载人探月任务中月基抛射探测概念研究

杜宇 马继楠 王位 朱谦 刘宇明 文闻 孙玉成

(1 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)(2 中国人民解放军海军工程大学，武汉 430033)(3 北京空间机电研究所，北京 100094)(4 北京卫星环境工程研究所，北京 100029)(5 北京控制工程研究所，北京 100094)(6 中国空间技术研究院，北京 100094)

航天员在月面工作，将面临月面恶劣复杂环境带来的挑战，导致探测范围受较大约束。航天员在月面工作时间非常宝贵，如何提高航天员的探测效率，在有效的时间内尽量实现更大范围的探测，同时降低航天员的风险是未来载人探月任务需要解决的问题。采用无人探测器作为航天员探测的辅助手段，有望有效解决这一问题。月球表面近似为真空环境，且重力加速度约为地球的1/6，采用抛射方式远距离输送无人探侧器是一种可能的技术途径。通过这种方式，航天员可以快速对周边探测区域进行远距离探查，可以对航天员难以到达的恶劣环境(如永久阴影区等)进行定点探查，也可以针对不同区域发射多个无人探测器，实现大范围整体多点探查，是扩展航天员在月面工作能力和探查范围的有效探测手段。

本文对基于月基抛射的载人探月任务进行了初步分析，提出了基于电磁发射、高压气体发射和化学推力器助推的3种月基抛射装置，进行了对比分析；调研分析了球形探测器和弹丸形探测器两种适合抛射的轻小型无人探测器，并对两种探测器的高速着陆撞击防护技术进行了分析。

1 任务场景描述

抛射装置可由航天员携带，将无人探测器抛射到指定区域，在中继星的支持下，与无人探测器进行测控通信，并传送探测数据，如图1所示。无人探测器可携带小型蓄电池或燃料电池，支持任务期间的能源供给。此外，探测器可携带轻小型载荷，对目标区域进行探测，如对永久阴影区进行探测，可携带水分子分析仪，对于穿透探测器，可携带研究月表成分的相关载荷等。

图1 航天员利用月基抛射装置抛射无人探测器示意图

月基抛射无人探测器可适用于以下场景：

1)场景一(探测航天员难以到达的区域)

月球表面环境复杂恶劣，航天员受限于自身的行动能力而无法到达，如环形山顶、撞击坑底或巨大遮挡物后。采用月基抛射无人探测器的方式，可有效地让探测器携带有效载荷在短时间内，以极小的代价对目标区域实施精确探测，扩大了航天员的探测区域，同时也提高了探测效率，降低了航天员的安全风险。

2)场景二(向航天员运送仪器设备或补给品)

航天员受限于自身行动力和补给需求，无法实现长时间、远距离的探测，也无法携带更多的仪器设备。月基抛射装置，可将由防护撞击外壳包裹的小型仪器设备如蓄电池、月震仪、必要的工具等，精确抛射至航天员所在区域，同时也可为航天员进行补给，保证航天员的活动范围和活动时间。

3)场景三(构建月面无线通信网络并提供着陆导引信息)

可以月球基地为中心，向周围辐射状抛射携带无线通信节点的小型探测器，各节点相互通信，月球基地作为控制中枢，构成月面无线通信网络。可为正在执行任务的航天员或巡视器提供实时通讯和位置坐标等信息。同时每个节点还可安装信号发生器，作为着陆器着陆月面的信标导引，如图2所示。

图2 月面无线通信网络示意图Fig.2 Schematic of wifi network on lunar surface

为实现以上任务场景的工作，抛射装置和探测器应具有轻小型可重复使用的能力，便于航天员携带和操作，以便辅助航天员完成探测任务。初步技术指标为探测器质量约10 kg量级，在月球环境下抛射距离不小于10 km，工质可重复循环使用。基于以上任务场景和初步指标要求，下文将围绕月基抛射装置和轻小型无人探测器开展需求分析。

