美国宇航局Artemis月球探测计划简介

王立武 郭东文 张章 吕智慧 赵淼 刘宇

美国宇航局Artemis月球探测计划简介

王立武1,2郭东文3张章1,2吕智慧1,2赵淼1,2刘宇1,2

（1 北京空间机电研究所，北京 100094）（2 航天进入减速与着陆技术实验室，北京 100094）（3 中国载人航天工程办公室，北京 100048）

文章对NASA月球探测Artemis计划进行了概括，分析了NASA规划Artemis任务的科学研究策略与技术发展战略，介绍了Artemis月球探测计划的任务安排与先期试验测试，总结了Artemis月球探测计划的关键系统与实施基础，提出了对Artemis月球探测计划的思考及从中得到的启示，以期为中国未来的载人登月与深空探测工程提供有价值的借鉴和参考。

“阿尔忒弥斯”计划 月球探测 深空探测

0 引言

2020年9月，美国宇航局局长Jim Bridenstine正式公布了美国“阿尔忒弥斯”（Artemis）月球探测计划。根据Artemis计划，NASA将于2021年开始运用机器人开展月球无人探测，在2024年前运送美国宇航员重返月球，并在2025至2030年间建立环月轨道空间站和月球表面基地以实现美国月面持续驻留，为未来美国宇航员登陆火星的任务奠定基础[1]。

本文对NASA月球探测Artemis计划进行了概述，分析了NASA规划Artemis任务的科学研究策略与技术发展战略，介绍了Artemis月球探测计划的任务安排与先期试验测试，归纳了Artemis月球探测计划的关键系统与实施基础，提出了对Artemis月球探测计划的思考及从中得到的启示，以期为中国未来的载人登月与深空探测工程提供有价值的借鉴和参考。

1 目标和策略

（1）科学目标

对月球的探测是人类对整个太阳系探测与研究的奠基石[2]。Artemis计划推动科学发展的目标不仅局限于月球科学或者行星科学，还包括众多以月球探测研究为基础的科学目标[1]：理解行星演变过程；理解月球表面物质挥发周期；探究地-月系统的撞击历史；揭示早期太阳的观测记录；在独特的位置观测宇宙；在月球环境下开展科学试验；评估并减小载人行星探测的风险。

（2）实施策略

为确保Artemis计划上述科学目标的实现，NASA采用如下实施策略[1]：

1）规划由商业公司承担有效载荷的发射；

2）发展月表机动漫游系统来扩大勘测范围并提升月球探测能力；

3）创造与国际合作伙伴更多的合作机会；

4）运用小卫星在月球运行轨道上获取和行星、太阳系、宇宙相关的科学观测数据；

5）使用诸如“门户”（Gateway）环月轨道空间站和载人登月着陆系统等全新的载人空间探测系统实现科学目标；

6）引领Artemis计划科学任务的所有参与成员共同提升未来在月球表面开展有效科学探测的能力，这些能力主要涉及月球地质勘测、月表取样返回、用于表征月球表面环境或接近月表环境的测量仪器、到达月球极寒区、抵达月球背面等；

7）在系统组成要素/传感器元器件/工程技术发展方面创立能够实现科学目标的有效路径。

2 技术发展战略

在月球表面建立宇航员月球活动基地有助于NASA发展和测试新技术、新方法和新系统，这些新技术、新方法和新系统将在地外天体更具生存挑战性的环境下发挥重要作用[3]。Artemis月球探测计划激励月球表面探测所需的原始创新技术，加速关键系统、分系统的技术完备，并考虑以降低深空探测成本为目标，促使更为雄心勃勃的美国载人火星探测任务有可能实现。通过与商业公司和国际伙伴的紧密合作，将科学知识与专业技术紧密结合并用于月球探测过程中的科技水平提高与关键技术突破，为地球上的技术进步与经济增长提供支持。该计划包括：

