王開(kāi)強(qiáng) 張柏楠 李志海

(中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094)

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載人近地小行星探測(cè)器系統(tǒng)質(zhì)量減小途徑探討

王開(kāi)強(qiáng) 張柏楠 李志海

(中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094)

為減小載人近地小行星探測(cè)器的系統(tǒng)質(zhì)量，提出采用先期運(yùn)送部分推進(jìn)艙至小行星、可伸縮式艙體、發(fā)展核推進(jìn)技術(shù)的3種技術(shù)途徑。介紹了國(guó)內(nèi)已有的載人近地小行星探測(cè)器的系統(tǒng)組成及其質(zhì)量估算方法。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合一個(gè)載人登陸探測(cè)近地小行星的算例，給出了采用上述3種減小質(zhì)量途徑的載人探測(cè)器系統(tǒng)質(zhì)量估算結(jié)果。對(duì)3種技術(shù)途徑的探測(cè)器總質(zhì)量減小效果進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)各技術(shù)途徑的特點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行了討論。結(jié)果表明：3種技術(shù)途徑均可有效地減小載人探測(cè)器系統(tǒng)的總質(zhì)量，有助于提高載人近地小行星探測(cè)任務(wù)的可行性。

近地小行星；載人探測(cè)器；技術(shù)途徑；質(zhì)量減小

1 引言

隨著載人航天和深空探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，載人小行星探測(cè)開(kāi)始成為21世紀(jì)載人深空探測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。2010年美國(guó)啟動(dòng)的載人近地小行星探測(cè)計(jì)劃，為載人小行星探測(cè)的研究注入了強(qiáng)勁動(dòng)力。無(wú)人探測(cè)方面，國(guó)外已有11顆無(wú)人探測(cè)器對(duì)小行星進(jìn)行了不同程度的探測(cè)[1]，積累了一定的深空探測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)和工程經(jīng)驗(yàn)。其中，美國(guó)的“近地小行星交會(huì)”(NEAR)探測(cè)器[2]和日本的隼鳥(niǎo)號(hào)探測(cè)器[3]實(shí)現(xiàn)了在小行星表面的軟著陸，而隼鳥(niǎo)號(hào)探測(cè)器則更進(jìn)一步完成了小行星表面采樣返回的任務(wù)[4]。載人探測(cè)方面，國(guó)外已有關(guān)于載人近地小行星探測(cè)的目標(biāo)小行星選擇與飛行任務(wù)規(guī)劃[5]、探測(cè)器系統(tǒng)概念方案等方面[6-8]的研究；國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了關(guān)于目標(biāo)星選擇[9]、飛行任務(wù)模式[10]、探測(cè)器系統(tǒng)方案概念設(shè)計(jì)[11-12]等研究。從文獻(xiàn)[11]的研究結(jié)果可知，載人近地小行星探測(cè)器的總質(zhì)量通常較大，一般為百?lài)嵓?jí)至千噸級(jí)。本文針對(duì)這一背景，對(duì)有助于減小探測(cè)器系統(tǒng)總質(zhì)量的3種途徑進(jìn)行探討。首先對(duì)國(guó)內(nèi)已有的載人近地小行星探測(cè)器系統(tǒng)組成方案進(jìn)行了介紹，對(duì)相關(guān)的質(zhì)量估算方法進(jìn)行了描述；然后，結(jié)合一個(gè)載人近地小行星探測(cè)算例，給出了3種減小質(zhì)量途徑的探測(cè)器系統(tǒng)質(zhì)量估算結(jié)果，并進(jìn)行了對(duì)比分析；最后對(duì)3種途徑的應(yīng)用思路進(jìn)行了討論。

