美國發現號艦載螢火蟲探測方案

1《物權法》上的地面探測方案隨著人類對月球和宇宙勘探越來越感興趣，美國波音公司于2006年staif會議首次提出了“探測號”宇宙飛船的設計方案，并于2006年在aia合作推動者會議和宇宙會議上詳細介紹了這一設計方案。飛船的設計方案能夠滿足多種載人深空探測任務:月球、火星、木衛三和木衛四。“發現號”宇宙飛船用于火星探測的著陸艙有兩種類型:一種是有人駕駛的載人著陸艙,稱作“二號著陸艙”(LM2);一種是自動控制的載貨著陸艙,稱作“三號著陸艙”(LM3)。美國波音公司在2007年AIAA太空會議第一次介紹了LM2和LM3的設計方案,并在2008年STAIF會議描繪了最新的設計方案。文章主要對LM2和LM3的設計方案和載人火星探測過程進行了詳細介紹,分析了美國載人火星探測方案具有的諸多優點。希望能夠為中國載人飛船的研制和開發,載人登月探測以及未來的火星探測研究工作提供參考或借鑒。2主要推進系統和基“發現號”宇宙飛船采用模塊化設計,主飛船的主要結構包括:乘員艙(CM)、服務艙(SM)、4個主推進劑貯箱(CT)和工程艙(EM),如圖1所示。每個主推進劑貯箱周圍可以安裝最多6個副推進劑貯箱(DT)。還可以攜帶2個捆綁式助推器,每個助推器和主飛船一樣有1個工程艙和2個主推進劑貯箱,每個主推進劑貯箱周圍也可以安裝最多6個副推進劑貯箱,根據任務的不同來選擇副推進劑貯箱的數量。此外,主飛船通過對接艙(DM)和4個著陸艙(LM)、1個再入艙(RM)相連,來完成不同的深空探測任務。乘員艙是宇航員生活和工作的空間,不僅能夠供給水和食物,還能屏蔽宇宙射線和宇宙微塵。執行月球或火星任務乘坐6名宇航員,木衛四或木衛三則是4名。對接艙和乘員艙前部對接端口對接。對接艙內有氣閘艙、艙蓋和5個對接端口,用來對接4個著陸艙和1個再入艙。服務艙位于乘員艙的后端,主要結構為石墨環氧樹脂材料。它的內部存儲用來制成空氣的低溫液氧和液氮。服務艙內還裝有反作用控制系統(RCS),后段裝有任務中止推進系統(APS)。APS和RCS的發動機采用多年深空探測任務可靠使用的耐存儲的自燃推進劑(一甲基肼和四氧化二氮)。工程艙使用3個雙模式的推力方向可調的先進核熱火箭發動機為主飛船提供主推力和電能。核熱火箭發動機的反應堆位于乘員艙后部115m處,裝有生物防護罩。工程艙和乘員艙都有可展開的遮蔽罩,用來遮蔽主推進劑貯箱和副推進劑貯箱以及乘員艙的宇宙射線屏蔽層,屏蔽陽光和散熱器組的熱輻射。主推進劑貯箱和副推進劑貯箱的結構為石墨環氧樹脂材料,容量相同。主推進劑貯箱構成了主飛船和助推器的基本骨架結構,將各個艙體連接在一起。再入艙能夠保障6名宇航員在正常任務或任務中止時返回地球,有效載荷1000kg(包括6名穿著宇航服的宇航員和250kg火星樣品),提供最大4天生命保障消耗和能量。3圓形火焰軌道“發現號”宇宙飛船執行火星探測任務采用主飛船和對接的著陸艙推力捕獲進入高度556km的圓形火星停泊軌道。著陸艙包括3個LM2和3個LM3。2個LM2用來在火星軌道和火星表面之間雙向運輸6名宇航員,第3個LM2作為專用救援著陸艙;3個LM3用來運送充足的物資到火星表面,第3個LM3沒有居住艙,只運送貨物。LM2和LM3的布局結構如圖2。3.1edl彈性模型及仿真為了降低研制風險和費用,著陸艙的設計充分利用“海盜號”著陸器的設計數據庫。防熱罩的外部輪廓按照“海盜號”著陸器的幾何外形設計的(比例系數為4.565,70°球錐型防熱罩)。LM2和LM3的進入、降落和著陸(EDL)彈道模型是以“火星科學實驗室”(MSL)的EDL參數(彈道系數為63kg/m2,升阻比為0.18)為原型的,采用了NASA標準火星大氣模型和球形火星重力勢模型;對著陸艙進行了2自由度仿真;確定了盤縫帶傘(DGB)、下降發動機和著陸艙的尺寸;優化了EDL彈道。