輪腿式可移動載人月面著陸器概念設想

張志賢,梁 魯,果琳麗,葉培建

(中國空間技術研究院載人航天總體部,北京100094)

?

輪腿式可移動載人月面著陸器概念設想

張志賢,梁 魯,果琳麗*,葉培建

(中國空間技術研究院載人航天總體部,北京100094)

摘要：為提高月面探測的機動范圍和探測能力，提出了一種新型輪腿式可移動載人月面著陸器方案設想，綜合載人月面著陸器和月球車的能力，具備輪式高速移動和腿式高效避障的優點，支持月面著陸和起飛任務的執行，支持較大范圍的機動作業，支持月球基地構建和運營，滿足載人登月以及月球基地任務的應用需求；提出了輪腿式可移動載人月面著陸器所涉及的關鍵技術，可作為后續開展深入研究的參考。

關鍵詞：輪腿式；可移動式；載人月面著陸器

1 引言

在各種已實施、正在實施或停留在概念階段的登月計劃中,月面著陸器均是整個登月任務的特色和亮點之一。

載人月面著陸器是實現將航天員、載荷送往月球表面,支持航天員月面活動和科學試驗以及搭載航天員實現月面起飛返回等任務的飛行器。阿波羅計劃［1-2］、蘇聯登月計劃和星座計劃短期任務月面著陸器的最新一輪狀態均采用了固定式月面著陸設計(著陸后著陸器位置即固定)［2-5］。在阿波羅計劃的后期任務中還在著陸器上為航天員配備了月球車,進而形成了固定式月面著陸器與月球車組合的登月模式。在實際飛行任務中,這種登月模式也得到了驗證,月球車的加入拓展了航天員的活動范圍,提升了探測活動的效率［1］。然而,固定式著陸器與月球車組合的模式還存在一定的局限性,并且隨著持續性登月任務的開展,以及在未來載人月球基地任務中,這種模式的局限性將更為明顯,主要體現在：1)月球車往返的探測模式使得探測線路重復；2)受限于環控生保的支持能力,探測范圍有限；3)著陸后,著陸器的姿態無法調整,不利于建立上升級起飛的最佳條件；4)對于載人月球基地任務,不具備移動能力的著陸器對著陸點的選擇和著陸精度要求更加苛刻。

本文提出了一種新型的輪腿式可移動載人月面著陸器方案設想,將月面著陸器的月面下降、著陸和起飛能力與月球車的月面機動能力相結合,滿足航天員月面著陸、生活和工作的同時,可執行更大范圍的機動作業,支持月球基地構建和運營,是一種新型的月面著陸器設計思路。

2 移動式載人著陸器發展

以美國星座計劃體系為指引,多個研究機構提出了移動式月面著陸器和火星著陸器的概念并拓展移動式著陸器的任務模式,提升概念的附加值。通過各種研究可以表明,隨著航天技術的不斷發展和人類對月球、火星探測需求的不斷提升,移動式載人著陸器將是未來開展月球乃至火星探測任務重要的方向之一。

2.1 Lockheed Martin可移動月面著陸器概念

2004年,Lockheed Martin公司參與了NASA的探索系統體系研究,主要進行著陸器的概念設計和總體方案設計,主要對著陸器推進劑體系、構型進行了研究,同時提出了可移動月球著陸器設想,但仍停留在概念階段。Lockheed Martin對月球著陸器移動能力的需求進行了簡略的歸納,并主要提出了2種可移動載人月面著陸器概念。其中一種月面著陸器整體具備輪式運動系統,如圖1所示,月面著陸器整器實現月面軟著陸和月面移動；另一種月面著陸器僅在上升級上配備輪式運動系統,如圖2所示,月面下降減速過程中將主減速推進系統分離掉,上升級單獨完成軟著陸并實現在月面的移動［6］。

2.2 Boeing火星著陸器概念

Boeing公司發布的火星探測飛行器架構,采用近地-環火交會對接方式實現4人落火的任務,火星表面駐留時間480天。每一次的火星任務中包括4個火星著陸器,其中含3個貨運著陸器MCL(Mars Cargo Lander)和1個載人著陸器MPL (Mars Personal Lander),如圖3所示。3個貨運著陸器中分為兩種,一種是載有居住艙的居住型著陸器MCL-H(Mars Cargo Lander–Habitat Variant, 2個),另一種實際上是大型的增壓月球車MCL-R(Mars Cargo Lander-Rover Variant)［7-8］。

圖1 Lockheed Martin整器可移動系統［6］Fig.1 The design of mobile system on integral lander by Lockheed Martin［6］

