載人登月人貨分運與人貨合運模式對比分析

李宇飛，高朝輝，劉 偉，申 麟

（中國運載火箭技術研究院研究發展中心，北京100076）

載人登月人貨分運與人貨合運模式對比分析

李宇飛，高朝輝，劉 偉，申 麟

（中國運載火箭技術研究院研究發展中心，北京100076）

由于載人航天任務所具有的確保航天員安全的特殊屬性，載人登月任務模式往往因此必須考慮救生等多種環節和因素，變得十分復雜。針對目前載人登月人貨分運及人貨合運兩種任務模式，通過比較分析表明，從安全性、任務風險、飛船設計約束、發射窗口、測控支持復雜度方面來看，人貨合運模式要優于人貨分運模式，但是人貨合運模式中的重型火箭如果被要求按照載人火箭標準進行設計和考核，其研制周期、經費方面的投入將會增加。

運載火箭；載人登月；發射模式；任務分析

1 引言

載人登月對于任務的安全性要求十分嚴格。另外，由于載人登月任務規模大、技術難度高，所涉及的系統十分復雜，對于一些重要的技術途徑必須進行全面認真的分析。其中，人貨分運與人貨合運這兩種不同技術途徑就需要認真地加以分析。

所謂的人貨分運指的是，整個載人登月任務由兩枚運載火箭發射完成。登月艙由貨運火箭首先發射至近地停泊軌道，然后載人飛船由載人火箭發射進入近地停泊軌道。載人飛船與登月艙交會對接后，由貨運火箭末級助推加速進入奔月軌道［1］。

所謂的人貨合運指的是，整個載人登月任務由一枚運載火箭發射完成。登月艙和載人飛船由同一枚運載火箭送入奔月軌道。在奔月軌道入口，載人飛船與登月艙對接成一體后奔月［1］。

本文從安全性、任務風險、飛船設計約束、發射窗口、測控支持復雜度、研制難度等方面對這個問題進行了初步的分析。

2 國外情況分析

目前國外真正投入資金實施的載人登月項目一共有3個，分別是美國的阿波羅計劃，前蘇聯的N1/L3計劃以及最近終止的美國星座計劃。

在美國阿波羅計劃中，采用了人貨合運的登月模式。阿波羅飛船的發射模式為［2］：

①土星5號火箭末級第一次點火將阿波羅飛船送入地球停泊軌道；

②土星5號火箭末級第二次點火加速將阿波羅飛船送入LTO軌道；

③載人飛船與末級火箭分離，載人飛船掉頭并與登月艙對接，登月艙與末級火箭分離，重新改變方向，把登月艙頂在載人飛船頭上直奔月球；

④飛船沿過渡軌道飛行，經中途校正軌道后接近月球；

⑤飛船主發動機點火減速，使飛船進入環月軌道。

圖1所示為阿波羅計劃中登月艙和載人飛船共同裝載于火箭中的畫面，頂部為載人飛船，錐形殼內為登月艙［2］。圖2為阿波羅計劃中載人飛船與登月艙的對接過程，即載人飛船首先與火箭末級分離，然后進行掉頭，與登月艙對接，登月艙與火箭末級分離［2］。

圖1 阿波羅計劃中登月艙和載人飛船在火箭中的安裝位置Fig.1 Spacecraft in Apollo program

圖2 阿波羅計劃中載人飛船與登月艙的對接過程Fig.2 Transposition and docking in Apollo program

在蘇聯N1/L3計劃中，也采用了人貨合運的登月模式［3］。N1/L3的發射模式為：

①N1火箭發射進入220 km，傾角51.8°的近地軌道；

②繞地飛行1-2圈后，火箭第四級（G模塊）點火，加速進入LTO軌道，G模塊分離；

③火箭第五級（D模塊）在過渡軌道進行中途修正，接近月球；

④火箭第五級（D模塊）實施近月制動；

⑤1人離開載人飛船LOK，進行空間行走，進入登月艙LK，登月艙與載人飛船分離；

⑥D段點火制動，登月艙LK進入環月85× 16 km軌道；

⑦近月點D段再次點火，推動登月艙下降到距月面1500 m高度后分離。

圖3所示為前蘇聯登月計劃中登月艙和載人飛船共同裝載于火箭中的畫面［3］，上部為載人飛船LOK，下部為登月艙LK。在環月軌道上，登月艙LK以及模塊D共同與載人飛船分離后執行落月任務。在美國的星座計劃中，提出采用人貨分運的登月模式［4］。星座計劃的發射模式為：

