王立武 郭東文 張章 呂智慧 趙淼 劉宇

美國宇航局Artemis月球探測計(jì)劃簡介

王立武1,2郭東文3張章1,2呂智慧1,2趙淼1,2劉宇1,2

（1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）（2 航天進(jìn)入減速與著陸技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）（3 中國載人航天工程辦公室，北京 100048）

文章對NASA月球探測Artemis計(jì)劃進(jìn)行了概括，分析了NASA規(guī)劃Artemis任務(wù)的科學(xué)研究策略與技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略，介紹了Artemis月球探測計(jì)劃的任務(wù)安排與先期試驗(yàn)測試，總結(jié)了Artemis月球探測計(jì)劃的關(guān)鍵系統(tǒng)與實(shí)施基礎(chǔ)，提出了對Artemis月球探測計(jì)劃的思考及從中得到的啟示，以期為中國未來的載人登月與深空探測工程提供有價(jià)值的借鑒和參考。

“阿爾忒彌斯”計(jì)劃 月球探測 深空探測

0 引言

2020年9月，美國宇航局局長Jim Bridenstine正式公布了美國“阿爾忒彌斯”（Artemis）月球探測計(jì)劃。根據(jù)Artemis計(jì)劃，NASA將于2021年開始運(yùn)用機(jī)器人開展月球無人探測，在2024年前運(yùn)送美國宇航員重返月球，并在2025至2030年間建立環(huán)月軌道空間站和月球表面基地以實(shí)現(xiàn)美國月面持續(xù)駐留，為未來美國宇航員登陸火星的任務(wù)奠定基礎(chǔ)[1]。

本文對NASA月球探測Artemis計(jì)劃進(jìn)行了概述，分析了NASA規(guī)劃Artemis任務(wù)的科學(xué)研究策略與技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略，介紹了Artemis月球探測計(jì)劃的任務(wù)安排與先期試驗(yàn)測試，歸納了Artemis月球探測計(jì)劃的關(guān)鍵系統(tǒng)與實(shí)施基礎(chǔ)，提出了對Artemis月球探測計(jì)劃的思考及從中得到的啟示，以期為中國未來的載人登月與深空探測工程提供有價(jià)值的借鑒和參考。

1 目標(biāo)和策略

（1）科學(xué)目標(biāo)

對月球的探測是人類對整個(gè)太陽系探測與研究的奠基石[2]。Artemis計(jì)劃推動科學(xué)發(fā)展的目標(biāo)不僅局限于月球科學(xué)或者行星科學(xué)，還包括眾多以月球探測研究為基礎(chǔ)的科學(xué)目標(biāo)[1]：理解行星演變過程；理解月球表面物質(zhì)揮發(fā)周期；探究地-月系統(tǒng)的撞擊歷史；揭示早期太陽的觀測記錄；在獨(dú)特的位置觀測宇宙；在月球環(huán)境下開展科學(xué)試驗(yàn)；評估并減小載人行星探測的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）實(shí)施策略

為確保Artemis計(jì)劃上述科學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，NASA采用如下實(shí)施策略[1]：

1）規(guī)劃由商業(yè)公司承擔(dān)有效載荷的發(fā)射；

2）發(fā)展月表機(jī)動漫游系統(tǒng)來擴(kuò)大勘測范圍并提升月球探測能力；

3）創(chuàng)造與國際合作伙伴更多的合作機(jī)會；

4）運(yùn)用小衛(wèi)星在月球運(yùn)行軌道上獲取和行星、太陽系、宇宙相關(guān)的科學(xué)觀測數(shù)據(jù)；

5）使用諸如“門戶”（Gateway）環(huán)月軌道空間站和載人登月著陸系統(tǒng)等全新的載人空間探測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)；

6）引領(lǐng)Artemis計(jì)劃科學(xué)任務(wù)的所有參與成員共同提升未來在月球表面開展有效科學(xué)探測的能力，這些能力主要涉及月球地質(zhì)勘測、月表取樣返回、用于表征月球表面環(huán)境或接近月表環(huán)境的測量儀器、到達(dá)月球極寒區(qū)、抵達(dá)月球背面等；

7）在系統(tǒng)組成要素/傳感器元器件/工程技術(shù)發(fā)展方面創(chuàng)立能夠?qū)崿F(xiàn)科學(xué)目標(biāo)的有效路徑。