由于降落傘、下降發動機和推進劑質量的增加,使LM2和LM3從20t增加到21.5t。EDL彈道利用Apollo方式導航控制,基于MSL探測器分析的基礎上,使用質心偏離和升力控制(迎角達20°)實現精確著陸。為了滿足運載火箭發射整流罩的最大內部直徑8m的要求,著陸艙采用可充氣的防熱罩(HSE),連接到中間的硬防熱罩上,有效底部直徑從7.5m伸展到16m,彈道系數在(66.1～73.2)kg/m2(α=0°～20°)范圍內,和“海盜號”彈道系數64kg/m2很接近。3.2盤縫帶傘仿真LM2和LM3最初設計采用兩級降落傘進行氣動減速。1個直徑19.7m的盤縫帶傘進行第一級超聲速減速,馬赫數從2.7減速到0.8;7個直徑33.5m的環帆傘進行第二級亞聲速減速,從馬赫數0.8減速到50m/s。隨后的EDL彈道仿真顯示,在到達火星表面之前,亞聲速降落傘群傘沒有充足的時間完成開傘、充氣和穩定過程。然而,仿真結果也表明采用單級較大的DGB傘加上額外的推進器推力可以實現著陸艙軟著陸。仿真時,“海盜號”盤縫帶傘的尺寸范圍為22～30m,完全開傘速度Ma=2.7,開傘動壓小于1000Pa。并且當Ma>0.9時,防熱罩不能分離,動力減速火箭發動機不能啟動。在這種條件,盤縫帶傘直徑大于24m才是可行的。目前設計方案選擇直徑27m的盤縫帶傘,著陸艙速度馬赫數從2.7降低到0.74,使著陸艙的質量和研發風險都能降到最低。這對于宇航員安全和任務成功完成是非常關鍵的。同時,LM2和LM3設計采用冗余的降落傘和彈傘筒系統,確保超聲速降落傘順利開傘,增加著陸艙的安全性。3.3主體結構和材料LM2和LM3采用相同的降落傘系統、EDL程序和飛行控制。著陸艙廣泛采用輕質復合結構,實現性能最大化和質量最小化;著陸艙內的乘員居住艙采用先進復合材料構成整體結構,還能屏蔽宇宙射線的輻射。LM2和LM3的下降段相同,包括4個著陸架和1個主體結構。下降段裝有8個推力13.6kN的下降發動機(可變推力為38%～100%),8個推力2.64kN的離軌發動機,以及1個6軸反作用控制系統(RCS)。RCS包括16個推力0.745kN的RCS發動機,用于高度控制和平移機動。這些發動機也采用了耐存儲的自燃推進劑(一甲基肼和四氧化二氮)。在有動力減速下降開始之前,堅硬的防熱罩和可充氣的HSE以及4個著陸架艙蓋被拋掉。8個推力6.7kN的發動機用于防熱罩的分離。LM2和LM3火箭發動機是基于航天飛機軌道機動系統(OMS)、RCS推進器和商用火箭發動機的設計數據設計的。而結構和電子設備是基于“阿波羅”登月艙和“海盜號”著陸器的參數進行設計的,并采用最新的材料和子系統。燃料電池也是基于“阿波羅”登月艙燃料電池設計的。LM2和LM3著陸艙不能重復使用。3.4lm2和火焰軌道結構設計LM2具有火星軌道和火星表面之間雙向運輸3名乘員的能力,緊急任務時,能夠給航天員提供24天的生命保障。在EDL有動力降落階段,LM2能夠隨時中止任務進行返回。LM2正常任務運載3名宇航員,火星表面持續時間達27天(12.5%余量),再加上3天用于上升和緊急情況。在營救任務時,LM2能夠運送4名宇航員(包括4套宇航服和4套緊急生命保障裝置)進入火星停泊軌道,但是上升樣品有效載荷從140kg減到20kg。LM2著陸艙包括下降段和上升段,下降段有4個著陸架,上升段包括助推器和軌道飛行器。下降段和上升段都裝有推進劑和增壓箱。上升段助推器為98.2kN的推力方向可變的發動機,用于上升和下降,便于實現有動力降落階段任務中止返回。降落階段由下降段供給推進劑。