对EDLA技术的认识与展望

张柏楠

（中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094）

0 引言

随着世界航天技术的发展，人类探索太空的范围已经从近地轨道拓展到月球、火星，以及小行星和彗星，探测器规模从小到大，探测器从无人到载人[1-4]。在最新一轮的载人深空探索活动中，商业公司开始大规模参与，必将推动相应技术和应用的发展。航天器的进入、下降、着陆和上升（Entry，Decent，Landing and Ascent，EDLA），是地外星体表面探索活动需要经历的过程，该过程运用的技术对于人类探索太空、开发资源具有重大意义，是实现宇宙资源开发的核心关键技术之一[5-6]。

虽然空间探索已经取得了辉煌的成绩，但是对于地外星球的EDLA技术还刚刚起步，探索的地外星球非常有限，任务成功率也不高，与空间探索需求的差距很大，这恰恰也说明该领域后续发展的空间很大，基于此一些商业公司也陆续介入到这方面的研究探索之中。

1 对EDLA的认识

EDLA技术源自地球轨道任务返回与回收技术。随着地外星球探索活动的实施，尤其是有大气行星的探索实践需要，提出并发展出进入、下降与着陆（Entry，Decent and Landing，EDL）技术，并进一步提出了EDLA技术。

1.1 EDL的起源

EDL技术起源于地球轨道样品与胶片的返回与回收技术。

返回（Return）是航天器从任务轨道回到地球表面的过程。回到出发地，或回到地球表面是返回技术的核心任务目标。

对于地球这类有大气行星，航天器进入稠密大气后产生的气动力和气动热会严重影响其飞行与环境，力、热、控制等多学科紧密耦合，导致了复杂的技术问题，这一复杂的过程被称为再入过程。再入（Reentry）是指航天器回到发射星球，特指回到地球稠密大气的飞行过程。

返回的目的是回收数据和样品。回收（Recovery）是指对数据或物品的回收、重复使用、再生。地球轨道回收是返回的最后阶段，一般采用降落伞回收。

1.2 EDL的提出

当人类探索拓展到地外星球时，一方面可以借鉴地球返回与回收的经验，毕竟地球也是宇宙中众多星球之一，具有相当的普遍性；另一方面，其他地外星球毕竟不是地球，自然环境和条件不同，更重要的是这些地外星球不是人类的家园，不是航天器的出发地，原有地球返回和回收技术从名词术语到模型参数、到技术途径都需要适应这些差异。因此，国外提出了进入、下降和着陆技术（Entry，Decent and Landing）。

进入、下降和着陆是航天器安全着陆到星球表面需经历的一系列过程，航天器进入、下降和着陆的技术和过程缩写为EDL。

进入或者说大气层进入（Atmospheric entry）是物体从外层空间进入或穿过行星、矮行星或天然卫星大气的运动。进入作为飞行阶段主要任务是气动减速到达着陆区域，为下降创造条件。进入一般发生在卡门线高度，地球约100km，金星250km，火星80km。

下降（Decent）是指进入着陆区域后再下降到着陆安全高度的过程。对于无大气星球也将动力减速过程称为下降过程。下降段的主要任务是降低高度，进行定点或避障控制，为安全着陆创造条件。

着陆（Landing）源自飞机飞行过程，一般指飞机从安全高度下滑、过渡、接地、滑跑直至完全停止的整个减速运动过程。对于空间飞行器是指从安全高度降落到行星表面，并完全停止的运动过程。着陆段的主要任务是停止相对星体表面的运动，吸收和缓冲撞击能量，形成稳固的停放状态，保证飞行器安全，为后续考察活动创造条件。

1.3 EDLA的由来

人类早期的无人行星探索都是单程，任务就是在目的地星球表面进行现场考察，无需上升并回到地球。随着人类对宇宙认识的需要、技术的发展，尤其是载人月球探测，不仅需要将探测器或航天员送到地外行星表面，还要将它（他）们安全的接回到地球，因此，提出了在地外星球表面发射，一般称为上升的任务需求。其他星球目前不具备像地球一样的表面设施和人员的保障和支持，工程上将下降和上升动力舱段组合在一起，关系密切，由此在EDL的基础上增加上升的概念。

作为航空器，飞机最初的运动阶段是起飞，即从静止开始滑跑、离地、上升至安全速度的运动过程。而在地球把航天器送入飞行轨道叫做发射，是指运载火箭运送航天器起飞、加速、进入预定轨道的过程。同样地外星球表面上升（Ascent）是指探测器从地外星球表面起飞、加速、进入预定轨道的过程。上升段的任务是提升探测器的飞行高度和速度，并进入预定轨道。EDLA的概念由此而来。

