利用重复使用地月转移级往返近地轨道空间站的载人月球探测飞行模式

王书廷高朝辉童科伟邓思超张 烽

(中国运载火箭技术研究院研究发展部，北京 100076)

1 引言

人类对于月球的探测始于二十世纪五十年代末，六七十年代迎来第一次高潮。对于载人登月，美国和苏联分别提出的阿波罗计划和N1-L3计划，采用的都是重型运载火箭及月球轨道一次交会对接的方式。在经历了1976～1994年月球探测宁静期后，1994年和1998年，美国成功发射了克莱门汀号和月球勘探者号月球探测器，奏响了人类重返月球的序曲。2004年美国宣布了星座计划，方案采取人货分离、近地轨道一次对接及环月轨道一次对接的飞行模式。2017年，美国提出了门户计划，计划利用在近月轨道建设的中转站，实现重返月球及后续的载人火星探测目标。2019年，美国公布阿尔忒弥斯计划，目标是在2024年前将航天员送往月球并返回，并建立常态化驻留机制，为未来的火星载人登陆任务奠定基础。纵观世界各国月球探测计划，与初期的月球探测相比较，载人重返月球，建立月球基地的目标更明确，规模更宏大，参与国家更多。

中国已通过载人航天工程实现了航天员出舱行走、在轨对接、在轨物资补给和推进剂加注等，还将于2022年前后完成空间站的建造。可利用空间站作为近地空间的母港，为载人月球探测飞行器提供出发和返回基地，期间探月飞行器系统可利用空间站进行在轨组装、推进剂补加、检查和测试、航天员驻留休整等工作。

对于基于近地轨道空间站开展载人月球探测，彭祺擘等利用双二体模型对从近地轨道空间站出发的飞行器奔月轨道做出设计；彭坤等对基于近地轨道空间站与其他多种地月空间不同轨道空间站的载人登月飞行模式的优劣进行了定量评价和比较。这些研究仅对任务模式和相关轨道进行了分析，并未明确给出提供地月往返转移速度增量的飞行器方案，也并未考虑相关的经济性问题等。

本文在借鉴以上成果的基础上，首次提出利用重复使用地月转移级往返近地轨道空间站进行载人月球探测的任务模式，在给出全流程任务模式和分析任务往返的轨道和窗口的基础上，设计多种可重复使用地月转移级构型方案，提出一种评价方法进行定量对比分析，给出2种构型作为未来可重复使用地月转移级构型的较优选择方案。

2 任务模式分析

除发射货运飞船运输在轨加注推进剂和补给物资外，利用重复使用地月转移级往返近地轨道空间站的载人月球探测任务包括运载火箭、地月转移级、登月舱、载人飞船共4类飞行器。

4类飞行器的分工为:由运载火箭完成飞行器的近地轨道运输；由地月转移级完成近地轨道-地月转移轨道-环月轨道以及返回过程的轨道转移和中途修正；由登月舱完成落月制动和月面起飞；由载人飞船完成航天员的近地离轨再入返回。

本文提出2种基本任务模式，主要区别在于负责地月轨道往返并重复使用的转移飞行器是否载人:①地月转移级载人状态下，称为载人地月转移级，载人飞船负责地球与空间站间的航天员往返运输，第一宇宙速度再入；②地月转移级非载人状态下，称为不载人地月转移级，载人飞船在地月往返期间也为航天员提供生活环境，第二宇宙速度再入。

2.1 模式一:载人地月转移级进行地月往返运输模式

如图1所示，载人地月转移级、登月舱可通过空间站进行在轨检测和组装形成联合体进行奔月，载人飞船在空间站上停泊等待；探月后载人地月转移级返回近地轨道与空间站再次对接，利用空间站进行在轨加注，实现重复使用，载人飞船完成航天员从空间站的离轨再入地球大气返回。

图1 利用载人地月转移级往返近地轨道空间站的载人月球探测飞行任务过程Fig.1 Manned lunar exploration mission process using the manned reusable Earth-Moon transfer stage departing from and returning back to the LEO space station

根据载人地月转移级是否分级，可将其设计为一级或多级状态，一级状态的载人地月转移级，奔月出发和月地返回加速后，整体往返和重复使用；二级状态，奔月出发加速后，抛掉第一级，载人的第二级进行返回重复使用；三级状态，奔月出发加速后，抛掉第一级，月地返回加速后，抛掉第二级，载人的第三级进行返回重复使用。