2 探測(cè)器系統(tǒng)組成方案介紹

文獻(xiàn)[11]提出了一種可借鑒的載人近地小行星探測(cè)器系統(tǒng)組成方案，其中采用了近地+對(duì)接著陸+直接再入的飛行任務(wù)模式[10](見(jiàn)圖1)。該飛行模式由9個(gè)主要的飛行節(jié)點(diǎn)和6個(gè)飛行階段組成。主要飛行過(guò)程為：探測(cè)器采用低地球軌道(LEO)停泊軌道組裝之后逃逸的方式飛離地球；與小行星交會(huì)后，登陸艙與預(yù)先在小行星上設(shè)置的著陸對(duì)接口進(jìn)行對(duì)接，航天員出艙進(jìn)行表面探測(cè)；任務(wù)結(jié)束后，航天員返回登陸艙，登陸艙與著陸對(duì)接口分離，并與伴飛的乘員艙組合體交會(huì)對(duì)接；此后探測(cè)器組合體變軌進(jìn)入日心返回軌道，進(jìn)入地球引力范圍后，采用直接再入地球大氣的方式再入、減速與著陸(EDL)。

根據(jù)這樣一種飛行模式，將載人近地小行星探測(cè)器系統(tǒng)劃分為乘員艙、登陸艙、返回艙、推進(jìn)艙4個(gè)部分[11]。其中，小行星表面著陸對(duì)接口通常是隨無(wú)人探測(cè)器預(yù)先安放、固定在小行星表面，因此不將其納入載人探測(cè)器的系統(tǒng)組成單元。

2.1 乘員艙

乘員艙為航天員提供長(zhǎng)期生活和工作環(huán)境。具備交會(huì)對(duì)接功能，自身配置推進(jìn)系統(tǒng)，在探測(cè)器進(jìn)入日心返回軌道之后(P5、P6飛行階段)為組合體提供中途修正的姿態(tài)和軌道控制，直至返回艙分離?？紤]到航天員對(duì)空間的需求是隨飛行時(shí)間增加的，因此對(duì)乘員艙進(jìn)行了系列化設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足對(duì)不同目標(biāo)小行星進(jìn)行不同任務(wù)時(shí)長(zhǎng)載人探測(cè)的要求：

(1)8 t乘員艙：配置再生式生命保障系統(tǒng)，具備長(zhǎng)期載人飛行能力，航天員可活動(dòng)空間為15 m3，配合其余艙段可支持3名航天員飛行60天；

(2)11 t乘員艙：配置再生式生命保障系統(tǒng)，具備長(zhǎng)期載人飛行能力，航天員可活動(dòng)空間為25 m3，配合其余艙段可支持3名航天員飛行140天；

(3)13 t乘員艙：配置再生式生命保障系統(tǒng)，具備長(zhǎng)期載人飛行能力，航天員可活動(dòng)空間為30 m3，配合其余艙段可支持3名航天員飛行200天。

2.2 登陸艙

登陸艙是航天員用來(lái)登陸與飛離小行星的艙段。在飛行過(guò)程中可兼作乘員艙使用，具備出艙、交會(huì)對(duì)接功能，自身配置推進(jìn)系統(tǒng)和生命保障系統(tǒng)，為小行星表面的下降飛行(P41段)、著陸對(duì)接(P42段)和上升飛行(P43段)提供推力以及姿態(tài)、軌道控制，能獨(dú)立提供短期生命保障支持。登陸艙的質(zhì)量估計(jì)為3 t，配置非再生式生命保障系統(tǒng)，具備獨(dú)立短期載人飛行能力，航天員可活動(dòng)空間為10 m3。

2.3 返回艙

返回艙在探測(cè)器系統(tǒng)再入地球大氣之前分離，承載航天員再入地球大氣，直至在地球表面安全著陸，是探測(cè)器中唯一返回地球的艙段，在飛行過(guò)程中兼作乘員艙，為航天員提供一定生活、工作的空間。返回艙的質(zhì)量估計(jì)為3 t，配置非再生式生命保障系統(tǒng)，航天員可活動(dòng)空間為5 m3。

