美國夢神號行星著陸器原型系統(tǒng)發(fā)展及啟示

田林 安金坤 彭坤 梁魯 果琳麗 楊雷

（中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094）

美國夢神號行星著陸器原型系統(tǒng)發(fā)展及啟示

田林 安金坤 彭坤 梁魯 果琳麗 楊雷

（中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094）

詳細(xì)介紹了美國夢神號行星著陸器原型系統(tǒng)的發(fā)展情況，包括任務(wù)實施背景、著陸器平臺及關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展、試驗測試結(jié)果以及新型研制模式等，分析了夢神號快速取得自由飛行、避障著陸等成果并具備良好后續(xù)發(fā)展前景的原因，結(jié)合我國實踐，提出了小風(fēng)險換大成果、有效繼承已有基礎(chǔ)、發(fā)展路線多樣化以及重視與非傳統(tǒng)伙伴合作互動等幾點啟示，可為我國載人深空探測發(fā)展規(guī)劃及技術(shù)預(yù)先研究提供參考。

夢神號項目；行星著陸器；原型系統(tǒng)；自主著陸避障；液氧甲烷推進(jìn)

1 引言

2010年4月，美國奧巴馬政府發(fā)布了《21世紀(jì)新太空探索計劃》，目標(biāo)是構(gòu)建新的載人深空探測技術(shù)體系，開展月球及其以遠(yuǎn)載人深空探測，以推動美國載人航天事業(yè)的持續(xù)發(fā)展。該技術(shù)體系包括：先進(jìn)星際軌道轉(zhuǎn)移運輸器和行星表面著陸器、自主地形障礙探測與規(guī)避技術(shù)（確保行星表面安全著陸）、原位資源利用技術(shù)（支持航天員長期地外駐留并安全返回地球）［1-2］。2010年6月，美國航空航天局（NASA）啟動了夢神號（Morpheus）行星著陸器原型系統(tǒng)項目，由NASA約翰遜航天中心（JSC）具體負(fù)責(zé)組織實施；同時，計劃利用夢神號著陸器對先期啟動的自主著陸避障（ALHAT）項目成果進(jìn)行系統(tǒng)試驗［3-4］。

夢神號項目主要目的有兩個：一是發(fā)展一個可快速集成先進(jìn)系統(tǒng)和技術(shù)并開展試驗驗證的飛行平臺；二是研制原型系統(tǒng)為先進(jìn)的可重復(fù)使用行星著陸器（載人及無人）積累技術(shù)和經(jīng)驗。20世紀(jì)六七十年代美國研制了“阿波羅”登月艙并成功實現(xiàn)載人登月，21世紀(jì)初美國在“星座”計劃中提出了“牽牛星”載人月面著陸器，但止步于方案設(shè)計階段。夢神號則是美國以載人飛行為最終目的且進(jìn)入到工程實測階段的新一代行星著陸器原型系統(tǒng)，該項目一改NASA以往型號冗長繁瑣的研制模式，創(chuàng)造了低成本和快節(jié)奏的研制典范，目前已經(jīng)發(fā)展了3個平臺版本，開展了幾十次飛行試驗［5］。

本文在系統(tǒng)介紹夢神號著陸器平臺、兩大關(guān)鍵技術(shù)、飛行試驗等情況的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析總結(jié)其通用平臺開發(fā)與核心技術(shù)攻關(guān)有機(jī)結(jié)合的能力建設(shè)策略，并關(guān)注其充分繼承和高度彈性帶來的低成本和快節(jié)奏優(yōu)勢，可為我國深空探測飛行器總體設(shè)計、推進(jìn)、控制等技術(shù)發(fā)展提供參考。

2 著陸器平臺與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 著陸器平臺

夢神號平臺干質(zhì)量約為900 kg，最多可以攜帶2900 kg推進(jìn)劑及180 kg有效載荷。主結(jié)構(gòu)采用十字隔板形式，由鋁板焊接而成。制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制（GNC）分系統(tǒng)及其它電子設(shè)備布置在主結(jié)構(gòu)上方的壁板上，下方安裝1臺主發(fā)動機(jī)和4個推進(jìn)劑貯箱，推進(jìn)劑貯箱為焊接鋁合金球體。4條著陸腿末端均配有蜂窩結(jié)構(gòu)以緩沖過載，避障敏感器布置在推進(jìn)劑貯箱、主結(jié)構(gòu)和著陸腿之間的空隙處。夢神號構(gòu)型布局如圖1所示。

