大規(guī)模低成本地月空間航天運輸體系研究

陳 蓉，汪小衛(wèi)，鄧思超，高朝輝，莊方方

（中國運載火箭技術研究院，北京 100076）

引言

太空是21世紀人類生存與發(fā)展的新疆域。地月空間作為人類邁出地球搖籃走向太空的第一站，在未來相對長一段時間內是航天任務的主要目的地和前哨基地，也成為世界各航天大國競相布局謀劃的戰(zhàn)略高地[1-2]。預計到本世紀中葉地月空間運輸規(guī)模需求將超過十萬噸，地月空間探索與開發(fā)正邁入規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)化階段。

本文的地月空間概念來自于文獻[2]，是由地月空間是由近地空間、月球空間和地月轉移空間所組成的宇宙空間。地月空間探索與開發(fā)是人類利用地月空間資源所從事的探索、研發(fā)、生產(chǎn)、制造、試驗和服務等各類活動總稱，包括近地活動、地月轉移活動、月球活動和以地月空間為基礎的深空活動。地月空間航天運輸體系是大規(guī)模地月空間探索與開發(fā)的重要組成，支撐地月空間各類探索與開發(fā)活動的實施，大規(guī)模地月空間探索與開發(fā)對航天運輸提出了新的需求。

當前，國際上地月空間航天運輸呈現(xiàn)以下態(tài)勢：美國持續(xù)推進“太空發(fā)射系統(tǒng)”（Space Launch System，SLS）、“超重–星艦”等重型火箭的研制，提升進入空間的能力，支撐載人月球探測任務實施；世界主要航天國家全力推進可復用技術攻關與驗證，以期進一步降低進入空間成本，提高市場競爭；發(fā)展以先進低溫上面級（Advanced Cryogenic Evolved Stage，ACES）為代表的高性能空間運輸系統(tǒng)，提升軌道轉移能力以及發(fā)展長時間在軌技術，拓展上面級應用領域，滿足大規(guī)模地月空間探索與開發(fā)任務需求；瞄準未來商業(yè)和軍事應用，美國SpaceX、聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）公司，德國宇航中心（DLR）、意大利和英國等都在開發(fā)各自的全球極速運輸系統(tǒng)，提供更多元化的運輸服務；維珍銀河（Virgin Galaxy）、藍色起源（Blue Origin）和SpaceX等公司已成功實現(xiàn)多次亞軌道和軌道太空旅游的商業(yè)化飛行，推動太空旅游產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展[3]；面向月球探測與開發(fā)任務，美國SpaceX、藍色起源、ULA等公司都提出了月面著陸上升級方案，拓展月面探測運輸服務，豐富航天運輸系統(tǒng)的任務和內涵[4-5]。

可以預見，2050年左右，國際主力運載系統(tǒng)運載能力大幅提升，運輸成本大幅降低，全面建成地月空間經(jīng)濟圈；從地月空間基地出發(fā)，實現(xiàn)更大規(guī)模的全太陽系到達能力。

在地月空間探索與開發(fā)邁入規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化的新階段，在中國航天正邁向航天強國新的歷史節(jié)點上，開展地月空間航天運輸體系研究非常必要，支撐中國未來大規(guī)模低成本地月空間探索與開發(fā)活動。

本文面向未來大規(guī)模地月空間探索與開發(fā)任務，給出了地月空間航天運輸體系組成，分析了未來地月空間航天運輸體系的規(guī)模和能力需求。面向未來大規(guī)模低成本地月空間航天運輸?shù)男枨?，給出了一站式和接力式兩種技術途徑，并開展了對比分析。

1 體系組成

地月空間航天運輸體系由全球極速運輸系統(tǒng)、天地往返運輸系統(tǒng)、地月空間轉移運輸系統(tǒng)和月面探測運輸系統(tǒng)組成[2]，如圖1所示。

圖1 地月空間航天運輸體系組成Fig.1 Composition of cislunar airline-flight-mode aerospace transportation system

