载人月面着陆及起飞技术初步研究

载人登月任务中最具特色的就是载人月面着陆及起飞过程,其技术体系丰富,是影响载人登月任务成败的关键环节。文章详细分析了载人月面着陆及起飞阶段的飞行方案,阐述了载人任务与无人任务设计准则上的区别,剖析了载人月面着陆及起飞技术的内涵。此外重点分析了低温推进剂蒸发量控制技术、10∶1深度变推力液体发动机技术、发动机推力矢量控制技术、大承载着陆缓冲技术、发动机羽流导流与防护技术、月尘清除及防护技术等六项与载人登月舱推进系统和结构系统相关的关键技术,分析提出了相应的技术途径和解决方案,对深入认识载人登月飞行器系统的技术体系及技术难度具有重要意义。     

“阿波罗”登月舱的软着陆支架

登月舱的软着陆支架是确保月面探测活动及宇航员返回地球的关键装置。文章对“阿波罗”登月舱软着陆支架进行了介绍,描述了其技术指标、功能要求和基本组成,并对“阿波罗”登月舱软着陆支架的构型设计,主支柱、辅助支柱、足垫、展开架、收拢释放机构、展开锁定机构、触杆高度器以及铝蜂窝缓冲元件的设计方案进行了说明。鉴于“阿波罗”登月舱软着陆支架的设计通过了多次飞行试验的验证,文章结合“阿波罗”登月舱软着陆支架的方案,提出了中国载人登月工程中登月舱软着陆支架研制的建议。     

盘点“阿波罗”登月工程

“阿波罗”登月工程的脉络 美国的“阿波罗”载人登月工程始于1961年5月。1969年7月20日首次实现了登月梦想,航天员阿姆斯特朗和奥尔德林驾驶“阿波罗11”号飞船的登月舱降落在月球赤道附近的静海区,并相继走出舱外,在月球上迈出了人类的第一步,引起全世界震动。     

登月舱用深度变推下降级发动机系统方案研究

在我国的载人登月技术方案中,为实现软着陆,登月舱需要一种大推力、高性能、多次起动,能够大范围变推力的泵压式发动机.通过研究国外登月用下降级发动机技术发展现状和趋势,基于我国氢氧发动机和低温推进剂空间贮存水平,进行了深度变推发动机的系统方案研究;通过分析比对燃气发生器循环和膨胀循环系统优缺点,确定发动机系统方案为涡轮串联闭式膨胀循环;采用空间可长时间贮存的液氧/甲烷推进剂组合,可满足任务周期要求;根据推力深度调节时对各组合件性能要求,确定喷注器燃烧稳定技术和燃烧室身部传热技术是深度变推发动机研制的核心关键技术.     

载人登月飞行方案研究

根据载人登月任务有无地球轨道和月球轨道交会对接,将登月途径分为地球轨道交会-月球轨道交会、地球轨道交会-直接返回、地球轨道不交会-月球轨道交会,以及地球轨道不交会-月球轨道不交会四类,并对各自可能的演变登月方式进行了分析。对载人登月的质量规模及运载火箭需求进行了分析,讨论并比较了一次发射、基于环月轨道交会组装和基于近地轨道交会组装方案的时间窗口和登月方案,并给出了建议。研究可为我国载人登月任务方案选取提供参考。     

阿波罗时代的苏联载人登月计划

60年代末,美苏曾为首先实现载人登月而进行了激烈的角逐,最后以苏联的失败而告终。多年来,苏联载人登月计划的详情一直鲜为人知。本文根据西方苏联问题专家的分析和苏联近来透露的一些情况介绍了苏联当时的载人登月计划,其中包括登月用的N-1火箭和登月舱以及并未实现的登月过程。     

载人登月月面软着陆缓冲装置设计与分析

文章介绍了一种载人登月着陆缓冲装置的设计原理,并对缓冲装置的构型和缓冲器的选择进行了分析;基于ADAMS软件建立了缓冲结构动力学模型,进行了多个工况的着陆冲击仿真计算,通过仿真分析验证了设计的合理性。结合设计和仿真分析结果,实现了载人登月月面着陆缓冲装置全尺寸原理样机的研制,该着陆缓冲装置的设计思想及经验可作为相关设计的参考。     