2 技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略

在月球表面建立宇航員月球活動基地有助于NASA發(fā)展和測試新技術(shù)、新方法和新系統(tǒng)，這些新技術(shù)、新方法和新系統(tǒng)將在地外天體更具生存挑戰(zhàn)性的環(huán)境下發(fā)揮重要作用[3]。Artemis月球探測計(jì)劃激勵月球表面探測所需的原始創(chuàng)新技術(shù)，加速關(guān)鍵系統(tǒng)、分系統(tǒng)的技術(shù)完備，并考慮以降低深空探測成本為目標(biāo)，促使更為雄心勃勃的美國載人火星探測任務(wù)有可能實(shí)現(xiàn)。通過與商業(yè)公司和國際伙伴的緊密合作，將科學(xué)知識與專業(yè)技術(shù)緊密結(jié)合并用于月球探測過程中的科技水平提高與關(guān)鍵技術(shù)突破，為地球上的技術(shù)進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)增長提供支持。該計(jì)劃包括：

1）月球或其它地外天體的資源利用技術(shù)，包括現(xiàn)場資源采集、資源處理、資源存儲以及在月球或其它行星體上所用到的材料發(fā)現(xiàn)或制造技術(shù)；

2）電力系統(tǒng)技術(shù)，能夠橫跨月晝和月夜持續(xù)提供穩(wěn)定電能；

3）抗塵技術(shù)，減小月球表面的月塵對月球探測系統(tǒng)的危害，包括遙感相機(jī)、太陽能電池板、宇航員太空服和測量儀器等；

4）極端環(huán)境適應(yīng)技術(shù)，使月球探測系統(tǒng)能夠在整個(gè)月球表面溫度范圍內(nèi)正常運(yùn)行；

5）極端區(qū)域進(jìn)入技術(shù)，使宇航員或無人探測器能夠有效進(jìn)入、跨越和探測之前無法進(jìn)入的月球表面區(qū)域和月表下區(qū)域；

6）能夠自主施工、成本可控的月表挖掘制造與基地建設(shè)技術(shù)。

3 任務(wù)安排

Artemis月球探測計(jì)劃的任務(wù)安排分為第一階段任務(wù)和第二階段任務(wù)。第一階段任務(wù)（如圖1所示）和第二階段任務(wù)以2024年預(yù)期完成2名美國宇航員搭乘Artemis 3號飛船直接登陸月球開展月面探測任務(wù)為界限[1]。

圖1 Artemis第一階段任務(wù)示意圖

（1）Artemis第一階段任務(wù)

2021年將執(zhí)行首次商業(yè)月球探測載荷服務(wù)（Commercial Lunar Payload Services，CLPS），兩家商業(yè)公司將向月球表面運(yùn)送月球無人探測著陸器和科學(xué)儀器設(shè)備，并且以后每年都利用商業(yè)運(yùn)輸服務(wù)向月球運(yùn)送兩次新的科學(xué)研究和技術(shù)驗(yàn)證設(shè)備。水冰勘測月球極地探測車（Volatiles Investigating Polar Exploration Rover，VIPER）的研制也基本完成，預(yù)期在2023年發(fā)射到達(dá)月球，將是首個(gè)調(diào)查月球極地月壤樣本的探測車。

NASA將利用太空發(fā)射系統(tǒng)（Space Launch System，SLS）和“獵戶座”飛船（Orion）開展兩次繞月飛行測試以檢查設(shè)備性能、生命保障能力與通訊能力。計(jì)劃于2021年實(shí)施Artemis 1號無人月球探測任務(wù)，太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）將把不載人的“獵戶座”飛船送入地球軌道，將其置于繞月逆行軌道的遙遠(yuǎn)路徑上，在月球上空飛行4萬英里（1英里=1.609344km）。Artemis 1號任務(wù)將系統(tǒng)檢驗(yàn)SLS超重型運(yùn)載火箭的飛行性能和“獵戶座”飛船從月球返回地球高速再入過程的熱防護(hù)能力。除此之外，SLS超重型運(yùn)載火箭將把13顆Capstone環(huán)月飛行立方體衛(wèi)星送入月球軌道實(shí)施科學(xué)觀測。