圖1 夢神號著陸器平臺構(gòu)型布局Fig.1 Configuration and layout of Morpheus platform

GNC分系統(tǒng)與電子能源分系統(tǒng)項目及型號名稱見表1，GNC分系統(tǒng)還需要綜合來自ALHAT系統(tǒng)的敏感器信息進(jìn)行著陸避障控制。

表1 夢神號GNC與電子能源分系統(tǒng)Table 1 GNC and electronics/power subsystems of Morpheus

夢神號平臺V1.0版本被命名為阿爾法（Alpha），為2011年4月至8月使用的試驗平臺；2012年初升級為V1.5版本，配置了性能更好的HD4、HD5主發(fā)動機(jī)，升級了綜合電子與供配電系統(tǒng)，增加了與主推進(jìn)系統(tǒng)共用推進(jìn)劑的滾動姿控發(fā)動機(jī)，集成了ALHAT系統(tǒng)及相應(yīng)軟件。Alpha平臺在2012年8月的試驗飛行中墜毀，隨后重新研制的平臺V1.5版本被命名為布魯諾（Bravo），用于后續(xù)飛行試驗。目前，新版本平臺查理（Charlie）也已開始研制。

項目重點對兩項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了開發(fā)和測試，包括：液氧/甲烷推進(jìn)技術(shù)和自主著陸避障技術(shù)。

2.2 液氧/甲烷推進(jìn)技術(shù)

液氧/甲烷推進(jìn)劑清潔無毒，化學(xué)特性穩(wěn)定，可在軌長時間存儲，比沖達(dá)321 s；同時，液氧/甲烷推進(jìn)劑能在行星表面原位生產(chǎn)［1］，而且可與飛行器環(huán)境控制生命保障及能源系統(tǒng)兼容，在載人深空探測任務(wù)中具有廣泛的應(yīng)用前景。早在20世紀(jì)80年代，液氧/甲烷推進(jìn)系統(tǒng)就成為航天領(lǐng)域關(guān)注熱點，NASA在當(dāng)時的航天飛機(jī)改進(jìn)以及后期的新一代發(fā)射系統(tǒng)研究中，開發(fā)出3.87 k N的液氧/甲烷姿控發(fā)動機(jī)和27 k N的液氧/甲烷再生冷卻發(fā)動機(jī)，2006年至2010年間，NASA又實施了先進(jìn)低溫發(fā)展（PCAD）以及低溫流體管理（CFM）等項目，進(jìn)一步研究液氧/甲烷發(fā)動機(jī)及其推進(jìn)劑高效供給等技術(shù)［6］。

夢神號主推進(jìn)系統(tǒng)使用1臺液膜冷卻主發(fā)動機(jī)，額定推力為24 k N，具備4：1的變推能力。主發(fā)動機(jī)兩側(cè)按正交方式布置了兩臺電驅(qū)動器（EMA）進(jìn)行推力矢量控制（TVC），以提供平移推力以及俯仰/偏航方向的控制力矩。滾動姿控發(fā)動機(jī)與主推進(jìn)系統(tǒng)共用推進(jìn)劑供應(yīng)管路，另外配備了高壓氦氣提供備份姿控推力［7-8］。