2.2 模式二:不载人地月转移级进行地月往返运输模式

如图2所示，不载人地月转移级、登月舱、载人飞船通过空间站进行在轨组装形成联合体进行奔月；不载人地月转移级和载人飞船的联合体返回近地轨道并分离，不载人地月转移级与空间站再次对接，利用空间站进行在轨加注，实现重复使用，载人飞船完成航天员的第二宇宙速度再入地球大气返回。同样，根据不载人地月转移级是否分级，可将其设计为一级或多级状态。

图2 利用不载人地月转移级往返近地轨道空间站的载人月球探测飞行任务过程(不载人一级状态)Fig.2 Manned lunar exploration mission process using the unmanned reusable Earth-Moon transfer stage departing from and returning back to the LEO space station(one-stage status of unmanned Earth-Moon transfer)

2.3 模式对比

采用以上载人月球任务模式，具备一定的优点，包括:

1)充分利用空间站的空间、位置优势，可使航天员探月前适应太空环境和返回地球前近地休整等；

2)结合在轨加注技术的应用，可以实现地月转移级的长期在轨重复使用，后期任务一次入轨的有效载荷质量较小，降低对运载火箭的需求，对于长远多次的月球探测也具有很好的经济性。

同时，相对于直接往返载人月球探测模式也有一定的缺点:

1)由于空间站运行于固定的轨道上，从空间站出发时和从月球返回空间站时，存在较为严格的发射窗口要求；

2)为了避免异面返回，在月面容许的停留时间也受到限制，存在严格的轨道面共面约束以及进入大气层的角度约束，工程控制难度大；

3)由于去、返都需要增加交会对接过程，会带来由此引发的可靠性问题，以及由此带来的控制、测控的复杂性。

3 基于近地轨道空间站进行载人月球探测的轨道分析

在已知地球停泊轨道和需要到达的环月轨道前提下，通过选择合适的设计参数，设计和优化出一条或几条飞行轨道，使其满足转移轨道两端的约束条件。取空间站轨道高度400 km，空间站的轨道倾角为42°，基于双二体假设圆锥曲线拼接法，固定出发轨道倾角为约束值，通过仿真实验，对满足约束的自由返回轨道参数特性做出了分析，如图3～5所示，得到地月转移级在月度(28天)内至少存在3次转移窗口，这主要是由空间站轨道的运动，特别是地球扁率摄动引起的，而传统地月轨道在近地轨道停泊期间每圈均可能存在发射窗口；地月转移级需要提供的转移轨道速度增量在3.2 km/s量级，且随飞行时间增加逐渐减小；自由返回轨道对到达月球的落月点存在一定限制，无法全月面到达，在本算例中只能到达±10°的纬度范围内。

图3 地月转移出发时刻与飞行时间关系Fig.3 Relationship between departure time and flight duration of earth to moon transfer

返回过程基于双二体假设圆锥曲线拼接法，分析得到地月转移级在月度(28天)内至少存在3次从环月轨道返回空间站的转移窗口，如图6所示。

4 地月转移级多构型对比分析和方案设计

4.1 地月转移级各方案对比分析

图4 地月转移飞行时间与出发速度增量关系Fig.4 Relationship between flight time and velocity increment of earth to moon transfer

图5 到达月球轨道星下点轨迹经纬度Fig.5 Longitude and latitude for the ground track of accessible moon orbit

图6 月地转移出发时刻与飞行时间关系Fig.6 Relationship between departure time and flight duration of moon to earth transfer

针对2种任务模式下，地月转移级采用一级、二级、三级状态，推进剂采用常规推进剂、液氧甲烷、液氢液氧3种推进剂，返回空间站采用推进系统制动或大气减速方法，共36种地月转移级方案进行了规模估算分析。每种方案编号规则见表1。

表1 地月转移级方案编号表Table 1 The number table of the Earth-Moon transfer stage schemes

从以下5个方面分别评价各方案技术难度和应用可实现性，给出推荐指数数字表征:

