載人探月任務中月基拋射探測概念研究

杜宇 馬繼楠 王位 朱謙 劉宇明 文聞 孫玉成

(1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)(2 中國人民解放軍海軍工程大學，武漢 430033)(3 北京空間機電研究所，北京 100094)(4 北京衛星環境工程研究所，北京 100029)(5 北京控制工程研究所，北京 100094)(6 中國空間技術研究院，北京 100094)

航天員在月面工作，將面臨月面惡劣復雜環境帶來的挑戰，導致探測范圍受較大約束。航天員在月面工作時間非常寶貴，如何提高航天員的探測效率，在有效的時間內盡量實現更大范圍的探測，同時降低航天員的風險是未來載人探月任務需要解決的問題。采用無人探測器作為航天員探測的輔助手段，有望有效解決這一問題。月球表面近似為真空環境，且重力加速度約為地球的1/6，采用拋射方式遠距離輸送無人探側器是一種可能的技術途徑。通過這種方式，航天員可以快速對周邊探測區域進行遠距離探查，可以對航天員難以到達的惡劣環境(如永久陰影區等)進行定點探查，也可以針對不同區域發射多個無人探測器，實現大范圍整體多點探查，是擴展航天員在月面工作能力和探查范圍的有效探測手段。

本文對基于月基拋射的載人探月任務進行了初步分析，提出了基于電磁發射、高壓氣體發射和化學推力器助推的3種月基拋射裝置，進行了對比分析；調研分析了球形探測器和彈丸形探測器兩種適合拋射的輕小型無人探測器，并對兩種探測器的高速著陸撞擊防護技術進行了分析。

1 任務場景描述

拋射裝置可由航天員攜帶，將無人探測器拋射到指定區域，在中繼星的支持下，與無人探測器進行測控通信，并傳送探測數據，如圖1所示。無人探測器可攜帶小型蓄電池或燃料電池，支持任務期間的能源供給。此外，探測器可攜帶輕小型載荷，對目標區域進行探測，如對永久陰影區進行探測，可攜帶水分子分析儀，對于穿透探測器，可攜帶研究月表成分的相關載荷等。

圖1 航天員利用月基拋射裝置拋射無人探測器示意圖

月基拋射無人探測器可適用于以下場景：

1)場景一(探測航天員難以到達的區域)

月球表面環境復雜惡劣，航天員受限于自身的行動能力而無法到達，如環形山頂、撞擊坑底或巨大遮擋物后。采用月基拋射無人探測器的方式，可有效地讓探測器攜帶有效載荷在短時間內，以極小的代價對目標區域實施精確探測，擴大了航天員的探測區域，同時也提高了探測效率，降低了航天員的安全風險。

2)場景二(向航天員運送儀器設備或補給品)

航天員受限于自身行動力和補給需求，無法實現長時間、遠距離的探測，也無法攜帶更多的儀器設備。月基拋射裝置，可將由防護撞擊外殼包裹的小型儀器設備如蓄電池、月震儀、必要的工具等，精確拋射至航天員所在區域，同時也可為航天員進行補給，保證航天員的活動范圍和活動時間。

3)場景三(構建月面無線通信網絡并提供著陸導引信息)

可以月球基地為中心，向周圍輻射狀拋射攜帶無線通信節點的小型探測器，各節點相互通信，月球基地作為控制中樞，構成月面無線通信網絡。可為正在執行任務的航天員或巡視器提供實時通訊和位置坐標等信息。同時每個節點還可安裝信號發生器，作為著陸器著陸月面的信標導引，如圖2所示。

圖2 月面無線通信網絡示意圖Fig.2 Schematic of wifi network on lunar surface

為實現以上任務場景的工作，拋射裝置和探測器應具有輕小型可重復使用的能力，便于航天員攜帶和操作，以便輔助航天員完成探測任務。初步技術指標為探測器質量約10 kg量級，在月球環境下拋射距離不小于10 km，工質可重復循環使用。基于以上任務場景和初步指標要求，下文將圍繞月基拋射裝置和輕小型無人探測器開展需求分析。