全球極速運輸系統(tǒng)實現(xiàn)小時級時間內將人員和物資在地表兩點之間（經(jīng)亞軌道）快速運輸；天地往返運輸系統(tǒng)實現(xiàn)地面與近地軌道之間人員和物資的往返運輸；地月空間轉移運輸系統(tǒng)實現(xiàn)地月空間不同軌道之間的轉移運輸；月面探測運輸系統(tǒng)實現(xiàn)月球軌道與月面之間人員和物資的往返運輸，以及月球基地與遠距離月面探測點之間的快速運輸。以上系統(tǒng)結合在軌加注，能夠滿足地月空間范圍內的各項航天運輸任務，構成了地月空間航天運輸體系。各系統(tǒng)可以采用多種不同的技術途徑，也可以采用同一種技術途徑兼顧所有運輸任務。

2 能力指標分析

未來大規(guī)模地月空間探索與開發(fā)活動，勢必引發(fā)大規(guī)模進入空間和地月空間轉移運輸?shù)男枨?。根?jù)國際宇航科學院研究預測，結合中國相關發(fā)展規(guī)劃，預測到本世紀中葉前后進入空間與地月空間轉移運輸規(guī)模需求將超過萬噸[5-7]，具體情況如表1所示。

表1 進入空間與地月空間轉移運輸規(guī)模需求預測Table 1 Scale demand forecast for entry space and cislunar transfer transportation

針對萬噸級進入空間規(guī)模需求，基于當前一次性運載火箭現(xiàn)狀，若平均每發(fā)運載能力為10t級，每年需要發(fā)射超過1 000發(fā)，這對航天運輸系統(tǒng)的成本和產(chǎn)能等提出了巨大挑戰(zhàn)。可復用是解決發(fā)射成本和產(chǎn)能需求等問題的重要途徑。

文獻[8]、文獻[9～10]對可復用運載火箭全壽命周期費用定義，運載器全壽命周期成本主要由運載器研制費用、制造費用、維修費用、回收費用、操作費用和其它費用構成，即：

其中：LCC為全壽命周期成本；n1為生產(chǎn)可復用運載器枚數(shù)；n2為單運載器使用次數(shù)；CV為研制費用；Cm為制造費用；Cw為維護費用；Ch為回收費用；Cc為操作費用；Cq為其它費用。

考慮未來5年總需求為5 000次發(fā)射數(shù)量，運載器全壽命周期成本的計算結果如圖2所示?？梢钥闯?，隨著可復用次數(shù)的增加，總發(fā)射成本和產(chǎn)能需求持續(xù)降低，當可復用達到100次時，總發(fā)射成本將達到一次性運載火箭的6%，下降1～2個量級。

圖2 發(fā)射5 000次的全壽命周期成本、運載器生產(chǎn)數(shù)量與單運載器使用次數(shù)的關系Fig.2 Relationship between total launch cost,production number of launch vehicles and using times of single launch vehicle for 5 000 times of launch

結合以上分析，為實現(xiàn)大規(guī)模低成本航班化地月空間航天運輸，提出了地月空間航天運輸體系的能力需求指標如下[2]：

a）進入空間運載能力：單次進入空間能力突破百噸級，進入空間規(guī)模達萬噸級/年；

b）空間轉移運載能力：支撐實現(xiàn)大規(guī)模月球、小行星探測；

c）發(fā)射頻次：發(fā)射頻次達千次級/年；

d）發(fā)射成本：單位載荷發(fā)射成本較一次性火箭下降1～2個量級，單運載器使用達百次級；

e）可靠性安全性：在現(xiàn)有基礎上提升1～2個量級，飛行可靠性不低于0.995，飛行安全性不低于0.999 9。

3 技術途徑

為滿足未來大規(guī)模地月空間探索與開發(fā)活動需要，地月空間航天運輸體系需要實現(xiàn)航班化運營。本文結合當前技術發(fā)展基礎，提出一站式和接力式兩種面向未來大規(guī)模低成本地月空間航天運輸?shù)募夹g途徑。