2023年，將發(fā)射電力和推進(jìn)裝置（Power and Propulsion Element，PPE）和居住與后勤前哨艙（Habitation and Logistics Outpost，HALO），它們是Gateway環(huán)月軌道空間站最早在軌部署的部分，用于開展太空溫度環(huán)境研究和實(shí)施無人遠(yuǎn)程科學(xué)試驗(yàn)。

計(jì)劃于2023年實(shí)施Artemis 2號載人月球探測任務(wù)，SLS和“獵戶座”飛船將攜帶4名宇航員發(fā)射升空執(zhí)行繞月飛行任務(wù)。NASA著重補(bǔ)充了Artemis 2號任務(wù)中的一項(xiàng)新測試，即繞月任務(wù)演示。在“獵戶座”飛船與臨時(shí)低溫推進(jìn)級分離后，航天員將手動操作飛船模擬接近和脫離推進(jìn)段，以此評價(jià)“獵戶座”飛船的控制能力和相關(guān)軟硬件，提供性能數(shù)據(jù)和操作經(jīng)驗(yàn)，彌補(bǔ)后續(xù)Artemis 3號任務(wù)在月球軌道中的對接和脫離無法直接獲取性能數(shù)據(jù)和操作經(jīng)驗(yàn)的不足。在地球高軌道運(yùn)行期間，“獵戶座”飛船將飛出全球定位系統(tǒng)（GPS）和月球中繼衛(wèi)星的影響區(qū)域，需要借助深空通信網(wǎng)絡(luò)讓宇航員與地面控制系統(tǒng)保持聯(lián)絡(luò)，并實(shí)時(shí)更新導(dǎo)航系統(tǒng)。

2024年，Artemis 3號任務(wù)將攜帶4名宇航員發(fā)射升空，之后載人登月著陸系統(tǒng)把1名女性宇航員和1名男性宇航員送至月球表面來實(shí)施為期7天的載人月球探測，以實(shí)現(xiàn)美國宇航員重返月球。除了2名美國宇航員，載人登月著陸系統(tǒng)將攜帶質(zhì)量達(dá)200lb（1lb=453.59g）的科學(xué)儀器設(shè)備到達(dá)月球表面，并采集87.5lb的月壤樣品，之后月球表面的宇航員乘坐返回艙起飛上升，與“獵戶座”飛船內(nèi)的另2名宇航員會合后持月球采集樣品返回地球。

（2）Artemis第二階段任務(wù)

Artemis月球探測計(jì)劃第二階段的任務(wù)是建設(shè)一系列的地月空間基礎(chǔ)設(shè)施及月面基地使得持續(xù)長期的月球探測和月球資源開發(fā)成為可能（見圖2）。全地形月球漫游車、移動居住平臺、月球表面基地、月球地面站、月球通訊網(wǎng)絡(luò)、月球表面電力系統(tǒng)共同保證了宇航員在月面執(zhí)行探測任務(wù)的持續(xù)生存能力由7天延長至30至45天。

圖2 Artemis計(jì)劃月球基地設(shè)施概念圖

圖3所示的Gateway環(huán)月軌道空間站，不僅提供了宇航員赴月球執(zhí)行深空探測任務(wù)的在軌工作生活空間，還可以支持在月球表面模擬執(zhí)行載人火星探測任務(wù)，支持宇航員長時(shí)間深空探測系統(tǒng)操作能力測試、長周期任務(wù)下的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)降低方法等[4]。

圖3 “門戶”環(huán)月軌道空間站與“獵戶座”飛船對接概念圖

4 關(guān)鍵系統(tǒng)與實(shí)施基礎(chǔ)

Artemis月球探測計(jì)劃主要依賴于NASA的深空探測天地往返運(yùn)輸體系，其關(guān)鍵系統(tǒng)與實(shí)施基礎(chǔ)包括：太空發(fā)射系統(tǒng)、“獵戶座”飛船、深空探測地面系統(tǒng)（Exploration Ground System，EGS）、深空通信網(wǎng)絡(luò)（Deep Space Network，DSN）、商業(yè)月球探測載荷服務(wù)、水冰勘測月球極地探測車、動力和推進(jìn)裝置、居住與后勤前哨艙、深空后勤貨運(yùn)系統(tǒng)（Deep Space Logistics，DSL）、宇航員艙外探測活動系統(tǒng)（Exploration Extravehicular Activity System，xEVA）、載人登月著陸系統(tǒng)（Human Landing System，HLS）、全地形月球漫游車（Lunar Terrain Vehicle，LTV）、月球地面站（Luna Ground Stations，LGS）、月球通訊網(wǎng)絡(luò)（LunaNet）、移動居住平臺（Habitable Mobility Platform，HMP）、月球表面基地（Foundation Surface Habitat，F(xiàn)SH）、月球表面電力系統(tǒng)（Lunar Surface Power，LSP）、月面技術(shù)創(chuàng)新激勵（Lunar Surface Innovation Initiative，LSII）。

