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。     

有人月球基地构型及构建过程的设想

与传统航天器设计不同,有人月球基地涉及构型与构建、能源、月面移动、资源利用等诸多方面。文章在对国外有人月球基地不同构型对比分析的基础上,提出了我国有人月球基地方案设想,包括刚性舱构型、刚性+柔性舱构型、建造式构型和综合式有人月球基地方案,并进一步提出了有人月球基地构建过程设想,可为我国未来有人月球基地建设提供参考。     

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。     

载人月球探测混合云架构体系仿真系统研究

针对载人月球探测工程任务需求,设计了一种基于混合云架构的体系仿真系统,实现了辅助设计、方案验证和协助任务等功能应用。分别从任务设计和应用模式角度分析了体系仿真系统功能需求;根据需求给出体系仿真系统总体架构,采用仿真平台和仿真支持库统筹建设的方式,完成了系统开发与集成;提出了针对体系仿真系统建设涉及的体系建模、任务规划、推演展示、效能评估和系统联动与扩展关键技术实现方案;应用该系统实现了对典型载人月面活动场景的仿真,得到了关键参数模拟推演结果,验证了体系仿真系统各项功能有效性和正确性;最后给出了思考和展望。该体系仿真系统可支撑未来载人月球探测相关任务开展发展论证和综合评估验证,能够为同类系统开发提供方案参考。     

模拟月壤激光熔融成型工艺参数试验初探

月壤3D打印可以实现月球的原位资源利用,有望成为月球基地建设和持久运营维护的关键技术手段。文章综述了模拟月壤激光3D打印方法的研究现状,搭建了以CUG-1A模拟月壤为原料的激光熔融成型原理试验系统,并开展了常规环境工艺参数的初步试验。结果显示:激光功率和扫描速度影响激光熔融深度和直径,是模拟月壤激光熔融成型的关键工艺参数;模拟月壤熔融成型过程易出现孔洞、球化等典型缺陷,需要进一步对月壤激光相变机理和上述成型工艺参数进行解析优化。     

地聚合物基月球混凝土及其3D打印原位建造设想

月球基地建设是未来深空探测的关键支撑环节。文章基于国内外研究成果,探讨了原位利用月球资源研制地聚合物混凝土并进行基地建造的可行性。结果显示:地聚合物混凝土所需原材料90%以上可来源于月球原位资源,且在月球环境下具有良好的耐极端环境性能;基于挤出打印和粉末打印成型工艺,地聚合物材料可满足月球环境的施工需求与环境要求。总之,利用月球原位资源有望实现基于地聚合物的月球基地原位建造设想;但该设想尚处于概念设计阶段,仍然需要相关理论支撑、系统试验研究和可行性评估。     

无人月球基地总体初步设想

构建月球基地是月球探测的核心目标之一。作为一个巨型项目,月球基地总体建设涉及空间运输、能源、结构构建、月面移动、资源利用、科学探索、测控通信等诸多方面。文章尝试论述构建无人月球基地的任务目标、核心功能与组成、概念方案、实施步骤等核心要素,提出构建无人月球基地的总体思路,为未来月球基地任务的实施提供参考。     

月球基地结构形式设想

月球基地建设是载人航天、深空探测技术发展的一个重要方面。根据月面环境特点和航天工程需要,对充气式结构和硬式结构的月球基地结构形式进行了分析,讨论了两种结构形式的优势和不足,并提出了基于两种结构形式的组合型月球基地的设想,为将来月球基地的建设提供参考。     

美国提出新的航天目标——建立月球基地

美国下一个国家航天计划的目标很可能是在月球上建立一个美国的基地,月球基地方案正在获得广泛的支持。这一计划将比准备进行的火星探索计划更早地确立美国航天领先地位,并为以后载人火星飞行打下基础。 美航宇局(NASA)局长詹姆斯·弗莱彻在设法为白宫的关键人物安排建立月球基地的基本情况介绍会,以便为白宫向里根总统呈送一份建议书做准备,该情况介绍会因伊朗门事件而拖延了。     

科技信息

美透露在月球极区建立基地计划据美国《航空航天快讯》消息,NASA前不久透露了在月球建立基地的计划,以便在2020年重返月球时供航天员驻留180天。NASA倾向在月球南极建立月球基地,并已研究了南极Shackleton火山口附近的一个地址,此处70%~80%的时间都有阳光照射,并可能蕴藏有可开采的资源。根据2008年发射的“月球勘测轨道器”(LRO)和其他月球探测器提供的信息将最终来选定月球基地的地址。预计2011—2013年对新的月球登陆器进行初步设计评审。此登陆器将包括月球基地的核心基础设施。2018—2020年当基础设施建成后,4名航天员机组将在该…     

100 kWe级空间快堆核电源系统仿真平台开发与应用

空间核反应堆电源作为一种具有竞争力的空间电源方案,正逐渐受到关注及应用。本文针对一个100 kWe级锂冷快堆耦合布雷顿循环的空间堆核动力系统方案,修改了RELAP5程序中的物性程序、换热模型,程序中的中子动力学模块使用蒙特卡洛方法计算快堆物理参数与堆芯控制调节参数,由此集成并建立一个空间快堆核动力系统综合仿真平台,应用该平台对100 kWe级空间堆核动力系统进行了稳态模拟与事故分析。结果表明:在瞬态发生后系统各参数变化符合预期,验证了各部件及控制系统的功能性及有效性;同时,还初步进行了仿真平台用于100 kWe级空间反应堆核动力系统设备的设计优化的实践,为空间快堆设计与安全分析提供了技术储备。     