1.4 对EDLA的解读

为了更进一步的理解EDLA的概念，需要从历史、运动过程、任务、飞行阶段认识EDLA共同的属性，也要从着陆地点和环境认识EDLA不同的属性。

（1）从历史的角度

EDLA是以地球为起点和原点，不断演变发展而来的。

EDLA是以航空为基础，以地球轨道数据和样品回收作为发展的起点。起飞、着陆等都采用飞机或者地球返回的概念和经验。

以地球作为空间的原点向地外的星体表面拓展，导致一些概念和术语的说法不同。虽然落到地球和落到其他星球表面的运动过程是相似的，但人类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进，如进入、下降。

（2）从运动过程的角度

EDLA本质上是一个航天器在中心引力场作用下的运动过程，并呈现V字形变化。

运动高度变化包括由高到低的下降运动过程和由低到高的上升过程；运动速度变化包括由轨道速度到静止的减速运动过程和由静止到轨道速度的加速运动过程。

（3）从任务需求的角度

EDLA核心任务是物质在轨道与星体表面的往返运输，形成星体间的物质流。具体任务主要包括：1）承担向行星表面部署考察仪器设备或开发建设设备，采集数据和样品，建设考察开发基地；2）回收载有科学信息或利用价值的仪器、样品和物质资源；3）在地球和行星表面之间往返运输航天员；4）部署和回收航天器以便重复使用降低任务成本。

（4）从飞行阶段的角度

EDLA从探测飞行任务的角度，在目的地星球轨道和表面之间划分了不同飞行阶段：1）进入段，是从进入大气层开始，到预定着陆区上空；2）下降段，该段从到达落区或无大气星球动力下降开始，到降落到着陆安全高度；3）着陆段，是从着陆安全高度到行星表面停止运动；4）上升段，指从行星表面到进入行星轨道的阶段。

（5）从着陆地点环境和条件的角度

地球表面的发射、返回和回收任务，是在发射、测控、回收等地面系统的强大支撑下完成的。由于飞行运动和环境状态变化快，过程不可逆，因此是航天器飞行最危险的阶段。

地外星球表面是一个没有任何支持的陌生环境，且自然环境与地球差别很大，极端恶劣，风险更大。人类地外星球表面探索任务的成功概率不高，美国载人登月的EDLA任务均获成功不能不说是一个奇迹，其主要原因一方面是举国之力的巨大投入，另一方面是由于人的参与解决了未知环境的综合判断和自主决策问题。

由于目的地星球自然环境的差异，导致每个星球EDLA的具体问题和技术途经都不相同，且由于认识的不足存在较大的不确定性，这导致地外星球的EDLA任务可靠性和安全性问题尤为突出，而且需要飞行器具有高度自主能力处理大量不可预计的问题。

综上所述，可以认为：EDLA是航天器从运行轨道安全着陆到星体表面，以及从星体表面上升至运行轨道的运动过程。航天器利用大气层阻力或火箭发动机动力降低自身的高度和速度，保证其安全着陆，并可以再次起飞上升至运行轨道。在进入、下降、着陆和上升过程中运用的技术称为EDLA技术。EDLA技术用于乘员、飞行器、设备、物资、样品在星体轨道和星体表面之间往返运输飞行。

2 EDLA的任务需求

保证乘员和物品安全地在目的地与轨道之间往返运输是 EDLA的核心任务。 具体来讲需要详细确定运什么（运输乘员或物品需求），从哪来（初始星体运行轨道）到哪去（目的地和环境需求），可能面临多大的风险（可靠性和安全性需求）等。

2.1 运输乘员或物品需求

乘员运输需求包括人数、需要支持乘员生存的时间，以及需要保证的医学、工效学条件和环境等。物品运输需求包括运输物品的质量和空间，需要提供的信息和能源支持，以及需要保证的环境。

2.2 运行轨道需求

进入和下降过程开始于探测器最初的运行轨道，而上升的最终目标是进入可返回地球的预定运行轨道，运行轨道决定了对EDLA过程所需要消耗或提供的能量。运行轨道可分为星球环绕轨道和星际轨道两类。

