何湘粵,李海陽(yáng)*,楊路易,黃海兵

(1.國(guó)防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院,長(zhǎng)沙410073；2.長(zhǎng)沙翔宇信息科技有限公司,長(zhǎng)沙410205)

1 引言

月球作為距離地球最近的天體,是人類(lèi)開(kāi)展太空探測(cè)和資源利用的首選目標(biāo)[1-2]。20世紀(jì)以來(lái),美國(guó)和蘇聯(lián)開(kāi)展了大量月球探測(cè)活動(dòng)。美國(guó)先后發(fā)射了“先鋒”、“艾布爾”、“徘徊者”、“勘測(cè)者”、“月球軌道器”、“探險(xiǎn)者”、“阿波羅”7 個(gè)系列以及“克萊門(mén)汀”、“月球勘探者”共56個(gè)月球探測(cè)器,成功率為66%；蘇聯(lián)發(fā)射了“月球號(hào)”、“探測(cè)號(hào)”、“宇宙號(hào)”、“聯(lián)盟號(hào)”等系列共64個(gè)月球探測(cè)器,成功率為32.8%[2-4]。進(jìn)入21世紀(jì)后,世界各航天大國(guó)實(shí)施了多項(xiàng)月球探測(cè)活動(dòng),月球再次成為太空探測(cè)的熱點(diǎn)[4]。

到目前為止,唯一成功的載人登月任務(wù)是美國(guó)的阿波羅計(jì)劃[5]。阿波羅工程開(kāi)始于1961年5月,于1969年7月Apollo 11號(hào)首次實(shí)現(xiàn)載人登月；到1972年12月,共發(fā)射了7艘登月飛船,除Apollo 13號(hào)外,其余6次均獲得成功[6-9]。Apollo 11號(hào)飛船總重45 130 kg,由指令艙、服務(wù)艙和登月艙3部分組成,通過(guò)土星5號(hào)運(yùn)載火箭1次發(fā)射進(jìn)入奔月軌道[1]。

我國(guó)于2004年啟動(dòng)了“嫦娥”工程。工程以無(wú)人探測(cè)為主,規(guī)劃分三期實(shí)施,分別實(shí)現(xiàn)繞月探測(cè)、月面軟著陸與月面巡視勘察、月面巡視勘察與自動(dòng)采樣返回地球,簡(jiǎn)稱(chēng)為“繞”、“落”、“回”3步走,目前已經(jīng)完成繞月飛行探測(cè)以及著陸器月面巡視勘察等任務(wù)[10-11]。探月返回方面,探月三期月地高速再入返回飛行器是我國(guó)首個(gè)探月返回飛行器,也是我國(guó)首次采用跳躍式再入方式返回地面的飛行器,其成功為之后的月球自動(dòng)采樣返回任務(wù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[12]。

按照嫦娥工程規(guī)劃,下階段將要完成采樣返回。進(jìn)一步需要完成載人登月,建立月球科學(xué)試驗(yàn)基地等工程任務(wù),屆時(shí)將需要開(kāi)展大批量的人員月地往返運(yùn)輸任務(wù),對(duì)于載人月面著陸與上升飛行器的需求十分迫切。目前我國(guó)正在進(jìn)行載人登月和載人深空探測(cè)工程論證,現(xiàn)有飛行器難以滿(mǎn)足載人月面著陸與上升的任務(wù)需求[13-14]。

針對(duì)月地往返大速度增量需求的情況,Hoyt等[15]提出一種搭建地月繩系衛(wèi)星運(yùn)輸系統(tǒng)的創(chuàng)意設(shè)計(jì)方案,由近地軌道和環(huán)月圓形低軌道上的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)繩系衛(wèi)星組成,僅需要很少的速度增量即可實(shí)現(xiàn)地月間有效載荷的往返傳輸。使用該運(yùn)輸系統(tǒng)完成月面下降/上升時(shí),繩系衛(wèi)星上配重的移動(dòng)使繩的近月端與月面距離減小至1 km左右,且相對(duì)月面的速度幾乎為零。但該系統(tǒng)需要在向月面釋放一定載荷的同時(shí),在月球表面捕獲相同質(zhì)量的載荷,以保證整個(gè)任務(wù)過(guò)程中系統(tǒng)的軌道能量和動(dòng)量守恒。因此,該系統(tǒng)僅適用于月地之間的貨物傳輸,不能直接用于載人登月任務(wù)。

本文針對(duì)未來(lái)載人登月任務(wù)需要,在充分繼承現(xiàn)有載人月面著陸與上升飛行器的研究基礎(chǔ)上,基于繩系結(jié)構(gòu)姿軌運(yùn)動(dòng)強(qiáng)耦合特性,提出一種在環(huán)月軌道位置部署的高速旋轉(zhuǎn)的繩系空間站——“秋千式”月面下降/上升單級(jí)可重用運(yùn)輸系統(tǒng)的概念,以期降低月球探測(cè)成本。