為控制成本并保證進(jìn)度，液氧/甲烷主發(fā)動機(jī)采用了成熟的碰撞噴注器和液膜冷卻燃燒室。第一臺主發(fā)動機(jī)（HD1）設(shè)計推力為12 k N，目的是進(jìn)行短時間的懸停飛行試驗。HD1于2010年9月進(jìn)行了兩次試車，由于激發(fā)了發(fā)動機(jī)4.4 k Hz結(jié)構(gòu)模態(tài)振動，兩次試車給發(fā)動機(jī)噴注器和燃燒室壁造成了損傷。通過改進(jìn)噴注器，主發(fā)動機(jī)升級為HD2版本，但HD2出現(xiàn)了推進(jìn)劑泄漏問題，未能進(jìn)入實測階段。經(jīng)過對液膜冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)，主發(fā)動機(jī)升級為HD3版本，并于2011年1月進(jìn)行了試車。HD3額定推力設(shè)計為18.78 k N，使用了改進(jìn)的噴注器、流量可變液膜冷卻以及疊層噴注器。HD3于2011年完成了13次共計87 s的開機(jī)試驗，推力從21%變化到60%，比沖從150 s到205 s。在著陸器平臺升級到V1.5版本后，主發(fā)動機(jī)也升級到HD4、HD5版本。

為了滿足高精度避障機(jī)動控制要求并與主發(fā)動機(jī)形成備份，夢神號配置了1套4臺89 N滾動姿控發(fā)動機(jī)，與主推進(jìn)共用供給管路，最小脈寬為40 ms，能與主推進(jìn)系統(tǒng)同時工作，有利于抑制由于推進(jìn)劑貯箱液體晃動帶來的擾動。4臺發(fā)動機(jī)采用兩個雙機(jī)機(jī)組，對稱布置在著陸器質(zhì)心附近的平面上，有效力臂為1.7 m。

液氧/甲烷推進(jìn)系統(tǒng)布局如圖2所示。

圖2 夢神號液氧/甲烷推進(jìn)系統(tǒng)布局Fig.2 Layout of Morpheus LOX/LCH propulsion system

無論是載人還是無人任務(wù)，行星表面著陸過程中必須在線實時地探測識別巖石、坑洞以及斜坡等地形障礙，并及時采取規(guī)避措施以確保飛行安全。在復(fù)雜的行星表面光照和地形條件下準(zhǔn)確探測識別地形障礙，對飛行器敏感器水平、識別算法智能程度和計算處理能力都提出了很高要求。ALHAT項目于2006年啟動，雖然“星座”計劃于2010年中止，但作為“星座”計劃重要組成部分的ALHAT項目一直在持續(xù)開展，并在2012年好奇心號火星著陸任務(wù)中得到應(yīng)用。夢神號項目啟動以后，ALHAT系統(tǒng)被列為主要載荷，以期在實際的大范圍高動態(tài)飛行環(huán)境中充分驗證性能。

ALHAT要求在任意光照條件下，在全行星表面達(dá)到相對預(yù)定著陸點（ILP）90 m的著陸精度，并在ILP附近90 m×90 m范圍內(nèi)達(dá)到相對在線確定安全著陸點3 m的著陸精度，并要求通過多種地面試驗和飛行試驗將系統(tǒng)成熟度提高至6級。ILP是著陸下降前基于全球勘探和科學(xué)目標(biāo)規(guī)劃確定的，也是動力下降期間的地形相對導(dǎo)航（TRN）目標(biāo)，用以確保全局著陸精度；實際著陸過程中還要根據(jù)行星表面地形情況，選擇安全的著陸點。

ALHAT系統(tǒng)工作分為3個實施階段，具體過程如圖3所示：①從環(huán)繞軌道制動下降初期，對行星表面成像并以ILP為目標(biāo)開展TRN；②距離行星表面高度下降至500 m左右時，成像并生成數(shù)字高程圖（DEM），基于DEM開展地形障礙探測與規(guī)避（HDA），在線選擇確定最終安全著陸點；③以確定的安全著陸點為目標(biāo)，基于DEM開展障礙相對導(dǎo)航（HRN）。相對一般行星表面圖像，地形障礙作為導(dǎo)航目標(biāo)的特征更突出，容易達(dá)到較高的導(dǎo)航精度，可以滿足精確避障控制的要求。下降著陸過程中，GNC系統(tǒng)敏感器工作并引入ALHAT系統(tǒng)的避障信息，從而分階段控制著陸器飛行至安全著陸點上方。

圖3 行星著陸期間ALHAT系統(tǒng)工作過程Fig.3 Working process of ALHAT during planetary landing