1）星球环绕轨道。包括人们熟悉的地球轨道，还包括月球环绕轨道、火星环绕轨道等。这类轨道相对简单、稳定，一般是考虑摄动的二体问题。

2）星际轨道。目前能够飞行的太阳系内轨道，可分为以地球为引力中心的月地轨道，以及以太阳为引力中心的行星际轨道。这类轨道尤其是在与EDLA衔接的轨道非常复杂、且不大稳定，一般是三体问题，是一类没有解析解的复杂数学问题。在三体引力的平衡点附近形成了一些特征轨道，例如在地月拉格朗日点附近形成的轨道，尤其是L2点附近的晕轨道（又叫HALO轨道）有很多独特的优势可以利用[7-9]。

2.3 目的地和环境需求

广义的目的地可以认为是星球的表面，包括地球、火星等地外行星、月球等自然卫星、冥王星等矮行星，以及小行星或彗星的表面。目的地的自然条件和环境差异巨大，大多数还没有详细认识。

地球的自然条件已为人们所熟悉，其质量约59 700×1020kg，直径12 756km；引力适中，表面重力加速度9.81m/s2，逃逸速度11.2km/s；有大气，表面大气压力101kPa；温度适宜，大致在±40℃之间。

太阳系其他行星的条件差异很大，尤其是外层行星人类目前所了解到的信息更少，甚至可能不存在可着陆的表面，各行星自然条件详见表1。

表1 太阳系行星自然环境主要指标Tab.1 The main index of natural environment on Solar system planets

太阳系行星的卫星环境也是千差万别，但有一些卫星有水，比月球更具有开发价值，这些行星主要卫星的特性指标见表2。

太阳系内小行星或彗星分布较广，一些近地小行星对地球可能构成威胁，具备一定的科学研究价值，这些小行星的主要特性指标见表3。

表2 太阳系行星主要卫星的特性指标Tab.2 The characteristics of the major planets of the solar system satellites

表3 太阳系有威胁近地小行星的主要待性指标Tab.3 The characteristics of the threatened near earth asteroid in the solar system

根据地外星球环境特点和人类探测历史[10-11]，可以总结如下：

1）小行星：质量很小，引力效应微弱，技术难度相对较低，人类已实现成功无人着陆和上升。

2）太阳系行星的卫星：对于小规模的卫星，大小相当于小行星，技术难度不大，但相对探测价值不大，人类尚未实现着陆；对于中等规模的卫星，大小与月球相似，技术难度适中。由于月球是地球的卫星，是离地球最近的星体，需要优先考察，人类实现了载人月球着陆和上升，积累了大量的经验；对于行星规模的卫星，如木卫三、土卫六，甚至有大气和水，科学和开发价值大，技术难度适中，人类成功实现了无人着陆。

3）太阳系的行星：对无大气行星，如水星，环境较为苛刻，尚未成功着陆；对于有大气固体表面行星，如金星和火星，已实现成功无人着陆，但未实现上升返回；对于外行星，质量大，大气稠密，无明显边界，环境严酷且不确定性大，人类还没有实现成功着陆，甚至对下层大气也没有足够的认识。

由此可以看到，目的地环境条件的千差万别使EDLA技术存在巨大的发展空间。

具体来讲目的地一般指星球表面的着陆区或着陆点，一般根据任务、环境、能力和着陆安全等条件选取，由具体位置和范围确定。由于着陆点条件的不确定性，从安全性角度考虑，需要探测器具备自主选取落点和避障的能力。

2.4 可靠性和安全性需求

由于 EDLA机会的稀缺性和环境的不确定性以及 EDLA的风险性，可靠性和安全性的需求特别突出。地球返回和着陆是航天员生还的最后手段，而地外星球载人EDLA的顺利完成也是航天员生还的重要手段。

从定量角度来说，可靠性规定了探测任务成功的概率要求，安全性规定了乘员在正常和故障状态生还的概率。

从定性的角度，可以根据任务特点规定意外故障发生时的安全策略和要求。例如在EDLA过程中发生故障时需要几重冗余、向什么方向撤离、进入什么安全状态和模式等。一般当载人地球轨道任务遇到故障时希望航天员能够立即返回着陆，因为地面有生存环境和额外的支持是最安全的。但地外星球载人任务安全策略方向恰恰相反，如遇故障则希望立即上升，回到可返回地球的飞船或运行在星球轨道上的轨道站。