核反应堆空间应用研究

对美国、俄罗斯等国家的核反应堆空间应用进行了研究。其中包括:美国最早研究的SNAP-8系列,可提供多种组合输出的SP-100布雷顿能量系统,应用于火星表面的核反应堆MSR系统等;俄罗斯和日本在月球表面或火星表面应用的核反应堆。重点对空间核反应堆的堆型、堆芯冷却方式、热电转换方式、废热排放方式、辐射屏蔽模式等进行比对分析。结合月球基地能源系统的应用背景,对实现核反应堆空间应用需要解决的关键技术进行了分析,如发射安全技术、无人自主管理技术、空间低重力环境适应性及辐射防护技术等,可为我国未来空间探测任务的能源系统研究提供借鉴和参考。     

空间核反应堆电源研究进展

随着航空航天领域对能源需求的不断扩大,核能的空间应用迎来了新的发展高潮。本文针对空间核反应堆技术的发展现状进行综述,重点关注了空间核反应堆与静态能量转换、动态能量转换技术结合供电的研究进展,总结分析了空间核反应堆电源技术的发展特点,并指出未来发展中需要重点关注的内容,为未来空间核反应堆电源的发展提供指导。     

嫦娥五号探测器供配电系统设计与验证

结合嫦娥五号探测器主要任务特点,简要介绍了多器供配电系统的功能需求、多器联合供电方案设计,并通过能量平衡仿真分析、多母线融合控制等关键技术,解决了嫦娥五号探测器在复杂空间环境下多任务、多模式的高可靠轻小型化供配电系统设计难题。在轨飞行试验结果表明:供配电系统功能正常、工作可靠、性能优良。提出的嫦娥五号探测器多器组合一体化供配电系统分析与设计方法,满足并确保了月面无人自动采样返回任务可靠实现,可为未来探月工程及其它深空探测领域供配电系统设计提供参考和借鉴。     

Integrating advanced mobility into lunar surface exploration

With growing knowledge of the lunar surface environment from recent robotic missions, further assessment of human lunar infrastructures and operational aspects for surface exploration become possible. This is of particular interest for the integration of advanced mobility assets, where path planning, balanced energy provision and consumption as well as communication coverage grow in importance with the excursion distance. The existing modeling and simulation tools for the lunar surface environment have therefore been revisited and extended to incorporate aspects of mobile exploration. An extended analysis of the lunar topographic models from past and ongoing lunar orbital missions has resulted in the creation of a tool to calculate and visualize slope angles in selected lunar regions. This allows for the identification of traversable terrain with respect to the mobile system capabilities. In a next step, it is combined with the analysis of the solar illumination conditions throughout this terrain to inform system energy budgets in terms of electrical power availability and thermal control requirements. The combination of the traversability analysis together with a time distributed energy budget assessment then allows for a path planning and optimization for long range lunar surface mobility assets, including manned excursions as well as un-crewed relocation activities. The above mentioned tools are used for a conceptual analysis of the international lunar reference architecture, developed in the frame of the International Architecture Working Group (IAWG) of the International Space Exploration Coordination Group (ISECG). Its systems capabilities are evaluated together with the planned surface exploration range and paths in order to analyze feasibility of the architecture and to identify potential areas of optimization with respect to time-based and location-based integration of activities.     

月球钻取采样钻头结构参数对力学性能的影响

基于对螺旋钻头的输出月壤阻力、驱动力矩及月壤失效区的分析,建立了钻头的力学模型,该模型综合考虑切削具内外侧面与月壤之间的压力及摩擦力,考虑月壤侧向失效面的面载荷对钻头切削具周向力矩、总功耗及月壤失效距离的影响,数值仿真与试验结果校验了模型的正确性。在数值仿真过程中采用深层月壤本构关系的Mohr-Coulomb模型,使仿真更加符合月壤内摩擦角大于22°的真实情况。利用该模型分析并获得了钻头结构参数对切削具功耗和失效距离的影响规律,以钻头功耗最小为优化目标,用遗传算法对钻头结构参数进行了优化,优化结果降低了钻探过程中的烧钻风险。可为钻取式自动采样机构的钻头设计提供理论依据。     

空间核反应堆安全分析

空间核反应堆是空间能源的重要候选方案,其寿命长、功率大、结构紧凑,但其特有的中子学特性、与传统快堆迥异的设计方案对堆芯安全分析提出了挑战。本文以热管型空间堆为例,首先基于蒙特卡洛方法对空间堆在水淹和沙埋事故工况下,进行了稳态中子学计算分析,结果表明:堆芯在事故工况下不会重返临界。同时,基于瞬态多物理分析程序TMACS,进行了单根控制鼓旋转瞬态过程计算。结果表明:空间堆在热工反馈和热膨胀反馈的多物理耦合下,在特定的瞬态过程中能够保持功率稳定,满足安全要求。     

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.