1）月球或其它地外天体的资源利用技术，包括现场资源采集、资源处理、资源存储以及在月球或其它行星体上所用到的材料发现或制造技术；

2）电力系统技术，能够横跨月昼和月夜持续提供稳定电能；

3）抗尘技术，减小月球表面的月尘对月球探测系统的危害，包括遥感相机、太阳能电池板、宇航员太空服和测量仪器等；

4）极端环境适应技术，使月球探测系统能够在整个月球表面温度范围内正常运行；

5）极端区域进入技术，使宇航员或无人探测器能够有效进入、跨越和探测之前无法进入的月球表面区域和月表下区域；

6）能够自主施工、成本可控的月表挖掘制造与基地建设技术。

3 任务安排

Artemis月球探测计划的任务安排分为第一阶段任务和第二阶段任务。第一阶段任务（如图1所示）和第二阶段任务以2024年预期完成2名美国宇航员搭乘Artemis 3号飞船直接登陆月球开展月面探测任务为界限[1]。

图1 Artemis第一阶段任务示意图

（1）Artemis第一阶段任务

2021年将执行首次商业月球探测载荷服务（Commercial Lunar Payload Services，CLPS），两家商业公司将向月球表面运送月球无人探测着陆器和科学仪器设备，并且以后每年都利用商业运输服务向月球运送两次新的科学研究和技术验证设备。水冰勘测月球极地探测车（Volatiles Investigating Polar Exploration Rover，VIPER）的研制也基本完成，预期在2023年发射到达月球，将是首个调查月球极地月壤样本的探测车。

NASA将利用太空发射系统（Space Launch System，SLS）和“猎户座”飞船（Orion）开展两次绕月飞行测试以检查设备性能、生命保障能力与通讯能力。计划于2021年实施Artemis 1号无人月球探测任务，太空发射系统（SLS）将把不载人的“猎户座”飞船送入地球轨道，将其置于绕月逆行轨道的遥远路径上，在月球上空飞行4万英里（1英里=1.609344km）。Artemis 1号任务将系统检验SLS超重型运载火箭的飞行性能和“猎户座”飞船从月球返回地球高速再入过程的热防护能力。除此之外，SLS超重型运载火箭将把13颗Capstone环月飞行立方体卫星送入月球轨道实施科学观测。

2023年，将发射电力和推进装置（Power and Propulsion Element，PPE）和居住与后勤前哨舱（Habitation and Logistics Outpost，HALO），它们是Gateway环月轨道空间站最早在轨部署的部分，用于开展太空温度环境研究和实施无人远程科学试验。

计划于2023年实施Artemis 2号载人月球探测任务，SLS和“猎户座”飞船将携带4名宇航员发射升空执行绕月飞行任务。NASA着重补充了Artemis 2号任务中的一项新测试，即绕月任务演示。在“猎户座”飞船与临时低温推进级分离后，航天员将手动操作飞船模拟接近和脱离推进段，以此评价“猎户座”飞船的控制能力和相关软硬件，提供性能数据和操作经验，弥补后续Artemis 3号任务在月球轨道中的对接和脱离无法直接获取性能数据和操作经验的不足。在地球高轨道运行期间，“猎户座”飞船将飞出全球定位系统（GPS）和月球中继卫星的影响区域，需要借助深空通信网络让宇航员与地面控制系统保持联络，并实时更新导航系统。

2024年，Artemis 3号任务将携带4名宇航员发射升空，之后载人登月着陆系统把1名女性宇航员和1名男性宇航员送至月球表面来实施为期7天的载人月球探测，以实现美国宇航员重返月球。除了2名美国宇航员，载人登月着陆系统将携带质量达200lb（1lb=453.59g）的科学仪器设备到达月球表面，并采集87.5lb的月壤样品，之后月球表面的宇航员乘坐返回舱起飞上升，与“猎户座”飞船内的另2名宇航员会合后持月球采集样品返回地球。

（2）Artemis第二阶段任务

Artemis月球探测计划第二阶段的任务是建设一系列的地月空间基础设施及月面基地使得持续长期的月球探测和月球资源开发成为可能（见图2）。全地形月球漫游车、移动居住平台、月球表面基地、月球地面站、月球通讯网络、月球表面电力系统共同保证了宇航员在月面执行探测任务的持续生存能力由7天延长至30至45天。