圖2 Lockheed Martin上升級可移動系統［6］Fig.2 The design of mobile system on ascent module by Lockheed Martin［6］

載人火星著陸器搭載了可以支持81人天任務的生命保障系統和消耗品。3個火星貨運著陸器在設計上與載人火星著陸器進行對接,如圖4所示,從而可以在火星表面形成一個基地。每個居住性的火星貨運著陸器或可移動的漫游型貨運著陸器可以提供630人天的消耗品。4個著陸器組合起來所能提供的生命保障能力將足夠支持4人航天員乘組進行長達16個月的火星表面駐留作業［6-7］。

圖3 Boeing火星著陸器概念［8］Fig.3 Conceptual design of Mars lander by Boeing［8］

圖4 火星著陸器載人型與2個貨運型對接［8］Fig.4 Combination of MPL and two MCLs［8］

2.3 Howe′s可移動著陸器

2003年,香港大學Howe教授在已有自動化和機器人技術基礎上提出一種行星著陸器。著陸器整體是一個可在月面移動的著陸平臺,著陸平臺具備推進系統并載有密封艙,但不具備從行星表面起飛的功能。著陸平臺可將密封艙著陸于月面并在月面上將密封艙送往指定地點。著陸器采用4搖臂8輪方式進行月面移動,能通過崎嶇地形和山坡。著陸平臺吊掛密封艙的機構可以繞著陸器的縱軸進行小幅旋轉從而調整六邊形密封艙的指向。圖5和圖6分別為著陸器收攏和移動狀態示意圖［9］。

從國外移動式著陸器的發展來看,移動式著陸器其核心就是具備移動系統的載人著陸裝置。即在傳統的著陸器上考慮增加移動系統,使著陸器在具備著陸、起飛能力的同時還具備移動能力。因此移動式著陸器的關鍵在于移動系統的設計,尤其對于移動-著陸一體化設計的系統而言,移動系統不但要滿足月面高效移動的需求,還要具備支持月面穩定軟著陸的能力,需要進行優化設計,當然移動式著陸器還要具備常規著陸器所必須具備的常規功能。

圖5 Howe′s可移動著陸器收攏狀態［9］Fig.5 Furled status of mobile lander designed by Howe［9］

圖6 Howe′s可移動著陸器移動狀態［9］Fig.6 Mobile status of mobile lander designed by Howe［9］

3 輪腿式載人月面著陸器總體方案

根據未來載人月球探測的任務需要以及載人月面著陸器的發展趨勢,設計了一種輪腿式可移動載人月面著陸器方案,用于支持載人登月任務和月球基地任務中月面著陸、月面機動、月面起飛、月球基地構建與運營等任務的執行。

3.1 適用任務分析

移動式載人月面著陸器可支持載人登月任務和月球基地任務,主要體現在三個方面：

3.1.1 長距離探測

移動式載人月面著陸器可支持長距離的探測任務。以往固定式月面著陸器配合月球車的探測模式,探測過程以月面著陸器為中心,進行周邊固定范圍內的往返探測。假設任務周期為7天,航天員平均行走速度假設為va＝1 km/ h,月球車平均行駛速度為vv＝10 km/ h,參考Apollo計劃航天員出艙作業時間為8 h［1］,同時考慮月球車故障狀態下,航天員通過步行可以返回月面著陸器的情況,如圖7所示,則最遠探測距離D約滿足公式(1)［10］。

圖7 七天任務固定式著陸器配合月球車的探測過程Fig.7 Exploration process with immobile lander and lunar rover in 7 days

即航天員只能在以月面著陸器為中心的7.3 km的半徑內活動。

采用移動式載人月面著陸器,即具備了一個可移動的駐留點,航天員不必進行往返重復探測。假設航天員出艙作業8 h,休息8 h,月面著陸器移動行進8 h,如圖8所示,則7天的可移動距離約為：10 km/ h×8 h×7＝560 km,極大地增加了月球探測的貫穿距離,同時,由于著陸器時刻與航天員在一起,遇到應急情況,也可隨時搭載航天員實現起飛返回,確保任務的安全性。

圖8 七天任務移動式著陸器探測過程Fig.8 Exploration process with mobile lander in 7 days

3.1.2 月球基地建造

對于月球基地的構建有很多種方法,其中利用移動式著陸器進行基地構建是一種十分有效的途徑。移動式著陸器具有密封艙體,可直接作為月球基地的艙段,多個著陸器落月后可以通過自身機動能力和高低姿態調節能力,實現聚合組裝。對于后續航天員執行月球探測任務,可通過移動式載人著陸器實現月面著陸,并通過載人著陸器實現與月球基地的對接,使航天員直接進入月球基地,如圖9［10］。

