新一代载人月面着陆器发展趋势研究

张有山，果琳丽，王 平，陈仁文

(1.南京航空航天大学航空宇航学院，江苏南京210016;2.中国空间技术研究院载人航天总体部，北京100094)

1 引言

月球探测是人类进行太阳系空间探测的开端，能促进人类对月球、地球和太阳系的认识［1］。与各种探测形式相比，身临其境的载人探测能获得更多对月球直观的了解，更好、更快的达到探测目的。

作为载人探月中的一个十分重要的组成部分，载人月面着陆器担负着将航天员安全送达月面、为月面活动提供支持并将航天员安全撤离月面的使命。月面着陆器的相关能力直接决定了月表可达范围及月面活动的时间，相应影响了科学探测的结果，因此高性能月面着陆器的研究对整个载人探月任务的成功，以及获取更多科学回报关系重大。本文对已有载人月面着陆器的相关情况进行了研究，并总结出随着载人探月任务需求的发展，新一代载人月面着陆器应具备的功能、特点。

2 国外载人月面着陆器研究发展现状

2.1 早期载人月面着陆器

20世纪60年代到70年代，美国、苏联两个超级大国开展太空军备竞赛，催生了各自的载人登月计划，最终美国的阿波罗计划率先成功实施，而苏联由于运载火箭的多次实验失败，其载人登月计划最终搁浅。虽然最终结果不同，但两国都对载人登月的关键技术投入了大量的人力物力进行研究，载人月面着陆器更是研究的重点［2，3］。

2.1.1 阿波罗计划着陆器

美国的阿波罗计划是目前唯一一个成功将人类送上月球的探月任务。在整个计划实施期间，总共进行了7次载人登月飞行(其中6次成功，1次失败)。6次成功的载人登月中，进行了多项重要的科学实验，得到大量宝贵的数据及经验［4］，图1所示为阿波罗登月舱外观。

图1 阿波罗登月舱Fig.1 Lunar Module(LM)

阿波罗登月舱(Lunar Module，LM)在飞行任务中完成的工作有［5］:

1)将两名航天员从月球轨道送到月面;

2)支持月球上的舱外活动及各项科学实验;

3)将航天员和所采集的月球样品运送月球轨道上，与指令服务舱(Command and Service Module，CSM)完成对接。

阿波罗登月舱由上升级和下降级组成，上升级、下降级独立，级间由爆炸螺栓连接，整个着陆器由4根可收缩的悬臂式着陆腿支撑，飞行期间这4根支柱都收起来。

上升级为着陆器主体，主要由航天员座舱、返回发动机、推进剂贮箱、仪器舱和控制系统组成，航天员座舱可容纳2名航天员，有导航、控制、通信、生命保障和电源等设备［6］。上升级与下降级各有一套发动机系统。上升级在完成月面任务后与下降级脱离，带着上升级密封舱返回环月轨道。下降级是着陆器的无人部分，由着陆发动机、4条着陆腿和4个仪器舱组成。下降级负责在着陆器下降过程中提供减速、机动等能力。阿波罗登月舱的部分参数如表1所示。

表1 阿波罗登月舱参数［2］Table 1 Parameters of Lunar Module

2.1.2 “N1-L3”计划登月舱

为应对美国的阿波罗计划，1964年8月，苏联政府提出了自己的载人登月计划。但由于用于载人登月的运载火箭一直实验失败，在阿波罗11号成功实现载人登月后，苏联不得不取消了自己的载人登月计划，因此L3登月系统没能得到飞上月球的机会［2］。

图2 L3登月系统着陆假想图Fig.2 Imagination of L3 landing system

在计划中，L3登月系统的任务包括完成航天员从环月轨道降至月面以及月面任务完成后把航天员从月面带回至环月轨道与绕月飞行器对接。L3登月系统采用单舱构形，在着陆下降过程中提供主要减速动力的是运载火箭的末级(Block D)，L3登月系统自身携带1台变推力发动机(RD-858)作为主份发动机、2台常推力发动机(RD-859)作为辅助发动机，只负责在下降段末期提供机动能力以及较少的减速动力。在月面任务结束后，密封舱与着陆月面装置脱离，L3登月系统着陆发动机再次点火，作为上升动力使用［2］。图2为计划中的L3登月系统着陆假想图，表2为着陆系统的部分设计参数。

表2 L3登月系统部分参数Table 2 Parameters of L3 landing system

2.2 新一代载人月面着陆器

根据重返月球计划，NASA计划于2018年再次实现载人登月。早在方案论证的初期，其团队便确定了月面着陆器的基本方案，即采用类似于阿波罗计划的LM两级纵向分布结构［7］。