ALHAT敏感器包括遠(yuǎn)距離激光高度計（LAlt）、多普勒激光雷達(dá)（NDL）、障礙探測系統(tǒng)（HDS）3種，如圖4所示。LAlt和NDL均由NASA蘭利研究中心（LaRC）研制。LAlt作用距離可達(dá)30 km、測距精度為0.025 m；NDL通過3束擴(kuò)散角為30 mrad的激光測量相對行星表面的位置和速度，作用高度為30 m～4 000 m、數(shù)據(jù)更新高達(dá)20 Hz（30 m以下易受污染，此時NDL不再工作）。HDS由LaRC與噴氣推進(jìn)實驗室（JPL）聯(lián)合研制，作用距離為100 m～1000 m，可以滿足在1 km處探測0.3 m尺寸地形障礙以及5°斜坡的要求。HDS由安裝在兩自由度框架上的閃光激光雷達(dá)、微型IMU、電子線路以及獨立供電電源組成，可以根據(jù)ALHAT提供的導(dǎo)航信息對框架進(jìn)行閉環(huán)控制，以保證鏡頭指向目標(biāo)區(qū)域。ALHAT系統(tǒng)組成及其與夢神號的接口關(guān)系如圖5所示。

圖4 ALHAT敏感器Fig.4 ALHAT sensors

圖5 ALHAT系統(tǒng)組成及其與夢神號的接口關(guān)系Fig.5 Composite of ALHAT system and its interface with Morpheus

3 地面試驗與飛行試驗

3.1 著陸器試驗

夢神號測試根據(jù)技術(shù)難度和飛行范圍逐步遞進(jìn)安排，分為3種類型：熱試車、懸吊測試及自由飛行。

熱試車主要目的是測試液氧/甲烷推進(jìn)系統(tǒng)，采用兩種方式：

（1）夢神號由起重機(jī)懸吊至距離地面6 m高度以避免發(fā)動機(jī)羽流影響，同時用尼龍繩索將其固定，用以測試推進(jìn)系統(tǒng)點火器性能、啟動特性、變推能力以及長時間開機(jī)工作能力；

（2）夢神號仍掛在起重機(jī)上，但停留在地面，并用鎖鏈固定，用以測試起飛時刻的熱和聲振環(huán)境，主發(fā)動機(jī)僅開機(jī)幾秒。

雖然在我國城市區(qū)域老年人生活照料服務(wù)中，東、中、西部老年人生活照料服務(wù)存在一定的差異性，但更多的是體現(xiàn)在共性層面，對于生活照料的服務(wù)方面都有一個共同的特點：老人的生活照料服務(wù)主要源自家庭，對家庭成員的依賴程度大。老人的生活照料需求提供者主要是老人的配偶或者是子女、孫子女，而家人以外的生活照料服務(wù)極少。在當(dāng)前的生活照料中隱藏著一個巨大的現(xiàn)實困境，如果老人的配偶離世，又或者是老人的子女或?qū)O子女由于工作、生活、經(jīng)濟(jì)的巨大壓力，導(dǎo)致對老人生活照料的服務(wù)來源動力不足，老年人的生活照料服務(wù)將陷入惡性循環(huán)的困境，很難依靠自身的力量獲得突破——“空巢老人”問題就是其中的重大難題。

2011年4月，用Alpha V1.0平臺進(jìn)行了3次熱試車（使用HD3主發(fā)動機(jī)），實現(xiàn)了除向GNC系統(tǒng)轉(zhuǎn)交控制權(quán)之外的所有測試目標(biāo)（見圖6）。2012年初，用Alpha V1.5平臺針對HD4主發(fā)動機(jī)以及液氧/甲烷姿控發(fā)動機(jī)開展了3次熱試車，累積開機(jī)時間達(dá)到870 s。2013年4月，用Bravo V1.5平臺針對改進(jìn)的HD5主發(fā)動機(jī)進(jìn)行了3次熱試車。