3.1 一站式

一站式可覆蓋全球極速運輸、天地往返運輸，通過在軌加注，兼顧空間轉移運輸和月面著陸上升；僅需經(jīng)過快速檢測和推進劑加注就可短時間再次發(fā)射。該途徑可實現(xiàn)整個地月空間點對點，地面到月面一站式往返運輸，無需換乘，通用性、任務適應性強，但由于當前尚無該類型技術先例，技術基礎較為薄弱。

執(zhí)行月球著陸與返回任務時，由于整體任務周期長，兼顧考慮高比沖性能和推進劑的在軌貯存，宜采用液氧甲烷推進劑。任務剖面為：運載器從地面發(fā)射，一子級返回，二子級入軌，經(jīng)低地球軌道（LEO）在軌加注后，二子級進入地月轉移軌道，經(jīng)過中途修正和近月制動，利用發(fā)動機反推減速實現(xiàn)在月球表面軟著陸，視情況執(zhí)行月面大范圍機動，完成月面任務后，執(zhí)行月面上升，再實施月地轉移，再入返回采用發(fā)動機反推減速軟著陸地球表面。圖3為一站式任務剖面示意圖。

圖3 一站式任務剖面示意圖Fig.3 One-stop solution and mission profile diagram

一站式可采用火箭動力兩級垂直起降方式，在傳統(tǒng)運載火箭軸對稱構型上，兩級都增加了翼面或舵面，提高升阻比，充分利用氣動減速，并提升機動性。一子級垂直起飛后可以航區(qū)返回，也可以返回原場，不同于當前“獵鷹9號”（Falcon-9）火箭所采用的柵格舵設計，采用4個氣動舵 + 2片細長滑翔翼設計。二子級采用一體化構型設計，整流罩不與箭體分離；采用翼身組合體布局，并在主翼前布置鴨翼，返回段全程主翼的外翼和鴨翼可以沿軸線方向偏轉，這種舵面控制方式在大攻角下可實現(xiàn)較高的舵控效率，兼顧大攻角再入和大姿態(tài)變化著陸需求。

一站式的難點在于二子級的再入返回過程，具體如下。①二子級可在大氣層邊緣高速再入，最大速度可達第二宇宙速度，整個過程有效利用二子級的新型鴨翼氣動布局設計。為盡量減小氣動加熱，可采取大攻角飛行方式，箭體呈現(xiàn)出立姿飛行的效果。②到超音速飛行段，二子級仍保持大攻角飛行，繼續(xù)高效減速。由于超音速段升力減小，重力作用導致箭體快速降低高度，并遭遇最大動壓，產(chǎn)生約2g左右過載。由于彈道加速向下彎曲，箭體由立姿逐漸變?yōu)橄赂＂鄣絹喴羲亠w行段，二子級增大攻角至90°，保持高效減速。由于幾乎失去升力，彈道快速彎曲指地，視覺上飛行器以腹部平拍的俯姿飛行，并因相對較輕的質量有可能達到較低的平衡速度（即阻力與重力平衡）。④采用RCS + 四翼上反控制，保證了再入階段大攻角的橫航向穩(wěn)定與寬速域的高俯仰控制效率，四翼上反控制增大了配平攻角范圍，進一步提高了控制裕度與舵偏分配的靈活性，使得二子級能夠適應更寬的質心變化范圍。⑤最后在低速著陸段，距離著陸點約數(shù)百m高度時，二子級發(fā)動機點火進行推力矢量控制，完成箭體快速翻轉機動，接近垂直姿態(tài)，控制二子級減速并修正位置誤差，實現(xiàn)定點軟著陸。二子級再入飛行軌跡如圖4所示。

圖4 二子級再入飛行彈道剖面示意圖[11]Fig.4 Re-entry ballistic profile schematic

分析地月空間航天運輸系統(tǒng)規(guī)模的計算方法具體如下：

1）首先根據(jù)任務階段劃分，得到各階段任務所需的速度增量；

2）根據(jù)設計經(jīng)驗，同時考慮技術發(fā)展，確定各階段運輸系統(tǒng)結構系數(shù)；根據(jù)有效載荷規(guī)模，根據(jù)式（2）所示齊奧爾科夫斯基公式[12]計算推進劑消耗量；