2 月基拋射裝置分析

月面拋射裝置的根本需求是將無人探測器根據航天員設定的拋射仰角、方位角和所需的初始速度拋射出去，能夠適應月面復雜的工作環境，包括適應復雜地形能力，相對于月表當地天東北坐標系的拋射仰角和方位角設定能力，拋射裝置自身能源供給和熱控防護能力，對無人探測器的長期存儲維護能力，探測數據接收和對無人探測器控制能力，可承受拋射過程所造成力學環境和月塵激揚影響等。此外，還要求月基拋射裝置可以在月面低成本快速重復使用，可以攜帶多個探測器。

月基拋射首先需要被運送到月面上去，且在月面質量和體積規模盡可能小，航天員對月基拋射裝置可實現便捷的月面移動運輸，實現對所關心的熱點區域開展探測，這就需要月基拋射裝置體積小、質量輕、可模塊化組裝、具備月面移動運輸功能等，可實現航天員單人移動運輸和拋射操作。經初步分析，月基拋射裝置可采用電磁發射、高壓氣體發射和化學推力器助推拋射等技術途徑。

2.1 電磁發射裝置

電磁發射技術是一種將物體加速至指定速度的新型發射技術，它采用電磁推力作為驅動力，通過對電壓、電流和發射位置的精確控制，將電磁能轉化為動能，實現發射速度和推力的精確控制，可以滿足飛機、導彈、火箭、航天器等各種物體的發射要求[1]。電磁發射技術近年來的研究主要集中于航母飛機電磁彈射、艦載無人機、魚雷發射、艦載導彈垂直發射，電磁軌道炮等方面。同時，在天基戰略防御攔截、航天發射、空間軌道轉移、民用軌道交通運輸等方面也進行了大量的研究[2]。國內海軍工程大學的馬偉明院士團隊在艦載電磁彈射裝置、電磁軌道炮等領域取得了大量成果[3]。

適用于月基拋射任務的電磁拋射系統主要由儲能裝置、電能變換裝置、拋射裝置、頂層控制裝置等4部分組成，電磁拋射系統基本框圖如圖3所示。

圖3 電磁拋射系統組成原理框圖Fig.3 Schematic of electromagnetic projectile system

(1)儲能裝置位于電磁拋射系統能量鏈的最前端，是整個拋射系統的能量來源。其主要功能是儲存拋射所需能量，具備瞬時大功率放電的能力，在拋射過程中，儲能裝置儲存的能量瞬間輸出至拋射負載，在拋射前，電源的電能長時間、小功率儲存至儲能裝置。根據系統的電壓、電流和功率需求，可以考慮采用超級電容儲能方案或者電源直接供電方案。

(2)電能變換裝置的主要功能是將儲能裝置輸出的電能變換為頻率和幅值協調變化的交流電供給拋射裝置，實現探測器按照預定的軌跡運行。電能變換裝置主要包括逆變器等電力電子裝置組成。根據電磁拋射系統總體方案設計確定技術指標，計算出器件的邊界條件。在保證裝置功能性、可靠性的前提下，借鑒國內外已有的脈沖電力電子結構設計方案，結合電磁拋射這個特殊的應用對象，對電能變換裝置的功率單元在綜合考慮多方面因素的基礎上進行優化和模塊化設計；同時根據電磁拋射系統的特點，優化能量使用及分配的控制策略。

(3)拋射裝置是電磁拋射系統的執行機構，將電能變換裝置輸出的電能轉變為最終探測器的動能。根據探測器電磁拋射系統的功能需求，拋射裝置采用感應式電機方案，保證裝置可靠性，并減小裝置的體積、質量和損耗，合理設計定子和動子的結構。

(4)頂層控制裝置主要有兩類功能：一是協調系統各個設備，實現拋射過程中的控制及維護測試功能；二是實現系統的狀態監測及故障診斷功能。因此從功能上，該頂層控制裝置網絡可獨立劃分為控制網和監測網。

電磁發射裝置工作過程如下：拋射前，儲能裝置從電源上以小功率獲取并儲存能量，為拋射過程所需的脈沖能量做準備。拋射時，儲能裝置瞬間釋放大功率電能至電能變換器，通過電能變換裝置將儲能裝置輸出的能量變換成合適的電壓、電流輸送至拋射裝置轉化為動能，推動拋射裝置加速至所需的速度。電磁拋射裝置通過輸入預設的拋射要求，實時檢測拋射裝置運動軌跡，通過控制算法實時控制電能變換裝置輸出的電壓、電流，從而實現彈射器拋射的精確控制。