圖3 前蘇聯登月計劃中登月艙和載人飛船在火箭中的安裝位置Fig.3 Spacecraft in N1/L3 program

①貨運火箭Ares5的芯二級EDS將登月艙送入近地軌道；

②載人火箭Ares1將載人飛船CEV送入近地軌道；

圖4所示為美國星座計劃中載人飛船與登月艙以及EDS近地軌道對接后的組合體［4］。

圖4 美國星座計劃中載人飛船與登月艙近地軌道對接后的組合體Fig.4 Spacecraft in Constellation program

3 安全性分析

目前我國可靠性最高的運載火箭為CZ-2F，火箭可靠性指標為0.97，火箭安全性指標為0.997［5］。參照該運載火箭的可靠性指標分配，估算為人貨分運模式研制的貨運火箭的末級可靠性指標為0.9943。

人貨分運模式中載人火箭發射航天員入軌的安全性指標，按照現在CZ-2F的指標取為0.997，那么人貨分運后航天員安全進入LTO軌道的安全性指標為0.9943×0.997=0.991。

對于人貨合運的載人登月模式，貨運火箭必然要按照載人運載火箭設計配備逃逸系統，提高航天員的安全性，因此人貨合運模式下航天員安全進入LTO軌道的安全性指標，應該是固有可靠性指標下貨運火箭配置逃逸系統后的安全性指標。根據下式計算貨運火箭配置逃逸系統后的安全性指標［6］。

式中RCS—航天員的安全性；RLV—運載火箭的可靠性；RMDS—故障檢測系統的可靠性；RLES—發射逃逸裝置的可靠性。

參照目前CZ-2F運載火箭的可靠性指標0.97，及其逃逸系統可靠性指標0.90（RMDSRLES）［5］，計算得到固有可靠性指標下貨運火箭配置逃逸系統后的安全性指標為0.997，相比于人貨分運安全性指標0.991要高。

綜合以上結果，人貨合運的安全性指標要優于人貨分運的安全性指標。

4 任務風險分析

參照Apollo計劃［2］和星座計劃飛行任務流程［4］，得到人貨合運以及人貨分運模式中，在飛船進入LTO軌道之前所要執行的關鍵任務流程如表2所示。

表1 人貨合運和人貨分運模式下進入LTO之前的關鍵任務流程Table 1 Key procedures before entering into LTO of the twomodes

參照目前CZ-2F運載火箭的飛行可靠性指標0.97以及發射可靠性指標0.92［5］，參照美國星座計劃論證中提及的自動交會對接0.85的可靠性［4］，對人貨合運以及人貨分運模式下，進入LTO軌道之前的任務可靠性進行計算如表2～3。

表2 人貨合運模式進入LTO軌道之前的任務可靠性Table 2 M ission reliability of cargo and crew combined launch mode

表3 人貨分運模式進入LTO軌道之前的任務可靠性Table3 M ission reliability of cargo and crew separated launch mode

計算得到人貨合運以及人貨分運模式下，進入LTO軌道之前的任務可靠性分別為0.825和0.759。

綜合以上結果，在運載火箭執行任務階段，人貨合運的任務可靠性要優于人貨分運的任務可靠性。

5 對載人飛船設計約束的分析

對于人貨分運模式，載人飛船需要在現有火箭直徑的約束下進行設計。對于人貨合運模式，載人飛船需要在重型貨運火箭（如土星5火箭）的約束下進行設計［2］。

為了放寬著陸場對載人登月總體方案的約束，現有載人飛船的升阻比需要從0.2增加至阿波羅返回艙的0.3～0.35［7］，為了承載3名航天員，需要擴大直徑到與阿波羅飛船3.85 m相似的量級［7］，為了承載6名宇航員，需要擴大直徑到與獵戶座飛船5.5 m相似的量級［1］，如圖5～7所示。相應的逃逸系統質量都需要有所增加。這樣只能依賴重型運載火箭進行飛船發射。

圖5 聯盟號飛船3名乘員布置［7］Fig.5 Arrangement in Soyuz spacecraft

圖6 阿波羅飛船3名乘員布置［7］Fig.6 Arrangem ent in Apollo spacecraft

重型運載火箭的芯級直徑達8 m以上，可以容納大直徑載人飛船。

圖7 獵戶座飛船6名乘員布置［1］Fig.7 Arrangement in Orion spacecraft

綜合以上結果，人貨合運模式對載人飛船的約束要小于人貨分運模式。

6 發射窗口及發射任務實施風險分析

人貨分運模式對于發射窗口的選擇更為復雜和苛刻。載人登月任務所需要進入的地球停泊軌道，必須兼顧運載能力和軌道壽命兩方面的考慮。為了提高運載能力，希望選擇盡量低的停泊軌道高度，但是軌道壽命相應變短。阿波羅計劃選擇了可接受的最低軌道高度180 km［8］。

