彭祺擘，呂紀(jì)遠(yuǎn)

(中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094)

0 引 言

2017年12月11日，是阿波羅17號任務(wù)結(jié)束45周年的紀(jì)念日，時(shí)任美國總統(tǒng)特朗普正式簽署了其就任后的首項(xiàng)航天政策指令，正式宣布美國將載人重返月球，并將以月球?yàn)樘?，為后續(xù)的載人火星登陸任務(wù)奠定基礎(chǔ)。2018年2月13日，NASA代理局長萊特福特在阿拉巴馬州馬歇爾航天中心發(fā)表年度講話時(shí)再次表示，美國將開始在月球軌道上建造一個空間基礎(chǔ)設(shè)施，以便對月球進(jìn)行長期研究，并于2022年左右向月球軌道上發(fā)射動力和推進(jìn)裝置，作為月球軌道站的基礎(chǔ)，同時(shí)將名稱由“深空之門”(Deep space gateway)更改為“月球軌道平臺門戶”(Lunar orbital platform-gateway)。2019年3月,美國副總統(tǒng)彭斯宣布在建設(shè)門戶的同時(shí),將于2024年左右重返月球,同年5月NASA將登月計(jì)劃命名為“阿爾特彌斯”(Artemis)。目前這一計(jì)劃已經(jīng)推遲,但其相關(guān)研制工作仍在繼續(xù),本文仍沿用“深空之門”的計(jì)劃名。此次提出的長期載人深空探索計(jì)劃，相比20世紀(jì)60年代的阿波羅登月計(jì)劃，新方案的主要變化是要在地外天體軌道上建立的長期運(yùn)行的空間站。

月球附近軌道空間站作為在地月空間長期運(yùn)行的載人空間設(shè)施，一方面能夠支持載人飛船、月面著陸與上升飛行器等來訪飛行器在環(huán)月軌道上交會對接和停靠，提高執(zhí)行載人月球探測任務(wù)靈活性；另一方面能夠作為載人深空探測任務(wù)拓展平臺，支持載人深空探測飛行器在軌組裝，以有效降低單次發(fā)射的運(yùn)載能力需求，同時(shí)，利用月球軌道空間站的特殊空間環(huán)境，可開展脫離地球磁場保護(hù)的深空軌道長期生存等關(guān)鍵技術(shù)研究。因此，將空間站部署在月球附近什么樣的軌道上才能充分發(fā)揮其價(jià)值，目前被國內(nèi)外廣泛關(guān)注?！吧羁罩T”載人空間站初步選擇了月球附近的近直線軌道(Near-rectilinear orbit,NRO)，目的是更好的支持載人深空探測任務(wù)，但其具體技術(shù)方案仍在不斷討論和迭代當(dāng)中。

本文系統(tǒng)梳理了月球附近可用于空間站停泊的軌道類型，分析了不同軌道的能量需求、任務(wù)支持性、空間環(huán)境等特性，可為實(shí)際任務(wù)軌道方案選取提供技術(shù)參考。

1 空間站月球停泊軌道類型

根據(jù)中心引力體的不同，月球停泊軌道可分為繞月軌道、地月平衡點(diǎn)附近軌道、地月循環(huán)軌道三大類。其中，繞月軌道是指以月球?yàn)橹行囊w，圍繞月球飛行，且其他星球的引力攝動對飛行器的影響遠(yuǎn)小于月球引力的飛行軌道，主要包括低月球圓軌道(Low lunar orbit，LLO)、高月球圓軌道(High lunar orbit，HLO)、順行環(huán)月軌道(Prograde circular orbit，PCO)、月球凍結(jié)軌道(Frozen lunar orbit，F(xiàn)LO)、月球大橢圓軌道(Elliptical lunar orbit，ELO)等；地月平衡點(diǎn)附近軌道是指距離月球相對較遠(yuǎn)，飛行器基本處于地月引力平衡位置飛行的軌道，主要包括地月共線平動點(diǎn)軌道、三角平動點(diǎn)軌道、近直線軌道、大幅值逆行軌道(Distant retrograde orbit，DRO)等;地月循環(huán)軌道(Earth-Moon cycler orbit，EMCO)主要是指周期往返于地球和月球之間的軌道。

1)繞月軌道

低月球軌道(LLO)是月球任務(wù)應(yīng)用最為普遍的停泊軌道，阿波羅登月計(jì)劃采用了該類型軌道，一般為軌道高度約100～300 km的近圓軌道，軌道傾角可根據(jù)任務(wù)要求任意選擇，其特點(diǎn)是有利于著陸月球，對月面著陸器要求相對較低。

高月球軌道(HLO)是類似于LLO的繞月飛行圓軌道，不同的是其飛行高度相對較高，一般上千公里，軌道傾角可根據(jù)任務(wù)要求任意選擇，其特點(diǎn)是受月球非球形引力攝動影響較小，有利于長期飛行。