上升段軌道飛行器安裝有6個1.91kN推力方向固定的發動機,還有16個推力0.445kN的RCS推進器,用于上升階段控制上升、交會和對接。LM2的電能由下降段的液氫-液氧燃料電池和上升段軌道飛行器上的太陽能電池組提供。上升段乘員艙和下降段之間設計了氣閘通道,貨艙位于氣閘通道對面,下降有效載荷為500kg。下降段裝有2個水平的對接適配器,和乘員艙相通,用來和裝有增壓居住艙的LM3對接。助推器上升到高度250km的中間軌道需要的上升段推進劑的質量和性能是根據無人火星樣品返回任務獲得的數據。設計了中間軌道,目的是減少了一步進入556km的火星停泊軌道所帶來的問題,能夠減少著陸艙的結構應力、著陸質量和EDL問題。中間軌道能夠穩定一周或更長時間,軌道高度滿足主飛船或LM2對宇航員的營救(此時宇航員不能靠自身的著陸艙上升到火星停泊軌道)。LM2服役年限為3年,在近地軌道組裝達12個月,從近地軌道到火星軌道達9個月,在火星軌道或表面停留達15個月。3.5貨艙內帶加電壓lm3和氣閘艙巖板LM3具有從火星停泊軌道到火星表面單向自動運輸貨物的能力,可以運送設備和消耗品;具有和LM2相同的外部輪廓和飛行特性,使用相同的下降段,包括下降發動機、推進劑和子系統。EDL任務剖面和LM2相同,LM3可運送11t的貨物,可以是食物、消耗品和設備。9.8t的小增壓乘員艙代替了LM2的13.2t的上升段,從火星表面通過氣閘通道可以到達。在下降段的3個貨艙內額外攜帶4t的設備。增壓乘員艙直徑5m,內存6.6t的水、食物和氧氣,其中4.8t的水存儲在環型水箱內,著陸后,3.6t輸到乘員艙外部厚度5cm的球殼內,提供5gm/cm2射線輻射屏蔽;并將回收75%的廢水,保持球殼充滿水。LM3使用5個較小的推力方向可變的下降發動機,和著陸艙的結構更好結合在一起。下降段的發動機支柱能夠為貨物載荷提供良好的支撐平臺。還有2個直徑5.5m的易操縱的柔性太陽能電池板,著陸后展開,產生5kW電能。LM3裝有車輪,移動速度為90m/h,便于和LM2在火星表面對接。使用4.5kW電能驅動電動機每天可行駛1km。太陽能電池板產生的電能和電動機消耗電能數據都是基于“火星探測漫游者”的數據。LM3的下降段裝有氣閘通道和一個對接適配器,氣閘艙對面的貨艙裝有3自由度的表面對接系統,這樣,LM3即可以和LM2對接,也可以和另一個LM3對接。氣閘艙、對接適配器、表面對接系統和乘員艙都是相通的。設備包括大型可充氣乘員居住艙、太陽能電池板、漫游車、通信設備、氣象站和科學實驗站。LM3使3名宇航員在火星表面生存時間從30天額外延長210天,達到最多停留240天。3.6設計依據2,設計需有4天等待時間火星著陸艙工作過程強調任務的冗余度,采用兩組分離的并且獨立的載人著陸任務。每組著陸乘員為3人,一組在火星停泊軌道進行科學實驗,另一組在火星表面執行探測任務。每組任務使用LM2和LM3各一個,來探測火星表面的不同區域。每個LM2都能靠自身執行24天的緊急探測任務。低能耗往返火星任務(設計參考任務2,DRM2)在火星軌道等待454天:1)第一組宇航員著陸前在火星軌道等待7天;2)第一組任務結束和第二組任務開始之間有4天等待時間;3)第二組宇航員返回主飛船等待7天射入火星-地球轉移軌道;4)兩組宇航員在火星表面停留時間為436天。加上10%的余量,總時間為480天。因此,每218天的任務,需要240天的持續時間。LM3能夠顯著增加宇航員火星表面停留時間,可以預先著陸到非常接近LM2隨后著陸的地點,使探測任務持續時間達218天。第三個LM3使載貨質量從24.5t增加到35.5t,這樣可以將三個LM3著陸到火星中心營地,第三個LM3提供核電,實現營地保障最優化,提供較大的宇航員居住艙,額外的科學實驗設備以及原位資源利用(ISRU)加工廠。