根據以上論述，載人火箭和載貨火箭的發射間隔不能太長，否則載貨火箭就必須進行軌道維持，或者進入更高的停泊軌道，這都將損失運載能力。以美國星座計劃為例，Ares5載貨火箭首先進入240 km軌道，預計4天之后軌道衰減至180 km，載人飛船必須在這4天內發射升空實施對接［8］。

另外較長時間的在軌等待也將損失一定量的低溫推進劑，Ares5為4天在軌滑行預留了318 kg的推進劑蒸發量［9］。

綜合以上結果，人貨分運模式對于發射窗口的選擇更為復雜和苛刻。

7 發射、測控支持系統復雜度分析

對于人貨分運模式，發射場需要同時進行兩枚火箭的發射準備工作，而且一旦貨運火箭發射升空，載人火箭的發射支持可靠性要求更高，必須支持火箭在盡可能短的時間內發射升空。

對于人貨分運模式，整個任務增加了4天左右的近地軌道對接時間［1］，測控系統支持的時間延長，測控的目標增多，測控復雜性增加。

綜合以上結果，人貨分運模式對于發射、測控支持系統的要求更為嚴酷。

8 對重型運載火箭研制難點分析

在人貨合運與人貨分運兩種登月模式下，重型運載火箭有著不同的技術難點。

對于人貨分運模式，相比于人貨合運模式，重型運載火箭在軌滑行時間大大縮短，低溫推進劑在軌貯存技術的難度大大降低。

對于人貨合運模式，相比于人貨分運模式，重型運載火箭需要兼顧載人狀態和載貨狀態，即需要研制載人狀態整流罩和常規的貨運整流罩。

對于人貨合運模式而言，重型運載火箭需要滿足載人的要求，可靠性指標必須驗證到設計指標。比如對于土星5火箭而言，F-1液氧煤油發動機單機累積24萬秒試車、多機并聯試車累積1.6萬秒，全周期試驗次數達1100多次，如圖8所示［10］。這樣試車時間和成本對于我國來說太高了，我國新研的發動機還從未達到過如此高的水平。

圖8 F-1火箭發動機累計點火時間Fig.8 Cumulative burn time of F-1 rocket engine

相比于人貨分運模式，人貨合運模式中重型火箭如果按照載人火箭標準進行設計和考核，研制周期、經費投入方面相比于單純載貨的重型運載火箭將嚴格和苛刻得多，經濟和進度實現性上較差。

9 總結

本文從國外情況、安全性、任務可靠性、對載人飛船的設計約束、對重型運載火箭研制難度的影響、發射窗口及發射任務實施風險、發射測控支持系統復雜度、重型載人火箭研制必要性等方面，對載人登月人貨合運及人貨分運模式進行了分析，得到以下一些結論：

1）如果重型運載的可靠性指標按照在用運載火箭的可靠性指標來研制，那么人貨合運的安全性指標要優于人貨分運的安全性指標。再綜合其他方面的考慮，人貨合運的優勢要比人貨分運的優勢明顯。

2）相比于人貨分運模式，人貨合運模式中重型火箭如果按照載人火箭標準進行設計和考核，研制周期、經費投入方面相比于單純載貨的重型運載火箭將嚴格和苛刻得多，經濟和進度實現性上較差。

3）本文的分析依然十分初步，具體人貨分運與人貨分運的模式哪個更有優勢，還需要進一步深化論證。另外還要從更高的層面綜合各個方面的約束，綜合權衡考慮。

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Com parison and Analysis of Cargo and Crew Combined Launch M ode and Separated Launch M ode in M anned Lunar Landing M ission

LIYufei，GAO Zhaohui，LIUWei，SHEN Lin
（R&D Center of China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing100076，China）

Because of the complexity ofmanned lunar landingmission，more factorsmustbe considered to ensure the crew safety.In this paper，cargo and crew combined launch mode and cargo and crew separated launch mode was compared and discussed.From the perspectives of crew safety，mission risk，spacecraft design constraint，launch window，complexity of support for tracking，the cargo and crew combined launchmode isbetter than the cargo and crew separated launch mode.But in cargo and crew combined launchmode，if heavy launch vehicle is required to design ashuman rated launch vehicle，the research investment and period will be increased.

launch vehicle；manned lunar landing；launch mode；mission analysis

V57

A

1674-5825（2014）04-0307-05

2012-08-08；

2014-05-07

李宇飛（1978-），男，博士，高級工程師，研究方向為航天器總體任務分析。E-mail：scansky@gmail.com