2.4 推進(jìn)艙

為探測(cè)器的飛行提供變軌所需的推力和速度增量。由于載人小行星探測(cè)一般需要3次速度增量，因此推進(jìn)艙至少需要3級(jí)：

(1)第一級(jí)提供LEO停泊軌道加速的速度增量(T1節(jié)點(diǎn))；

(2)第二級(jí)提供與小行星交會(huì)變軌的速度增量(T3節(jié)點(diǎn))，以及探測(cè)器系統(tǒng)從LEO停泊軌道變軌后至探測(cè)器飛離小行星期間(P2、P3、P40飛行階段)的軌道控制、修正所需的速度增量；

(3)第三級(jí)提供飛離小行星變軌所需的速度增量(T6節(jié)點(diǎn))。

推進(jìn)艙的質(zhì)量規(guī)模需根據(jù)3次速度增量的大小、探測(cè)器系統(tǒng)的有效艙段質(zhì)量(定義為乘員艙、登陸艙、返回艙質(zhì)量之和)和所選推進(jìn)劑的比沖進(jìn)行計(jì)算。

為了計(jì)算和評(píng)價(jià)推進(jìn)艙的推進(jìn)效率，探測(cè)器系統(tǒng)中除去推進(jìn)艙之外的艙段，統(tǒng)稱(chēng)為有效艙段。此時(shí)有效艙段質(zhì)量與包含各級(jí)推進(jìn)艙的探測(cè)器系統(tǒng)總質(zhì)量的比值，稱(chēng)為有效艙段質(zhì)量比例。該比值越大，推進(jìn)艙在探測(cè)器系統(tǒng)中所占的質(zhì)量比例越小，探測(cè)器系統(tǒng)中的“干重”越大，推進(jìn)效率越高。

3 探測(cè)器系統(tǒng)質(zhì)量估算方法

探測(cè)器系統(tǒng)質(zhì)量基于齊奧爾科夫斯基公式推導(dǎo)計(jì)算得到[11]，如式(1)～(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：mi為第i級(jí)推進(jìn)艙的總質(zhì)量，msi為第i級(jí)推進(jìn)艙的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，ηi為第i級(jí)推進(jìn)艙的結(jié)構(gòu)質(zhì)量占比(i=1，2，3)；Δv1、Δv2、Δv3分別為第一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)推進(jìn)艙需要提供的變軌速度增量；ve1、ve2、ve3分別為第一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)推進(jìn)劑的真空比沖；me為有效艙段質(zhì)量與航天員消耗品總質(zhì)量之和。其中，航天員每人日均需要的消耗品質(zhì)量為2.56 kg，航天員人數(shù)設(shè)置為3人。

其中，一級(jí)推進(jìn)艙采用液氫/液氧推進(jìn)劑，真空比沖為4364 m/s；二級(jí)和三級(jí)推進(jìn)艙采用液氧/甲烷推進(jìn)劑，真空比沖為3481 m/s，推進(jìn)艙的結(jié)構(gòu)質(zhì)量占比為15%[11]。

4 降低探測(cè)器系統(tǒng)質(zhì)量途徑

文獻(xiàn)[11]基于前面的質(zhì)量估算方法，以載人探測(cè)編號(hào)為89136的小行星為例，得到了探測(cè)器總質(zhì)量為507 t。整個(gè)飛行任務(wù)時(shí)長(zhǎng)為60天，總速度增量為10.314 km/s，再入地球大氣的速度為11.232 km/s。各段飛行時(shí)間、速度增量見(jiàn)表1(本文中的發(fā)射日期或飛行日期均為假設(shè)日期，以下同)。本文以此為原方案，作為后面的質(zhì)量對(duì)比參考。

表1 載人探測(cè)編號(hào)為89136小行星的60天飛行任務(wù)數(shù)據(jù)Table 1 60-day mission data of the human exploration to the asteroid 89136

為降低探測(cè)器系統(tǒng)質(zhì)量，本文提出采用以下3種方法途徑：①先期運(yùn)送第三級(jí)推進(jìn)艙；②采用可伸縮式艙體(充氣艙)；③發(fā)展核推進(jìn)技術(shù)。