2 方案概述

2.1 運(yùn)輸系統(tǒng)組成與功能

“秋千式”月面下降/上升單級(jí)可重用運(yùn)輸系統(tǒng)由“秋千式”旋轉(zhuǎn)平臺(tái)(簡(jiǎn)稱(chēng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái))、月面單級(jí)往返運(yùn)輸飛行器(簡(jiǎn)稱(chēng)登月艙)和地月往返飛行器(奔月時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)飛船,返回時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)返回艙)構(gòu)成。運(yùn)輸系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 運(yùn)輸系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of the transportation system

旋轉(zhuǎn)平臺(tái)用作月球探測(cè)的動(dòng)量存儲(chǔ)/釋放媒介,旨在降低環(huán)月制動(dòng)、月面下降、月面上升、月地返回的沖量需求。該平臺(tái)由輪站核心與輪站配艙在軌組裝而成,平臺(tái)兩端設(shè)置有“魔方式”吊裝機(jī)構(gòu)以及勾環(huán)式對(duì)接機(jī)構(gòu),在載人月球探測(cè)前,在吊裝機(jī)構(gòu)上預(yù)先部署月面單級(jí)往返運(yùn)輸飛行器及生活艙等設(shè)施,對(duì)應(yīng)的兩端吊裝機(jī)構(gòu)總質(zhì)量均為28 t。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)運(yùn)行在環(huán)月軌道上,暫定300 km高的圓軌道附近,平臺(tái)兩端通過(guò)長(zhǎng)達(dá)300 km的輕質(zhì)高強(qiáng)度吊繩連接大型吊裝機(jī)構(gòu),吊裝機(jī)構(gòu)繞平臺(tái)質(zhì)心以1250 m/s左右的相對(duì)速度與軌道同向旋轉(zhuǎn),對(duì)應(yīng)的平臺(tái)自轉(zhuǎn)角速度為8.33×10-3rad/s,能提供1g左右的人工重力環(huán)境。吊繩的用材為碳納米管,密度為 1300 kg/m3,抗拉強(qiáng)度為130 GPa[16]?？紤]吊繩的質(zhì)量為8 t,相應(yīng)的橫截面積為2.05×10-5m2,直徑約為2.88 mm。

單級(jí)往返飛行器用于完成載人月面下降與上升。該飛行器重8 t,帶有約3.5 t推進(jìn)劑,可提供1600 m/s的總速度增量；采用單艙低底盤(pán)設(shè)計(jì),可實(shí)現(xiàn)3人左右的月面往返運(yùn)輸任務(wù)；具有月面亞軌道飛行能力,可與相對(duì)月面150 km高、相對(duì)速度幾百米每秒左右的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)吊裝機(jī)構(gòu)快速交會(huì)對(duì)接,并可適應(yīng)較大范圍的位置和速度偏差。

地月往返飛行器用于完成人員地月轉(zhuǎn)移。由于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)遠(yuǎn)月端速度達(dá)到了月球的逃逸速度,該飛行器只設(shè)計(jì)了兩個(gè)艙段：返回艙和推進(jìn)艙。推進(jìn)艙重6 t,為一次性艙段,主要功能為燃料運(yùn)輸,并具有一定的變軌和對(duì)返回艙的輔助支持能力；返回艙重6 t,可用于3～4人的地月人員運(yùn)輸,并可重復(fù)使用。探測(cè)任務(wù)完成后,返回艙在合適的相位被甩回地球,推進(jìn)艙留置于吊裝機(jī)構(gòu)部分,為月面單級(jí)往返運(yùn)輸飛行器和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)補(bǔ)給燃料,也可作為平臺(tái)配重或者月球撞擊實(shí)驗(yàn)部件。

2.2 任務(wù)過(guò)程整體描述

運(yùn)用“秋千式”月面下降/上升單級(jí)可重用運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行載人月球探測(cè)時(shí),任務(wù)可以分為兩大類(lèi)：旋轉(zhuǎn)平臺(tái)建造任務(wù)和載人月球探測(cè)任務(wù)。其中,旋轉(zhuǎn)平臺(tái)建造任務(wù)是載人月球探測(cè)的準(zhǔn)備階段,發(fā)射的都是無(wú)人飛行器,任務(wù)時(shí)間較為靈活,搭建后可以長(zhǎng)期使用,只需要單向運(yùn)輸；載人月球探測(cè)任務(wù)則是環(huán)月空間站搭建好后的具體載人應(yīng)用,需要在任務(wù)時(shí)間、安全性方面更加注重,每次探測(cè)任務(wù)需要一次新的發(fā)射,并需要從月球返回。

2.2.1 旋轉(zhuǎn)平臺(tái)建造任務(wù)

旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的建造過(guò)程共包括4次發(fā)射任務(wù)：第1、2次發(fā)射主要用于搭建旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)；第3次發(fā)射將月面單級(jí)往返運(yùn)輸飛行器裝配至旋轉(zhuǎn)平臺(tái)；第4次發(fā)射為可選情況,與第3次發(fā)射相同,用于任務(wù)的冗余備份和月面救援任務(wù)。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)建造過(guò)程如圖2所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)平臺(tái)建造過(guò)程Fig.2 Construction process of the swing platform

第1次發(fā)射：通過(guò)運(yùn)載火箭將旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的輪站核心部分運(yùn)送至地月轉(zhuǎn)移軌道,到達(dá)距離月面300 km高度附近時(shí),輪站核心進(jìn)行制動(dòng),并進(jìn)行軌道圓化調(diào)整,使整體沿300 km高的環(huán)月軌道作圓周運(yùn)動(dòng)。隨后,輪站核心中的繩艙開(kāi)始釋放一定長(zhǎng)度的吊繩(下文簡(jiǎn)稱(chēng)“繩”),兩端連接的機(jī)構(gòu)在繩所在平面內(nèi)向相反的方向噴氣,使整體開(kāi)始進(jìn)行自旋。

第2次發(fā)射：通過(guò)運(yùn)載火箭將旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的輪站配艙部分運(yùn)送至地月轉(zhuǎn)移軌道,到達(dá)輪站核心遠(yuǎn)月端所在位置的附近時(shí),輪站配艙進(jìn)行制動(dòng),并與輪站核心完成交會(huì)對(duì)接。隨后,輪站配艙將能源艙與服務(wù)艙進(jìn)行分配,安排至繩的兩端。待結(jié)構(gòu)組裝完成后,開(kāi)始逐漸釋放繩,并通過(guò)與第1次發(fā)射相同的噴氣方式保持整體的自旋角速度,直至繩完全釋放至300 km。至此,旋轉(zhuǎn)平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)搭建完成?？烧J(rèn)為前兩次任務(wù)發(fā)射質(zhì)量相等,均為24 t。

第3次發(fā)射：通過(guò)運(yùn)載火箭將8 t的登月艙運(yùn)送至地月轉(zhuǎn)移軌道,到達(dá)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)遠(yuǎn)月端所在位置的同時(shí),平臺(tái)對(duì)接機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)到遠(yuǎn)月端。通過(guò)勾環(huán)式對(duì)接方法,平臺(tái)勾住登月艙伸出的掛環(huán),將登月艙拉至魔方式吊裝結(jié)構(gòu)中,并通過(guò)旋轉(zhuǎn)重組實(shí)現(xiàn)對(duì)艙體布局的合理安排。

第4次發(fā)射：同第3次發(fā)射,最終在平臺(tái)的兩端對(duì)稱(chēng)布置兩個(gè)登月艙。至此,可重用登月艙已經(jīng)裝配至旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中。

在長(zhǎng)期月面探測(cè)任務(wù)中,登月艙設(shè)計(jì)為可重用,當(dāng)其到達(dá)設(shè)計(jì)壽命時(shí),需要重復(fù)第3次發(fā)射任務(wù),替換對(duì)應(yīng)的飛行器。在裝配完成后,旋轉(zhuǎn)平臺(tái)需要進(jìn)行軌道維持和修正,因?yàn)榄h(huán)月飛行時(shí)間較長(zhǎng),可以采用高比沖的電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行這項(xiàng)工作,成本將遠(yuǎn)低于常規(guī)變軌,不會(huì)對(duì)方案造成大的技術(shù)問(wèn)題。

2.2.2 載人月球探測(cè)任務(wù)

每次載人月球探測(cè)需要進(jìn)行1次載人地月往返飛行器發(fā)射,整個(gè)探測(cè)任務(wù)如圖3所示。探測(cè)任務(wù)從地月轉(zhuǎn)移開(kāi)始可以分為以下階段：

圖3 載人月球探測(cè)任務(wù)過(guò)程Fig.3 Manned lunar mission scenario

地月轉(zhuǎn)移階段：通過(guò)運(yùn)載火箭將載人地月往返飛行器(包括返回艙與推進(jìn)艙)運(yùn)送至地月轉(zhuǎn)移軌道,待旋轉(zhuǎn)平臺(tái)對(duì)接機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)至遠(yuǎn)月端時(shí),來(lái)自地月轉(zhuǎn)移軌道的載人地月往返飛行器同時(shí)到達(dá)軌道近地點(diǎn)附近位置,兩者完成交會(huì)對(duì)接。通過(guò)地月轉(zhuǎn)移軌道的初始瞄準(zhǔn)和中途修正,原理上可使得兩飛行器在對(duì)接點(diǎn)相對(duì)速度自然為零,設(shè)計(jì)中考慮偏差引入了一定的軌道修正余量。