懸吊試驗的主要目的是在確保安全的情況下，試驗推進(jìn)系統(tǒng)與GNC系統(tǒng)的集成工作性能，以及GNC系統(tǒng)的六自由度控制能力，并模擬著陸工況（見圖7）。夢神號由起重機(jī)懸吊離地，后續(xù)典型飛行軌跡設(shè)計為：高度從1.5 m上升至4.5 m，然后橫移3 m進(jìn)行懸停，最后下降直至恢復(fù)最初懸吊狀態(tài)，發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)。為了緩沖過載，懸吊繩索中加裝了吸能器。懸吊測試一共進(jìn)行了34次，其中前6次是用Alpha V1.0平臺開展，中間20次是用Alpha V1.5平臺開展，最后8次是用Bravo V1.5平臺開展。

圖6 夢神號熱試車Fig.6 Hot fire test of Morpheus

圖7 夢神號懸吊測試Fig.7 Tether test of Morpheus

自由飛行試驗旨在全面驗證夢神號的自主飛行及避障能力，如圖8所示。由于需要大范圍活動空間以及100 m×100 m的模擬地形障礙區(qū)域，自由飛行試驗安排在肯尼迪航天中心（KSC）進(jìn)行，試驗區(qū)域布置在航天飛機(jī)著陸場北端。障礙地形區(qū)域中使用砂礫模擬月球坑和斜坡，用堆疊的石塊模擬月巖。為了保證安全采取了多種應(yīng)急中止措施，包括器上程控中止、遠(yuǎn)程遙控中止、人工遠(yuǎn)程TTS遙控中止。

截至2014年5月，夢神號一共進(jìn)行了14次自由飛行試驗。其中，第1～9次飛行試驗設(shè)計為無避障探測與機(jī)動飛行試驗，均著陸于平坦區(qū)域。從第10次起則集成了ALHAT系統(tǒng)，要求著陸于模擬地形障礙區(qū)域。自由飛行試驗進(jìn)程并不順利，2012年8月第一次自由飛行試驗在開始后幾秒就中止了，因為檢測到推進(jìn)系統(tǒng)故障；兩天后開展第二次自由飛行試驗時，IMU導(dǎo)航數(shù)據(jù)丟失了0.6 s，致使夢神號（Alpha V1.5平臺）失控并墜毀［9］。新平臺（Bravo）于2013年4月開始進(jìn)入熱試車階段，相對Alpha平臺，Bravo進(jìn)行了70多項改進(jìn)。2014年4月至5月，夢神號成功進(jìn)行了5次自由飛行試驗。自由飛行試驗全面地驗證了液氧/甲烷推進(jìn)系統(tǒng)、ALHAT系統(tǒng)、GNC系統(tǒng)以及三者相互之間匹配的性能，同時也充分地測試了夢神號平臺其它子系統(tǒng)（如綜合電子、供配電、著陸緩沖等）的可靠性。

3.2 ALHAT系統(tǒng)試驗

ALHAT系統(tǒng)在被集成到夢神號之前，一共開展了4種類型的試驗，包括：實驗室仿真試驗、直升機(jī)搭載試驗、飛行搭載試驗以及飛行平臺試驗，如圖9所示。

（1）實驗室仿真試驗主要用于考驗其GNC算法的六自由度控制能力，使用了多種參考著陸飛行軌跡，并開展了考慮敏感器誤差的蒙特卡洛打靶仿真，從而確定90 m的全局著陸精度和米級的局部著陸精度指標(biāo)［10］。

（2）直升機(jī)搭載試驗于2008年4月開展，閃光激光雷達(dá)被安裝于直升機(jī)前端，在自然和人工地形環(huán)境中測試系統(tǒng)的障礙探測識別以及障礙相對導(dǎo)航能力；同時也安裝了光學(xué)相機(jī)，用于測試基于被動光學(xué)成像的地形相對導(dǎo)航性能［11-12］。

（3）飛行搭載試驗于2009年6月進(jìn)行，所有的敏感器（光學(xué)相機(jī)、激光高度計、閃光激光雷達(dá)等）都被集成到飛行搭載平臺上，在多種光照條件下對地形相對導(dǎo)航性能進(jìn)行了測試，其導(dǎo)航誤差均在50 m以內(nèi)。