2.2 高壓氣體發射裝置

隨著氣動發射技術的發展，出現了各種利用高壓氣體進行發射的氣動槍械或發射裝置。這些裝置基本上都是利用高壓空氣、二氧化碳或氮氣等氣體在彈膛內膨脹做功，推動彈丸或相關物體沿噴管實現定向發射。1946年，美國人研制出第一門利用輕質氣體(氫氣、氦氣或氮氣)作為發射氣體的輕氣炮，彈丸在承受較低的加速度和較小應力的情況下，獲得高彈速，已成為非常有效和實用的高速試驗設備[4]。氮氣彈射裝置是以高壓氮氣作為彈射動力的機載導彈彈射裝置，一般情況下，它由氮氣室、開關閥、調節閥、掛鉤解鎖機構和前、后活塞作動筒等組成。利用高壓氮氣推動活塞運動，帶動相關機構運動，釋放導彈吊掛，再由活塞將導彈推離載機。近年來，美國的國際救生設備公司(Rescue Solutions International，Inc)也采用高壓氣體拋射研發了ResQmax遠程救生拋繩器[5]；它采用高壓氣體為動力發射錨彈，拋射引繩，具有拋射距離遠、安全性高、性能良好的優點。國內方面，哈爾濱工程大學等單位，對氣動發射裝置也開展了多年技術研究，取得了一定的成果。

針對本任務的高壓氣體發射裝置由工質儲箱、活塞、發射管組成，如圖4所示。該裝置工質的選取應盡量滿足以下條件：①不需要額外加熱，即可實現工質氣液轉換；②工質易于在月面獲取；③安全可靠。基于以上原則，可初步選取氧氣、甲烷或二氧化碳作為高壓氣體發射裝置的工質。儲箱需存儲高壓氣體，初步選取具有較高強度和良好塑性韌性的低合金鋼。

高壓氣體發射裝置工作過程如下：儲箱內裝有液態氣體，液態氣體可由加料閥門加注到儲箱內。儲箱與發射管利用電磁閥門連接。在電磁閥門上，有運動活塞，活塞上放置探測器。發射管上邊緣有聚四氟乙烯橡膠限位拴用來阻斷活塞。當處于月晝時，儲箱內液態氣體氣化，待液體全部氣化后，儲箱內形成高壓氣體。打開電磁閥門，高壓氣體推動活塞運動。當活塞運動到發射管頂部，活塞被限位拴擋住停止運動，放置在活塞的探測器脫離活塞，拋射出去。利用帆布遮住高壓氣體發射裝置，營造低溫環境，或者進入月夜，自然產生低溫環境。高壓氣體降溫，并液化，重新流入儲箱內。關閉電磁閥門，活塞由于受重力作用，再次滑落到發射管底端。

圖4 高壓氣體發射器示意圖Fig.4 Schematic of high pressure gas emitters

2.3 化學推力器助推拋射裝置

使用化學推力器對探測器進行一段行程的助推，也可實現月基拋射任務。化學推力方式主要分為固體發動機推進和液體發動機推進；液體發動機系統需要使用貯箱管路閥門等組件，系統較為復雜，適用于重載荷大推力的使用場景；而固體發動機結構簡單可靠、成本低，更適合在月面上拋射小型探測器。小質量級的固體發動機推進方式已在20世紀90年代服役的第4代 “先進中距空空導彈”(AIM-120)上得到了應用[6]。國內方面，中國航天科技集團有限公司下屬的中國空間技術研究院等多家單位也開展了空間探測器的推力器研制工作，類型覆蓋了固體火箭發動機、液體發動機等，技術較為成熟。