（1）太空發(fā)射系統(tǒng)

太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）是從航天飛機(jī)演變而來的超重型運(yùn)載火箭（如圖4），第一階段旨在將美國宇航員送往月球，運(yùn)載能力在70t至110t之間，之后會發(fā)展出130t的貨運(yùn)載荷任務(wù)，最終的運(yùn)載能力將達(dá)到143t以上，能夠?qū)⒂詈絾T安全送入深空并有效支持各種復(fù)雜的宇航發(fā)射任務(wù)[5-6]。其功能特點(diǎn)為：大質(zhì)量有效載荷和高體積容量；能夠?qū)ⅰ矮C戶座”飛船、宇航員、貨物補(bǔ)給在一次發(fā)射任務(wù)中運(yùn)送到月球附近。

（2）“獵戶座”飛船

圖5所示的“獵戶座”飛船由SLS發(fā)射升空，能夠攜帶4名宇航員及裝船物資開展為期21天以上的月球探測任務(wù)。其組成[7-8]主要包括：服務(wù)艙系統(tǒng)、環(huán)境控制與生命支持系統(tǒng)（ECLSS）、宇航員乘員艙系統(tǒng)、自主制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制（GNC）、自主通信系統(tǒng)、自主電力生成技術(shù)，以及自主熱控技術(shù)。

圖4 太空發(fā)射系統(tǒng)實(shí)物圖

圖5 “獵戶座”飛船實(shí)物圖

（3）深空探測地面系統(tǒng)

建立深空探測地面系統(tǒng)（見圖6）是發(fā)展用于商業(yè)火箭及航天器在組裝、轉(zhuǎn)運(yùn)、發(fā)射、火箭子級返回、航天器返回與著陸、發(fā)射及運(yùn)行過程管理等方面所必需的系統(tǒng)和設(shè)施。其組成[9]為：SLS發(fā)射工作臺39B、可移動式發(fā)射架、轉(zhuǎn)運(yùn)裝置、著陸場、總裝廠房，以及水平著陸跑道。

（4）深空通信網(wǎng)絡(luò)

對深空通信網(wǎng)絡(luò)（見圖7）的34m子網(wǎng)進(jìn)行改造升級，為Artemis計(jì)劃中的Gateway環(huán)月軌道空間站、載人登月著陸系統(tǒng)和其它宇航系統(tǒng)提供高速率的指揮和遙測服務(wù)。上述服務(wù)旨在支持宇航員在月球上的探測活動，按計(jì)劃從Gateway環(huán)月軌道空間站和到達(dá)月表的有效載荷上回傳大量的科學(xué)數(shù)據(jù)[10]。深空通信網(wǎng)絡(luò)的升級對于2024年美國宇航員成功登陸月球和后續(xù)的載人火星探測至關(guān)重要。其功能特點(diǎn)為：升級后的深空通信網(wǎng)絡(luò)具有100Mbit/s的數(shù)據(jù)下行、20Mbit/s的數(shù)據(jù)上行的傳輸能力；改造升級位于戈德斯通、堪培拉和馬德里的每套深空通信網(wǎng)絡(luò)綜合設(shè)施中2部天線；所提供的服務(wù)與國際合作伙伴的地面站兼容。

圖6 深空探測地面系統(tǒng)

圖7 深空通信網(wǎng)絡(luò)

（5）商業(yè)月球探測載荷服務(wù)

商業(yè)月球探測載荷服務(wù)（見圖8）為送達(dá)月球表面的小型和中型有效載荷提供商業(yè)運(yùn)輸服務(wù)。通過鼓勵美國企業(yè)參與月球探測載荷的商業(yè)運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)NASA催生月球探測經(jīng)濟(jì)增長的戰(zhàn)略目標(biāo)。其主要特點(diǎn)[11-13]為：各終端載荷之間的傳輸服務(wù)；小型到中型的有效載荷，質(zhì)量最高不超過500kg；運(yùn)送至月球上的科學(xué)儀器和技術(shù)演示載荷。