（4）飛行平臺試驗。2010年1月，美國國防先進(jìn)計劃研究局（DARPA）實驗室支持開發(fā)了名為“鬼怪”（GENIE）的動態(tài)測試環(huán)境，并由RR-1飛行平臺實現(xiàn)了60 s的懸停飛行，ALHAT搭載RR-1飛行平臺的飛行試驗獲得了成功。2012年8月，ALHAT進(jìn)入夢神號搭載自由飛行試驗階段。由于第二次自由飛行試驗時發(fā)生墜毀事故，重新研制的Bravo V1.5平臺于2013年7月才開始集成ALHAT進(jìn)行懸吊試驗，并于2014初開始自由飛行試驗，試驗分開環(huán)測試、開環(huán)校準(zhǔn)、閉環(huán)測試3個階段逐步開展，5次試驗均獲得成功。自由飛行試驗中，HDS基于ALHAT導(dǎo)航提供的姿態(tài)信息將鏡頭指向ILP方向，隨后生成的DEM以ILP為中心（耗時約14.1 s），所建立的DEM也是基于ILP局部坐標(biāo)系的。ALHAT隨后對DEM進(jìn)行評估，從而得到5個以ILP為中心且排序最高的安全著陸點，并標(biāo)出相應(yīng)的安全系數(shù)，供飛行軟件決策參考。

圖9 ALHAT系統(tǒng)試驗類型Fig.9 ALHAT system test types

4 創(chuàng)新研制模式及啟示

夢神號項目自2010年啟動以來，已完成了自由飛行試驗，液氧/甲烷推進(jìn)系統(tǒng)和ALHAT兩大關(guān)鍵技術(shù)在實際飛行中得到了有效驗證。雖然沒有宏大的任務(wù)背景和清晰明確的目標(biāo)任務(wù)，但項目始終以非常高的效率運行并取得了一系列成果。這一切均歸功于夢神號項目采用創(chuàng)新研制模式輕裝上陣，從而擺脫了NASA以往型號研制中由于追求可靠和全面引起的周期冗長、經(jīng)費居高等問題。

4.1 以小風(fēng)險換取大成果

傳統(tǒng)的航天器研制尤其是載人航天器，首要目標(biāo)是確保安全性和可靠性，因此要求采用的技術(shù)成熟度高、研制過程中的試驗驗證充分。夢神號項目團(tuán)隊創(chuàng)立了獨特的“風(fēng)險文化”，即能夠接受一定范圍內(nèi)的小風(fēng)險。采用簡單的設(shè)計理念，使用部分商業(yè)器件，雖然帶來了一定的風(fēng)險，但卻在控制成本的同時加快了測試、總結(jié)、改進(jìn)、提高的節(jié)奏，縮短了從設(shè)計到驗證再到改進(jìn)這個循環(huán)的周期，有利于快速提升飛行平臺的技術(shù)成熟度。項目團(tuán)隊從一開始就充分認(rèn)識到發(fā)展一種全新載人飛行器的難度，轉(zhuǎn)而從小規(guī)模、低難度的飛行驗證平臺起步。夢神號著陸器規(guī)模小，平臺研制成本容易控制，從而避免了大規(guī)模研制和試驗所需要大型配套設(shè)施帶來的巨額經(jīng)費需求，也使得整個項目具備了較強的抗風(fēng)險能力。

在夢神號的研制過程中，發(fā)生過多次小故障以及一次大事故，但并沒有造成災(zāi)難性的影響，也沒有嚴(yán)重影響進(jìn)度。HD1主發(fā)動機(jī)第一次熱試車時發(fā)生了共振損傷問題，HD2主發(fā)動機(jī)熱試車出現(xiàn)了推進(jìn)劑泄漏問題，項目團(tuán)隊很快就定位了故障并進(jìn)行了改進(jìn)。第二次自由飛行墜毀后，項目團(tuán)隊僅用了8個月的時間就重建了平臺，這中間還進(jìn)行了多達(dá)70余項的技術(shù)改進(jìn)工作。重建的Bravo V1.5平臺使用了修復(fù)后的主發(fā)動機(jī)噴注器，雖然存在噴注器二次使用可靠性降低的風(fēng)險，但后來的試驗表明噴注器工作性能十分穩(wěn)定。如果從一開始就追求絕對的安全可靠，夢神號可能需要很長的時間才能進(jìn)入到試驗測試環(huán)節(jié)，故障暴露會很晚，一方面可能阻礙飛行平臺快速迭代改進(jìn)設(shè)計，另一方面也可能損壞昂貴的ALHAT系統(tǒng)。