適用于月球表面的推力助推拋射系統應該具備拋射角度調節功能、探測器推力助推功能、推力助推器/探測器回收功能、推力助推器重復使用功能、發射支架便攜收納功能等功能，因此系統由可折式發射支架、推力助推器、回收裝置等幾部分組成，如圖5所示。推力助推器是月基拋射推力助推裝置核心部分，與月基探測器有安裝接口，接受拋射信號后點火工作，為探測器提供一定時間的持續推力，將探測器加速到一定速度后，在月球表面將一定質量的探測器拋射出去，并在空中實現與探測器的分離，保證探測器拋至所需距離。工作后能夠被回收裝置收回并能夠進行簡單重新裝藥和配件更換后重復使用。發射支架是整個推力助推月基拋射裝置的安裝底座，為推力助推器發射提供支撐及發射通道，能夠調節助推器發射角度，為回收裝置和控制電源提供安裝接口，不使用時能夠折疊收納便于航天員攜帶，使用時能夠展開并形成固定支撐，能夠固定在月面上。回收裝置固定在發射支架上，通過系繩連接推力器，推力器接受拋射信號并發射后，回收裝置釋放系繩，不對推力器-探測器發射過程造成影響；推力器工作完成后能夠拖拽推力器降低推力器飛行速度并落下，之后能夠自動牽卷系繩實現推力器/探測器回收。

化學推力器助推發射裝置工作過程如下：航天員觸發拋射裝置，推力器點火器接受點火信號點火，點燃藥柱產生推力使推力器向前運動，并推動探測器拋出，點火器和電源通過分離插頭連接，運動過程中通過推力器推力將分離插頭拽開從而完成電源分離，推力器持續工作推動探測器獲得飛行速度，推力器產生持續推力推動探測器飛行一段時間后自由拋墜至待探測目的地區域。

圖5 推力助推拋射裝置示意圖Fig.5 Schematic of thrust boost launchers

2.4 3種拋射方式對比

通過分析比較，電磁發射方式、高壓氣體發射方式和化學推力器助推拋射方式作為月基拋射裝置的技術途徑各有優缺點，見表1。

表1 不同拋射技術途徑分析比較

電磁發射方式適用于能源充足的月球基地，航天員可通過模式化的操作，控制電磁拋射裝置，拋射距離更遠，精度更高，在能源的支持下，理論上可無限次的重復使用，但拋射裝置質量比較大，航天員較難實現攜帶操作。相比于電磁發射裝置，高壓氣體發射裝置和推力器助推拋射裝置將更為輕便，更適于航天員攜帶，但由于需額外攜帶工質，因此發射次數有限，比較適于航天員離開基地，在周邊開展探測任務的時候使用。3種方式特點明晰，適用于不同任務形式，航天員可根據任務特點進行選取。

3 拋射無人探測器分析

月面拋射無人探測器的基本需求是根據航天員探測需求配置不同的有效載荷，能夠適應拋射過程和著陸沖擊過程的高過載和撞擊力學特性，具備不同距離范圍內的有效探測、數據傳輸/存儲和月面環境生存的能力，可以在月面重復使用。具體需求包括以下幾個方面。

1)探測目標及對應的有效載荷和探測方式

探測目標是決定無人探測器有效載荷、工作過程、功能和性能的主要設計依據，不同的探測對象和區域，對無人探測器設計影響較大。結合我國探月工程所取得的實際經驗和我國月球探測后續任務的規劃情況，初步梳理月基拋射無人探測器的探測需求包括環境探測和資源勘查兩個方向：①可通過圖像或視頻以及溫度等設備，實現對目標區域的環境探測，或利用目標區域有利位置開展月基天文、對地、對月監測等；②開展以極區礦產資源、水資源與月壤中稀有氣體資源為代表的月球資源詳查。因此，拋射無人探測器根據不同的需求，需要具備撞擊月面后停留在月表探測和進入月壤穿透探測兩種能力，且均可實現實時探測數據傳輸和存儲功能。

2)承受拋射過程和高速著陸撞擊的力學環境

拋射無人探測器需輔助航天員實現較大范圍的探測任務，因此拋射裝置會提供給無人探測器較大的初速度，這要求無人探測器要經受住在拋射過程和最后的月面高速著陸撞擊的力學環境而不損壞，對探測器結構和內部電子設備提出了抗高過載、防沖擊和可重復使用的需求。

3)適應被探測區域的特殊環境

月基拋射無人探測器需要具備一定的月面生存能力，可以適應目標區域的特殊環境，包括光照條件、地形地貌、溫度環境、測控通信遮擋情況等，對月塵、空間環境等影響因素進行分析與設計并采取應對措施。