2 月基抛射装置分析

月面抛射装置的根本需求是将无人探测器根据航天员设定的抛射仰角、方位角和所需的初始速度抛射出去，能够适应月面复杂的工作环境，包括适应复杂地形能力，相对于月表当地天东北坐标系的抛射仰角和方位角设定能力，抛射装置自身能源供给和热控防护能力，对无人探测器的长期存储维护能力，探测数据接收和对无人探测器控制能力，可承受抛射过程所造成力学环境和月尘激扬影响等。此外，还要求月基抛射装置可以在月面低成本快速重复使用，可以携带多个探测器。

月基抛射首先需要被运送到月面上去，且在月面质量和体积规模尽可能小，航天员对月基抛射装置可实现便捷的月面移动运输，实现对所关心的热点区域开展探测，这就需要月基抛射装置体积小、质量轻、可模块化组装、具备月面移动运输功能等，可实现航天员单人移动运输和抛射操作。经初步分析，月基抛射装置可采用电磁发射、高压气体发射和化学推力器助推抛射等技术途径。

2.1 电磁发射装置

电磁发射技术是一种将物体加速至指定速度的新型发射技术，它采用电磁推力作为驱动力，通过对电压、电流和发射位置的精确控制，将电磁能转化为动能，实现发射速度和推力的精确控制，可以满足飞机、导弹、火箭、航天器等各种物体的发射要求[1]。电磁发射技术近年来的研究主要集中于航母飞机电磁弹射、舰载无人机、鱼雷发射、舰载导弹垂直发射，电磁轨道炮等方面。同时，在天基战略防御拦截、航天发射、空间轨道转移、民用轨道交通运输等方面也进行了大量的研究[2]。国内海军工程大学的马伟明院士团队在舰载电磁弹射装置、电磁轨道炮等领域取得了大量成果[3]。

适用于月基抛射任务的电磁抛射系统主要由储能装置、电能变换装置、抛射装置、顶层控制装置等4部分组成，电磁抛射系统基本框图如图3所示。

图3 电磁抛射系统组成原理框图Fig.3 Schematic of electromagnetic projectile system

(1)储能装置位于电磁抛射系统能量链的最前端，是整个抛射系统的能量来源。其主要功能是储存抛射所需能量，具备瞬时大功率放电的能力，在抛射过程中，储能装置储存的能量瞬间输出至抛射负载，在抛射前，电源的电能长时间、小功率储存至储能装置。根据系统的电压、电流和功率需求，可以考虑采用超级电容储能方案或者电源直接供电方案。

(2)电能变换装置的主要功能是将储能装置输出的电能变换为频率和幅值协调变化的交流电供给抛射装置，实现探测器按照预定的轨迹运行。电能变换装置主要包括逆变器等电力电子装置组成。根据电磁抛射系统总体方案设计确定技术指标，计算出器件的边界条件。在保证装置功能性、可靠性的前提下，借鉴国内外已有的脉冲电力电子结构设计方案，结合电磁抛射这个特殊的应用对象，对电能变换装置的功率单元在综合考虑多方面因素的基础上进行优化和模块化设计；同时根据电磁抛射系统的特点，优化能量使用及分配的控制策略。

(3)抛射装置是电磁抛射系统的执行机构，将电能变换装置输出的电能转变为最终探测器的动能。根据探测器电磁抛射系统的功能需求，抛射装置采用感应式电机方案，保证装置可靠性，并减小装置的体积、质量和损耗，合理设计定子和动子的结构。

(4)顶层控制装置主要有两类功能：一是协调系统各个设备，实现抛射过程中的控制及维护测试功能；二是实现系统的状态监测及故障诊断功能。因此从功能上，该顶层控制装置网络可独立划分为控制网和监测网。

电磁发射装置工作过程如下：抛射前，储能装置从电源上以小功率获取并储存能量，为抛射过程所需的脉冲能量做准备。抛射时，储能装置瞬间释放大功率电能至电能变换器，通过电能变换装置将储能装置输出的能量变换成合适的电压、电流输送至抛射装置转化为动能，推动抛射装置加速至所需的速度。电磁抛射装置通过输入预设的抛射要求，实时检测抛射装置运动轨迹，通过控制算法实时控制电能变换装置输出的电压、电流，从而实现弹射器抛射的精确控制。