探測(cè)前環(huán)月飛行段：旋轉(zhuǎn)平臺(tái)魔方式吊裝機(jī)構(gòu)對(duì)推進(jìn)艙、返回艙進(jìn)行分解吊裝和旋轉(zhuǎn)重組,返回艙與環(huán)月密封艙段對(duì)接,推進(jìn)艙用于為平臺(tái)和月面單級(jí)往返運(yùn)輸飛行器補(bǔ)給燃料。在月球探測(cè)前,航天員需要轉(zhuǎn)移到登月艙中,并與其它密封艙段分離,由懸吊系統(tǒng)吊裝到待釋放位置。

月面下降階段：當(dāng)平臺(tái)質(zhì)心運(yùn)行到著陸點(diǎn)附近,吊裝機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到近月端位置時(shí),釋放月面單級(jí)往返運(yùn)輸飛行器。登月艙沿亞軌道拋落月面,通過(guò)制動(dòng)減速完成月球著陸。

月面探測(cè)階段：航天員出登月艙進(jìn)行短期的月面活動(dòng),活動(dòng)之后返回登月艙。

月面上升階段：當(dāng)平臺(tái)質(zhì)心運(yùn)行到著陸點(diǎn)附近,吊裝機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到特定相位時(shí),登月艙點(diǎn)火進(jìn)入亞軌道,并在最高點(diǎn)附近與吊裝機(jī)構(gòu)交會(huì)。通過(guò)勾環(huán)式對(duì)接機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)與平臺(tái)的連接。

探測(cè)后環(huán)月飛行段：旋轉(zhuǎn)平臺(tái)吊裝機(jī)構(gòu)對(duì)登月艙吊裝,登月艙與環(huán)月密封艙段對(duì)接。在返回前,航天員需要轉(zhuǎn)移到返回艙中,并與其它密封艙段分離,由懸吊系統(tǒng)吊裝到待釋放位置。

月地返回階段：當(dāng)平臺(tái)質(zhì)心運(yùn)行到返回分離點(diǎn)附近,吊裝機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到遠(yuǎn)月端附近時(shí),釋放返回艙。返回艙沿月地轉(zhuǎn)移軌道返回地球,通過(guò)中途修正和跳躍式再入控制,降落地球特定著陸區(qū)域。

探測(cè)任務(wù)完成后,推進(jìn)艙留置于吊裝機(jī)構(gòu)部分,繼續(xù)為登月艙和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)補(bǔ)給燃料,也可作為平臺(tái)配重或和月球撞擊實(shí)驗(yàn)部件。

由于登月過(guò)程中的燃料損耗,單次載人登月過(guò)程中的上下行動(dòng)量不會(huì)完美抵消,一個(gè)周期后會(huì)對(duì)環(huán)月空間站附加一定的擾動(dòng),平臺(tái)質(zhì)心所在軌道也會(huì)發(fā)生一定程度的偏離。因此在下個(gè)探測(cè)周期到來(lái)之前,平臺(tái)需要進(jìn)行軌道維持和修正,使得平臺(tái)質(zhì)心所在軌道恢復(fù)到初始狀態(tài)。但修正的時(shí)間可以安排較為寬松,通過(guò)電推進(jìn)等先進(jìn)推進(jìn)方案,可以將運(yùn)營(yíng)成本進(jìn)一步降低。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 動(dòng)量?jī)?chǔ)存與釋放

旋轉(zhuǎn)平臺(tái)在繞自身質(zhì)心進(jìn)行勻速自轉(zhuǎn)的同時(shí),還沿環(huán)月軌道作圓周運(yùn)動(dòng),且轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度方向一致。記該旋轉(zhuǎn)平臺(tái)遠(yuǎn)月端到質(zhì)心的距離為l1,近月端到質(zhì)心的距離為l2,自轉(zhuǎn)角速度為ω,質(zhì)心環(huán)月速度大小為v,具體運(yùn)行如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)平臺(tái)動(dòng)量存儲(chǔ)/釋放機(jī)理Fig.4 Momentum storage/release of the swing platform

旋轉(zhuǎn)平臺(tái)遠(yuǎn)月端速度v1與近月端速度v2的表達(dá)式為式(1)：

當(dāng)ωl1、ωl2的值在1000 m/s以上時(shí),遠(yuǎn)月端速度將超過(guò)月球逃逸速度,而近月端速度則會(huì)減小到只有幾百米每秒。在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中吊裝機(jī)構(gòu)處相對(duì)月球的速度將在v1和v2之間變化,如果在特定點(diǎn)離開(kāi)旋轉(zhuǎn)平臺(tái),將會(huì)獲得大小在v1和v2之間的特定速度,這一過(guò)程不需要燃料消耗。與此過(guò)程相反,旋轉(zhuǎn)平臺(tái)接收質(zhì)量時(shí),也可以選擇特定的相位,從而無(wú)沖擊地接收速度大小在v1和v2之間的飛行器。在接收或者釋放飛行器的過(guò)程中,平臺(tái)整體的質(zhì)心位置會(huì)發(fā)生一定的變化,但不會(huì)過(guò)多地偏離繩中心位置,對(duì)繩兩端速度影響不大。