圖9 移動式著陸器構建基地Fig.9 The process of lunar base construction by mobile lander

3.1.3 月球基地廢棄物清理

在月球基地建造與運營任務中,著陸器往返月球將是一項十分頻繁的工作,月球基地附近將設置著陸場用于著陸器著陸和起飛。

在著陸器著陸于月球基地著陸場并將攜帶的貨物以及載荷卸載之后,或者航天員乘坐上升級返回之后,著陸器的下降級將留在著陸場成為廢棄物。在基地建造和運營的過程中,將需要數次著陸任務,若不進行清理,則廢棄物將在著陸場不斷積累,占用著陸區資源。

如使用固定著陸器則必須要使用運輸車輛、吊車等設備進行吊裝和運輸作業(如圖10),將著陸器下降級(或剩余部分)運往更遠的區域存放。月面設施至少需要1臺大型運輸機和1臺起重機。

圖10 固定著陸器剩余部分運輸示意圖Fig.10 Assumption of clearing away the rest module of immobile lander

如采用移動式著陸器,則著陸器具備一定移動能力,著陸器可自行或在其它車輛的牽引下前往存放區域,簡化了基地配置的操作內容,如圖11。

圖11 移動式著陸器移動轉移示意圖Fig.11 Assumption of the rest module of mobile lander moving away

3.2 月面著陸器方案設計

著陸器月面著陸,需要非常大的速度增量來完成制動減速、下降著陸等過程,需要消耗大量的推進劑。而為了避免最后軟著陸過程出現大載荷的著陸沖擊,需要盡量減輕著陸質量。因此,在著陸器設計上整體分為三級。在發射狀態下,自下而上分別是制動級、著陸移動級和上升級,如圖12所示。

圖12 移動式月面著陸器整器Fig.12 Design of the integral mobile lunar lander

1)制動級

采用一套液氧煤油推進系統,負責月面著陸器的近月制動、動力下降主減速段減速。著陸器制動級頂端通過適配器與著陸移動級連接,底部與運載火箭連接,如圖13所示。減速任務完成后,制定級與著陸級分離,以減輕著陸質量。

2)著陸移動級

負責著陸器觸月著陸過程中的吸能緩沖和承載上升級在月面進行移動；作為起飛發射平臺對上升級進行支撐；配備氣閘艙,提供航天員出艙的氣閘功能。著陸移動級無推進劑,由氣閘艙和運動底盤組成。運動底盤由6邊形主框架結構、儀器艙、6套腿輪組成。主框架頂端通過適配器與上升級連接,主框架底部與制動級頂端適配器連接,如圖14所示。

圖13 移動式月面著陸器制動級Fig.13 Design of the brake module of mobile lunar lander

圖14 移動式月面著陸器著陸移動級Fig.14 Design of the mobile landing module of mobile lunar lander

3)上升級

采用一套常規推進系統,負責著陸器從距月面約3 km高度自著陸過程的減速和懸停,以及自月面起飛、上升和入軌直至與載人飛船交會對接。著陸器上升級頂端具備交會對接機構(與載人飛船對接),水平向后端具備艙門,通往氣閘艙,如圖15所示。

圖15 移動式月面著陸器上升級Fig.15 Design of the ascent module of mobile lunar lander

3.3 任務執行狀態設計

載人月面著陸器需執行月面著陸、移動、越障和月面起飛等任務,不同任務對著陸器的狀態要求不同。

1)著陸狀態設計

著陸月球表面前進入懸停狀態后,運動底盤的6套輪腿向外展開,股部、脛部分別與前一結構成30°,足部與著陸器縱軸平行,即髖關節展開60°,膝關節展開150°,踝關節展開150°。此狀態下,上升級主發動機噴口距最下端面距離為3.9 m；主發動機噴口與月面具有較充裕的空間,預計下降過程中,主發動機可工作至著陸器著陸時刻關機,充分減小著陸過程的沖擊能量,如圖16。

圖16 著陸狀態示意圖Fig.16 Design of landing status

2)月面移動狀態設計

(1)慢速行進

月面著陸器在崎嶇及多石塊、凹坑區域行進時采取該基本姿態,保持較高的底盤高度、適中的質心高度、較強的穩定性、較強的姿態調整能力、較高的關節動力裕度以及奇異性裕度。該狀態下著陸移動級每個腿的股部、脛部分別與前一結構成15°、100°,足部與著陸器縱軸平行。著陸器質心高度4 m,底盤凈高2.5 m,車輪在垂直于行進方向上的最大跨距5.1 m,如圖17所示。