3）根據(jù)推進劑消耗需求，按照總體設計經(jīng)驗，綜合考慮不可用量和安全余量，修正結構系統(tǒng)，迭代推進劑消耗量。

其中：飛行器初始總質量為m0，結構系數(shù)為k，推進劑質量為mp，發(fā)動機比沖為 ω，速度增量為 Δv。結構系數(shù)取值根據(jù)不同的運載器類型和推進劑類型，依據(jù)當前實際工程型號設計數(shù)據(jù)和未來發(fā)展趨勢綜合考慮取值。液氧甲烷推進劑真空比沖采用380 s，氫氧推進劑真空比沖采用453 s。

一站式執(zhí)行月球著陸與返回任務的速度增量需求如表2所示，根據(jù)上述計算方法，得到推進劑加注量和運載系統(tǒng)規(guī)模需求如表3所示。

表2 月球著陸與返回任務速度增量需求表（一站式）Table 2 Delta V requirement of lunar landing and returning mission(One-stop)

表3 月球著陸與返回任務推進劑加注量與系統(tǒng)規(guī)模需求（一站式）Table 3 Requirements for propellant refueling and system mass of lunar landing and returning mission （One-stop）

經(jīng)過分析得到，為滿足數(shù)t著陸月球并返回地球的運載能力，起飛規(guī)模約為4 200 t級，完全可重復情況下，LEO運載能力為百噸級。

一站式可充分發(fā)揮其多任務適應性的優(yōu)勢，僅采用一種構型兼顧全球抵達運輸、天地往返運輸，空間轉移運輸和月面著陸上升等任務，由于各任務的飛行環(huán)境差異較大，要適應各種惡劣環(huán)境，需要開展一站式全飛行剖面過程的氣動力熱環(huán)境精確預示和設計研究；由于需要兼顧地球和月球的往返著陸，因此在著陸方式上選擇垂直著陸，在再入地球著陸過程中，考慮充分利用大氣減速特性，需要在傳統(tǒng)火箭構型上設計額外的翼面，這對于結構輕質化、熱防護設計以及運載器氣動外形設計帶來了挑戰(zhàn)[13]；二子級兼具傳統(tǒng)運載火箭和飛船的功能，對其功能一體化和性能一體化也提出了挑戰(zhàn)[14-15]。

3.2 接力式

在接力式中，地月空間運輸任務根據(jù)不同的階段采用不同的運載器，其中全球極速運輸/天地往返運輸可以采用垂直起降運載火箭（Vertical Take-off Vertical Landing，VTVL）、垂直起飛水平返回運載器（Vertical Take-off Horizontal Landing，VTHL）、水平起降運載器（Hotizontal Take-off Horizontal Landing，HTHL）等方式[16]，地月空間轉移運輸可采用低溫軌道級和大功率電推進軌道級，月面探測運輸可采用單級或多級月面著陸與上升飛行器及月面大范圍機動飛行器。當前存在的各種類型的運輸方式與該途徑類似，因此其技術基礎較好、繼承性強，任務拓展性強，但體系組成復雜。圖5為接力式任務剖面示意圖。

圖5 接力式任務剖面示意圖Fig.5 Relay-style solution and mission profile diagram

執(zhí)行月球著陸與返回任務時，由于采用了接力模式，空間運載器常態(tài)化在軌駐留，但在執(zhí)行具體任務時是分階段實施，每一種運載器在具體任務中在軌工作時間相對較短，可采用更高性能的液氫液氧推進劑?？苫贚EO加注站、地月拉格朗日1點（Earth-Moon Lagrange point 1，EML1）加注站實施燃料加注，開展具備可復用及航班化能力的月球著陸與返回任務。常態(tài)化工作模式為：天地往返運載火箭運送數(shù)噸有效載荷與軌道轉移級所需的推進劑到LEO加注站，并與軌道轉移級對接；軌道轉移級作為LEO加注站和EML1加注站之間的軌道轉移運輸飛行器，長期駐留在LEO加注站，在軌加注后運送數(shù)噸有效載荷與月面著陸上升器所需的推進劑至EML1點加注站，并與月面著陸上升器對接，再返回LEO；月面著陸上升器執(zhí)行EML1點與月面之間的往返運輸任務，在EML1點長期駐留，在軌加注后運送數(shù)噸有效載荷至月面并返回。