載人登月任務(wù)包含地月往返和月面上下行的人員運(yùn)輸過(guò)程,根據(jù)以上旋轉(zhuǎn)平臺(tái)速度特征,在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)遠(yuǎn)月端附近接收地月轉(zhuǎn)移飛行器或釋放返回艙；在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)近月端附近釋放或接收登月艙；通過(guò)平臺(tái)自然旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)月端和近月端轉(zhuǎn)換。

在組裝和釋放過(guò)程中,系統(tǒng)的機(jī)械能守恒、角動(dòng)量守恒,而在對(duì)接和組裝之間的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)飛行階段,航天員所在艙段的機(jī)械能和角動(dòng)量會(huì)發(fā)生持續(xù)性變化,即旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和返回艙、登月艙之間存在著能量和動(dòng)量的轉(zhuǎn)移交換。在這一系列過(guò)程中,飛行器和平臺(tái)原則上不需要消耗推進(jìn)劑進(jìn)行軌道控制。

3.2 月面單級(jí)往返飛行器

旋轉(zhuǎn)平臺(tái)作為一種特殊類(lèi)型的環(huán)月空間站,可以提供在軌燃料補(bǔ)給加注、在軌檢測(cè)維修等功能,為可重復(fù)使用飛行器提供了可能。且旋轉(zhuǎn)平臺(tái)大幅度降低了月面下降/上升的燃料需求,相比阿波羅任務(wù),兩級(jí)式設(shè)計(jì)已經(jīng)沒(méi)有必要,可以采用單級(jí)飛行器實(shí)現(xiàn)月面下降/上升,即單級(jí)往返。

月面單級(jí)往返運(yùn)輸飛行器是本方案中的登月艙,在可重用旋轉(zhuǎn)平臺(tái)搭建完成后,被組裝到旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中。該飛行器主要由密封艙、艙門(mén)、推進(jìn)系統(tǒng)、著陸緩沖機(jī)構(gòu)和對(duì)接機(jī)構(gòu)組成(圖1a)。密封艙主要作為航天員工作生活的場(chǎng)所,同時(shí)放置一些重要的儀器設(shè)備；艙門(mén)主要供航天員進(jìn)出；推進(jìn)系統(tǒng)的構(gòu)型主要包括2個(gè)推進(jìn)劑儲(chǔ)箱和6個(gè)噴管；著陸緩沖機(jī)構(gòu)采用四著陸腿的懸臂式著陸緩沖機(jī)構(gòu),著陸腿由主支柱、輔助支柱和足墊組成。

進(jìn)行月面下降任務(wù)時(shí),該飛行器在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的遠(yuǎn)月端與系統(tǒng)分離,以相對(duì)月球較低的速度下降到月面；完成探測(cè)任務(wù)后,該飛行器上升至旋轉(zhuǎn)平臺(tái)近月端,與平臺(tái)近月端的對(duì)接機(jī)構(gòu)完成交會(huì)對(duì)接。在下降與上升過(guò)程中,該飛行器始終是單級(jí)的。相比于Hoyt方案在距離月球1 km處釋放荷載并同時(shí)接收月面的荷載[15],該飛行器可在距離月球150 km左右的高度下降、著陸,并上升返回至旋轉(zhuǎn)平臺(tái),具備足夠的機(jī)動(dòng)能力,這也讓該運(yùn)輸系統(tǒng)具備較大的容錯(cuò)能力。

3.3 雙艙奔月單艙返回

由于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)對(duì)環(huán)月制動(dòng)和月地返回的變軌燃料需求趨向于零,傳統(tǒng)以軌道控制為主的服務(wù)艙不再必要,尤其是月地返回時(shí),可以直接將返回艙拋回地球,即單艙返回。但是旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和登月艙需要一定的物資補(bǔ)給,環(huán)月制動(dòng)捕獲時(shí)需要修正異面偏差和控制交會(huì)對(duì)接,為此需要在奔月時(shí)設(shè)置一個(gè)額外的艙段,即雙艙奔月。