2007年12月，NASA将新的载人月面着陆器正式命名为牵牛星号(Altair)，并将其作为重返月球的关键环节。在2010年奥巴马总统宣布计划停止前，相关部门已完成了对着陆器的多次论证，论证内容包括用于短期载人着陆，包含上升级、下降级以及气闸舱三部分的着陆器，以及月球基地型着陆器和货运着陆器。月球基地型着陆器用于未来执行210天的月球基地任务，不带气闸舱;货运着陆器是用于货运的无人飞行器，没有上升级和气闸舱［7］，对应着陆器的三种构型如图3所示，部分参数如表3所示。

表3 牵牛星号月面着陆器参数Table 3 Parameters of Altair

两种载人着陆器的奔月主要采用近地轨道对接的方式，即ARES-I和ARES-V分别发射载人飞船和月面着陆器，并进行近地轨道对接，共同飞向月球。进入环月轨道后二者分离，月面着陆器下降至月球，载人飞船留在环月轨道，月面着陆器完成月表任务后，其上升级起飞并进入环月轨道与载人飞船对接，再由载人飞船将航天员送回地球。其中，地月转移段轨道修正和近月制动均由月面着陆器完成。

图3 牵牛星号月面着陆器的三种构型Fig.3 Configurations of Altair

表4 阿波罗与牵牛星月面着陆器需求比较Table 4 Requirements compare between Apollo LM and Altair

2.3 两代载人月面着陆器需求的比较

根据NASA重返月球计划的任务需求，新的载人探月任务要求Altair月面着陆器需具有以下能力［8］:①全月面到达;②可以支持航天员在月面活动更长的时间;③可以在任意时间返回。

全月面到达和可支持更长时间的月面活动意味着航天员能够到月面更多纬度区域的更大范围进行探索，能对月球有更全面、直观的了解。可以在任意时间返回保证航天员在执行月面任务过程中遇到紧急情况时能及时撤离，最大限度保证航天员的安全。

阿波罗与星座计划中着陆器任务方案比较如表4［8］。

通过上述对比可以看出，作为新一代的载人月面着陆器，Altair除了在着陆能力上要求更高外，其要经历的月面热环境也更严酷，对航天员的保护能力、自主性的要求也在提高，此外，还考虑了后续探测任务可延续性等。作为当前最先进的载人月面着陆器，Altair的任务需求在一定程度上代表了对新一代载人月面着陆器的要求。

3 新一代载人月面着陆器发展趋势分析

相比于40多年前阿波罗计划探月时期，科学技术显著发展，对载人探月科学回报要求也相应提高。新一代载人月面着陆器除了要把航天员安全送上月球以外，还需具备更强大的能力，这些功能既是满足发展新一代载人月面着陆器的任务需求，也代表了其今后发展的趋势。

1)多乘员运载能力

阿波罗任务中，参与飞行的三位航天员只有两名着陆到月面，另一名留守在月球轨道的CSM中。新一轮的探测任务中，留在月球轨道的飞行器将具备自主飞行的能力，因此所有的航天员便都可以进行着陆，一起着陆到月面的航天员可能是4个甚至6个［8］，在人数充足的情况下就可以根据航天员的状况分批、结组进行月面活动。当一组人员执行月面任务时，另一组人员休息、提供月面活动支持或是在月面着陆器内进行一些舱内实验。这样一方面减小了航天员的工作强度，另一方面还能更充分的利用着陆这段时间完成更多的工作。

2)全月面到达能力

受活动能力和任务时间的限制，航天员只能对着陆点附近的区域进行探测［9］，因此想要获得更多区域的实地探测数据就要求着陆器有在更多区域进行着陆的能力。随着对探测任务科学回报要求的提高，也就使得人们不再满足于只在月球赤道附近着陆，具有全月面到达能力必定是新一代载人月面着陆器发展的趋势。

3)长时间执行任务与任意时间返回能力

除了多搭载乘员提高时间利用率和全月面到达以增加探测样本点，另一个能直接提高科学回报的方法就是延长任务持续时间，美国对Altair月面着陆器短期任务提出的要求是在月面工作7天。在月面上停留的时间越长，需要的消耗品也就越多，同时也就需要长时间的应对月面上的恶劣环境，一些难以预料的事件很可能导致任务无法继续，为了最大限度保证航天员的安全，需要对长时间月面活动的防护技术进行研究，并且月面着陆器需具有随时起飞并返回地球的能力。

4)任务可持续发展及功能模块化能力

在制定阿波罗计划时，没有特别关注载人月面着陆器的后续发展性和可扩展性，导致开展新的登月计划时可继承的技术有限，仍然需要投入大量的人力物力来开发新技术［10］。因此在设计新一代载人月面着陆器时，要同时考虑后续的无人、有人月球基地任务，载人探火星任务，使其具备良好的可扩展、升级的性能，以求能为后续任务提供可靠、成熟的技术，节省资金投入、缩短研制周期。

考虑任务的可持续发展，可以将载人月面着陆器进行模块化设计，比如Altair月球基地型着陆器可以不带气闸舱，货运型着陆器则上升级和气闸舱都不带。因此，新一代载人月面着陆器各部分应相互独立，以实现同一平台经不同组合即可满足新的任务需求。

