可移动式月球着陆器在载人月球探测活动中的任务分析

梁 鲁，张志贤，果琳丽，杨 晨，曾 曜，李 民，叶培建

(1.中国空间技术研究院载人航天总体部，北京100094；2.中国空间技术研究院，北京100081)

可移动式月球着陆器在载人月球探测活动中的任务分析

梁 鲁1，张志贤1，果琳丽1，杨 晨1，曾 曜1，李 民2，叶培建2

(1.中国空间技术研究院载人航天总体部，北京100094；2.中国空间技术研究院，北京100081)

基于对阿波罗计划登月舱以及其它载人月球探测计划着陆器系统任务的调研，针对固定式着陆器任务与功能的局限性，提出了可移动式月球着陆器概念，以未来载人登月以及载人月球基地任务为背景，分析了可移动式着陆器在月面大范围探测、增强探测灵活性和月球基地建造、运营等任务中的优势:移动式月球着陆器能够兼顾载人登月任务和月球基地任务，优化月面系统组成，实现两个任务的衔接和过渡，对以建立月球基地为目标的载人航天计划、移动式月球着陆器以及基于着陆器形成的探测模式都很有助益。

移动式；着陆器；载人月球探测

1 引言

载人月球着陆器(登月舱)是实现将航天员、载荷送往月球表面，支持航天员月面活动和科学试验等任务的航天器。可移动式着陆器指具备移动能力的月球着陆器。

阿波罗计划、苏联登月计划和星座计划短期任务月球着陆器的最新一轮状态均采用了固定式月面着陆设计(着陆后着陆器位置固定)[1]。在阿波罗计划的后期任务中还在着陆器上配备了载人月球车，形成了固定式月球着陆器与月球车组合的登月模式，在实际飞行任务中，这种登月模式得到了验证，月球车的加入拓展了航天员的活动范围，提升了探测活动的效率。然而，固定式着陆器结合月球车模式还存在一定的局限性，并且随着持续性登月任务的开展，以及在未来载人月球基地任务中，这种模式的局限性将更为明显，主要体现在以下两个方面：

1)探测线路重复、探测范围有限

使用固定式月球着陆器，航天员每一次出舱活动后都必须返回着陆器之中，并最终通过着陆器的上升飞行器返回地球到达范围显见将受制于舱外服的持续工作能力(6～9小时)[2]。航天员将花费相当多的时间和能量在返回路程上。假设载人月球车行驶平均速度10 km/h，进行一次20 km外的探测，其返回着陆器就需要2小时，占去了整个舱外活动时间的25％以上。

2)用于月球基地任务需配套多种设施和操作

着陆器着陆于月球表面的过程中发动机气浪将掀起月表土壤和石块。为保护基地设施并考虑避免着陆偏差造成的危害，着陆区域距离月球基地本体的距离至少应达到几百米至几公里[3]。从着陆点运送航天员和货物前往月球基地是一项具有挑战性的任务。可以预见，使用固定式着陆器作为运输工具则相应地必须使用月面的大型运输车辆、起重机械等辅助设施共同完成这“最后一公里”的作业。

月球基地寿命周期内可能需要数多月球着陆任务的支持，固定式着陆器弃用部分将遗留在月球基地周围(除非使用整体起飞的着陆器)，占用着陆场资源并增加后续任务着陆风险，清理废弃着陆器也必须使用辅助设施付出操作成本[4]。

针对上述局限性，本文提出具有移动能力的月球着陆器概念，探讨其在月面大范围探测中的安全性、灵活性及其在简化月球基地任务中的独特优势。

2 研究现状

2.1 移动式月球着陆器概念及方案研究

以美国“星座”计划体系为指引，多个研究机构提出了可移动式月球着陆器和火星着陆器的概念并拓展移动式月球着陆器的任务模式，提升概念的附加值。我国尚未公开发表可移动式月球着陆器的概念和方案设想。

2.1.1 Lockheed Martin可移动月球着陆器概念

Lockheed Martin公司参与了NASA的探索系统体系研究(ESAS)，提出了可移动月球着陆器设想，但仍停留在概念阶段[4]。Lockheed Martin对月球着陆器移动能力的需求进行了简略的归纳，并主要提出了2种可移动载人月球着陆器概念。其中一种月球着陆器整体具备轮式运动系统，月球着陆器整器实现月面软着陆和月面移动(图1. a)；另一种月球着陆器仅在上升级上配备轮式运动系统，月面下降减速过程中将主减速推进系统分离掉，上升级单独完成软着陆并实现在月面的移动(图1.b)。