3 EDLA的过程和技术

3.1 EDLA的过程

EDLA过程由进入、下降、着陆三个下降减速过程，以及起飞、上升、入轨三个上升加速过程，呈V字形的系列过程组成。该过程各阶段的不同特征如表4所示。

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

根据任务阶段，可以定义弹道特征点，一般包括：1）进入点，是进入星体大气层特征点，开始利用气动力减速和弹道控制；2）下降点，指动力下降起点或开伞点，进入着陆区；3）停控点，指到达着陆点上空的动力关机点，或者缓冲发动机点火点；4）着陆点，指触地缓冲后停止相对运动的地点；5）起飞点，是探测器发动机点火离开星体表面的地点；6）入轨点，指进入预定轨道的位置。

3.2 EDLA的技术

EDLA的技术途径主要由任务和目的地环境决定。

按照资源消耗最少的原则，一般充分利用当地条件实现减速和下降。因此有大气星球，尽可能利用大气实现减速和下降。由于进入能量、大气密度和任务过载的要求和约束，可以利用本体外形实现减速下降，或者通过柔性体展开扩大阻力面积，提高低大气密度或低速条件下阻力偏小的问题，提高效率。但是对于无大气星球，动力减速下降是目前的唯一途径[12]。各阶段可采用的技术途径如表5所示。

表5 EDLA技术途径Tab.5 The technical approach of EDLA

3.3 EDLA方案

实现EDLA过程需要进行航天器的EDLA方案设计，根据航天器的任务、运行轨道以及星体环境，权衡和比较不同技术途径，确定初步方案[13]。在建立气动力热模型或运动模型的基础上进行弹道设计和气动外形设计，在建立轨道动力学模型的基础上进行动力系统或柔性阻力系统设计，在建立结构动力学和运动学模型的基础上进行着陆缓冲系统设计，在建立轨道动力学和姿态动力学模型的基础上进行弹道和姿态控制系统设计，在建立大气运动和星体表面热环境和热响应模型的基础上进行防热和热控系统设计。考虑到地外星球缺少支持的条件，需要尽可能借助自主控制技术实现EDLA过程。

典型的EDLA航天器包括：

1）卫星返回舱。为将在轨道上获取的信息或试验样品回收到地面分析研究，早期主要依靠直接返回。在卫星上设计返回舱，完成任务后收集样品并返回地面。回收的样品包括对地观测的胶片、微重力实验和生物实验的样品等。由于任务要求不高，环境相对较好，一般采用运载火箭发射，弹道式返回，采用降落伞下降，无缓冲着陆。典型的卫星包括对地光学成像卫星胶片返回舱、微重力实验卫星样品返回舱、生物实验卫星样品返回舱。

2）载人飞船。为了给空间站或其他载人轨道任务提供乘员的往返运输，主要采用载人飞船的方式实现。由于航天员医学环境和安全性要求，一般采用载人运载火箭发射，升力控制返回再入，降落伞下降，发动机或气囊缓冲着陆，具备救生能力。

3）航天飞机。为了提供乘员和货物便捷的天地往返运输，在载人飞船的基础上发展出航天飞机，进一步降低运输成本。航天飞机一般采用火箭动力垂直发射，全升力再入，飞机式滑翔进场滑跑着陆，但救生能力有限。

4）载人登月舱。为了给航天员和样品提供月球轨道和月球表面之间的往返运输，主要采用登月舱实现下降、着陆和上升。月球是无大气星球，一般采用发动机动力下降、结构缓冲着陆，发动机上升。

5）火星着陆器。为了对火星表面进行现场考察，一般采用着陆器的方式。由于火星大气稀薄，无人探测虽对环境要求不高但不确定性大，一般采用本体气动减速与减速伞柔性气动减速相结合的方式进入，发动机动力下降，气囊或悬吊缓冲着陆[14-15]。

6）小行星探测器。为了对小行星进行现场考察，一般采用集成式探测器的方式。由于小行星的引力微弱，减速下降过程演化为非合作目标的交会对接问题，而在小行星表面附着和锚定成为主要问题[16-18]。

7）可回收火箭一级。随着近年来重复使用技术的发展，使得传统运载火箭的回收和重复使用成为可能。目前一般是在传统火箭的基础上做适当补充完善，以较少的变化和代价实现回收和重用。由于火箭一级飞行高度和速度不大，一般采用气动稳定下降，降落伞或发动机动力减速，机构支架缓冲着陆。