(2)快速行進

月面著陸器在坡度小于10°且平坦區域快速行進時采取該基本姿態,保持較低的質心高度、適中的穩定性以及較強的關節動力裕度和姿態調節能力。該狀態下著陸移動級底盤每個腿的股部、脛部分別與前一結構成-30°、80°,足部與著陸器縱軸平行。著陸器質心高度2.7 m,底盤凈空高1.2 m,車輪在垂直于行進方向上的最大跨距6.7 m,如圖18所示。

圖17 慢速行進狀態示意圖Fig.17 Design of slow movement status

圖18 快速行進狀態示意圖Fig.18 Design of fast movement status

3)攀爬障礙

月面著陸器最高可攀爬4 m高水平臺階,攀爬過程如圖19所示。

圖19 攀爬水平臺階過程示意圖Fig.19 Design of status to climb steps

4)月面起飛狀態

該狀態著陸器著陸移動級底盤姿態與著陸狀態相同,氣閘艙通道與上升級分離后,在預緊力的回復作用下,經過雙平行機構的導向向后側移動350 mm,與上升級保持安全距離,如圖20。

圖20 上升級起飛狀態示意圖Fig.20 Design of ascent module ascending status

4 關鍵技術

移動式載人月面著陸器涉及的關鍵技術很多,其中主要的可歸納為以下幾個方面：

1)月面復雜環境機動技術

在月球表面進行移動,需考慮適應月面復雜環境要求,滿足作業機動能力需求,特殊作業活動機動要求等約束條件。月面復雜環境機動技術的內涵與所采取的運動技術方式有密切關系。基于輪腿的移動式載人月面著陸器的機動技術應重點研究地形探測與重構技術、避障技術、人機交互技術、自成像圖像分割技術、關節控制實現技術、柔性結構控制技術、高效運動規劃技術等內容,確保在人控和自主的情況下可實現快速、高效的月面機動。

2)高效燃料電池技術

移動式月面著陸器運動系統采用的能源應具有高比功率的特性,以滿足較大負載下運動功率需求。在各類能源技術途徑之中,燃料電池系統是構建移動式著陸器的重要途徑之一。燃料電池具有多種實現形式,如磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固態氧化物燃料電池、堿性燃料電池以及質子交換膜電池等等。其中質子交換膜燃料電池具有體積小、結構緊湊的優點,在軍事及航天領域具有明顯的優勢。其所涵蓋的質子交換膜電池的高效散熱與廢熱循環利用技術、水管理技術、高效膜電極技術、動態功率跟蹤與調節技術以及對優化飛行器系統密切相關的環-熱-電一體化技術都是應該重點關注的關鍵技術。

3)低溫燃料蒸發量控制技術

月面著陸器在整個任務周期內工作環境惡劣,需要經歷地面、入軌飛行、在軌飛行、星際飛行、月面多個階段,飛行周期長、熱環境復雜,直接影響到月面著陸器所用低溫推進劑以及燃料電池所用液氫液氧等低溫工質的存儲。蒸發量控制技術包括主動控制技術和被動控制技術,在工程使用上主要采用被動控制技術或者主被動混合的控制技術?；诒粍蛹夹g的絕熱方案具有結構重量較小、系統簡潔的特點,適合于短期任務；而對于長期(大于30天)任務,蒸發量仍可觀。對于月面著陸器,尤其是在月面長期工作的基于氫氧燃料電池的移動系統而言,技術水平仍需進一步提高。同時,為更加有效地實現長期任務的低溫燃料蒸發量控制,主動控制技術的研究也十分重要,且主動控制技術是實現“零蒸發”控制的必要手段,應予以關注。

4)基于輪腿系統的主動月面著陸緩沖技術

常規的固定式著陸器,如Apollo均采用潰縮吸能方式完成最終月面著陸。輪腿式月面著陸器方案需采用輪腿系統的關節進行最終著陸過程的緩沖吸能,這是一種新穎的著陸緩沖方式,對于優化系統、減小系統重量具有重要作用。輪腿系統在著陸之后,還將支撐整個著陸器以及實施月面行走。在著陸過程中除了完成緩沖吸能任務外,還必須保證各結構、機構以及車輪的可靠性和安全性。輪腿系統理論上具備利用關節主動控制實現著陸阻尼的效果,但其控制規律尚需開展深入研究。