图1 Lockheed Martin月球着陆器概念Fig·1 Lunar lander concept of Lockheed Martin

2.1.2 Boeing火星着陆器概念

Boeing公司于2012年发表了火星探测器架构，实现4人落火480天的任务[5]。每一次火星任务中包括了4个火星着陆器，其中含3个货运着陆器和1个载人着陆器MPL。3个货运着陆器中分为两种，一种是载有居住舱的居住型着陆器MCL-H(2个)，另一种实际上是大型的增压月球车MCL-R。

在一次火星任务中，3个货运着陆器首先着陆，并各自单独到达预定的交汇点，等待载人火星着陆器的到来。理想情况下，载人火星着陆器将尽可能的靠近火星货运着陆器的交汇点进行着陆，以减少载人火星着陆器的移动距离，但也不能离得太近，避免动力下降过程中下降发动机对火星货运着陆器造成伤害。图2.a和图2.b是火星载人着陆器和火星货运着陆器着陆后的示意图，图2.c是火星基地组成示意图。

图2 Boeing火星着陆器概念Fig·2 MARS lander concept of Boeing

2.1.3 NASA可移动月球着陆器概念

美国在星座计划的体系框架内系统地开展了月球着陆器方案的研究，其中包括可移动月球着陆器的概念，论证了可移动月球着陆器的优点和在月球探测任务中的应用前景，并基于一种高机动性的轮腿移动系统(ATHLETE全地形探测系统[6]，图3.a)提出了可移动月球着陆器(图3.b)的方案设想。着陆器可在月面移动和调整姿态，多个着陆器密封舱首尾相接可组成月球基地(图3.c)。载人型月球着陆器在货运着陆器的基础上增加了上升级，供航天员返回月球轨道。可移动月球着陆器优势有如下几点：1)便捷地组成月球基地；2)便于月球基地的重定位、定向和变形；3)大型载荷装卸、运输；4)基地鲁棒性更高，易于商业开发和扩展；5)提高月面任务的灵活性。

2.2 后续发展启示

1)移动式着陆器可提高月球探测和月球基地任务的灵活性、经济性

在基地建造和维护以及基地设施重复利用方面，移动式着陆器对于简化系统持续月球探测任务的月面设施种类有重要作用。可移动货运型着陆器不需要配备专用的起重和运输设备即可完成基地的构建，在初级月球基地或月球基地的建造初期，可便捷地组成基地和变换基地构型。在航天员离开月球之后，自行前往下一科考点等待航天员的到来，大幅节省了向月面输送基地设施的费用。

图3 M L可移动着陆器Fig·3 MLmobile lunar lander concept of NASA

2)移动式着陆器是建立火星基地的首选

然而执行载人火星任务，必须通过多次火星着陆任务建立可长期生存的火星基地，并依赖于火星表面的基地建造和表面交会对接操作。受测控条件和火星大气的影响，实现高精度火星表面着陆具有更大的挑战性，各个着陆器的着陆点间距必须保持适当的距离。利用可移动着陆器是实现表面交会，减少火星运输规模的首选模式。

3 移动式月球着陆器任务分析

3.1 载人登月任务

初级载人登月任务中的月面活动以小范围的月面移动和适度的月面探测活动为主，每次飞行任务的登陆区域都不相同，各次飞行任务以广覆盖的形式遍布月球表面，在探测月球的同时也对各类技术进行验证。此外，为保障乘员安全，月球着陆器还必须具备在任意时间安全返回月球轨道的能力。

航天员出舱通过步行方式到达指定区域或对沿途进行探测，着陆器具备移动能力，以与航天员相同的速度跟随航天员。。

3.1.1 基本假设和约束

航天员每天睡眠时间保证不小于8小时，每天保持清醒的状态为16小时。航天员每天累积出舱时间不超过8小时，航天员单次出舱活动时间不超过8小时，航天员每工作3天需要休息2天(NASA START团队研究的假设和约束条件[7])。