4 EDLA的未来发展趋势与挑战

4.1 EDLA未来发展趋势

EDLA技术是空间探索飞行的核心技术，以满足空间探索任务需求为牵引。在航天活动初期，空间探索以发现为目的，重点是通过提高配置效率，解决工程可行性问题。当天航天技术发展正处在从追求科学发现向追求经济效益转变的阶段。

地外星球蕴藏着无尽的空间和资源，是人类未来的开发方向，技术和市场发展空间巨大。因此，人类始终没有停止向地外星球发展的脚步。

探索宇宙、开发资源的梦想不断驱使人类在EDLA领域进行探索，主要航天大国都持续投入资源开发相应的技术，不断进行探索活动。从目的地的价值与环境出发，今后探测的重点是月球、火星和对人类有威胁的近地小行星。为提高探测器效率实现更大规模的探测和利用，航天器重复使用、高效可再生动力和柔性减速技术成为发展的重点。

同样是由于地外资源的吸引和技术的发展，地外资源探索和开发正逐步由国家政府投资驱动向市场驱动发展，商业资本开始逐步进入EDLA领域，并引发了大量的创新和技术进步。政府指导投入并开放技术支持，以商业公司为主开发和运营正成为一种新的发展模式。地球的返回与着陆，甚至月球和火星的EDLA都不同程度的向着市场化发展，如美国的金道钉公司登月计划和SpaceX的红龙登火计划。商业资本的介入大大刺激了工程应用创新。这既是挑战，更是机遇。

4.2 EDLA面临的技术挑战

EDLA过程的特点决定了具有来自各个方面的技术挑战。

与人类开发地外资源的需求相比，目前EDLA的能力差距很大，一些悲观论者甚至认为人类注定无法离开太阳系。目前人类载人仅登陆了月球。无人登陆的星球也非常有限，而且成功率不高。太阳系八大行星，包括地球只成功登陆了3颗，太阳系行星的卫星包括月球只登陆了3颗。EDLA技术有很多空白，环境不确定性和能源动力的局限性是主要障碍，需要大力攻克。

开发地外资源另一个主要的制约是经济因素。开发资源需要盈利，盈利首先需要找到可供开发的高价值资源，另外需要大幅降低开发成本。开发成本取决于航天器规模和所需的速度增量，可重复使用航天器和可再生能源动力是未来的主要方向和挑战。目前以 SpaceX公司为代表的商业公司和资本，正在重复使用技术上发力，大幅降低了EDLA成本，使EDLA市场化运行成为可能，在不远的将来，以EDLA为代表的航天运输必将像计算机和互联网一样蓬勃发展，造福人类。

1）环境挑战。不同目的地环境的不确定性引发大量的技术挑战。适应不确定环境高度自主的智能控制技术、稠密大气环境进入高效防热技术、稀薄大气进入的高效减速技术、无大气星球的高效动力技术、未知星体表面环境下自主寻址与避障技术、高效低冲击着陆技术、微重力环境下的附着与锚定技术、可再生动力的制备和上升技术等都需要不断突破和提高。

2）可靠性挑战。大时延不确定环境下任务的可靠性和安全性需求引发复杂的技术挑战。未知环境条件下自主任务规划和决策技术、故障自主诊断和决策处置技术、高效冗余备份技术、高可靠的轻量化结构技术等需要继续攻克。

3）能力挑战。距离遥远、速度增量需求巨大，对于航天器的能力提出了巨大的挑战。地外星球最大的技术瓶颈和能力挑战是动力，推进的比冲对航天器的规模影响巨大，高比冲先进动力构成探测器的最主要能力，是重点发展方向。相应的结构和系统的轻量化要求更加苛刻，系统集成配置优化、先进材料、原位资源利用等技术也需要突破。

4）市场竞争挑战。商业资本的参与引发了剧烈的市场竞争，既刺激了技术的创新与发展，更形成了竞争的挑战。提升能力降低成本是竞争的焦点，围绕着航天器重复使用、压缩设备品种等引发的技术迫切需要突破和提高。

5 结束语

随着任务需求和技术的发展，在传统的进入、下降和着陆技术的基础上，增加上升技术能够更全面地适应任务和技术融合的需要。从认识、开发和利用地外星体资源的需求出发，EDLA迫切需要研究发展高效推进技术、重复使用技术、智能自主控制技术、柔性控制技术，满足未知世界的探索和开发的需求。EDLA技术是航天技术中不确定因素最多、风险最大、最具挑战的技术领域，更是影响最大、机遇最多、最具潜力的技术领域，必将是未来二十年发展最快的技术领域。