（6）水冰勘測月球極地探測車

水冰勘測月球極地探測車（VIPER）（見圖9）計(jì)劃于2023年發(fā)射至月球表面，其大小與一輛高爾夫球車相近，它將在月球表面漫游若干英里，使用包括1m鉆孔在內(nèi)的四種科學(xué)儀器對月壤環(huán)境進(jìn)行采樣。VIPER將收集大約100天的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將用于繪制月球的第一份水資源地圖[14-15]。其功能特點(diǎn)為：攜帶TRIDEMT鉆取裝置、中子分光儀系統(tǒng)、近紅外揮發(fā)物分光儀、質(zhì)譜儀觀測月球地質(zhì)活動；數(shù)十千米的行駛距離；任務(wù)期內(nèi)可以在月夜中生存100天。

圖8 商業(yè)月球探測載荷服務(wù)

圖9 水冰勘測月球極地探測車

（7）電力和推進(jìn)裝置

電力和推進(jìn)裝置（PPE）將與“居住與后勤前哨艙”（HALO）集成（見圖10），并發(fā)射至近月軌道。其功能特點(diǎn)[1]為：與地球保持高增益通信、空間單元通信、月球表面中繼；遠(yuǎn)程指揮控制能力；具有12.5kW的電推進(jìn)能力用于提供離軌附加速度；提供60kW以上的電力供應(yīng)；為Gateway環(huán)月軌道空間站的各系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)換電力；熱控能力；搭載用于科學(xué)技術(shù)演示的有效載荷。

圖10 電力和推進(jìn)裝置、居住與后勤前哨艙、深空后勤貨運(yùn)系統(tǒng)示意圖

（8）居住與后勤前哨艙

居住與后勤前哨艙（HALO）將與電力和推進(jìn)裝置（PPE）集成，并由商業(yè)火箭發(fā)射進(jìn)入月球近直線軌道[16]。HALO為對接的飛行器提供軸向和徑向兼容的國際空間站標(biāo)準(zhǔn)對接端口。其功能特點(diǎn)為：設(shè)置有宇航員乘員艙和貨物艙；為環(huán)境控制與生命支持系統(tǒng)服務(wù)的壓力控制系統(tǒng)，各艙A部的空氣交換；分布式電子設(shè)備的模塊化集成架構(gòu)；為Gateway環(huán)月軌道空間站其它系統(tǒng)提供電能傳遞；熱控系統(tǒng)；為對接的飛行器與月球表面提供通訊；支持外部機(jī)械臂和有效載荷的工作。

（9）深空后勤貨運(yùn)系統(tǒng)

深空后勤貨運(yùn)系統(tǒng)將向Gateway環(huán)月軌道空間站運(yùn)送貨物、科學(xué)試驗(yàn)物資，例如月表取樣材料和宇航員在環(huán)月軌道空間站上和月面探測階段所需的其它物資。當(dāng)深空后勤貨運(yùn)系統(tǒng)與Gateway環(huán)月軌道空間站對接時(shí)還提供了貨物裝載容量，并在離開Gateway環(huán)月軌道空間站時(shí)進(jìn)行垃圾處理[1]。其功能特點(diǎn)為：自主制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制；自主通信系統(tǒng)；自主電力生成與熱控；貨物補(bǔ)給與垃圾處理；不超過5 000kg的增壓有效載荷/貨物質(zhì)量；1 000kg至2600kg的非增壓有效載荷/貨物質(zhì)量；貨物裝載容積大。

（10）宇航員艙外探測活動系統(tǒng)

宇航員艙外探測活動系統(tǒng)（見圖11）是為宇航員月球漫步和太空行走設(shè)計(jì)和建造的，并能夠隨著技術(shù)進(jìn)步和任務(wù)的發(fā)展進(jìn)行升級。其與運(yùn)載器的接口系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行了通用化設(shè)計(jì)，也可以通過定制化設(shè)計(jì)來適應(yīng)Artemis月球探測計(jì)劃中的各部分任務(wù)。其組成[1]為：高機(jī)動性加壓氣密太空服、便攜式生命支持系統(tǒng)、通訊和信息集成系統(tǒng)、系統(tǒng)維修和地質(zhì)勘探的通用化工具，以及運(yùn)載器對接系統(tǒng)及設(shè)備。