航天员平均行走速度假设为1 km/h。在固定式月球着陆器加非增压月球车模式下，月球车平均行驶速度为10 km/h(阿波罗月球车LRV设计时速为13 km/h[8]，本文取10 km/h进行分析)。

3.1.2 任务模式：跟随探测

在7天任务内，假设航天员每天进行出舱活动，则航天员通过出舱行走每天最大行走距离为1 km/h×8 h＝8 km，在有增压舱跟随的情况下，航天员不需要返回着陆点，在航天员结束当天8 h工作后可就地返回着陆器，在舱内工作或休息期间(非睡眠)着陆器通过航天员操作或地面遥操作方式可再继续行走8 h。因此在可移动着陆器的支持下，航天员在7天内最远可到达距着陆点112 km处的区域，即可以完成一次100 km范围的贯穿探测，图4.b)。并且在探测过程中发生了必须离开月球的事件，航天员可就近返回着陆器飞离月球。

如果以固定式月球着陆器+载人月球车的模式进行探测(图4.a)，则在7天任务内，航天员的实际可出舱工作时间为5天，每天8 h。在7天内可完成对5个距着陆点7.3 km内区域的探测，总里程约73 km。

当任务周期增加至14天，则航天员最远可到达距着陆点224 km处的区域，即可以完成一次200 km范围的贯穿探测(图5.b，这一距离相当于可以横穿虹湾地区(直径约236 km))。并且在探测过程中发生了必须离开月球的事件，航天员可以就近返回着陆器飞离月球。

如果以固定式月球着陆器+载人月球车+固定式货运着陆器(含居住舱)的模式进行探测，则在14天任务内，航天员的实际可出舱工作时间为9天，每天8 h。无论是使用增压式月球车还是非增压式月球车都应遵守不大于7.3 km的活动距离限制。在9天内可完成对9个距着陆点7.3 km内区域的探测，总里程约131 km (图5.a)。

图4 单次任务探测距离(7天)Fig·4 Drivingrange at a single flight(7 days)

图5 单次任务探测距离(14天)Fig·5 Drivingrangeat a single flight(14 days)

3.2 月球基地任务

想定的月球基地任务以建设和维护3舱刚性舱月球基地并结合月球基地开展大范围探测为目标(任务规划如图6所示)。假定月球基地此前的选址、地表的稳固与处理已在先期的无人登月任务中完成。自首个刚性舱运至月球基地起，基地组成舱段使用移动式月球着陆器运送至基址附近的预定地点。

3.2.1 基本假设及约束条件

着陆过程发动机工作将产生气浪，它主要影响着陆平台与基地设施设备的距离。研究表明，具着陆点2 km范围内，基地设施的玻璃表面会遭到一定程度的侵蚀。在经历多次侵蚀之后，光学仪器的玻璃透光面可能失效[3]。

图6 可移动式月球着陆器月球基地任务模式Fig·6 Mobile lander in lunar base mission

另一方面，着陆器的落点偏差也会影响着陆平台的大小以及平台与月球基地的距离。在有完善的外部跟踪导航服务并且在月球上存在易于识别的地标的情况下，着陆器的偏差范围约为2 km。如果有月基导航系统的支持，以Apollo-17的经验推测，航天器的3σ着陆区域基本上可以缩小到100m以内[3]。但考虑到月面已存在的导航系统有失效的可能性，并综合考虑着陆气浪造成的影响，着陆点与月球基地的距离至少应为3 km。

3.2.2 任务模式：月球基地建造与维护

1)基地建造

第1台月球着陆器携带基地舱段着陆于距基地3 km的着陆区，自行前往基址。

第2台月球着陆器携带基地舱段着陆于着陆区，自行前往基址。

第1台载人月球着陆器到达基地，航天员现场指挥2个舱段使用可移动着陆器进行对接组装，并对基地进行调试维护。然后离开月面。

第3台月球着陆器携带基地舱段着陆于着陆区，自行前往基址。

第2台载人月球着陆器到达基地，航天员现场指挥第3个舱段使用可移动着陆器进行对接组装与前两个舱段组合体对接组装，对基地进行调试维护。

航天员陆续到达月球基地进行探测活动和科学实验。在基地的建造过程中，可移动着陆器缩短了航天员出舱作业的时间，并能够简化基地的建造流程，减少月面上的长时间闲置设施(表1、图7)。