2.2 高压气体发射装置

随着气动发射技术的发展，出现了各种利用高压气体进行发射的气动枪械或发射装置。这些装置基本上都是利用高压空气、二氧化碳或氮气等气体在弹膛内膨胀做功，推动弹丸或相关物体沿喷管实现定向发射。1946年，美国人研制出第一门利用轻质气体(氢气、氦气或氮气)作为发射气体的轻气炮，弹丸在承受较低的加速度和较小应力的情况下，获得高弹速，已成为非常有效和实用的高速试验设备[4]。氮气弹射装置是以高压氮气作为弹射动力的机载导弹弹射装置，一般情况下，它由氮气室、开关阀、调节阀、挂钩解锁机构和前、后活塞作动筒等组成。利用高压氮气推动活塞运动，带动相关机构运动，释放导弹吊挂，再由活塞将导弹推离载机。近年来，美国的国际救生设备公司(Rescue Solutions International，Inc)也采用高压气体抛射研发了ResQmax远程救生抛绳器[5]；它采用高压气体为动力发射锚弹，抛射引绳，具有抛射距离远、安全性高、性能良好的优点。国内方面，哈尔滨工程大学等单位，对气动发射装置也开展了多年技术研究，取得了一定的成果。

针对本任务的高压气体发射装置由工质储箱、活塞、发射管组成，如图4所示。该装置工质的选取应尽量满足以下条件：①不需要额外加热，即可实现工质气液转换；②工质易于在月面获取；③安全可靠。基于以上原则，可初步选取氧气、甲烷或二氧化碳作为高压气体发射装置的工质。储箱需存储高压气体，初步选取具有较高强度和良好塑性韧性的低合金钢。

高压气体发射装置工作过程如下：储箱内装有液态气体，液态气体可由加料阀门加注到储箱内。储箱与发射管利用电磁阀门连接。在电磁阀门上，有运动活塞，活塞上放置探测器。发射管上边缘有聚四氟乙烯橡胶限位拴用来阻断活塞。当处于月昼时，储箱内液态气体气化，待液体全部气化后，储箱内形成高压气体。打开电磁阀门，高压气体推动活塞运动。当活塞运动到发射管顶部，活塞被限位拴挡住停止运动，放置在活塞的探测器脱离活塞，抛射出去。利用帆布遮住高压气体发射装置，营造低温环境，或者进入月夜，自然产生低温环境。高压气体降温，并液化，重新流入储箱内。关闭电磁阀门，活塞由于受重力作用，再次滑落到发射管底端。

图4 高压气体发射器示意图Fig.4 Schematic of high pressure gas emitters

2.3 化学推力器助推抛射装置

使用化学推力器对探测器进行一段行程的助推，也可实现月基抛射任务。化学推力方式主要分为固体发动机推进和液体发动机推进；液体发动机系统需要使用贮箱管路阀门等组件，系统较为复杂，适用于重载荷大推力的使用场景；而固体发动机结构简单可靠、成本低，更适合在月面上抛射小型探测器。小质量级的固体发动机推进方式已在20世纪90年代服役的第4代 “先进中距空空导弹”(AIM-120)上得到了应用[6]。国内方面，中国航天科技集团有限公司下属的中国空间技术研究院等多家单位也开展了空间探测器的推力器研制工作，类型覆盖了固体火箭发动机、液体发动机等，技术较为成熟。