（11）載人登月著陸系統(tǒng)

載人登月著陸系統(tǒng)（見圖12）是運(yùn)送宇航員降落至月球表面的最終運(yùn)載器。在宇航員完成月球表面探測任務(wù)后，宇航員將乘坐載人登月著陸系統(tǒng)的返回艙在月面起飛上升至月球軌道，之后再返回地球。在先期任務(wù)中，載人登月著陸系統(tǒng)可容納2名宇航員，在后續(xù)任務(wù)中，載人登月著陸系統(tǒng)將攜帶4名宇航員到達(dá)月球表面并返回地球。其組成[17]為：宇航員乘員艙；太陽能發(fā)電系統(tǒng)；能量儲存系統(tǒng)；化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)；熱控系統(tǒng)；電子設(shè)備；通訊系統(tǒng)；自主制導(dǎo)，導(dǎo)航和控制系統(tǒng)（GNC）；環(huán)境控制與生命支持系統(tǒng)，貯存罐與消耗品；宇航員艙內(nèi)活動設(shè)備。

圖11 宇航員艙外探測活動系統(tǒng)

圖12 載人登月著陸系統(tǒng)

（12）全地形月球漫游車

全地形月球漫游車（見圖13）是美國宇航員再次登陸月球后在月表活動的運(yùn)輸系統(tǒng)。它極大地?cái)U(kuò)展了宇航員的活動范圍，使更多的科學(xué)試驗(yàn)、資源勘探和探測活動成為現(xiàn)實(shí)。全地形月球漫游車也可以采用無人遙控的方式執(zhí)行科學(xué)探測任務(wù)，將空間可展開結(jié)構(gòu)部署至預(yù)定位置。其組成與功能特點(diǎn)[1]為：有限的電力生成能力、能量儲存系統(tǒng)、電子設(shè)備、通訊系統(tǒng)、可攜帶2名宇航員、有效載荷貯存空間以及無人遙控系統(tǒng)。

（13）月球地面站

月球地面站（LGS）（見圖14）將創(chuàng)建一個(gè)由18m天線組成的全球通訊網(wǎng)絡(luò)，這對于滿足NASA未來持續(xù)的月球探測任務(wù)所產(chǎn)生的通信和導(dǎo)航服務(wù)至關(guān)重要。從深空通信網(wǎng)絡(luò)（DSN）34m的子網(wǎng)向新的月球地面站LGS傳輸數(shù)據(jù)，將使DSN能夠?yàn)槊绹詈骄值男行强茖W(xué)探測和載人火星探測提供支持[1]。美國宇航局也將為商業(yè)公司尋求提供LGS服務(wù)的機(jī)會。LGS的主要特點(diǎn)為：18m級天線的全球布網(wǎng)；與深空通信網(wǎng)絡(luò)（DSN）的34m子網(wǎng)互相兼容；為Artemis月球探測計(jì)劃提供額外的系統(tǒng)能力；具有商業(yè)化潛力。

圖13 全地形月球漫游車

圖14 月球地面站

（14）月球通訊網(wǎng)絡(luò)

月球通訊網(wǎng)絡(luò)（LunaNet）（見圖15）被展望為一種標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)定和接口架構(gòu)，用于支撐NASA和其它國際合作伙伴未來在地月空間通訊和導(dǎo)航的升級版網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。LunaNet通過提供網(wǎng)絡(luò)通訊、導(dǎo)航授時(shí)、科學(xué)探測和報(bào)警服務(wù)為精細(xì)化操作機(jī)器人、科學(xué)試驗(yàn)和宇航員操作奠定基礎(chǔ)。月球通訊網(wǎng)絡(luò)體系能夠滿足短期內(nèi)月球南極探測和月球背面探測的技術(shù)需求，并隨著需求增加所提供的服務(wù)可覆蓋整個(gè)月球[1]。其主要特點(diǎn)為：網(wǎng)絡(luò)化通訊服務(wù)；月球?qū)Ш绞跁r(shí)服務(wù)；科學(xué)探測和報(bào)警服務(wù)；與美國宇航局、商業(yè)公司和國際合作伙伴的設(shè)備設(shè)施相適應(yīng)；包含月球中繼、月球表面和地球上的設(shè)施；是載人火星探測任務(wù)的前瞻性設(shè)計(jì)。