表1 航天员出舱活动时间Table 1 Astronaut EVA time

图7 月球基地建造Fig·7 Construction of lunar base

2)着陆区清理

当着陆器着陆于月球基地附近，在货物卸载之后，着陆器下降级将留在着陆场成为废弃物，在基地建造和维护的过程中，将需要数次着陆任务，若不进行清理，则废弃物将在月球基地附近不断积累，占用基地附近的着陆区资源。此时必须使用运输车辆和/或吊车将着陆器运往更远的区域存放(图7.a)。

若着陆器具备一定移动能力，则着陆器可自行或在其它车辆的牵引下前往存放区域，简化了基地配置的操作内容(图7.b)

3.2.3 任务模式：月球基地转移和重建

可移动式月球着陆器可以便捷地组成可移动式月球基地，与月球基地的建造过程类似，可移动式月球基地可以便捷地进行转移前往下一处考察站点，并重新组成月球基地，且在基地拆解过程不需要航天员进行现场监视，可由地面遥操作完成(图8.a)。

而固定式月球基地则必须使用吊车和运输车辆，并消耗航天员出舱活动时间。在基地的拆解作业中至少需要1台运输机和1台起重机进行配合，而在转运过程中则至少需要4～5台运输机(图8.b)。

图8 月球基地转移Fig·8 Transfer of lunar base

3.2.4 任务模式：大范围区域探测中途应急返回

在大范围转移或探测过程中，为确保途中的安全，应由两台增压式月球车组成团队共同执行任务(图9.a)。在一个月昼周期内，假设每天行驶8 h，月球车平均时速10 km/h，至少应可行进1000 km以上，在中途发生航天员必须返回的情况时(伤病、月球车故障等)，月球车返回月球基地的时间过长。当行驶500 km时，则需约7天返回基地；行驶560km以上则必然经历月夜，进而必须降低行使速度或无法及时返回。

若使用可移动着陆器与一台增压月球车组成团队(图9.b)，则航天员可就近转移至着陆器的上升级，上升级起飞在10～20分钟内返回至月球基地或返回月球轨道。

图9 大范围探测中途应急返回Fig·9 Emergencyreturn in large range roving

4 结论

本文以载人登月和月球基地为背景，分析了可移动式月球着陆器的任务适用性，指出移动式月球着陆器在单次飞行短期横穿区域探测、大范围月面转移越障、月球基地建造维护与月球基地转移和重建任务中具有显著的优势。

移动式月球着陆器与固定式月球着陆器并非替代与被替代的关系，两者各有所长。固定式着陆器完全能够胜任小规模月球探测以及特定区域详细探测等任务。

移动式月球着陆器能够兼顾载人登月任务和月球基地任务，优化月面系统组成，实现两个任务的过渡，对于以建立月球基地为目标的载人航天计划，移动式月球着陆器本身以及基于着陆器形成的探测模式将成为未来月球探测任务的一大亮点。

在研制月球着陆器的过程中，应采用模块化的设计思路，使月球着陆器具备移动能力从而适应多种类型任务的需求，是一条较经济的具备高附加值的技术途径。

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Task Analysis of Mobile Lunar Lander in Crewed Lunar Exploration Missions

LIANG Lu1，ZHANG Zhixian1，GUO Linli1，YANG Chen1，ZENG Yao1，LI Min2，YE Peijian2
(1.Institute of Manned Space System Engineering，CAST，Beijing 100094，China；2.China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China)

Manned lunar lander is one of the core systems in the lunar exploration spacecraft system.Fixed lunar lander，as the Apollo lunar lander style，has its own limitations in extended and advanced missions.For these limitations，the concept of mobile lunar lander was introduced in the background of future crewed lunar explorations.Initiative analysis of advantages of mobile lander was made，including mobile lander in wide area roving mission，lunar base construction and operation.Mobile lunar lander itself，and mission modes around it will be a highlight that can serve as a reference in the transition period from manned lunar landing stage towards lunar base stage.

mobile；lunar lander；crewed lunar exploration

V478

A

1674-5825(2015)05-0472-07

2014-09-14；

2015-08-30

梁 鲁(1980-)，男，博士研究生，高级工程师，研究方向为载人航天器总体设计。E-mail：llu20081025＠163.com