适用于月球表面的推力助推抛射系统应该具备抛射角度调节功能、探测器推力助推功能、推力助推器/探测器回收功能、推力助推器重复使用功能、发射支架便携收纳功能等功能，因此系统由可折式发射支架、推力助推器、回收装置等几部分组成，如图5所示。推力助推器是月基抛射推力助推装置核心部分，与月基探测器有安装接口，接受抛射信号后点火工作，为探测器提供一定时间的持续推力，将探测器加速到一定速度后，在月球表面将一定质量的探测器抛射出去，并在空中实现与探测器的分离，保证探测器抛至所需距离。工作后能够被回收装置收回并能够进行简单重新装药和配件更换后重复使用。发射支架是整个推力助推月基抛射装置的安装底座，为推力助推器发射提供支撑及发射通道，能够调节助推器发射角度，为回收装置和控制电源提供安装接口，不使用时能够折叠收纳便于航天员携带，使用时能够展开并形成固定支撑，能够固定在月面上。回收装置固定在发射支架上，通过系绳连接推力器，推力器接受抛射信号并发射后，回收装置释放系绳，不对推力器-探测器发射过程造成影响；推力器工作完成后能够拖拽推力器降低推力器飞行速度并落下，之后能够自动牵卷系绳实现推力器/探测器回收。

化学推力器助推发射装置工作过程如下：航天员触发抛射装置，推力器点火器接受点火信号点火，点燃药柱产生推力使推力器向前运动，并推动探测器抛出，点火器和电源通过分离插头连接，运动过程中通过推力器推力将分离插头拽开从而完成电源分离，推力器持续工作推动探测器获得飞行速度，推力器产生持续推力推动探测器飞行一段时间后自由抛坠至待探测目的地区域。

图5 推力助推抛射装置示意图Fig.5 Schematic of thrust boost launchers

2.4 3种抛射方式对比

通过分析比较，电磁发射方式、高压气体发射方式和化学推力器助推抛射方式作为月基抛射装置的技术途径各有优缺点，见表1。

表1 不同抛射技术途径分析比较

电磁发射方式适用于能源充足的月球基地，航天员可通过模式化的操作，控制电磁抛射装置，抛射距离更远，精度更高，在能源的支持下，理论上可无限次的重复使用，但抛射装置质量比较大，航天员较难实现携带操作。相比于电磁发射装置，高压气体发射装置和推力器助推抛射装置将更为轻便，更适于航天员携带，但由于需额外携带工质，因此发射次数有限，比较适于航天员离开基地，在周边开展探测任务的时候使用。3种方式特点明晰，适用于不同任务形式，航天员可根据任务特点进行选取。

3 抛射无人探测器分析

月面抛射无人探测器的基本需求是根据航天员探测需求配置不同的有效载荷，能够适应抛射过程和着陆冲击过程的高过载和撞击力学特性，具备不同距离范围内的有效探测、数据传输/存储和月面环境生存的能力，可以在月面重复使用。具体需求包括以下几个方面。

1)探测目标及对应的有效载荷和探测方式

探测目标是决定无人探测器有效载荷、工作过程、功能和性能的主要设计依据，不同的探测对象和区域，对无人探测器设计影响较大。结合我国探月工程所取得的实际经验和我国月球探测后续任务的规划情况，初步梳理月基抛射无人探测器的探测需求包括环境探测和资源勘查两个方向：①可通过图像或视频以及温度等设备，实现对目标区域的环境探测，或利用目标区域有利位置开展月基天文、对地、对月监测等；②开展以极区矿产资源、水资源与月壤中稀有气体资源为代表的月球资源详查。因此，抛射无人探测器根据不同的需求，需要具备撞击月面后停留在月表探测和进入月壤穿透探测两种能力，且均可实现实时探测数据传输和存储功能。

2)承受抛射过程和高速着陆撞击的力学环境

抛射无人探测器需辅助航天员实现较大范围的探测任务，因此抛射装置会提供给无人探测器较大的初速度，这要求无人探测器要经受住在抛射过程和最后的月面高速着陆撞击的力学环境而不损坏，对探测器结构和内部电子设备提出了抗高过载、防冲击和可重复使用的需求。

3)适应被探测区域的特殊环境

月基抛射无人探测器需要具备一定的月面生存能力，可以适应目标区域的特殊环境，包括光照条件、地形地貌、温度环境、测控通信遮挡情况等，对月尘、空间环境等影响因素进行分析与设计并采取应对措施。