（15）移動居住平臺

移動居住平臺（HMP）（見圖16）將會極大地?cái)U(kuò)展月球表面巡視探測的行進(jìn)范圍，并能夠催生新的科學(xué)技術(shù)，促進(jìn)月球資源勘探。HMP被用于在月球上開展與未來載人火星探測活動相類似的任務(wù)，以降低風(fēng)險(xiǎn)并優(yōu)化操作理念[1]。其組成為：宇航員居住艙、環(huán)境控制與生命支持系統(tǒng)、電子設(shè)備、電力生成與存儲系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)以及太空行走航天服。

圖15 月球通訊網(wǎng)絡(luò)

圖16 移動居住平臺

（16）月球表面基地

月球表面基地（FSH）（見圖17）將為在月球表面長期工作的宇航員提供長達(dá)60天的月面生存環(huán)境與設(shè)施。FSH將由商業(yè)公司或國際合作伙伴負(fù)責(zé)交付，將為地球上的人們提供額外的就業(yè)崗位需求[1]。FSH的組成為：宇航員生活艙與貨物艙、環(huán)境控制與生命支持系統(tǒng)、為其它系統(tǒng)傳遞電力、熱控系統(tǒng)、提供月球表面的系統(tǒng)設(shè)備與Gateway環(huán)月軌道空間站的通訊、支持外部機(jī)器人活動和有效載荷的工作，以及太空行走航天服適應(yīng)性設(shè)計(jì)或空氣閥系統(tǒng)。

（17）月球表面電力系統(tǒng)

月球表面電力系統(tǒng)（LSP）（見圖18）為支持整個(gè)月夜期間持續(xù)的探測活動提供電力供應(yīng)，并能夠?yàn)閷淼妮d人火星探測所用。NASA正開發(fā)一個(gè)上限為10kW的模塊化原子能電力系統(tǒng)，它將為載人著陸器、宇航員居住艙、在橢圓軌道持續(xù)運(yùn)行的月球資源勘測系統(tǒng)提供電力，并有望成為將來美國載人火星探測任務(wù)的電力來源[18-19]。其主要特點(diǎn)為：月面設(shè)施取決于需要向著陸器傳輸?shù)墓β嗜萘?；電力供?yīng)水平取決于推進(jìn)方式與能量轉(zhuǎn)化策略；對美國載人月球探測和載人火星探測任務(wù)而言均需求迫切。

圖17 月球表面基地

圖18 月球表面電力系統(tǒng)

（18）月面技術(shù)創(chuàng)新激勵

月面技術(shù)創(chuàng)新激勵（LSII）是針對機(jī)器人和宇航員月球探測的技術(shù)綜合提升項(xiàng)目，并為美國未來的載人火星探測做技術(shù)儲備。通過LSII，NASA正在為克服過去在關(guān)鍵領(lǐng)域所遇到的技術(shù)難題進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，它的實(shí)施將在NASA、公共機(jī)構(gòu)與私有企業(yè)的共同合作下完成[3]。

LSII的主題包括：月球資源開發(fā)、月面原子能、極端地形進(jìn)入、月表挖掘制造與基地建設(shè)、抗月塵技術(shù)以及極端環(huán)境。

5 先期試驗(yàn)測試

為保證Artemis月球探測計(jì)劃的順利實(shí)施，NASA開展了一系列先期試驗(yàn)測試，主要涉及太空發(fā)射系統(tǒng)和“獵戶座”飛船的系統(tǒng)級和分系統(tǒng)級的重要試驗(yàn)。

太空發(fā)射系統(tǒng)的先期試驗(yàn)測試[20]包括：RS-25發(fā)動機(jī)試車、SLS助推器試車、SLS風(fēng)洞試驗(yàn)、SLS聲學(xué)測試、SLS結(jié)構(gòu)試驗(yàn)、火箭核心級初次試車、SLS飛行軟件和電子控制設(shè)備試驗(yàn)、發(fā)射系統(tǒng)試驗(yàn)（SLS發(fā)射工作臺39B和可移動式發(fā)射架）、發(fā)射控制中心模擬試驗(yàn)。

