再综合其他方面的考虑，人货合运的优势要比人货分运的优势明显。

2）相比于人货分运模式，人货合运模式中重型火箭如果按照载人火箭标准进行设计和考核，研制周期、经费投入方面相比于单纯载货的重型运载火箭将严格和苛刻得多，经济和进度实现性上较差。

3）本文的分析依然十分初步，具体人货分运与人货分运的模式哪个更有优势，还需要进一步深化论证。另外还要从更高的层面综合各个方面的约束，综合权衡考虑。

［1］ Stanley D，Cook S，Connolly J，et al.NASA's exploration systems architecture study［R］.NASA Final Report，TM-2005-214062，2005.

［2］ Sheehan T.Apollo Program Summary Report［R］.JSC-09423，NASA Johnson Space Center，Houston，1975.

［3］ Harvey B.Soviet and Russian lunar exploration［M］.Chichester，UK：Praxis Publishing Ltd.Chichester，2007：128.

［4］ Connolly JF.Constellation Program Overview［R］.Constellation Program Office，2007.

［5］ 谷岩.CZ-2F火箭可靠性技术［J］.导弹与航天运载技术，2004（1）：13-19.

［6］ 王希季.航天器进入与返回技术（下）［M］.北京：宇航出版社，1991：269.

［7］ Crowder R S，Moote JD.Apollo entry aerodynamics［J］. Journal of Spacecraftand Rockets，1969，6（3）：302-307.

［8］ Berry R L.Launch Window and Translunar，Lunar Orbit，and Transearth Trajectory Planning and Control for the Apollo 11 Lunar LandingMission［R］.AIAA 1970-24.

［9］ Holt J B，Monk T S.Propellant Mass Fraction Calculation Methodology for Launch Vehicles and Application to Ares Vehicle［R］.AIAA 2009-6655.

［10］ Robert Biggs.Development of the F-1 rocket engine［R］.A-pril 25，2006.

Com parison and Analysis of Cargo and Crew Combined Launch M ode and Separated Launch M ode in M anned Lunar Landing M ission

LIYufei，GAO Zhaohui，LIUWei，SHEN Lin
（R&D Center of China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing100076，China）

Because of the complexity ofmanned lunar landingmission，more factorsmustbe considered to ensure the crew safety.In this paper，cargo and crew combined launch mode and cargo and crew separated launch mode was compared and discussed.From the perspectives of crew safety，mission risk，spacecraft design constraint，launch window，complexity of support for tracking，the cargo and crew combined launchmode isbetter than the cargo and crew separated launch mode.But in cargo and crew combined launchmode，if heavy launch vehicle is required to design ashuman rated launch vehicle，the research investment and period will be increased.

launch vehicle；manned lunar landing；launch mode；mission analysis

V57

A

1674-5825（2014）04-0307-05

2012-08-08；

2014-05-07

李宇飞（1978-），男，博士，高级工程师，研究方向为航天器总体任务分析。E-mail：scansky@gmail.com