順行環(huán)月軌道(PCO)在“深空之門”中被定義為軌道傾角為75°、運(yùn)行周期11小時(shí)的近圓軌道，其特點(diǎn)是運(yùn)行高度穩(wěn)定，幾乎無需軌道修正。

月球凍結(jié)軌道(FLO)與PCO類似，但可以為非近圓軌道，對于觀測地球或者月球條件較好，月球凍結(jié)軌道對軌道偏心率、軌道傾角等要求較高，因此進(jìn)入該軌道需要更為精確的控制條件。

月球大橢圓軌道(ELO)是運(yùn)行在月球赤道附近、軌道周期約為14小時(shí)的橢圓軌道，其特點(diǎn)是進(jìn)入LLO和返回地球所需速度增量相差不大。同時(shí)可兼顧執(zhí)行火星轉(zhuǎn)移任務(wù)，飛行器在此軌道上交會組裝后，采用相對較小的速度增量即可逃逸地月系，進(jìn)入火星轉(zhuǎn)移軌道，從而有效降低載人火星探測對運(yùn)載火箭的需求，以及解決近地組裝帶來的大規(guī)模組合體控制問題。

2)地月平衡點(diǎn)附近軌道

地月平動點(diǎn)軌道是長期穩(wěn)定運(yùn)行在地月平動點(diǎn)附近的軌道，地月系存在三個共線平動點(diǎn)1、2、3和兩個三角平動點(diǎn)4、5，如圖1所示。其中3點(diǎn)相對月球在地球背面，4和5點(diǎn)為穩(wěn)定平動點(diǎn)，從該點(diǎn)逃逸所需的速度增量較大，因此這些點(diǎn)一般不用于執(zhí)行月球探測任務(wù)?？捎糜趫?zhí)行月球探測任務(wù)的主要為1點(diǎn)和2點(diǎn)，空間站可部署于該點(diǎn)附近的暈軌道(halo軌道)，其特點(diǎn)是著陸月球任意區(qū)域所需的能量相差不大。特別是2點(diǎn)位于月球背面，通過月球借力可進(jìn)一步減少速度增量，且可用于月球背面觀測及月球背面的中繼通信，因此被廣泛關(guān)注。

圖1 地月平動點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic figure of Earth-Moon libration point

近直線軌道(NRO)是一類偏心率非常大的橢圓軌道，軌道傾角約為90°，軌道升交點(diǎn)可根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行選擇，其特點(diǎn)是進(jìn)入該軌道可借助月球引力，所需能量較小，同時(shí)軌道維持代價(jià)較小，適用于長期穩(wěn)定運(yùn)行，以及支持月球極區(qū)探測和未來載人深空探測任務(wù)。

大幅值逆行軌道(DRO)類似于地球靜止軌道，但軌道周期為月球自轉(zhuǎn)周期的一半，約14天，該軌道主要用于日地系統(tǒng)觀測。圖2給出了上述幾類軌道的示意圖。

圖2 不同類型的月球軌道示意圖Fig.2 Schematic figure of different types of lunar orbits

3)地月循環(huán)軌道

地月循環(huán)軌道(EMCO)是地月限制性三體問題下的周期往返軌道，在地心慣性坐標(biāo)系中，EMCO是一個近地點(diǎn)為數(shù)百到幾千公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)為47萬公里，軌道周期約為半個月球公轉(zhuǎn)周期的大橢圓軌道，如圖2所示。該軌道能夠兼顧地球和月球的科學(xué)探測，并能夠?yàn)閷磔d人小行星及火星探測提供技術(shù)支持。

圖3 地月循環(huán)軌道示意圖Fig.3 Schematic figure of earth-moon cycler orbit

上述軌道的主要參數(shù)見表1。

表1 不同類型的月球停泊軌道參數(shù)Table 1 Different types of lunar parking orbit parameters

2 不同軌道的能量需求

對于不同的軌道類型，其所需要的速度增量代價(jià)也不同，主要包括將空間站送達(dá)該軌道以及軌道維持的速度增量。

2.1 到達(dá)停泊軌道的速度增量需求

考慮日、地、月引力，采用限制性四體問題建立軌道設(shè)計(jì)模型，開展到達(dá)不同軌道的速度增量分析。建立地月旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于地心，軸為地球指向月球方向，軸為軸在地月軌道面內(nèi)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，軸構(gòu)成右手系。在該坐標(biāo)系中，空間站地月轉(zhuǎn)移的運(yùn)動方程為：

(1)

式(1)中變量定義為：

(2)

其中,為太陽到地月系質(zhì)心的距離;為初始的太陽方位角;為地、月繞坐標(biāo)原點(diǎn)的角速度;為太陽繞坐標(biāo)原點(diǎn)的角速度;,,分別表示地球、月球、太陽質(zhì)量占總質(zhì)量的比例,,,分別表示飛行器距地球、月球、太陽的距離。