图2 Artemis计划月球基地设施概念图

图3所示的Gateway环月轨道空间站，不仅提供了宇航员赴月球执行深空探测任务的在轨工作生活空间，还可以支持在月球表面模拟执行载人火星探测任务，支持宇航员长时间深空探测系统操作能力测试、长周期任务下的系统风险降低方法等[4]。

图3 “门户”环月轨道空间站与“猎户座”飞船对接概念图

4 关键系统与实施基础

Artemis月球探测计划主要依赖于NASA的深空探测天地往返运输体系，其关键系统与实施基础包括：太空发射系统、“猎户座”飞船、深空探测地面系统（Exploration Ground System，EGS）、深空通信网络（Deep Space Network，DSN）、商业月球探测载荷服务、水冰勘测月球极地探测车、动力和推进装置、居住与后勤前哨舱、深空后勤货运系统（Deep Space Logistics，DSL）、宇航员舱外探测活动系统（Exploration Extravehicular Activity System，xEVA）、载人登月着陆系统（Human Landing System，HLS）、全地形月球漫游车（Lunar Terrain Vehicle，LTV）、月球地面站（Luna Ground Stations，LGS）、月球通讯网络（LunaNet）、移动居住平台（Habitable Mobility Platform，HMP）、月球表面基地（Foundation Surface Habitat，FSH）、月球表面电力系统（Lunar Surface Power，LSP）、月面技术创新激励（Lunar Surface Innovation Initiative，LSII）。

（1）太空发射系统

太空发射系统（SLS）是从航天飞机演变而来的超重型运载火箭（如图4），第一阶段旨在将美国宇航员送往月球，运载能力在70t至110t之间，之后会发展出130t的货运载荷任务，最终的运载能力将达到143t以上，能够将宇航员安全送入深空并有效支持各种复杂的宇航发射任务[5-6]。其功能特点为：大质量有效载荷和高体积容量；能够将“猎户座”飞船、宇航员、货物补给在一次发射任务中运送到月球附近。

（2）“猎户座”飞船

图5所示的“猎户座”飞船由SLS发射升空，能够携带4名宇航员及装船物资开展为期21天以上的月球探测任务。其组成[7-8]主要包括：服务舱系统、环境控制与生命支持系统（ECLSS）、宇航员乘员舱系统、自主制导、导航与控制（GNC）、自主通信系统、自主电力生成技术，以及自主热控技术。

图4 太空发射系统实物图

图5 “猎户座”飞船实物图

（3）深空探测地面系统

建立深空探测地面系统（见图6）是发展用于商业火箭及航天器在组装、转运、发射、火箭子级返回、航天器返回与着陆、发射及运行过程管理等方面所必需的系统和设施。其组成[9]为：SLS发射工作台39B、可移动式发射架、转运装置、着陆场、总装厂房，以及水平着陆跑道。

（4）深空通信网络

对深空通信网络（见图7）的34m子网进行改造升级，为Artemis计划中的Gateway环月轨道空间站、载人登月着陆系统和其它宇航系统提供高速率的指挥和遥测服务。上述服务旨在支持宇航员在月球上的探测活动，按计划从Gateway环月轨道空间站和到达月表的有效载荷上回传大量的科学数据[10]。深空通信网络的升级对于2024年美国宇航员成功登陆月球和后续的载人火星探测至关重要。其功能特点为：升级后的深空通信网络具有100Mbit/s的数据下行、20Mbit/s的数据上行的传输能力；改造升级位于戈德斯通、堪培拉和马德里的每套深空通信网络综合设施中2部天线；所提供的服务与国际合作伙伴的地面站兼容。

图6 深空探测地面系统

图7 深空通信网络

（5）商业月球探测载荷服务

商业月球探测载荷服务（见图8）为送达月球表面的小型和中型有效载荷提供商业运输服务。通过鼓励美国企业参与月球探测载荷的商业运输，实现NASA催生月球探测经济增长的战略目标。其主要特点[11-13]为：各终端载荷之间的传输服务；小型到中型的有效载荷，质量最高不超过500kg；运送至月球上的科学仪器和技术演示载荷。