接力式執(zhí)行月球著陸與返回任務的速度增量需求如表4所示，采用上節(jié)提到的計算方法，得到各型運載器推進劑加注量和系統(tǒng)規(guī)模需求如表5所示。

表4 月球著陸與返回任務速度增量需求表（接力式）Table 4 Delta V requirement for lunar landing and returning mission （Relay-style）

表5 月球著陸與返回任務推進劑加注量與系統(tǒng)規(guī)模需求（接力式）Table 5 Requirement for propellant refueling and system mass of lunar landing and returning mission(Relay-Style)

經(jīng)過分析得到，為滿足數(shù)噸級著陸月球并返回地球的運載能力，完全可重復情況下，天地往返運輸系統(tǒng)起飛規(guī)模約為1 350 t（LEO運載能力為45 t級），軌道轉移級規(guī)模約為65 t，月面著陸上升器規(guī)模約為30 t。

該途徑在每個任務階段選用了相應的運輸系統(tǒng)，采用接力運輸達到任務目的，因而可以面向各自的飛行環(huán)境和任務功能需求針對性地開展運載器設計。一站式具有通用性，也可應用于接力式全球極速運輸系統(tǒng)和天地往返運輸系統(tǒng)。全球極速運輸和天地往返運輸技術難點主要集中在航班化運輸設計準則與評估、總體設計與優(yōu)化、高精度著陸控制、再入氣動力熱環(huán)境預示、輕質長壽命熱防護與熱管理等方面[17]。地月空間轉移運輸技術難點主要集中在低溫推進劑管理與利用[18]、多次推進劑在軌補給加注、長期在軌高效熱電轉換系統(tǒng)設計、輕質高安全核反應堆設計、高效輕質多模式推力器設計等方面。月面探測運輸技術難點主要集中在總體設計與優(yōu)化、適應月面惡劣地形的高精度著陸與起飛、月面大溫差環(huán)境適應性設計等方面。

3.3 技術途徑對比分析

綜上，對于執(zhí)行月球著陸與返回任務，一站式與接力式的主要區(qū)別在于（見表6）：①一站式采用一種運載器實現(xiàn)地月空間運輸全流程任務，接力式需綜合天地往返運載火箭、軌道轉移級、月面著陸上升器等3種類型運載器；②在推進劑類型選擇方面，一站式可采用液氧甲烷推進劑，接力式中天地往返運載火箭可采用液氧甲烷推進劑，軌道轉移級與月面著陸上升器可采用液氫液氧推進劑；③運載器規(guī)模方面，完全復用情況下，一站式運載器規(guī)模約為4 200 t級，接力式3種運輸系統(tǒng)的起飛規(guī)模分別為1 350 t級、65 t級和30 t級；④任務完成后，一站式的運載器返回地面，接力式的天地往返運載火箭返回地面，軌道轉移級駐留LEO加注站，月面著陸上升器駐留EML1點。

表6 一站式與接力式技術途徑對比Table 6 Comparison of One-stop and Relay-style

4 結論

本文面向未來大規(guī)模地月空間探索與開發(fā)任務，給出了地月空間航天運輸體系組成，在分析運輸規(guī)模需求的基礎上，通過產(chǎn)能和經(jīng)濟性分析，得到單運載器可復用次數(shù)達百次級等能力指標需求；并提出了可適用于大規(guī)模低成本地月空間運輸?shù)囊徽臼胶徒恿κ?種技術途徑，給出運輸系統(tǒng)的新型構型和彈道與控制構想，分析了速度增量、推進劑加注量和系統(tǒng)規(guī)模需求，為地月空間航天運輸體系建設提供參考。