以近地出發(fā)軌道200 km為例，按照表1中的目標(biāo)軌道參數(shù)，開展軌道設(shè)計(jì)，分析飛行器從近地軌道到達(dá)該軌道以及返回地球所需的速度增量，結(jié)果見表2。

從表2中可以看出，到達(dá)繞月軌道所需的速度增量會隨著軌道高度的增加而逐漸減小，飛行時(shí)間相差不大；到達(dá)地月平衡點(diǎn)附近軌道，由于可以借助月球引力，所需速度增量相對較小，但飛行時(shí)間較長；而地月循環(huán)軌道本質(zhì)上仍是以地球?yàn)橹行捏w飛行的大橢圓軌道，而并未進(jìn)入月球軌道，因此進(jìn)入該軌道和返回所需速度增量較小，飛行時(shí)間較短。

表2 到達(dá)不同類型月球軌道所需的速度增量Table 2 The Δv required to reach different types of lunar orbits

2.2 軌道維持速度增量

考慮日、地、月引力以及月球非球形引力影響，進(jìn)一步分析空間站在不同軌道上運(yùn)行時(shí)的軌道維持代價(jià)，按一年時(shí)間計(jì)算，不同軌道維持所需的速度增量見表3。

表3 不同類型月球軌道每年軌道維持所需的速度增量Table 3 The orbit keeping Δv per year for different types of lunar orbits

對于長期在軌飛行的空間站，應(yīng)盡可能減少軌道維持所需速度增量，以降低空間站推進(jìn)劑需求。通過計(jì)算可知，軌道維持與軌道高度及維持策略有關(guān)，對于近月點(diǎn)較低的LLO和ELO，受月球非球形引力攝動影響，存在撞月風(fēng)險(xiǎn)，因此軌道維持代價(jià)較大；對于HLO、PCO、FLO、2點(diǎn)Halo軌道、NRO、DRO、EMCO等軌道相對穩(wěn)定，所需軌道維持速度增量較小。

3 不同停泊軌道對登月任務(wù)的支持性

3.1 登月可達(dá)性

登月可達(dá)性是指從過渡軌道(如NRO、2點(diǎn))進(jìn)入LLO，再從LLO下降至月面所需的代價(jià)。從LLO到達(dá)月面所需代價(jià)一般為固定值，本文不再分析，從過渡軌道到達(dá)LLO則不僅要考慮速度增量，同時(shí)需考慮任務(wù)時(shí)間，表4給出了從不同過渡軌道進(jìn)入LLO的速度增量及飛行時(shí)間需求。

表4 LLO軌道進(jìn)入可達(dá)性Table 4 Accessibility for entering LLO

從表4中可以看出，繞月軌道一般易于著陸于其星下點(diǎn)所在位置，到達(dá)其他位置需要改變軌道面而付出較大代價(jià)，其飛行時(shí)間較短，因此比較適合在固定位置開展月球探測的任務(wù)模式，例如建立月球基地；地月平衡點(diǎn)軌道和地月循環(huán)軌道可到達(dá)全月面，但速度增量相對較大，且飛行時(shí)間較長，因此比較適合于月球不同區(qū)域的多次探測任務(wù)。

3.2 通信和熱環(huán)境

在對地通信方面，LLO、PCO、FLO、ELO、DRO等軌道基本會有一半時(shí)間被地球遮擋；2點(diǎn)Halo軌道和NRO垂直于地月連線的軌道均可實(shí)現(xiàn)完全無遮擋，可保持對地通信隨時(shí)暢通；地月循環(huán)軌道在繞到月球背面時(shí)會有短時(shí)間遮擋。此外，與月面通信也是需考慮的重要因素，繞月軌道、地月循環(huán)軌道與月面通信時(shí)長較短，高軌覆蓋率較好，但要根據(jù)著陸點(diǎn)具體位置而定，如DRO無法覆蓋極區(qū)，2點(diǎn)Halo軌道則對月球背面覆蓋較好，NRO則對月面極區(qū)覆蓋較好。

對于載人月球探測任務(wù)，熱環(huán)境同樣是需考慮的重要因素。軌道高度較低時(shí)，月球熱輻射和反射影響較大，熱環(huán)境不穩(wěn)定，而NRO、2點(diǎn)和DRO軌道熱環(huán)境則相對較好，基本不受月球影響。