4.2 保證核心能力發(fā)展的同時大量采用成熟基礎(chǔ)

夢神號項目瞄準(zhǔn)未來載人深空探測任務(wù)需求，一方面發(fā)展通用平臺，另一方面為核心技術(shù)發(fā)展建立飛行驗證平臺，而沒有追求全面的技術(shù)創(chuàng)新。夢神號平臺本身并非從零做起，早在2010年1月份，DARPA實驗室就支持開發(fā)了飛行平臺RR-1，在此基礎(chǔ)上衍生出后來的Pixel飛行平臺、Xombie飛行平臺以及JSC的夢神號。除了液氧/甲烷推進(jìn)系統(tǒng)和ALHAT外，夢神號采用了大量成熟技術(shù)。GNC和電子能源系統(tǒng)采用的基本都是已有成熟器件，包括在“國際空間站”上得到充分驗證的捷聯(lián)導(dǎo)航器件；液氧/甲烷主發(fā)動機(jī)良好地繼承了NASA已有的研究成果，采用成熟的碰撞噴注器和液膜冷卻燃燒室技術(shù)。成熟技術(shù)的采用保證了項目團(tuán)隊把精力集中在兩大關(guān)鍵技術(shù)的研究和集成工作上，避免了大量采用新型試驗器件帶來的成本風(fēng)險。

不僅在技術(shù)上充分繼承，夢神號項目也在試驗設(shè)施的成本控制上做了大量工作。懸吊試驗中并沒有新建大型懸吊裝置，而是租賃民用吊車。自由飛行試驗的試驗場地選擇在了原航天飛機(jī)著陸場北端，充分利用了著陸場的開闊空間，基建工作也僅有地形障礙模擬場地和發(fā)動機(jī)羽流導(dǎo)流裝置。

技術(shù)和設(shè)施上的繼承并沒有影響核心能力的發(fā)展，反而在成本控制和進(jìn)度保證上起到了良好的促進(jìn)作用。

4.3 保證主要目標(biāo)推進(jìn)的同時靈活開展多樣化研究

夢神號立項之初的主要目標(biāo)之一就是發(fā)展通用測試平臺，在實現(xiàn)這個主要目標(biāo)的過程中，項目也為其它方面的研究提供了條件。例如在Bravo V1.5版本平臺試驗時，JPL在懸吊點下方鋪設(shè)了火星模擬土壤，為“火星2020”任務(wù)進(jìn)行了羽流影響研究，也為NASA開辟了一種新型的“搭車試驗”模式。

著陸器平臺屬于大充液比航天器，為了抑制液體晃動的影響，需要在推進(jìn)劑貯箱中加裝防晃隔板。夢神號迅速以低成本研制了縮小的推進(jìn)劑貯箱，并開展了推進(jìn)劑液體晃動研究，從而為全尺寸推進(jìn)劑貯箱液體晃動建模提供了極有參考價值的數(shù)據(jù)。

4.4 重視與非傳統(tǒng)伙伴的合作及互動

在夢神號著陸器研制過程中，JSC與兩家私營公司進(jìn)行了頻繁的交流。相對波音、軌道科學(xué)等公司，這兩家公司并不屬于NASA傳統(tǒng)合作伙伴，但經(jīng)合作起到了很好的效果，引入了多項先進(jìn)的民用技術(shù)，同時也為兩家公司學(xué)習(xí)航天部門成熟的質(zhì)量和進(jìn)度控制經(jīng)驗提供了機(jī)會。項目團(tuán)隊一直致力于開發(fā)新的合作伙伴，包括政府部門、高校、其它行業(yè)企業(yè)等，以尋求更好的設(shè)計理念、更新的解決方案。