适用于月基抛射的轻小型无人探测器从外型上可分为球形探测器和弹丸形探测器两大类。球形探测器更有利于撞击防护缓冲，可对月表进行图像勘察等任务；弹丸形探测器可钻入月壤，获取月球次表层的月壤特性数据。

3.1 球形探测器

表面滚动球形探测器的研究已经开展了十几年，从芬兰赫尔辛基科技大学的Halme教授[7]1996年研制的第1个具有圆球外壳的球形探测器起，国内外的许多学者相继提出了许多不同的球形探测器结构[8]。麻省理工大学的Christopher Batten和David Wentzlaff 以澳大利亚的仓鼠球为原型研制了KickBot自主运动球形探测器[9]。探测器有两个驱动电机，电机轴分别与左右两部分外壳直接连接，通过外壳的差速运动转向。探测器两侧分别装有红外线测距传感器，中间装有摄像头，帮助探测器感知身边的环境信息，KickBot可以通过自身的传感器系统实现自主式寻人、避障等运动。美国国防局研制了双半球式球形探测器(Subot)[10]，这款球形探测器的特点是其内部安装了可伸缩的足式机构，可以帮助探测器越过一定高度的障碍；当探测器需要静止在某一位置时，足式机构可以伸到球壳外起到支撑作用，保持探测器姿态稳定。2003年，NASA创造性的提出了一种名为WindsPheres的球形探测器[11]。该探测器是为火星探测设计的一款探测器，其设计思想来源于蒲公英，设计概念如图6所示。由于火星上具有相当强的气流运动，该探测器依靠风力驱动行走。这种以自然资源进行驱动的方式是球形探测器能源问题的一次革新。

图6 NASA设计的WindSpheres球形探测器Fig.6 WindSpheres designed by NASA

球形探测器的研究在国内还是一个较新的概念，但也有一些单位和学者开始了这方面的探索。北京邮电大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等院校都在球形探测器研究方面取得了一定的研究成果。

球形探测器在月球表面探测时，可以通过驱动控制使其在月球表面一定范围内移动。探测器基本构型为球形，由上球冠、赤道环、下球冠3部分组成，如图7所示。上球冠主要标贴太阳能电池片，赤道环主要布置相应的科学测量设备，下球冠内主要安装电源、电子设备等。探测器具备能源供给、热控、通信、数管等功能。

图7 球形监视探测器示意图Fig.7 Schematic of spherical surveillance probes

3.2 弹丸形探测器

弹丸形探测器主要用于地外天体表面撞击任务。俄罗斯的MARS 96任务和美国的深空2号任务均搭载了弹丸形穿透器，但两次任务均在穿透器任务实施前就宣告失败。英国研制了“月光”(Moonlite)月球撞击穿透器[12]，如图8所示。Moonlite任务计划携带4个撞击穿透器，每个质量约13 kg；撞击速度约为350 m/s，攻角小于8°；穿透深度2～5 m，适合灵敏的地震仪工作，并且热稳定环境适合热流测量；采用UHF通信，工作时间为一年。此外ESA还论证了木卫二撞击穿透器，计划搭载在美国2022年发射的木卫二探测器上。

图8 “月光”月球撞击穿透器地面试验产品Fig.8 Ground test products of Moonlite

弹丸形探测器需要利用一定速度，挤压行星土壤进行侵彻，外形采用细长柱体、探测器采用尖端头部，类似导弹、炮弹等武器外形。弹丸形探测器包括外层结构和内部设备舱两部分组成。为了降低穿透冲击对设备的影响，外层结构可选择钛合金或钢以保证强度，减少穿透冲击对结构的破坏，保证穿透后整器结构的完整性。内部设备舱采用独立结构支撑，并采用缓冲材料进行填充，保证在穿透过程中尽可能降低对着陆后工作设备的过载和冲击影响，实现撞击穿透后正常工作。为了以最小代价保证舱内温度，可以将仪器设备舱设计为真空舱体，减少热辐射和热传导。整个弹丸形探测器初步外形设计如图9所示，系统内部组成如图10所示。