雙艙奔月單艙返回的設(shè)計(jì)是在可重用旋轉(zhuǎn)平臺(tái)搭建以及月面單級(jí)往返運(yùn)輸飛行器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。在搭建完旋轉(zhuǎn)平臺(tái),并裝配好月面單級(jí)往返運(yùn)輸飛行器后,即在環(huán)月軌道形成了配置了登月艙的月球軌道空間站。進(jìn)行載人登月任務(wù)時(shí),只需要發(fā)射返回艙與推進(jìn)艙,并將其轉(zhuǎn)移至環(huán)月軌道,與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接,此過(guò)程即為“雙艙奔月”。需要說(shuō)明的是這里的推進(jìn)艙,主要功能不僅是提供動(dòng)力,更重要的是作為燃料運(yùn)輸器。對(duì)接完成后,將人員轉(zhuǎn)移至登月艙,完成月面下降、探測(cè)與月面上升的過(guò)程；最后,由旋轉(zhuǎn)平臺(tái)將返回艙與推進(jìn)艙送回月地轉(zhuǎn)移軌道,返回艙完成高速再入,返回地球,此過(guò)程即為“單艙返回”。

3.4 勾環(huán)式對(duì)接與魔方式吊裝

旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的交會(huì)對(duì)接和分離釋放,現(xiàn)有技術(shù)不可能直接應(yīng)用,為此設(shè)計(jì)了勾環(huán)式交會(huì)對(duì)接與魔方式吊裝結(jié)構(gòu),如圖5所示。

圖5 勾環(huán)式對(duì)接與魔方式吊裝結(jié)構(gòu)Fig.5 Fishing docking and hoisting structure

在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)吊裝機(jī)構(gòu)處,由于離心力的作用,存在1g左右的人工重力場(chǎng),在重力場(chǎng)中懸停、逼近等都需要付出高昂的成本,并且旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的姿態(tài)和位置擾動(dòng)也會(huì)遠(yuǎn)大于空間站。因此本文設(shè)計(jì)了勾環(huán)式對(duì)接捕獲機(jī)構(gòu),將環(huán)固聯(lián)于傳統(tǒng)對(duì)接機(jī)構(gòu)之上,將勾與吊裝機(jī)構(gòu)上的柔索相連,并配置一定的運(yùn)動(dòng)控制能力,如圖5所示。交會(huì)對(duì)接時(shí),由被吊裝飛行器(飛船、登月艙)實(shí)現(xiàn)快速交會(huì),進(jìn)入相對(duì)吊裝機(jī)構(gòu)的懸停點(diǎn)附近,飛行器與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的吊裝機(jī)構(gòu)部分處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài),即兩者速度相等,位置接近；然后吊裝結(jié)構(gòu)伸出繩與吊鉤,由吊鉤主動(dòng)捕獲并勾住掛環(huán),實(shí)現(xiàn)兩者之間的初始捕獲。

為便于集成化,本文將吊裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為網(wǎng)格框架,每個(gè)單元原則上可安裝維護(hù)一個(gè)艙段。在實(shí)現(xiàn)初始捕獲后,旋轉(zhuǎn)平臺(tái)將借助吊裝結(jié)構(gòu)對(duì)飛行器布局進(jìn)行旋轉(zhuǎn)重組,密封艙段將被運(yùn)輸?shù)缴钆摱螌?shí)現(xiàn)最后的對(duì)接,非密封艙段則會(huì)拆卸并裝配到其它部位。

勾環(huán)式對(duì)接方式能夠?qū)?自由度的強(qiáng)約束交會(huì)對(duì)接簡(jiǎn)化為3自由度相對(duì)運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題,將初始捕獲與密封通道建立等問(wèn)題分隔開(kāi)來(lái)。魔方式吊裝結(jié)構(gòu)可將艙段裝配問(wèn)題集中到旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上,降低了對(duì)各艙段的自主控制能力要求,更便于飛行器的管理與拓展。

4 可行性分析

4.1 工況設(shè)計(jì)

工況1：旋轉(zhuǎn)平臺(tái)日常運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)為旋轉(zhuǎn)平臺(tái)搭建完成,進(jìn)行載人登月任務(wù)前的狀態(tài),平臺(tái)兩端質(zhì)量均為28 t；

工況2：地月往返飛行器對(duì)接至旋轉(zhuǎn)平臺(tái)。地月往返飛行器經(jīng)過(guò)地月轉(zhuǎn)移,假定推進(jìn)艙消耗1 t燃料,即平臺(tái)對(duì)接了返回艙(6 t)與推進(jìn)艙(5 t),一端質(zhì)量增加至39 t,另一端仍為28 t；

工況3：登月艙與平臺(tái)分離,完成月面下降。此時(shí)平臺(tái)對(duì)接了返回艙的一端分離了8 t的登月艙,質(zhì)量變?yōu)?1 t,另一端質(zhì)量仍為28 t；

工況4：登月艙月面上升,與平臺(tái)對(duì)接。完成月面上升后,登月艙質(zhì)量變?yōu)?.5 t,對(duì)接至原艙段,平臺(tái)對(duì)應(yīng)的一端質(zhì)量變?yōu)?5.5 t,另一端質(zhì)量仍為28 t。