ISRU提供6人在火星表面停留454天可能性。第三個LM2,作為專門救援飛行器,始終處于待命狀態,這樣,處于火星軌道的宇航員將能夠對擱淺在火星表面的第二組宇航員進行營救。4發射副催化劑貯箱DRM2采用霍曼轉移軌道(低能耗軌道)往返火星,飛行任務剖面如圖3。飛船使用3臺NTR發動機,采用余切逃逸機動離開地球停泊軌道,射入地球-火星轉移軌道(TMI)。該任務攜帶6個副推進劑貯箱,沒有助推器。無副推進劑貯箱的主飛船可以重復使用。航行259天到達火星軌道,切入火星軌道(MOI)點火進入550km高度的火星停泊軌道,該任務要求的推進能量比采用高能耗軌道的DRM3要低得多。在火星表面停留454天后,射入火星-地球轉移軌道(TEI)點火推進飛船進入歷時259天返回軌道。正常的任務是采用余切推進捕獲切入地球軌道(EOI),再入艙內的宇航員和樣品返回地球。對于中止EOI,不采用推進捕獲返回地球,而是采用氣動力再入,雙曲線進入界面速度為11.5km/s。4.1細發射材料lm2和裝復式軌道菌株在DRM2任務中,模塊化部件先從地面發射到高度556km的圓形近地軌道(組裝軌道),大約需要超過1年的時間進行組裝。發射部件的最大尺寸為直徑8.4m,長32m;發射的每個部件的最大質量是50t(包括發射段整流罩和空運保障設備)。這樣可以使兩個21.5t的著陸艙(LM2或LM3)能夠作為一個發射部件同時被發射到組裝軌道。圖4(a)給出了LM2或LM3兩個著陸艙在一個發射整流罩中的配置。可以使用AresV或漸進一次性運載火箭(EELV)來發射這些部件。當著陸艙安全到達停泊軌道,它們將被對接到“發現號”宇宙飛船的前部對接艙或輔助對接端口。可充氣防熱罩折疊于防熱罩下部環型箱內。飛船在停泊軌道組裝完畢,主推進劑箱加滿燃料,執行火星探測任務的宇航員進入飛船,做好TMI準備工作,點火起飛離開近地軌道飛向火星。4.2分段結構的設計從地球停泊軌道飛往火星停泊軌道時間為259天,期間LM2和LM3處于休眠模式以節省能源,自動檢測系統周期性對著陸艙進研檢測。圖4(b)為從地球飛往火星階段LM2和LM3在飛船上的配置結構。入軌發動機點火,切入高度550km的圓形火星停泊軌道,然后著陸艙加電進行徹底的系統測試。設計的任務方案首先是1個LM2和2個LM3用于第一組3名宇航員火星著陸。其中,一個LM3有乘員艙,另一各LM3只運送貨物。LM3最先準備用于著陸任務,和主飛船分離后,防熱罩充氣展開,進入下降修正軌道機動階段。自動飛行或遙控飛行到預定著陸區域。確定LM3成功著陸后,宇航員進入LM2,自動導引到LM3著陸地點。圖4(c)為防熱罩充氣形狀。4.3氣動減速和懸停LM2和LM3設計著陸地點為火星觀測者激光高度計(MOLA)零高度或偏離火星赤道低于12.5°。這樣可以探測的火星表面面積相當大。8個離軌發動機點火(圖4(c)),通過防熱罩后部產生推力,使著陸艙脫離火星停泊軌道,進入下降階段。該機動策略使LM2進入到一個橢圓形轉移軌道,進入到高度125km近拱點的火星大氣中。氣動減速開始于高度150km進入界面,在火星上空高度150～13.9km之間,依靠可燒蝕的防熱罩進行氣動減速,在13.9km高度時速度馬赫數降低到3.0。此時,彈傘筒射出直徑27m的盤縫帶傘,在高度13.3km,Ma=2.7時完全充滿,穩定著陸艙,并在高度5.5km時將馬赫數減到0.76。此時,通過8個固體火箭分離發動機,將防熱罩和4個著陸架艙蓋拋掉。著陸架艙蓋拋掉后,著陸架展開并鎖住,處于放下狀態。在高度4.4km,Ma=0.74時,拋掉降落傘,有動力下降階段開始。