4.1 途徑1：先期運(yùn)送第三級(jí)推進(jìn)艙

此方法選擇速度增量小的無(wú)人飛行窗口，將載人探測(cè)任務(wù)中飛離小行星變軌返回地球所需使用的第三級(jí)推進(jìn)艙先期運(yùn)送至小行星上空，并與小行星伴飛。其中，第三級(jí)推進(jìn)艙運(yùn)輸飛行器(后面簡(jiǎn)稱(chēng)運(yùn)輸飛行器)在日心軌道中采用類(lèi)似于霍曼變軌的方式。下面以針對(duì)編號(hào)89136小行星的無(wú)人飛行為例進(jìn)行詳細(xì)描述。由于該小行星公轉(zhuǎn)軌道的近日點(diǎn)(近日距1.013AU)比遠(yuǎn)日點(diǎn)(遠(yuǎn)日距1.699AU)距離地球平均公轉(zhuǎn)軌道更近，因此運(yùn)輸飛行器在該小行星公轉(zhuǎn)軌道的近日點(diǎn)與其交會(huì)，可以減小變軌所需的速度增量。其運(yùn)輸飛行器的飛行變軌方式如圖2所示，整個(gè)變軌過(guò)程要點(diǎn)如下。

(1)LEO停泊軌道逃逸地球變軌：運(yùn)輸飛行器在LEO軌道變軌逃逸地球后，進(jìn)入日心過(guò)渡軌道1，該軌道的近日點(diǎn)位于地球附近，近日距約為地球公轉(zhuǎn)軌道的平均軌道半徑。

(2)日心過(guò)渡軌道1遠(yuǎn)日點(diǎn)變軌：運(yùn)輸飛行器在日心過(guò)渡軌道1的遠(yuǎn)日點(diǎn)處向飛行的前方施加速度增量，將日心過(guò)渡軌道1的近日距抬高至編號(hào)89136小行星公轉(zhuǎn)軌道的近日距，并進(jìn)入日心過(guò)渡軌道2。

(3)日心過(guò)渡軌道2近日點(diǎn)變軌：運(yùn)輸飛行器運(yùn)行至日心過(guò)渡軌道2的近日點(diǎn)時(shí)與小行星相遇，此時(shí)向飛行的前方施加速度增量，變軌后運(yùn)輸飛行器和編號(hào)89136小行星的速度矢量基本相同，實(shí)現(xiàn)與小行星的交會(huì)和伴飛。

對(duì)應(yīng)于以上3部分變軌，運(yùn)輸飛行器同樣需要包含3級(jí)推進(jìn)艙，其第一、二、三級(jí)推進(jìn)艙依次完成LEO停泊軌道變軌、日心過(guò)渡軌道1遠(yuǎn)日點(diǎn)變軌、日心過(guò)渡軌道2近日點(diǎn)變軌后拋離。運(yùn)輸飛行器的質(zhì)量估算方法同第3節(jié)所述。考慮到運(yùn)輸飛行器的有效載荷為載人探測(cè)器系統(tǒng)的第三級(jí)推進(jìn)艙，該質(zhì)量已納入載人探測(cè)器系統(tǒng)質(zhì)量，為避免質(zhì)量的重復(fù)累加，這里運(yùn)輸飛行器的質(zhì)量定義為運(yùn)輸飛行器的3級(jí)推進(jìn)艙的質(zhì)量之和。

對(duì)于編號(hào)89136小行星，其在2042年5月28日具有合適的無(wú)人發(fā)射窗口，此時(shí)采取上述變軌方式飛行的總速度增量為4.346 km/s，日心轉(zhuǎn)移軌道總飛行時(shí)間為524天，推進(jìn)艙于2043年11月3日抵達(dá)小行星。具體3次速度增量及各段飛行時(shí)間見(jiàn)表2。

表2 飛往編號(hào)89136小行星的第三級(jí)推進(jìn)艙 運(yùn)輸飛行器飛行任務(wù)數(shù)據(jù)Table 2 Mission data of the spacecraft for sending 3rd propulsion module to the asteroid 89136