工況5：返回艙分離,完成月地返回。此時(shí)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)釋放重為6 t的返回艙,一端質(zhì)量變?yōu)?9.5 t,另一端質(zhì)量仍為 28 t。

4.2 旋轉(zhuǎn)平臺(tái)過(guò)載

在5種工況下,進(jìn)一步考慮約束條件：繩中的最大拉應(yīng)力小于允許的極限拉應(yīng)力；載人飛船在完成對(duì)接后,宇航員承受的過(guò)載維持在1g左右。同時(shí),為了便于對(duì)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行理論分析與計(jì)算,減小問(wèn)題的復(fù)雜程度,可作以下假設(shè)：

1)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的繩符合等截面、勻質(zhì)的條件。

2)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的繩模型采用繩系衛(wèi)星中常用的剛性桿模型,即忽略繩的彈性和柔性,將其視為一根不可拉壓的剛性桿。

3)繩兩端機(jī)構(gòu)的尺寸相比于整個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的規(guī)模可以忽略不計(jì),即在分析平臺(tái)整體運(yùn)動(dòng)時(shí)可將其視為質(zhì)點(diǎn)。

根據(jù)上述約束條件和假設(shè)條件,分別計(jì)算5種工況下旋轉(zhuǎn)平臺(tái)兩端的過(guò)載(記為過(guò)載1和過(guò)載2,其中過(guò)載2對(duì)應(yīng)對(duì)接了載人飛船的一端)、繩中的最大拉力、繩的安全系數(shù)(繩的極限拉力與各工況下繩的最大拉力的比值)等數(shù)據(jù),如表1所示。

表1 不同工況下平臺(tái)數(shù)據(jù)Table 1 Data of platform in different conditions

根據(jù)表1結(jié)果可知,不同工況下旋轉(zhuǎn)平臺(tái)整體質(zhì)心位置變化對(duì)過(guò)載影響較小,旋轉(zhuǎn)過(guò)載的變化量控制在15%以?xún)?nèi),這也表明平臺(tái)整體的質(zhì)心不會(huì)過(guò)多地偏離繩中心位置；同時(shí),全過(guò)程中繩的安全系數(shù)保持在7.8以上,具備較強(qiáng)的安全性能。綜上所述,在整個(gè)載人登月任務(wù)過(guò)程中,認(rèn)為平臺(tái)旋轉(zhuǎn)過(guò)載以及繩的強(qiáng)度滿(mǎn)足約束條件要求,旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)具備可行性。

4.3 運(yùn)行軌道

將旋轉(zhuǎn)平臺(tái)簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)串模型,即：將平臺(tái)兩端吊裝機(jī)構(gòu)分別視為質(zhì)點(diǎn),將繩的質(zhì)量集中于繩中點(diǎn)位置,三者通過(guò)無(wú)質(zhì)量剛性桿連接。通過(guò)對(duì)每一質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行受力分析,求外力對(duì)質(zhì)心的合力和合力矩,來(lái)研究該旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的軌道運(yùn)動(dòng)。

考慮月球引力常數(shù)μ=4.90280031×1012m3/s2,取月球平均半徑為1738.2 km,初始軌道傾角i=45°,偏心率e=0.020,升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω=45°,近心點(diǎn)幅角ω和真近點(diǎn)角f均為0,旋轉(zhuǎn)平臺(tái)質(zhì)心的初始高度為300 km,旋轉(zhuǎn)平臺(tái)初始自轉(zhuǎn)平面與其質(zhì)心所在軌道平面重合。采用二體運(yùn)動(dòng)模型,分析該質(zhì)點(diǎn)串模型在5種工況下的軌道數(shù)據(jù),結(jié)果如表2所示。

表2 不同工況下軌道數(shù)據(jù)Table 2 Orbital data under different conditions

任務(wù)全過(guò)程中,由于對(duì)接時(shí)相對(duì)速度控制為零,且二體模型下沒(méi)有考慮擾動(dòng),所以,旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的自轉(zhuǎn)角速度始終保持不變,且平臺(tái)自轉(zhuǎn)平面始終在軌道平面內(nèi)。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)質(zhì)心運(yùn)行軌道的軌道傾角、升交點(diǎn)赤經(jīng)等保持不變,且平臺(tái)始終位于月球的引力球范圍內(nèi)。

4.4 技術(shù)挑戰(zhàn)

1)先進(jìn)的繩系材料與加工技術(shù)

高強(qiáng)度吊繩的材料制備、結(jié)構(gòu)加工、空間防護(hù)、纏繞釋放等都需要最前沿的技術(shù)發(fā)展。

2)大型環(huán)月載人旋轉(zhuǎn)平臺(tái)構(gòu)建技術(shù)

“秋千式”旋轉(zhuǎn)平臺(tái)是一種全新的空間站理念,且需要環(huán)月部署。

3)快速交會(huì)對(duì)接和空間組裝技術(shù)