5 結(jié)束語

自2010年6月啟動以來，美國夢神號行星著陸器原型系統(tǒng)以靈活的研制模式取得了一系列成果，在所搭載關(guān)鍵技術(shù)得到有效驗證的同時，平臺自身成熟度也在迅速提升，項目也為NASA樹立了低成本快節(jié)奏的研制典范。本文對夢神號的任務(wù)實施背景、關(guān)鍵系統(tǒng)與技術(shù)發(fā)展、試驗測試等情況進(jìn)行了調(diào)研和分析，并挖掘該項目成功的經(jīng)驗，可為我國載人深空探測發(fā)展提供有益的借鑒。

（References）

［1］Olansen J B，Munday S，Devolites J，et al.Project Morpheus：lessons learned in lander technology development［C］//AIAA Space 2013 Conference and Exposition.Washington D.C.：AIAA，2013.

［2］Jon B Olansen，Stephen R Munday，Jennifer L.Devolites3 project Morpheus：lander technology development［C］//AIAA Space 2014 Conference and Exposition，Washington D.C.：AIAA，2014

［3］Tye Brady，Erik Bailey，Timothy Crain，et al.ALHAT system validation［C］//8th International ESA Conference on Guidance，Navigation&Control Systems.Paris：ESA，2011

［4］Epp C，Smith T.The autonomous precision landing and hazard detection and avoidance technology（ALHAT）［C］//Proceeding of Space Technology and Applications International Forum（STAIF）.Houston：JSC，2007

［5］Jennifer L Devolites，Jeremy J Hart.The tailoring of traditional systems engineering for the Morpheus project［C］//AIAA SPACE Conference and Exposition. Washington D.C.：AIAA，2013

［6］Morehead R L.Project Morpheus main engine development and preliminary flight testing［C］//47th AIAA/ ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit.Washington D.C.：AIAA，2011

［7］Hurlbert E，Mc Manamen J P，Studak J W.Advanceddevelopment of a compact 5-15 lbf lox/methane thruster for an integrated reaction control and main engine propulsion system［C］//47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit.Washington D.C.：AIAA，2011

［8］Mc Manamen J P，Hurlbert E.Development and flight operations of a 5 to 20 lbf o2/roll control engine for project Morpheus［C］//50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference.Washington D.C.：AIAA，2014

［9］Steve Munday，Jon Olansen.Morpheus free flight 2 test failure investigation［R］.2101 NASA Parkway，Houston，NASA Johnson Space Center，2012

［10］Aaron C Brogley.Lean development with the Morpheus simulation software［C］//AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference.Washington D. C.：AIAA，2014

［11］Roback V E，Bulyshev A E，Amzajerdian F，et al. Helicopter flight test of a compact，real-time 3-d flash lidar for imaging hazardous terrain during planetary landing［C］//Proceeding of AIAA Space 2013 Conference&Exposition.Washington D.C.：AIAA，2013

［12］Dr Chirold D Epp，Edward A Robertson，David K Ruthishauser.Helicopter field testing of NASA's autonomous landing and hazard avoidance technology（ALHAT）system fully integrated with the Morpheus vertical test bed avionics［C］//Proceeding of AIAA Space 2013 Conference&Exposition.Washington D. C.：AIAA，2013

（編輯：李多）

Development of American Morpheus Planet Lander Prototype and Its Inspiration

TIAN Lin AN Jinkun PENG Kun LIANG Lu GUO Linli YANG Lei
（Institute of Manned Space System Engineering，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

The paper introduces in detail the development of American Morpheus planetary lander prototype，including mission background，platform and key technologies development，test results and new developing mode.The reason why Morpheus rapidly attained the achievement of free flight and successful hazard avoidance and gained good prospect of continuous development is analyzed.In combination with our practice，several inspirations are summarized，including a little risk bringing large achievement，inheriting existing foundation effectively，adopting multiple developing routes and paying more attention to non-traditional partners，which can offer some references for the planning and technology research of our human deep space exploration.

Morpheus project；planet lander；prototype system；autonomous landing and hazard avoidance；LOX/LCH propulsion

V442

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.05.016

2015-05-29；

：2015-07-02

田林，男，博士，工程師，從事航天器總體設(shè)計工作。Email：lucksonner@163.com。