1)一次性发射入轨可行性(小0/大1)；

2)在轨组装或重复使用时在轨加注易实现性(小0/中1/大2)；

3)长期在轨推进剂管理和加注易实现性(小(液氢液氧)0/中(液氧)1/大(常规)2)；

4)重复使用难度(大0/小1)；

5)重复使用效益(小0/稍小0.5/中1/稍大1.5/大2)。

根据分析出的36种地月转移级方案参数，计算以上评价指标，得出的推荐指数1)～4)项总和作为技术难度评价指标，以高/中/低表征，0～2技术难度高，3～4技术难度中等，5～6技术难度低；计算1)～5)项总和，作为推荐指数数字表征，见表2。

表2 各构型地月转移级方案推荐指数统计表Table 2 The recommended index statistics table of the Earth-Moon transfer stage schemes

依据统计结果:在模式一下，构型13＃，即采用动力系统制动返回常规推进剂三级方案得分较高，为6分；在模式二下，多项构型得分都为最高5分，综合比较认为构型23＃可重复使用性较好，即采用大气减速制动返回液氧甲烷推进剂单级方案。即以构型13＃和23＃作为推荐方案，并进行方案设计。

4.2 构型13＃载人地月转移级方案

构型13＃载人地月转移级采用常规推进剂四氧化二氮和偏二甲肼，是三级构型，采用推进系统进行近地轨道制动返回空间站。总质量为113 t，加注推进剂加注量为103.81 t，构型如图7所示，总长约为18.4 m，最大直径约为7 m，各级贮箱采用并联布局。主要由动力系统、结构与机构系统、电气系统、热控系统、环控生保系统等组成。

图7 构型13＃载人地月转移级构型图Fig.7 Configuration 13＃of the reusable manned Earth-Moon transfer stage

4.3 构型23＃不载人地月转移级方案

构型23＃不载人地月转移级采用液氧甲烷作为推进剂，是一级构型，利用大气减速进行近地轨道制动返回空间站。总质量为58.56 t，推进剂加注量49.80 t。采用锥体构型，如图8所示，最大直径约为7 m，全长约为5.8 m，4个液氧贮箱直径各为2.0 m，甲烷贮箱直径为4.0 m。主要由推进剂贮存与管理系统、动力系统、结构与机构系统、电气系统、热控系统等组成。

图8 构型23＃不载人地月转移级构型图Fig.8 Configuration 23＃of the reusable unmanned Earth-Moon transfer stage

5 成本分析

参考文献[12]，建立地月转移级的全任务周期成本计算模型和给出参数设置假设，开展成本分析。一次性使用的地月转移级，全任务周期成本

P

可估算如式(1):

其中

C

为地月转移级成本，取为5亿元，

n

为任务次数。基于动力系统近地制动的地月转移级，全任务周期成本

P

可估算如式(2):

其中，

k

为基于推进剂的可重复使用地月转移级成本与一次性地月转移级成本的比例系数，取1.5；

k

为维修成本与地月转移级成本的比例系数，取0.08；

k

为推进剂成本与地月转移级成本的比例系数，取0.1。基于大气减速近地制动的地月转移级全任务周期成本

P

可估算如式(3):

其中，

k

为基于大气减速的可重复使用地月转移级成本与一次性地月转移级成本的比例系数，取1.8；

k

为维修成本与地月转移级成本的比例系数，取0.08；

k

为烧蚀成本与地月转移级成本的比例系数，取0.15。

采用一次性、推进剂可重复使用和大气减速可重复使用地月转移级全周期成本随着执行任务次数的变化趋势如图9所示。

图9 地月转移级多次执行任务后全周期成本变化曲线Fig.9 The change curve for the whole cycle cost of Earth-Moon transfer stages after multiple tasks

从图9可以看出，执行单次探测任务的地月转移级可重复使用方案成本较高，当任务超过2次后，可重复使用方案将具有更低的成本，且基于推进剂的可重复使用方案全任务周期成本略低于基于大气减速的可重复使用方案。即从任务成本角度出发，对于长期多次载人月球探测任务而言，采用可重复使用地月转移级方案将具有更低的任务成本。

6 结论

综合以上研究成果，基于近地轨道空间站开展载人月球探测的飞行模式具有一定的优点，如航天员可以提前适应太空环境，采用重复使用的地月轨道转移级可降低任务成本等；同时也有受空间站轨道限制，减少了地月转移窗口和对落月点有一定限制等缺点；在未来大规模开展月球开发，进行多次往返载人月球探测任务中应用具有一定意义。