此時(shí)整個(gè)探測(cè)任務(wù)分為2042年和2045年兩個(gè)階段實(shí)施，包含無(wú)人的運(yùn)輸飛行器和載人探測(cè)器兩部分。采用前面所述的質(zhì)量估算方法，計(jì)算得到整個(gè)探測(cè)任務(wù)中飛行器系統(tǒng)的總質(zhì)量隨飛行時(shí)間的變化如圖3所示。

飛行器系統(tǒng)總質(zhì)量在60天和140天出現(xiàn)突變，這是因?yàn)樵?0天和140天時(shí)乘員艙分別由8 t方案切換為11 t方案、由11 t方案切換到14 t方案所導(dǎo)致的整個(gè)飛行器系統(tǒng)的質(zhì)量突變。其中整個(gè)探測(cè)任務(wù)的總質(zhì)量最小值仍出現(xiàn)在60天的飛行任務(wù)，此時(shí)采用8 t乘員艙方案。其中，無(wú)人運(yùn)輸飛行器的總質(zhì)量為78 t，載人探測(cè)器系統(tǒng)質(zhì)量為194 t，任務(wù)總質(zhì)量規(guī)模為272 t，降低為原方案(507 t)的53.7%。同時(shí)，有效艙段質(zhì)量比例從2.76%提高到5.15%，推進(jìn)效率得到了提升。

途徑1通過(guò)減小第三級(jí)推進(jìn)艙飛向小行星形成伴飛狀態(tài)所需的速度增量，來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行器系統(tǒng)總質(zhì)量的降低。根據(jù)表1和表2可知，該速度增量由7.231 km/s減小至4.346 km/s，飛行器系統(tǒng)總質(zhì)量相對(duì)該速度增量的平均下降率約為81 t/(km/s)。

4.2 途徑2：采用可伸縮式艙體

可伸縮式艙體，也稱(chēng)充氣艙，具有發(fā)射體積小、在軌展開(kāi)容積大、質(zhì)量小、研制和生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。其艙體內(nèi)部分成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的隔間，沿著縱向排列，若某個(gè)隔間發(fā)生故障，整個(gè)系統(tǒng)仍可正常工作。中央芯柱+可伸縮部分為充氣艙的一種結(jié)構(gòu)形式，中央芯柱在每個(gè)隔間處均開(kāi)有艙門(mén)，一旦發(fā)生緊急情況，就可關(guān)閉艙門(mén)，提高了安全性。NASA已研究將這種可伸縮的居住艙用于“國(guó)際空間站”(見(jiàn)圖4)以及低成本空間站上[13-15]，其居住艙質(zhì)量可由剛性艙段的16.1 t減小至充氣艙的4.5 t，有效空間可達(dá)到200 m3左右。

載人小行星探測(cè)任務(wù)中，可研究使用可伸縮式充氣艙替代乘員艙，其質(zhì)量規(guī)模估計(jì)為4 t，充氣之后可提供的航天員自由活動(dòng)空間大于60 m3，可以覆蓋執(zhí)行200天以?xún)?nèi)的飛行任務(wù)。由于載人小行星探測(cè)中的登陸艙實(shí)際并沒(méi)有著陸支架等配置，類(lèi)似于一個(gè)氣閘艙，因此可以考慮將充氣乘員艙的中央芯柱兼作氣閘艙，從而使充氣乘員艙兼作登陸艙的功用，進(jìn)一步減小探測(cè)器系統(tǒng)的艙段配置和總質(zhì)量。在與小行星表面預(yù)先安放的著陸對(duì)接口對(duì)接著陸期間，乘員艙可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行收縮調(diào)整。

仍以2045年載人探測(cè)小行星89136為例，探測(cè)器系統(tǒng)的有效艙段由4 t充氣乘員艙(兼作登陸艙)和3 t返回艙組成，有效艙段質(zhì)量為7 t，液體化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)、推進(jìn)艙結(jié)構(gòu)質(zhì)量比例以及航天員物品消耗等沿用前面的指標(biāo)，根據(jù)第3節(jié)探測(cè)器系統(tǒng)質(zhì)量估算方法，計(jì)算得探測(cè)器總質(zhì)量隨飛行時(shí)間的變化如圖5所示。