图9 弹丸形探测器示意图Fig.9 Schematic of a projectile probe

图10 弹丸形探测器系统组成图Fig.10 System composition diagram of a projectile probe

4 高速着陆撞击防护分析

目前，国内外在高速碰撞防护领域的研究大多集中在“被动式”能量吸收装置，其特点是防护结构参数一旦确定，碰撞能量吸收能力和工作载荷就确定，当碰撞条件发生改变，其防护结构的能量吸收效果就会发生显著变化。因此，基于月壤复杂多变的着陆特性，月面无人探测器高速着陆碰撞时，期望能够通过碰撞防护技术的研究，使得其在碰撞能量吸收时对着陆碰撞条件具有一定的适应性，并根据碰撞冲击能量的大小调整能量吸收能力，保证以最优方式吸收冲击能量，达到保护月面无人探测器的目的。因此在确定无人探测器月面高速着陆碰撞防护总体方案前，首先要确定无人探测器的碰撞防护外形、能量吸收结构参数及着陆点的目标特性。针对本文提出的两种探测器，初步提出相应的撞击防护方案。

1)球形探测器撞击防护方案

球形探测器的碰撞防护系统主要由圆环碰撞防护结构、多层阻尼防护体、透明探测孔防护盖等组成，如图11所示。圆环碰撞防护结构主要起到碰撞塑变形成塑性铰，进而耗散大量碰撞能量的作用。多层阻尼防护体主要作用是辅助圆环碰撞防护结构进行剩余碰撞能量的吸收和耗散。透明探测孔防护盖的主要作用对探测器探头在飞行或着陆碰撞过程中进行保护。

图11 球形探测器撞击防护方案示意图Fig.11 Schematic of spherical probe collision protection scheme

球形探测器的圆环碰撞防护结构采用渐进叠缩变形模式，将薄壁管件进行逐层分区热处理，使各层的强度和硬度不同，从外到里进行软硬层区分布。在受到轴向撞击时，最外层软区最先吸收能量而发生变形，然后是相邻的次软层吸能变形，因此易形成渐进叠缩变形模式。

球形探测器的圆环碰撞防护结构材料初步拟采用有良好成形性能和塑性变形能力的高强度合金钢(HC260LA)，其屈服强度为260～330 MPa，拉伸强度为350～430 MPa，断裂延伸率不小于26%。

相比传统薄壁吸能管件，变强度薄壁管件具有结构简单、制造成本低、吸能效果好等特点。

2)弹丸形探测器撞击防护方案

弹丸形探测器高速着陆碰撞防护系统采用着陆碰撞侵彻防护外形，防护结构与探测器一体化设计，探测器装填在防护结构体内，如图12所示。此方案主要由带预制削弱槽的预制防护卵形头、二级防护卵形头、过载防护结构体等组成。带预制削弱槽的预制防护卵形头主要作用是在探测器碰撞着陆时，通过预制防护卵形头的破裂分离，从而吸收大量的碰撞冲击能量。二级防护卵形头起到对探测器侵彻钻地防护的作用，其尾端花瓣槽式设计在增大着陆碰撞侵彻阻力的同时，可具有导向性的控制侵彻轨迹的作用，从而为侵彻钻地深度控制及月壤软土层着陆跳弹轨道控制，提供有力的技术支持。

图12 弹丸形探测器撞击防护方案示意图Fig.12 Schematic of projectile probe collision protection scheme

5 结束语

本文提出了一种基于月基抛射的新型载人探月任务概念构想。调研分析了基于电磁、高压气体和化学助推3种方式的抛射装置，以及球形探测器和弹丸形探测器两种轻小型无人探测器，并分析了两种探测器的初步着陆撞击防护方案。月基抛射无人探测器的概念可应用于未来的载人登月任务，辅助航天员开展月面探测，可大幅提升航天员的探测范围与效率，并降低风险。该项任务还处在概念研究阶段，月面的特殊环境毕竟给抛射方案带来一定的不确定性影响，很多关键技术和设计环节成熟度还较低，后续还需开展更深入的研究。