（6）水冰勘测月球极地探测车

水冰勘测月球极地探测车（VIPER）（见图9）计划于2023年发射至月球表面，其大小与一辆高尔夫球车相近，它将在月球表面漫游若干英里，使用包括1m钻孔在内的四种科学仪器对月壤环境进行采样。VIPER将收集大约100天的数据，这些数据将用于绘制月球的第一份水资源地图[14-15]。其功能特点为：携带TRIDEMT钻取装置、中子分光仪系统、近红外挥发物分光仪、质谱仪观测月球地质活动；数十千米的行驶距离；任务期内可以在月夜中生存100天。

图8 商业月球探测载荷服务

图9 水冰勘测月球极地探测车

（7）电力和推进装置

电力和推进装置（PPE）将与“居住与后勤前哨舱”（HALO）集成（见图10），并发射至近月轨道。其功能特点[1]为：与地球保持高增益通信、空间单元通信、月球表面中继；远程指挥控制能力；具有12.5kW的电推进能力用于提供离轨附加速度；提供60kW以上的电力供应；为Gateway环月轨道空间站的各系统提供转换电力；热控能力；搭载用于科学技术演示的有效载荷。

图10 电力和推进装置、居住与后勤前哨舱、深空后勤货运系统示意图

（8）居住与后勤前哨舱

居住与后勤前哨舱（HALO）将与电力和推进装置（PPE）集成，并由商业火箭发射进入月球近直线轨道[16]。HALO为对接的飞行器提供轴向和径向兼容的国际空间站标准对接端口。其功能特点为：设置有宇航员乘员舱和货物舱；为环境控制与生命支持系统服务的压力控制系统，各舱A部的空气交换；分布式电子设备的模块化集成架构；为Gateway环月轨道空间站其它系统提供电能传递；热控系统；为对接的飞行器与月球表面提供通讯；支持外部机械臂和有效载荷的工作。

（9）深空后勤货运系统

深空后勤货运系统将向Gateway环月轨道空间站运送货物、科学试验物资，例如月表取样材料和宇航员在环月轨道空间站上和月面探测阶段所需的其它物资。当深空后勤货运系统与Gateway环月轨道空间站对接时还提供了货物装载容量，并在离开Gateway环月轨道空间站时进行垃圾处理[1]。其功能特点为：自主制导、导航和控制；自主通信系统；自主电力生成与热控；货物补给与垃圾处理；不超过5 000kg的增压有效载荷/货物质量；1 000kg至2600kg的非增压有效载荷/货物质量；货物装载容积大。

（10）宇航员舱外探测活动系统

宇航员舱外探测活动系统（见图11）是为宇航员月球漫步和太空行走设计和建造的，并能够随着技术进步和任务的发展进行升级。其与运载器的接口系统和设备进行了通用化设计，也可以通过定制化设计来适应Artemis月球探测计划中的各部分任务。其组成[1]为：高机动性加压气密太空服、便携式生命支持系统、通讯和信息集成系统、系统维修和地质勘探的通用化工具，以及运载器对接系统及设备。

（11）载人登月着陆系统

载人登月着陆系统（见图12）是运送宇航员降落至月球表面的最终运载器。在宇航员完成月球表面探测任务后，宇航员将乘坐载人登月着陆系统的返回舱在月面起飞上升至月球轨道，之后再返回地球。在先期任务中，载人登月着陆系统可容纳2名宇航员，在后续任务中，载人登月着陆系统将携带4名宇航员到达月球表面并返回地球。其组成[17]为：宇航员乘员舱；太阳能发电系统；能量储存系统；化学推进系统；热控系统；电子设备；通讯系统；自主制导，导航和控制系统（GNC）；环境控制与生命支持系统，贮存罐与消耗品；宇航员舱内活动设备。

图11 宇航员舱外探测活动系统

图12 载人登月着陆系统

（12）全地形月球漫游车

全地形月球漫游车（见图13）是美国宇航员再次登陆月球后在月表活动的运输系统。它极大地扩展了宇航员的活动范围，使更多的科学试验、资源勘探和探测活动成为现实。全地形月球漫游车也可以采用无人遥控的方式执行科学探测任务，将空间可展开结构部署至预定位置。其组成与功能特点[1]为：有限的电力生成能力、能量储存系统、电子设备、通讯系统、可携带2名宇航员、有效载荷贮存空间以及无人遥控系统。