此時(shí)，探測(cè)器總質(zhì)量規(guī)模最小值出現(xiàn)在149天的飛行任務(wù)，探測(cè)器系統(tǒng)有效艙段質(zhì)量為7 t，總質(zhì)量為213 t。其149天飛行任務(wù)的總速度增量為9.880 km/s，再入地球大氣的速度為11.191 km/s。其各段飛行時(shí)間、速度增量見(jiàn)表3。

表3 載人探測(cè)編號(hào)89136小行星的149天飛行任務(wù)數(shù)據(jù)Table 3 149-day mission data of the human exploration to the asteroid 89136

考慮到與原方案的可比性，本文對(duì)基于充氣艙的60天任務(wù)也進(jìn)行了分析計(jì)算，此時(shí)探測(cè)器系統(tǒng)總質(zhì)量降為256 t，是原方案(507 t)的50.5%。若將飛行時(shí)間延長(zhǎng)至149天，探測(cè)器系統(tǒng)總質(zhì)量可進(jìn)一步降低為213 t，僅為原來(lái)的42.0%。但是，60天任務(wù)和149天任務(wù)方案中的有效艙段質(zhì)量比例與原方案相比基本不變，分別為2.73%和3.29%，推進(jìn)效率沒(méi)有得到有效提升。

途徑2通過(guò)采用可伸縮式艙體，減小了有效艙段的質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)探測(cè)器系統(tǒng)總質(zhì)量的降低。本例中，有效艙段質(zhì)量每減小1 t，系統(tǒng)總質(zhì)量平均降低幅度約為42 t(149天任務(wù))或36 t(60天任務(wù))。

4.3 途徑3：發(fā)展核推進(jìn)技術(shù)

核推進(jìn)作為一種新型推進(jìn)技術(shù)，具有推力大、比沖大等優(yōu)勢(shì)，因此本文考慮采用核推進(jìn)技術(shù)作為降低探測(cè)器系統(tǒng)質(zhì)量的途徑之一。俄羅斯已成功研制推力約為35 kN、比沖為8918 m/s的試驗(yàn)性核推進(jìn)器[16]。假定采用這種核推進(jìn)器對(duì)編號(hào)89136的小行星進(jìn)行載人探測(cè)，其它條件不變，其探測(cè)器系統(tǒng)總質(zhì)量隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖6所示。

分析圖6可知，探測(cè)器系統(tǒng)總質(zhì)量最小值仍出現(xiàn)在60天的飛行任務(wù)中，此時(shí)系統(tǒng)總質(zhì)量降為56 t，是原方案(507 t)的11.0%，其下降幅度非常大。與此同時(shí)，有效艙段質(zhì)量比例提高至25%，比原方案及前兩種改進(jìn)途徑均高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，推進(jìn)效率提升的幅度非常明顯。

途徑3降低探測(cè)器系統(tǒng)質(zhì)量的本質(zhì)，是采用了高比沖的新型推進(jìn)技術(shù)。本例中，3個(gè)推進(jìn)艙的平均比沖由化學(xué)推進(jìn)的3775 m/s提高到核推進(jìn)的8918 m/s，探測(cè)器系統(tǒng)總質(zhì)量則由507 t減小至56 t。平均比沖每提高1000 m/s，系統(tǒng)的總質(zhì)量平均降低約88 t。

4.4 3種途徑的比較和討論

采用上述3種途徑對(duì)編號(hào)89136小行星進(jìn)行載人探測(cè)的探測(cè)器質(zhì)量與原方案的比較如表4所示。

表4 采用3種途徑對(duì)編號(hào)89136小行星進(jìn)行載人 探測(cè)的探測(cè)器質(zhì)量比較Table 4 Comparison among the three approaches on the mass of spacecraft in the human exploration to the asteroid 89136