“獵戶座”飛船的先期試驗(yàn)測試包括：飛船落水試驗(yàn)、熱防護(hù)罩試驗(yàn)[21]、群傘減速系統(tǒng)空投試驗(yàn)[22]、飛船水面扶正試驗(yàn)、飛船發(fā)射逃逸試驗(yàn)、服務(wù)艙結(jié)構(gòu)試驗(yàn)[23]、服務(wù)艙推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)、飛船結(jié)構(gòu)試驗(yàn)、飛船熱試驗(yàn)、飛船加電試驗(yàn)、飛船壓力艙測試、乘員艙與服務(wù)艙總裝試驗(yàn)、任務(wù)控制與飛行仿真規(guī)劃聯(lián)合試驗(yàn)、海上回收試驗(yàn)，與EDL技術(shù)相關(guān)的先期試驗(yàn)見圖19。

圖19 Artemis計(jì)劃與EDL技術(shù)相關(guān)的先期試驗(yàn)

其中與EDL技術(shù)非常相關(guān)的先期試驗(yàn)測試有：飛船落水試驗(yàn)、熱防護(hù)罩試驗(yàn)、群傘減速系統(tǒng)空投試驗(yàn)、飛船水面扶正試驗(yàn)、飛船發(fā)射逃逸試驗(yàn)、海上回收試驗(yàn)。

6 思考與啟示

美國Artemis月球探測計(jì)劃作為NASA未來十年在深空探測和載人航天方面的核心內(nèi)容，其科學(xué)研究與技術(shù)發(fā)展策略、任務(wù)規(guī)劃和關(guān)鍵系統(tǒng)對我們有以下啟示：

1）未來10年應(yīng)積極搶占載人月球探測的技術(shù)高地，創(chuàng)新驅(qū)動提升我國深空探測、載人航天的綜合實(shí)力與科技水平；

2）重視NASA地月空間基礎(chǔ)設(shè)施及月面基地的發(fā)展，警惕美國在地月空間的軍事力量延伸與太空作戰(zhàn)威脅，在推進(jìn)我國載人登月工程的同時(shí)積極謀劃構(gòu)建我國的太空國防體系；

3）借鑒美國商業(yè)航天發(fā)展的成功經(jīng)驗(yàn)，我國的航天院所作為主力軍應(yīng)重視軍民融合、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用及成本控制、月球資源勘探與利用等方面，并引導(dǎo)商業(yè)航天公司積極貢獻(xiàn)力量，參與實(shí)施部分小型航天商業(yè)化服務(wù)項(xiàng)目。

7 結(jié)束語

在美國宇航員阿姆斯特朗首次登陸月球表面51年之后，NASA對外公布了美國Artemis月球探測計(jì)劃，旨在運(yùn)送美國宇航員重返月球，2024年前實(shí)現(xiàn)載人月球探測。通過在月球表面建造宇航員活動基地和在月球軌道部署環(huán)月空間站等科技設(shè)施和多項(xiàng)月球探測、深空探測任務(wù)的實(shí)施，維持其在宇航領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，并為未來美國的載人火星探測奠定基礎(chǔ)。

在中國即將實(shí)施月球取樣返回?zé)o人探測任務(wù)的重要時(shí)刻，積極跟蹤并認(rèn)真分析NASA Artemis月球探測計(jì)劃的詳細(xì)情況和技術(shù)內(nèi)容，有利于知己知彼，趕超先進(jìn)水平。在“發(fā)展航天事業(yè)，建設(shè)航天強(qiáng)國”戰(zhàn)略目標(biāo)的指引下，希望本文能對我國未來的載人登月、深空探測工程相關(guān)的技術(shù)發(fā)展方向有所啟發(fā)和借鑒。

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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, 郭東文, 張章, 等. 美國宇航局Artemis月球探測計(jì)劃簡介[J]. 航天返回與遙感, 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年獲西北工業(yè)大學(xué)大學(xué)航空工程專業(yè)碩士學(xué)位，現(xiàn)在東南大學(xué)攻讀博士學(xué)位，高級工程師。研究方向?yàn)楹教炱骰厥罩懠夹g(shù)。E-mail：wangliwujinjin@126.com。

（編輯：毛建杰）