有人月球基地构建方案设想

有人月球基地的建设能将人类的活动区域扩展到月球,实现月球资源的深度开发和利用,服务于人类社会发展。中国开展月球基地建设,在技术上是空间站工程和载人登月工程的有效结合,也有利于其载人航天工程的可持续发展。文章针对有人月球基地的构建,将有人月球基地构建的基本途径分为刚性舱组装、柔性舱组装和月面建筑式三大类,并指出在月球基地发展的不同阶段构建途径的选择原则,再结合中国国情,提出了中国在有人月球基地发展初期的构建方案,最后对有人月球基地构建中的一些关键问题进行了分析总结。     

载人登月运载火箭总体方案研究

介绍了国外重型运载火箭方案技术特点和性能,对我国新一代运载火箭发动机研制给出了以两级半构型为重型运载首选、120,400t推力吨位可满足我国未来运载火箭一级动力需求、100t级真空推力氢氧发动机是我国重型运载较佳选择,以及箭体直径最大7～8m为宜的建议。针对我国的载人登月任务,提出了重型运载的四条发展路线,优选了一型运载火箭并进行了细化设计。     

载人登月舱下降发动机技术研究

通过对国内外登月舱下降发动机的研究历史及最新进展的综合分析,提出了我国登月舱下降发动机初步方案:挤压式系统方案,重点考虑N₂O₄/MMH组合,也可以考虑LOX/煤油组合;泵压式系统方案,重点开展LOX/LCH₄膨胀循环变推力发动机技术研究。开展载人登月舱下降发动机的技术研究将对我国月球探测、火星探测等工程提供坚实的技术保障。     

我国载人登月重型运载火箭动力系统探讨

月球研究与利用是21世纪航天发展的重点之一。根据载人登月的需求,探讨了我国重型运载火箭及其动力系统的技术途径,提出研制大推力液氧/烃和液氧/液氢发动机的设想。重点论证了大推力下面级发动机的推进剂组合、动力循环方式及推力量级,认为该发动机推进剂应选择环保、廉价及高性能的液氧/烃组合,动力循环方式应采用先进的补燃循环或低成本的燃气发生器循环,推力应为4000kN左右。     

一种综合式载人月球基地总体方案及建造规划设想

构建载人月球基地是实现对月球资源深度开发和利用的重要手段之一,文章提出了刚性舱、刚性＋柔性结构以及建造式等三种典型结构的载人月球基地方案,并对三种典型方案的优缺点进行对比分析,在此基础上提出了一种综合式载人月球基地方案设想,基地内部主体创新性地采用充气式柔性连接的方式,外部主体包括月壤防护层、植物密封舱和应急救生飞船,活动系统包括月球车和月球机器人。围绕该方案并结合文章提出的载人月球基地主要技术指标,并对载人月球基地选址、结构设计和构建、空间辐射防护、热管理、能源、通信与导航、生命保障和应急救生技术等关键技术方案进行了分析,为中国未来建设载人月球基地提供了参考。     

100 kWe月面核电站方案研究

随着太空探索活动的深入开展,在月球表面建立有人基地成为必然选择。与常规化学能或太阳能相比,月面核电源具有诸多优点,是月球基地的最佳能源选择之一。本文提出了电功率100 kWe的核反应堆电源系统方案,给出了该方案的关键系统参数。针对反应堆模块,展开方案选型、参数优化、常规物理参数分析、初步热工分析和特种临界安全分析等工作。计算结果显示:燃料包壳温度小于使用限值,掉落事故工况下有效增值因数均小于0.98。该设计方案满足各项技术指标和设计准则。     