總之，3種技術(shù)途徑均可以有效地減小探測(cè)器系統(tǒng)的總質(zhì)量，其各自的具體特點(diǎn)如下。

1)途徑1：先期運(yùn)送第三級(jí)推進(jìn)艙

此方法選擇速度增量小的無(wú)人飛行窗口，將第三級(jí)推進(jìn)艙先期運(yùn)送到小行星，通過(guò)減小該推進(jìn)艙飛向小行星形成伴飛狀態(tài)所需的速度增量，來(lái)減小整個(gè)探測(cè)任務(wù)的飛行器系統(tǒng)總質(zhì)量。此時(shí)，該飛行器系統(tǒng)包括無(wú)人運(yùn)輸飛行器和載人探測(cè)器兩部分。但是，有效艙段的組成和質(zhì)量并沒(méi)有發(fā)生變化，因此該方法在減小飛行器系統(tǒng)總質(zhì)量的同時(shí)，可以相應(yīng)地提高有效艙段質(zhì)量比例，提高推進(jìn)艙的推進(jìn)效率。

該方法的局限性在于，先期運(yùn)送至小行星的載人探測(cè)器系統(tǒng)中的第三級(jí)推進(jìn)艙，其抵達(dá)小行星后要與其伴飛很長(zhǎng)時(shí)間，例如針對(duì)編號(hào)89136小行星的算例中，其伴飛時(shí)間近一年半(574天)。這對(duì)載人探測(cè)器第三級(jí)推進(jìn)艙的推進(jìn)劑長(zhǎng)期安全貯存、長(zhǎng)期的軌道與姿態(tài)控制、推進(jìn)艙在軌運(yùn)行的可靠性、飛行壽命等都提出了很高的要求，對(duì)該推進(jìn)艙的設(shè)計(jì)和研制帶來(lái)了更多的困難。

2)途徑2：采用可伸縮式艙體

與途徑1相比，途徑2在減小載人探測(cè)器系統(tǒng)質(zhì)量的同時(shí)，無(wú)須額外增加無(wú)人飛行任務(wù)和相應(yīng)的無(wú)人飛行器，因此整個(gè)探測(cè)的飛行任務(wù)規(guī)劃和飛行器系統(tǒng)組成相對(duì)簡(jiǎn)單。但是，該方法的本質(zhì)是通過(guò)減小有效艙段的質(zhì)量來(lái)減小探測(cè)器的總質(zhì)量，因此其難以實(shí)現(xiàn)有效艙段質(zhì)量比例的增加，對(duì)推進(jìn)艙推進(jìn)效率的提高十分有限。另外，該方法中，可伸縮式艙體所涉及的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)材料選擇以及伸縮方案等都是需要攻克的技術(shù)難題。

3)途徑3：發(fā)展核推進(jìn)技術(shù)

在3種技術(shù)途徑中，核推進(jìn)技術(shù)在減小探測(cè)器系統(tǒng)質(zhì)量方面的優(yōu)勢(shì)很大。與此同時(shí)，核推進(jìn)作為一種高性能的推進(jìn)方式，還可以大幅提高推進(jìn)艙在飛行任務(wù)中的推進(jìn)效率，其對(duì)有效艙段質(zhì)量比例的提高幅度非常明顯，幾乎增加到原方案的10倍。因此，核推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用將有助于大幅改善載人小行星探測(cè)任務(wù)的效率。當(dāng)然，核推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用推廣也存在著許多困難，主要包括核燃料在長(zhǎng)時(shí)間星際飛行過(guò)程中的安全貯存、航天員避免遭受核燃料輻射的防護(hù)問(wèn)題、核燃料的廢棄處理等技術(shù)難題。

4.5 3種途徑的應(yīng)用探討

從技術(shù)成熟度的角度分析，上述3種技術(shù)途徑中的途徑2，即可伸縮式艙體技術(shù)，與其余兩種技術(shù)途徑比較而言最為成熟。2016年5月28日，由美國(guó)私營(yíng)航天企業(yè)比格洛航天公司與NASA合作研制的“國(guó)際空間站”充氣式太空艙“BEAM”成功展開(kāi)(見(jiàn)圖7)[17]。該艙段質(zhì)量1.3 t，充氣展開(kāi)后的體積可達(dá)16 m3。因此，在未來(lái)的載人近地小行星探測(cè)中，可以首先考慮采用可伸縮式艙體技術(shù)。