5 結論

本文提出的輪腿式可移動載人月面著陸器是一種新型的著陸器概念,可滿足載人登月和月球基地任務的需求,與傳統固定式著陸器配合月球車的方式相比,移動式月面著陸器的探測距離和移動時間不再受艙外服的限制,探測距離更遠；輪腿式的設計不但可具備高速的移動能力,還具備高效的越障能力；此外著陸器的移動能力可以為著陸器的起飛選擇更優越的地勢條件,確保起飛的安全性。面對未來月球基地任務,還可以支持多個著陸器對接組裝構建月球基地的需求。諸多優勢可以預示,在未來的載人月球探測任務中,可移動式載人月面著陸器將成為一大亮點,并具有更廣闊的應用前景,但隨之而來的關鍵技術和核心問題也必須展開專門研究,以支持方案的深入研究和系統的研制。

參考文獻（References）

［1］ Lyndon B.Apollo program summary report［R］.APSR-JSC-09423, 1975.

［2］ 張有山,果琳麗,王平,等.新一代載人月面著陸器發展趨勢研究［J］.載人航天, 2014, 20(4)：353-358.ZHANG Youshan, GUO Linli, WANG Ping, et al.Study on the development trend of new generation Manned Lunar Lande ［J］.Manned Spaceflight, 2014, 20(4)：353-358.(in Chinese)

［3］ Benton Sr M G, Caplin G, Reiley K, et al.Boeing design trades in support of the NASA altair lunar lander concept definition［C］/ / AIAA SPACE 2008 Conference＆Exposition 9-11 September 2008, San Diego, California.

［4］ Benton Sr M G, Donahue B, Caplin G, et al.Configuration options to maximize lunar surface reuse of altair lander structure and systems［C］/ / AIAA SPACE 2009 Conference＆Exposition 14-17 September 2009, Pasadena, California.

［5］ Donahue B B, Caplin G, Smith D B, et al.Lunar lander concepts for human exploration［C］/ / AIAA SPACE 2006 Conference＆Exposition 19-21 September 2006, San Jose, California.

［6］ Birckenstaedt B M, Hopkins J, Kutter B F, et al.Lunar lander configurations incorporating accessibility, mobility, and centaur cryogenic propulsion experience［C］/ / AIAA 2006 19-21 September 2006, San Jose, California.

［7］ Benton Sr M G.Conceptual design of crew exploration lander for asteroid ceres and saturn moons rhea and iapetus［C］/ / 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition 4-7 January 2010, Orlando, Florida.

［8］ Benton Sr M G.Conceptual space vehicle architecture for human exploration of mars, with artificial gravity and mini-magnetosphere crew radiation shield［C］/ / AIAA SPACE 2012 Conference＆Exposition 11-13 September 2012, Pasadena, California.

［9］ Marc M.Cohen.Mobile lunar base concepts［C］/ / Space technology and application international forum-STAIF 2004.

［10］ 梁魯,張志賢,果琳麗,等.可移動式月球著陸器在載人月球探測活動中的任務分析［J］.載人航天, 2015, 21 (5)：472-478.LIANG Lu,ZHANG Zhixian,GUO Linli, et al.Task analysis of mobile lunar lander in crewed lunar exploration missions ［J］.Manned Spaceflight, 2015, 21(5)：472-478.(in Chinese)

Conceptual Design of Manned Lunar Lander with Wheel-Legged Mobile System

ZHANG Zhixian，LIANG Lu，GUO Linli*，YE Peijian
（Institute of Manned Space System Engineering，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

Abstract：In order to expend the maneuvering range and enhance the capability of lunar exploration，the conceptual design of manned lunar lander with wheel-legged mobile system was presented.The design combined the capabilities of lunar lander and lunar rover，and it had the advantages of wheeled mobile system to move fast and legged mobile system to cross obstacle effectively.It could perform the missions of lunar landing，ascending，long-distance movement，construction and maintenance of lunar base，so as to meet the needs of manned lunar exploration and lunar base.The key technologies of manned lunar lander with wheel-legged mobile system were presented to provide reference for further study in the future.

Key words：wheel-legged；mobile system；manned lunar lander

*通訊作者：果琳麗(1975-),女,博士,高級工程師,研究方向為載人深空探測,E-mail：rzltbgd＠sina.com.cn

作者簡介：張志賢(1983-),男,博士,高級工程師,研究方向為載人月球探測,虛擬仿真等。E-mail：mnzzx＠163.com

收稿日期：2015-06-23；修回日期：2016-02-23

中圖分類號：V4

文獻標識碼：A

文章編號：1674-5825（2016）02-0202-08