有動力下降階段包括重力轉向階段和垂直降落階段。此時推重比為2.0。EDL仿真顯示推重比至少為1.95,才能滿足減速要求。在高度約25m時進行定時懸停,避免著陸到障礙物上。然后軟著陸到火星表面。4.4lm3和lhm3的分離LM2和LM3是成對工作的,LM2著陸架具有0.6m的沖擊緩沖距離,以及0.6m的調整水平能力。理想的結果是LM2和LM3的著陸地點盡可能接近,但不要太接近,避免在有動力下降階段LM2下降發動機的噴氣損傷LM3,最小200m的距離足夠了。雖然LM3能夠每天行走1km,但是LM2必須著陸在24km范圍內,在電能消耗殆盡之前和LM3會合。塵暴和惡劣地形也限制LM3在24天的行走距離。合理的上限是分離距離不應超過10km。精確著陸系統包括氣動力操縱、主動地形遙感、高精度有動力降落操縱和導航系統,實現著陸10km范圍。LM3表面對接系統從貨艙伸出,和LM2的對接接頭連接。對接完畢后,宇航員有更大的生活空間,LM3中的增壓乘員艙達到58m3。宇航員居住在LM3中的增壓乘員艙,一直到大的可充氣居住營地建立起來。相比可充氣的居住營地,LM3能夠給宇航員提供更好的輻射、宇宙微塵和碎片防護;發生火星塵暴時,提供安全保護。在宇航員離開火星表面前,LM3和LM2分離,離開一定的安全距離,防止被發動機噴氣損害。在接下來的任務中LM3仍然可用。4.5上升軌道航天器在設計的上升階段,上升段助推器采用可靠的壓力輸送發動機,使LM2上升段進入高度250km的圓形中間軌道。如果上升段軌道飛行器的推進系統發生故障,主飛船能夠前來進行營救。從火星表面到250km中間軌道的上升軌跡是基于火星樣品返回任務設計的。LM2上升軌道利用了241m/s火星赤道旋轉速度,設計是將宇航員從火星表面運送到火星緯度0°±12.5°的中間軌道。上升助推器點火,在上升到高度250km中間軌道過程中,包括120m/s的速度變化用于2.0°的平面改變。上升軌道飛行器可用速度增量包括120m/s用于軌道提升時2.0°的平面改變,加上用于交會對接的32m/s。正常上升任務,LM2的上升段使用下降段作為發射臺,通過爆炸螺栓使上升段和下降段分離,從火星表面發射,上升段以2.0的推重比快速上升;進入高度250km中間軌道后,拋掉助推器,上升軌道飛行器靠重力滑行一段時間,為提升軌道機動與550km高度的主飛船交會建立適當的初始參數。上升助推器留在中間軌道,經過一段時間,高度減低,最終撞到火星表面,或者剩余的推進劑使該級脫離軌道。上升軌道飛行器推進系統使用霍曼機動提升宇航員到550km高度的圓形停泊軌道。宇航員然后利用軌道飛行器的RCS推進器使上升段和主飛船交會和對接。宇航員進入主飛船后,上升軌道飛行器利用剩余的推進劑使上升段和主飛船分離。這時,如果是第一個LM2,第二組著陸乘員準備返航;如果是第二個LM2,全體乘員準備返航射入地球軌道。4.6取消軌道機動在有動力下降階段中止任務,爆炸螺栓將上升段和下降段分離,拋掉下降段,助推器發動機利用推進劑供給快速分離裝置,由上升助推器推進劑供給,繼續工作,將LM2的上升段送入上升軌道,在著陸艙速度Ma<0.74,防熱罩和降落傘被拋掉后,該中止軌道機動是可行的。通過5個中止軌道機動方案仿真,開始高度分別為4.4km、3.0km、2.0km、1.0km和25m,確定上升段推重比至少為2.0,防止和下降段分離后,撞擊火星表面。中止任務高度越低越危險,修正錯誤的余量越小。在25m懸停位置開始中止軌道機動很難,因為垂直速度小于1.0m/s,主發動機已經關閉,必須重新啟動;上升之前,著陸艙從25m驟降到16m。這些方案中,能夠進入250km中間軌道,可能不足以進