（13）月球地面站

月球地面站（LGS）（见图14）将创建一个由18m天线组成的全球通讯网络，这对于满足NASA未来持续的月球探测任务所产生的通信和导航服务至关重要。从深空通信网络（DSN）34m的子网向新的月球地面站LGS传输数据，将使DSN能够为美国宇航局的行星科学探测和载人火星探测提供支持[1]。美国宇航局也将为商业公司寻求提供LGS服务的机会。LGS的主要特点为：18m级天线的全球布网；与深空通信网络（DSN）的34m子网互相兼容；为Artemis月球探测计划提供额外的系统能力；具有商业化潜力。

图13 全地形月球漫游车

图14 月球地面站

（14）月球通讯网络

月球通讯网络（LunaNet）（见图15）被展望为一种标准、协定和接口架构，用于支撑NASA和其它国际合作伙伴未来在地月空间通讯和导航的升级版网络系统。LunaNet通过提供网络通讯、导航授时、科学探测和报警服务为精细化操作机器人、科学试验和宇航员操作奠定基础。月球通讯网络体系能够满足短期内月球南极探测和月球背面探测的技术需求，并随着需求增加所提供的服务可覆盖整个月球[1]。其主要特点为：网络化通讯服务；月球导航授时服务；科学探测和报警服务；与美国宇航局、商业公司和国际合作伙伴的设备设施相适应；包含月球中继、月球表面和地球上的设施；是载人火星探测任务的前瞻性设计。

（15）移动居住平台

移动居住平台（HMP）（见图16）将会极大地扩展月球表面巡视探测的行进范围，并能够催生新的科学技术，促进月球资源勘探。HMP被用于在月球上开展与未来载人火星探测活动相类似的任务，以降低风险并优化操作理念[1]。其组成为：宇航员居住舱、环境控制与生命支持系统、电子设备、电力生成与存储系统、通讯系统以及太空行走航天服。

图15 月球通讯网络

图16 移动居住平台

（16）月球表面基地

月球表面基地（FSH）（见图17）将为在月球表面长期工作的宇航员提供长达60天的月面生存环境与设施。FSH将由商业公司或国际合作伙伴负责交付，将为地球上的人们提供额外的就业岗位需求[1]。FSH的组成为：宇航员生活舱与货物舱、环境控制与生命支持系统、为其它系统传递电力、热控系统、提供月球表面的系统设备与Gateway环月轨道空间站的通讯、支持外部机器人活动和有效载荷的工作，以及太空行走航天服适应性设计或空气阀系统。

（17）月球表面电力系统

月球表面电力系统（LSP）（见图18）为支持整个月夜期间持续的探测活动提供电力供应，并能够为将来的载人火星探测所用。NASA正开发一个上限为10kW的模块化原子能电力系统，它将为载人着陆器、宇航员居住舱、在椭圆轨道持续运行的月球资源勘测系统提供电力，并有望成为将来美国载人火星探测任务的电力来源[18-19]。其主要特点为：月面设施取决于需要向着陆器传输的功率容量；电力供应水平取决于推进方式与能量转化策略；对美国载人月球探测和载人火星探测任务而言均需求迫切。

图17 月球表面基地

图18 月球表面电力系统

（18）月面技术创新激励

月面技术创新激励（LSII）是针对机器人和宇航员月球探测的技术综合提升项目，并为美国未来的载人火星探测做技术储备。通过LSII，NASA正在为克服过去在关键领域所遇到的技术难题进行关键技术攻关，它的实施将在NASA、公共机构与私有企业的共同合作下完成[3]。

LSII的主题包括：月球资源开发、月面原子能、极端地形进入、月表挖掘制造与基地建设、抗月尘技术以及极端环境。

5 先期试验测试

为保证Artemis月球探测计划的顺利实施，NASA开展了一系列先期试验测试，主要涉及太空发射系统和“猎户座”飞船的系统级和分系统级的重要试验。

太空发射系统的先期试验测试[20]包括：RS-25发动机试车、SLS助推器试车、SLS风洞试验、SLS声学测试、SLS结构试验、火箭核心级初次试车、SLS飞行软件和电子控制设备试验、发射系统试验（SLS发射工作台39B和可移动式发射架）、发射控制中心模拟试验。