勾環(huán)式交會(huì)對(duì)接和魔方式吊裝結(jié)構(gòu)方案,離具體實(shí)現(xiàn)還有很長(zhǎng)的路要走。

4)月面單級(jí)往返運(yùn)輸飛行器技術(shù)

涉及到亞軌道飛行、月面軟著陸、可重復(fù)使用等技術(shù),需要在現(xiàn)有航天器技術(shù)基礎(chǔ)上有所發(fā)展。

5)大型環(huán)月載人旋轉(zhuǎn)平臺(tái)使用維護(hù)技術(shù)

涉及到平臺(tái)補(bǔ)給、維修、軌道和姿態(tài)維持、任務(wù)調(diào)度規(guī)劃等一系列問(wèn)題。

6)新型返回艙技術(shù)

需要支持3～4人、5天左右單艙獨(dú)立飛行,和目前典型的三艙、兩艙載人航天器構(gòu)型有較大差異。

5 發(fā)射成本分析

5.1 發(fā)射質(zhì)量

發(fā)射質(zhì)量的節(jié)省主要體現(xiàn)在雙艙奔月單艙返回的方式中。

旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的搭建共有4次發(fā)射任務(wù),發(fā)射質(zhì)量分別為 24 t、24 t、8 t、8 t。 經(jīng)過(guò) 4 次發(fā)射后,旋轉(zhuǎn)平臺(tái)就已經(jīng)搭建完成,且2個(gè)可重用登月艙已經(jīng)分別布置與平臺(tái)兩端。之后進(jìn)行的載人登月任務(wù),單次任務(wù)的發(fā)射質(zhì)量為12 t。參考阿波羅任務(wù)中Apollo 11號(hào)45.7 t的單次載人登月任務(wù)發(fā)射質(zhì)量[1],采用本方案進(jìn)行2次載人登月任務(wù)時(shí),總發(fā)射質(zhì)量約為88 t,而采用Apollo 11進(jìn)行2次任務(wù),總發(fā)射質(zhì)量達(dá)90 t以上；同時(shí),在后續(xù)載人登月任務(wù)中,單次發(fā)射質(zhì)量始終控制在12 t左右,即單次發(fā)射質(zhì)量可減小至Apollo 11的1/3以?xún)?nèi)。

5.2 速度增量

速度增量的節(jié)省主要體現(xiàn)在利用旋轉(zhuǎn)平臺(tái)完成月面下降/上升過(guò)程以及地月/月地轉(zhuǎn)移過(guò)程中。

月面下降/上升任務(wù)利用旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的近月端對(duì)接或釋放單級(jí)登月艙,平臺(tái)質(zhì)心繞月球運(yùn)行的速度約為1550 m/s,而平臺(tái)兩端相對(duì)平臺(tái)質(zhì)心的速度約為1250 m/s,所以登月艙進(jìn)行月面上升或下降任務(wù)時(shí),考慮到交會(huì)對(duì)接和一定的機(jī)動(dòng)能力,速度增量只需500 m/s。再考慮傳統(tǒng)的阿波羅方案,指揮艙所在的環(huán)月軌道高度約為110 km,對(duì)應(yīng)的登月艙速度增量需1200 m/s[1]。因此,借助旋轉(zhuǎn)平臺(tái)完成登月任務(wù)時(shí),月面下降/上升的速度增量需求能降低至阿波羅任務(wù)的1/2以上。

進(jìn)行地月/月地轉(zhuǎn)移任務(wù)時(shí),利用旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的遠(yuǎn)月端對(duì)接地月飛行器或釋放返回艙。按照前文的參數(shù)設(shè)定,平臺(tái)遠(yuǎn)月端相對(duì)于月球的速度可達(dá)到2800 m/s,基本達(dá)到月球逃逸速度。因此,借助旋轉(zhuǎn)平臺(tái)完成登月任務(wù)時(shí),可以認(rèn)為基本不需要近月制動(dòng)和月地返回速度增量。

6 結(jié)論

1)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)搭建完成后,單次任務(wù)的發(fā)射質(zhì)量控制在12 t左右,相比于阿波羅計(jì)劃中45 t左右的質(zhì)量,可將發(fā)射質(zhì)量減小至阿波羅飛船的1/3以?xún)?nèi)。

2)借助旋轉(zhuǎn)平臺(tái)完成登月任務(wù)時(shí),基本不需要近月制動(dòng)和月地返回速度增量,月面上升速度增量需求也能降低1/2以上。

3)可重用旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、可重用月面單級(jí)往返飛行器的設(shè)計(jì)能夠有效增加任務(wù)次數(shù),充分提高任務(wù)的經(jīng)濟(jì)性。

4)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中繩的強(qiáng)度以及平臺(tái)自身軌道運(yùn)行具備可行性,且有一定的安全余量。