其余兩種技術(shù)途徑都有許多各自需要解決的新技術(shù)難點(diǎn)。其中，相對(duì)于全新的核推進(jìn)技術(shù)，途徑1采用了成熟度較高的高性能化學(xué)推進(jìn)技術(shù)。但是，考慮到途徑3的核推進(jìn)技術(shù)在系統(tǒng)質(zhì)量降低和推進(jìn)效率提高兩方面均存在著明顯的優(yōu)勢(shì)，而途徑1增加了無(wú)人運(yùn)輸飛行器系統(tǒng)，同時(shí)增加了飛行任務(wù)的次數(shù)和復(fù)雜程度，因此建議優(yōu)先發(fā)展應(yīng)用核推進(jìn)技術(shù)。

核推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用需要攻克核燃料的安全貯存、核輻射防護(hù)、核廢料處理等技術(shù)難點(diǎn)，因此其技術(shù)發(fā)展可能需要經(jīng)歷一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程。若核推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展無(wú)法跟上載人近地小行星探測(cè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間要求，則可適時(shí)地發(fā)展并采用途徑1。

5 結(jié)束語(yǔ)

在載人近地小行星探測(cè)任務(wù)中，探測(cè)器的質(zhì)量通常較大，如果能減小探測(cè)器的總質(zhì)量，則可以提高載人探測(cè)任務(wù)的可行性。本文基于這一研究背景，結(jié)合已有的關(guān)于載人探測(cè)器系統(tǒng)組成及質(zhì)量估算的研究成果，對(duì)有助于減小載人探測(cè)器系統(tǒng)總質(zhì)量的3種技術(shù)途徑進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

(1)3種技術(shù)途徑均可有效的減小載人近地小行星探測(cè)器系統(tǒng)總質(zhì)量，其中途徑1和途徑3還可降低有效艙段質(zhì)量比例，提高推進(jìn)效率；

(2)途徑2所采用的可伸縮式艙體技術(shù)的成熟度相對(duì)較高，未來(lái)的載人近地小行星探測(cè)可優(yōu)先考慮應(yīng)用該技術(shù)；

(3)核推進(jìn)在系統(tǒng)質(zhì)量減小和推進(jìn)效率提高兩方面的優(yōu)勢(shì)十分明顯，建議積極發(fā)展空間核推進(jìn)技術(shù)并應(yīng)用于載人深空探測(cè)任務(wù)中。

本文的研究成果可為我國(guó)載人近地小行星探測(cè)的可行性研究提供參考。

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(編輯：李多)

Approaches to Mass Reduction of Spacecraft System in Manned Exploration to Near Earth Asteroid

WANG Kaiqiang ZHANG Bainan LI Zhihai

(Institute of Manned Space System Engineering,China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China)

To reduce the mass of spacecraft system in manned exploration to near earth asteroid (NEA),three technical approaches are proposed.They are sending a part of the propulsion module to the target asteroid in advance,applying the inflatable module and developing nuclear propulsion,respectively. One manned asteroid exploration spacecraft system as well as its mass calculation method proposed before are introduced. On the basis of them,the mass calculated of the spacecraft system in a manned exploration case to NEA are obtained with the use of the three approaches. Comparison among the three approaches on the mass reduction of the spacecraft system is made,and the characters of each approach based as well as difficulty in the application are discussed. It’s shown that all of the approaches can effectively reduce the mass of the manned spacecraft system,which is conducive to enhancing the feasibility of the manned exploration mission to NEA.

near earth asteroid；manned spacecraft；technical approach；mass reduction

2016-11-23；

2016-12-19

國(guó)家重大航天工程

王開(kāi)強(qiáng)，男，博士研究生，主要從事航天器總體設(shè)計(jì)與優(yōu)化方向研究。Email：wangkaiqiang1988@163.com。

V476；V529

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.01.005