“猎户座”飞船的先期试验测试包括：飞船落水试验、热防护罩试验[21]、群伞减速系统空投试验[22]、飞船水面扶正试验、飞船发射逃逸试验、服务舱结构试验[23]、服务舱推进系统试验、飞船结构试验、飞船热试验、飞船加电试验、飞船压力舱测试、乘员舱与服务舱总装试验、任务控制与飞行仿真规划联合试验、海上回收试验，与EDL技术相关的先期试验见图19。

图19 Artemis计划与EDL技术相关的先期试验

其中与EDL技术非常相关的先期试验测试有：飞船落水试验、热防护罩试验、群伞减速系统空投试验、飞船水面扶正试验、飞船发射逃逸试验、海上回收试验。

6 思考与启示

美国Artemis月球探测计划作为NASA未来十年在深空探测和载人航天方面的核心内容，其科学研究与技术发展策略、任务规划和关键系统对我们有以下启示：

1）未来10年应积极抢占载人月球探测的技术高地，创新驱动提升我国深空探测、载人航天的综合实力与科技水平；

2）重视NASA地月空间基础设施及月面基地的发展，警惕美国在地月空间的军事力量延伸与太空作战威胁，在推进我国载人登月工程的同时积极谋划构建我国的太空国防体系；

3）借鉴美国商业航天发展的成功经验，我国的航天院所作为主力军应重视军民融合、产业化应用及成本控制、月球资源勘探与利用等方面，并引导商业航天公司积极贡献力量，参与实施部分小型航天商业化服务项目。

7 结束语

在美国宇航员阿姆斯特朗首次登陆月球表面51年之后，NASA对外公布了美国Artemis月球探测计划，旨在运送美国宇航员重返月球，2024年前实现载人月球探测。通过在月球表面建造宇航员活动基地和在月球轨道部署环月空间站等科技设施和多项月球探测、深空探测任务的实施，维持其在宇航领域的技术优势，并为未来美国的载人火星探测奠定基础。

在中国即将实施月球取样返回无人探测任务的重要时刻，积极跟踪并认真分析NASA Artemis月球探测计划的详细情况和技术内容，有利于知己知彼，赶超先进水平。在“发展航天事业，建设航天强国”战略目标的指引下，希望本文能对我国未来的载人登月、深空探测工程相关的技术发展方向有所启发和借鉴。

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Introduction to NASA’s Artemis Lunar Exploration Program

WANG Liwu1,2GUO Dongwen3ZHANG Zhang1,2LYU Zhihui1,2ZHAO Miao1,2LIU Yu1,2

（1 Beijing Institute of space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China） （2 Laboratory of Aerospace Entry, Descent and Landing Technology, Beijing 100094, China） （3 China Manned Space Engineering Office, Beijing 100048, China）

An introduction to NASA’s lunar exploration program Artemis plan is presented in this paper. It includes Artemis science strategy analysis, lunar surface technology analysis, introduction of Artemis mission schedule and Artemis test readiness. Furthermore, Artemis core mission elements and actualization basis are summarized. In order to provide references for Chinese human lunar exploration and deep space exploration, thinking and enlightenment are also advised in this paper.

Artemis plan; lunar exploration; deep space exploration

V443+.5

A

1009-8518(2020)05-0001-12

10.3969/j.issn.1009-8518.2020.05.001

2020-10-15

王立武, 郭东文, 张章, 等. 美国宇航局Artemis月球探测计划简介[J]. 航天返回与遥感, 2020, 41(5): 1-12.

WANG Liwu, GUO Dongwen, ZHANG Zhang, et al. Introduction to NASA’s Artemis Lunar Exploration Program[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2020, 41(5): 1-12. (in Chinese)

王立武，男，1978年生，2013年获西北工业大学大学航空工程专业硕士学位，现在东南大学攻读博士学位，高级工程师。研究方向为航天器回收着陆技术。E-mail：wangliwujinjin@126.com。

（编辑：毛建杰）