4 “深空之門”軌道選擇考慮

美國“深空之門”月球軌道空間站將采用近直線軌道(NRO)。該軌道的選擇主要考慮了能量需求、登月的可達(dá)性、以及通信和能源等因素。

4.1 能量需求

“深空之門”將采用“獵戶座”飛船將其送至月球軌道，“獵戶座”飛船可為自身提供約1450 m/s的速度增量，由于在其初期擬采用已退役的ATV貨運(yùn)飛船的推進(jìn)艙，預(yù)計(jì)可為自身提供的速度增量較小，約為1250 m/s。倘若同時(shí)將空間站送到月球軌道，則其為組合體提供的速度增量將更小，因此要求進(jìn)入目標(biāo)軌道的地月轉(zhuǎn)移速度增量不能太大。

根據(jù)表2結(jié)果，對于LLO和HLO，所需速度增量較大，獵戶座飛船不能獨(dú)立完成近月制動及月地返回任務(wù)；對于PCO、FLO、ELO此類能量較低的軌道而言，獵戶座飛船基本能獨(dú)立完成軌道進(jìn)入與返回，但是根據(jù)發(fā)射窗口的不同，其速度增量需求變化較大，速度增量余量很小，將空間站送至該軌道的窗口較小；對于EM-2、NRO、DRO、EMCO，進(jìn)入該軌道及返回所需的總速度增量約為800 m/s左右，獵戶座飛船在執(zhí)行自身任務(wù)的同時(shí)，具備將空間站送至該軌道的可能性，同時(shí)空間站長期運(yùn)行時(shí)軌道維持所需速度增量較小，可以大大降低空間站推進(jìn)劑需求，因此這幾類軌道均可采用。

4.2 月面著陸區(qū)選擇

月球南極附近的沙克爾頓環(huán)形山一直被NASA所關(guān)注，是非常具有潛在探測價(jià)值的區(qū)域，NASA也傾向利用該地區(qū)長時(shí)間光照條件和富集資源儲備，開展基地建造和月球原位資源利用研究，因此盡可能選擇對南極任務(wù)支持性好的軌道。EM-2、NRO、DRO、EMCO均可以支持南極任務(wù)，但從EM-2和DRO轉(zhuǎn)移至LLO需要約4天，從EMCO轉(zhuǎn)移至LLO所需速度增量較大，而采用NRO過渡則只需0.5天，且NRO進(jìn)出LLO總速度增量較低，更為合適。

4.3 通信和熱環(huán)境

NRO受月球輻射和反射的最大熱流不超過62 W/m，其熱環(huán)境較為穩(wěn)定，便于空間站長期運(yùn)行。NRO垂直于地月連線，可實(shí)現(xiàn)完全無遮擋，保持對地通信隨時(shí)暢通，同時(shí)NRO對月面極區(qū)覆蓋也較好。

綜合上述比較，“深空之門”空間站最終選擇了軌道面基本垂直于地月連線的近直線軌道(NRO)，其近月點(diǎn)約4000 km，遠(yuǎn)月點(diǎn)約75000 km，從地球軌道到NRO軌道飛行時(shí)間為5.1天，進(jìn)出NRO軌道所需的總速度增量為840 m/s，圖4給出了進(jìn)出該軌道的飛行任務(wù)剖面。根據(jù)目前“獵戶座”飛船能力，在其實(shí)現(xiàn)獨(dú)立往返的基礎(chǔ)上，可額外將重約15 t的有效載荷送至該軌道，即使在任務(wù)初期直接采用已退役的ATV貨運(yùn)飛船推進(jìn)艙，也可將重約10 t 的有效載荷送至該軌道，因此“深空之門”所提出的方案中，空間站艙段基本在10 t以下。

圖4 載人登月飛行任務(wù)剖面Fig.4 Representative manned lunar fly-by mission profile

5 結(jié) 論

本文對月球附近停泊軌道的類型、求解模型及軌道特性進(jìn)行了詳細(xì)研究，在此基礎(chǔ)上分析了美國“深空之門”空間站軌道選擇的依據(jù)。通過分析可知，月球軌道空間站部署在不同位置各有優(yōu)劣，對于軌道高度相對較低的繞月軌道，比較適合于以在月面固定位置建立月球基地為目的載人月球探測任務(wù)；對于地月引力平衡點(diǎn)軌道，比較適合于多次到達(dá)月面不同區(qū)域的探測任務(wù)，以及未來的載人深空探測任務(wù)。對于地月循環(huán)軌道，比較適用于長期持續(xù)大規(guī)模的星際探測。美國“深空之門”計(jì)劃將空間站部署在NRO軌道，主要原因有兩方面：1)為未來載人火星任務(wù)提供支撐;2)空間發(fā)射系統(tǒng)(SLS)火箭在將“獵戶座”飛船送入該軌道時(shí)，可同時(shí)將一個10 t左右的空間站艙段送入該軌道，無需專門發(fā)射部署。工程中實(shí)際采用哪類軌道方案，還需要結(jié)合任務(wù)目標(biāo)、任務(wù)規(guī)劃、飛行器和運(yùn)載火箭能力等進(jìn)行綜合權(quán)衡。