4 发展新一代载人月面着陆器需攻关的关键技术

在发展新一代载人月面着陆器的初期，就应充分重视其发展规律，借鉴已有探月工程的成熟技术和美国、苏联早期载人月面着陆器的研制经验，同时考虑支持后续任务的功能升级、更新。对应于新一代载人月面着陆器的发展趋势要求，已有技术还无法满足全部要求，一批关键技术还要继续攻关。

1)先进的推进和动力技术

新一代载人月面着陆器所承担的变轨任务可能会更多［11］，同时还要具有任意时间返回的能力，也就是要求月面着陆器的发动机推力更大、点火时间更长、点火次数更多。但受限于运载技术的发展，月面着陆器的总质量不能过大，因此可能需要使用高比冲、低质量的低温推进剂。目前低温推进剂的长时间在轨储存问题可采用被动蒸发量控制和主动蒸发量控制两种方式来应对，从国外发展来看，被动蒸发量控制技术已具备工程应用的条件，主动蒸发量控制技术还无法应用于工程实践中［12］。

大推力、高变化范围的变推力发动机是载人月面着陆器下降发级动机的重要方式。在美国的阿波罗工程中，着陆器选择了最大推力为46.7 kN，最大可变范围为10:1的变推力发动机。在“重返月球”计划中，也将采用最大推力82.9 kN，变推比10:1的变推力发动机［2］。为保证探月任务的顺利完成，大推力和高变化范围变推力发动机的设计与生产将是一个必需完成的任务。

2)轻量化结构技术

相比于其他的探测器，载人月面着陆器规模庞大，若采用以往的材料及结构设计势必加大发射的难度，因此要开展对轻量化结构的研究。

在开展研究时，应借鉴国内外先进材料、机构结构的设计思想，深挖现有技术工艺的结构潜能。开展先进轻质合金材料基本性能研究和性能优化工作，研究对轻质合金材料结构件精密成形工艺、机械加工工艺、焊接工艺、热处理工艺及表面处理工艺等，在保证强度要求的基础上对结构进行轻量化处理。

3)自主障碍检测技术

软着陆的成功率直接决定了航天员的生存率。阿波罗任务中月面着陆器在着陆的最后阶段，航天员通过舱体上的舷窗对月面进行观察，控制着陆器规避障碍［13］。这种方法要求着陆时的光照条件需比较理想，但在实际任务中航天员反映说很难分辨出月面上平缓的陨石坑，而且随着着陆器接近月球，月面上的扬尘会对视线造成很大影响。阿波罗15号在着陆后就发现着陆器倾斜11°，距最大允许值只有1°之差，险些造成灾难性后果［13］。因此研究新的自主障碍检测技术，减小着陆时对光照条件的依赖和月尘的影响，提高障碍的识别速度及准确性，对于载人月面着陆器的安全有十分重要的意义。

4)高承载着陆缓冲技术

新一代载人月面着陆器在着陆时规模比以前庞大，着陆的质量也相应增加。现有的着陆缓冲着陆技术可能无法保证如此大质量着陆器的安全，因此需要对着陆腿强度及结构进行进一步的研究，发展效率更高，姿态控制能力更强，相对尺寸更小的着陆缓冲技术，以保证着陆器的安全。

另外，考虑到后续的着陆任务，新一代月面着陆器的着陆腿将可能不只是用于支撑着陆器，通过设计新型的着陆结构，使下降级具备一定的移动能力，将会使着陆器对以后的任务提供更多支持。

5)防月尘技术

在阿波罗任务之前，人们对月尘知之甚少，最大的担心是月尘会不会导致着陆器或是航天员陷进去。在经历阿波罗任务中月尘给航天员健康以及着陆器仪器带来的伤害后，人们才对它有了更正确的认识［14，15］。

气闸舱的使用只是在空间上对月尘与工作区进行了隔离，在着陆器内部对月尘进行处理也只是月尘防护工作的一小部分。由于航天员在月面工作过程中与月尘接触最多［8］，因此在研究月尘防护时，应针对其易吸附的特性开展，减少其在宇航服及其他器材上的附着量。

5 结束语

本文在分析早期与新一代国外载人月面着陆器发展情况的基础上，总结了新一代载人月面着陆器的任务需求及其发展趋势，并对发展新一代载人月面着陆器时应注意的问题进行了分析，提出新一代月面着陆器要攻关的关键技术。其中推力与动力技术的研究对着陆器总体方案及后续其他技术方案的确定有很大的影响，应尽早开展。高承载着陆缓冲技术、热控技术、多次出舱支持技术及防月尘技术等是由探月任务特点而引进的技术，也应制定合理研究计划，以保证载人登月任务按时完成。

新一代月面着陆器必将沿着乘员人数多、月表可达能力高、任务时间持续时间长、系统可扩展及航天员安全性高的趋势发展，因此我国应在已有探月成果的基础上，瞄准方向，着重发展相关关键技术，以在今后的载人探月活动中占据主要地位。

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