適用于月基拋射的輕小型無人探測器從外型上可分為球形探測器和彈丸形探測器兩大類。球形探測器更有利于撞擊防護緩沖，可對月表進行圖像勘察等任務；彈丸形探測器可鉆入月壤，獲取月球次表層的月壤特性數據。

3.1 球形探測器

表面滾動球形探測器的研究已經開展了十幾年，從芬蘭赫爾辛基科技大學的Halme教授[7]1996年研制的第1個具有圓球外殼的球形探測器起，國內外的許多學者相繼提出了許多不同的球形探測器結構[8]。麻省理工大學的Christopher Batten和David Wentzlaff 以澳大利亞的倉鼠球為原型研制了KickBot自主運動球形探測器[9]。探測器有兩個驅動電機，電機軸分別與左右兩部分外殼直接連接，通過外殼的差速運動轉向。探測器兩側分別裝有紅外線測距傳感器，中間裝有攝像頭，幫助探測器感知身邊的環境信息，KickBot可以通過自身的傳感器系統實現自主式尋人、避障等運動。美國國防局研制了雙半球式球形探測器(Subot)[10]，這款球形探測器的特點是其內部安裝了可伸縮的足式機構，可以幫助探測器越過一定高度的障礙；當探測器需要靜止在某一位置時，足式機構可以伸到球殼外起到支撐作用，保持探測器姿態穩定。2003年，NASA創造性的提出了一種名為WindsPheres的球形探測器[11]。該探測器是為火星探測設計的一款探測器，其設計思想來源于蒲公英，設計概念如圖6所示。由于火星上具有相當強的氣流運動，該探測器依靠風力驅動行走。這種以自然資源進行驅動的方式是球形探測器能源問題的一次革新。

圖6 NASA設計的WindSpheres球形探測器Fig.6 WindSpheres designed by NASA

球形探測器的研究在國內還是一個較新的概念，但也有一些單位和學者開始了這方面的探索。北京郵電大學、北京航空航天大學、哈爾濱工業大學等院校都在球形探測器研究方面取得了一定的研究成果。

球形探測器在月球表面探測時，可以通過驅動控制使其在月球表面一定范圍內移動。探測器基本構型為球形，由上球冠、赤道環、下球冠3部分組成，如圖7所示。上球冠主要標貼太陽能電池片，赤道環主要布置相應的科學測量設備，下球冠內主要安裝電源、電子設備等。探測器具備能源供給、熱控、通信、數管等功能。

圖7 球形監視探測器示意圖Fig.7 Schematic of spherical surveillance probes

3.2 彈丸形探測器

彈丸形探測器主要用于地外天體表面撞擊任務。俄羅斯的MARS 96任務和美國的深空2號任務均搭載了彈丸形穿透器，但兩次任務均在穿透器任務實施前就宣告失敗。英國研制了“月光”(Moonlite)月球撞擊穿透器[12]，如圖8所示。Moonlite任務計劃攜帶4個撞擊穿透器，每個質量約13 kg；撞擊速度約為350 m/s，攻角小于8°；穿透深度2～5 m，適合靈敏的地震儀工作，并且熱穩定環境適合熱流測量；采用UHF通信，工作時間為一年。此外ESA還論證了木衛二撞擊穿透器，計劃搭載在美國2022年發射的木衛二探測器上。

圖8 “月光”月球撞擊穿透器地面試驗產品Fig.8 Ground test products of Moonlite

彈丸形探測器需要利用一定速度，擠壓行星土壤進行侵徹，外形采用細長柱體、探測器采用尖端頭部，類似導彈、炮彈等武器外形。彈丸形探測器包括外層結構和內部設備艙兩部分組成。為了降低穿透沖擊對設備的影響，外層結構可選擇鈦合金或鋼以保證強度，減少穿透沖擊對結構的破壞，保證穿透后整器結構的完整性。內部設備艙采用獨立結構支撐，并采用緩沖材料進行填充，保證在穿透過程中盡可能降低對著陸后工作設備的過載和沖擊影響，實現撞擊穿透后正常工作。為了以最小代價保證艙內溫度，可以將儀器設備艙設計為真空艙體，減少熱輻射和熱傳導。整個彈丸形探測器初步外形設計如圖9所示，系統內部組成如圖10所示。