载人月球车移动系统综述及关键技术分析

以载人月球车的发展和相关技术为对象,首先对国外载人月球车移动系统的概念设计进行了系统的综述,对载人月球车各种概念设计的特点进行了比较和分析,探讨了载人月球车的设计趋势;其次以阿波罗载人月球车移动系统结构为例,分析其移动系统的主要构成作为借鉴;然后从机构学、地面力学及动力学等方面在载人月球车研究中的应用现状进行了综述;最后提出了载人月球车移动系统的关键技术,指明了当前亟需解决的关键技术及难点所在。     

载人月面着陆与上升飞行器辐射环境适应性研究

载人月面着陆与上升飞行器是在载人月球探测任务中用于月球轨道与月面之间人员、货物往返的运输工具。针对载人月面着陆与上升飞行器全寿命周期内的辐射环境进行了分析,对近地轨道、地月转移及环月轨道的辐射环境中的高能带电粒子能谱进行了对比,对其辐射环境适应性进行了评估,提出了针对性的辐射防护建议,供月面着陆与上升飞行器设计参考。     

基于多圆锥曲线法的着陆器奔月轨道设计与特性分析

针对载人登月任务中人货分运飞行模式，精确快速设计了着陆器(LM)的奔月轨道，分析了轨道窗口特性。以着陆器的奔月出发时刻、纬度幅角和加速脉冲为设计变量，基于多圆锥曲线法动力学模型，利用序列二次规划（SQP）优化算法对奔月轨道快速求解。在地心白道系下提出了近月点伪经度判别准则，该方法可为轨道设计参数初值提供正确参考。最后以伪倾角为窗口特性分析参数，发现了近月点窗口、近地点出发位置的变化规律。仿真结果表明，本文提出的伪经度搜索方法能够快速求解着陆器地月转移轨道，同时揭示了环月到达轨道(LLO)与近地出发轨道(LEO)之间的内在联系，研究结论可为未来载人登月工程提供借鉴。     

Further analyses of the slide lander and of drop delivery systems for improved lunar surface access

The paper discusses two methods for lunar surface access. One method is characterized by very little propellant consumption for landing (lunar slide lander, LSL); the other (drop delivery method, DDM) avoids release of propellant gases at the lunar surface. The LSL is of particular promise and importance. Its analysis and development introduces a new field of cosmic dynamics—harenodynamics, the science and technology of interaction of surfaces with dust and sand at near-orbital speeds down to low velocities. Although the data base is small so far and needs to be enlarged, analyses of the LSL so far indicate promise as to feasibility. Its realization will revolutionize present conventional concepts of lunar development. The DDM offers cost-effective alternatives to conventional lunar landing by retrothrust, but on a more selective basis, because propellant-savings are secondary to avoiding gas releases into the lunar high-vacuum environment. It was found that stationary energy absorption systems (EAS) are required, because vehicle-attached absorption systems are entirely inadequate. This requires large structures which can be built on the lunar surface only after a somewhat higher degree of industrial capability has been established. However, they can be built entirely of lunar materials. Altogether, the LSL is the more significant of the two both in terms of economy and of operational scope.     

Strategies of developing advanced lunar power systems

Electric and thermal power have to be available at the base site on the lunar surface before the first lunar crew arrives. Unlimited solar energy is available during the lunar day, but this must be stored for use during the lunar night unless nuclear energy systems are available. State-of-the-art candidate systems are reviewed and the production of solar cells on the moon is discussed. Various options for developing a lunar power plant are proposed. These must be simulated and optimized in a real lifecycle systems scenario to provide operations and cost data essential for choosing a strategy.     

Strategies of developing advanced lunar power systems

Electric and thermal power have to be available at the base site on the lunar surface before the first lunar crew arrives. Unlimited solar energy is available during the lunar day, but this must be stored for use during the lunar night unless nuclear energy systems are available. State-of-the-art candidate systems are reviewed and the production of solar cells on the moon is discussed. Various options for developing a lunar power plant are proposed. These must be simulated and optimized in a real life-cycle systems scenario to provide operations and cost data essential for choosing a strategy.