圖9 彈丸形探測器示意圖Fig.9 Schematic of a projectile probe

圖10 彈丸形探測器系統組成圖Fig.10 System composition diagram of a projectile probe

4 高速著陸撞擊防護分析

目前，國內外在高速碰撞防護領域的研究大多集中在“被動式”能量吸收裝置，其特點是防護結構參數一旦確定，碰撞能量吸收能力和工作載荷就確定，當碰撞條件發生改變，其防護結構的能量吸收效果就會發生顯著變化。因此，基于月壤復雜多變的著陸特性，月面無人探測器高速著陸碰撞時，期望能夠通過碰撞防護技術的研究，使得其在碰撞能量吸收時對著陸碰撞條件具有一定的適應性，并根據碰撞沖擊能量的大小調整能量吸收能力，保證以最優方式吸收沖擊能量，達到保護月面無人探測器的目的。因此在確定無人探測器月面高速著陸碰撞防護總體方案前，首先要確定無人探測器的碰撞防護外形、能量吸收結構參數及著陸點的目標特性。針對本文提出的兩種探測器，初步提出相應的撞擊防護方案。

1)球形探測器撞擊防護方案

球形探測器的碰撞防護系統主要由圓環碰撞防護結構、多層阻尼防護體、透明探測孔防護蓋等組成，如圖11所示。圓環碰撞防護結構主要起到碰撞塑變形成塑性鉸，進而耗散大量碰撞能量的作用。多層阻尼防護體主要作用是輔助圓環碰撞防護結構進行剩余碰撞能量的吸收和耗散。透明探測孔防護蓋的主要作用對探測器探頭在飛行或著陸碰撞過程中進行保護。

圖11 球形探測器撞擊防護方案示意圖Fig.11 Schematic of spherical probe collision protection scheme

球形探測器的圓環碰撞防護結構采用漸進疊縮變形模式，將薄壁管件進行逐層分區熱處理，使各層的強度和硬度不同，從外到里進行軟硬層區分布。在受到軸向撞擊時，最外層軟區最先吸收能量而發生變形，然后是相鄰的次軟層吸能變形，因此易形成漸進疊縮變形模式。

球形探測器的圓環碰撞防護結構材料初步擬采用有良好成形性能和塑性變形能力的高強度合金鋼(HC260LA)，其屈服強度為260～330 MPa，拉伸強度為350～430 MPa，斷裂延伸率不小于26%。

相比傳統薄壁吸能管件，變強度薄壁管件具有結構簡單、制造成本低、吸能效果好等特點。

2)彈丸形探測器撞擊防護方案

彈丸形探測器高速著陸碰撞防護系統采用著陸碰撞侵徹防護外形，防護結構與探測器一體化設計，探測器裝填在防護結構體內，如圖12所示。此方案主要由帶預制削弱槽的預制防護卵形頭、二級防護卵形頭、過載防護結構體等組成。帶預制削弱槽的預制防護卵形頭主要作用是在探測器碰撞著陸時，通過預制防護卵形頭的破裂分離，從而吸收大量的碰撞沖擊能量。二級防護卵形頭起到對探測器侵徹鉆地防護的作用，其尾端花瓣槽式設計在增大著陸碰撞侵徹阻力的同時，可具有導向性的控制侵徹軌跡的作用，從而為侵徹鉆地深度控制及月壤軟土層著陸跳彈軌道控制，提供有力的技術支持。

圖12 彈丸形探測器撞擊防護方案示意圖Fig.12 Schematic of projectile probe collision protection scheme

5 結束語

本文提出了一種基于月基拋射的新型載人探月任務概念構想。調研分析了基于電磁、高壓氣體和化學助推3種方式的拋射裝置，以及球形探測器和彈丸形探測器兩種輕小型無人探測器，并分析了兩種探測器的初步著陸撞擊防護方案。月基拋射無人探測器的概念可應用于未來的載人登月任務，輔助航天員開展月面探測，可大幅提升航天員的探測范圍與效率，并降低風險。該項任務還處在概念研究階段，月面的特殊環境畢竟給拋射方案帶來一定的不確定性影響，很多關鍵技術和設計環節成熟度還較低，后續還需開展更深入的研究。