美国发现号舰载萤火虫探测方案

美国发现号舰载萤火虫探测方案

1《物权法》上的地面探测方案随着人类对月球和宇宙勘探越来越感兴趣，美国波音公司于2006年staif会议首次提出了“探测号”宇宙飞船的设计方案，并于2006年在aia合作推动者会议和宇宙会议上详细介绍了这一设计方案。飞船的设计方案能够满足多种载人深空探测任务:月球、火星、木卫三和木卫四。“发现号”宇宙飞船用于火星探测的着陆舱有两种类型:一种是有人驾驶的载人着陆舱,称作“二号着陆舱”(LM2);一种是自动控制的载货着陆舱,称作“三号着陆舱”(LM3)。美国波音公司在2007年AIAA太空会议第一次介绍了LM2和LM3的设计方案,并在2008年STAIF会议描绘了最新的设计方案。文章主要对LM2和LM3的设计方案和载人火星探测过程进行了详细介绍,分析了美国载人火星探测方案具有的诸多优点。希望能够为中国载人飞船的研制和开发,载人登月探测以及未来的火星探测研究工作提供参考或借鉴。2主要推进系统和基“发现号”宇宙飞船采用模块化设计,主飞船的主要结构包括:乘员舱(CM)、服务舱(SM)、4个主推进剂贮箱(CT)和工程舱(EM),如图1所示。每个主推进剂贮箱周围可以安装最多6个副推进剂贮箱(DT)。还可以携带2个捆绑式助推器,每个助推器和主飞船一样有1个工程舱和2个主推进剂贮箱,每个主推进剂贮箱周围也可以安装最多6个副推进剂贮箱,根据任务的不同来选择副推进剂贮箱的数量。此外,主飞船通过对接舱(DM)和4个着陆舱(LM)、1个再入舱(RM)相连,来完成不同的深空探测任务。乘员舱是宇航员生活和工作的空间,不仅能够供给水和食物,还能屏蔽宇宙射线和宇宙微尘。执行月球或火星任务乘坐6名宇航员,木卫四或木卫三则是4名。对接舱和乘员舱前部对接端口对接。对接舱内有气闸舱、舱盖和5个对接端口,用来对接4个着陆舱和1个再入舱。服务舱位于乘员舱的后端,主要结构为石墨环氧树脂材料。它的内部存储用来制成空气的低温液氧和液氮。服务舱内还装有反作用控制系统(RCS),后段装有任务中止推进系统(APS)。APS和RCS的发动机采用多年深空探测任务可靠使用的耐存储的自燃推进剂(一甲基肼和四氧化二氮)。工程舱使用3个双模式的推力方向可调的先进核热火箭发动机为主飞船提供主推力和电能。核热火箭发动机的反应堆位于乘员舱后部115m处,装有生物防护罩。工程舱和乘员舱都有可展开的遮蔽罩,用来遮蔽主推进剂贮箱和副推进剂贮箱以及乘员舱的宇宙射线屏蔽层,屏蔽阳光和散热器组的热辐射。主推进剂贮箱和副推进剂贮箱的结构为石墨环氧树脂材料,容量相同。主推进剂贮箱构成了主飞船和助推器的基本骨架结构,将各个舱体连接在一起。再入舱能够保障6名宇航员在正常任务或任务中止时返回地球,有效载荷1000kg(包括6名穿着宇航服的宇航员和250kg火星样品),提供最大4天生命保障消耗和能量。3圆形火焰轨道“发现号”宇宙飞船执行火星探测任务采用主飞船和对接的着陆舱推力捕获进入高度556km的圆形火星停泊轨道。着陆舱包括3个LM2和3个LM3。2个LM2用来在火星轨道和火星表面之间双向运输6名宇航员,第3个LM2作为专用救援着陆舱;3个LM3用来运送充足的物资到火星表面,第3个LM3没有居住舱,只运送货物。LM2和LM3的布局结构如图2。3.1edl弹性模型及仿真为了降低研制风险和费用,着陆舱的设计充分利用“海盗号”着陆器的设计数据库。防热罩的外部轮廓按照“海盗号”着陆器的几何外形设计的(比例系数为4.565,70°球锥型防热罩)。LM2和LM3的进入、降落和着陆(EDL)弹道模型是以“火星科学实验室”(MSL)的EDL参数(弹道系数为63kg/m2,升阻比为0.18)为原型的,采用了NASA标准火星大气模型和球形火星重力势模型;对着陆舱进行了2自由度仿真;确定了盘缝带伞(DGB)、下降发动机和着陆舱的尺寸;优化了EDL弹道。由于降落伞、下降发动机和推进剂质量的增加,使LM2和LM3从20t增加到21.5t。EDL弹道利用Apollo方式导航控制,基于MSL探测器分析的基础上,使用质心偏离和升力控制(迎角达20°)实现精确着陆。为了满足运载火箭发射整流罩的最大内部直径8m的要求,着陆舱采用可充气的防热罩(HSE),连接到中间的硬防热罩上,有效底部直径从7.5m伸展到16m,弹道系数在(66.1～73.2)kg/m2(α=0°～20°)范围内,和“海盗号”弹道系数64kg/m2很接近。3.2盘缝带伞仿真LM2和LM3最初设计采用两级降落伞进行气动减速。1个直径19.7m的盘缝带伞进行第一级超声速减速,马赫数从2.7减速到0.8;7个直径33.5m的环帆伞进行第二级亚声速减速,从马赫数0.8减速到50m/s。随后的EDL弹道仿真显示,在到达火星表面之前,亚声速降落伞群伞没有充足的时间完成开伞、充气和稳定过程。然而,仿真结果也表明采用单级较大的DGB伞加上额外的推进器推力可以实现着陆舱软着陆。仿真时,“海盗号”盘缝带伞的尺寸范围为22～30m,完全开伞速度Ma=2.7,开伞动压小于1000Pa。并且当Ma>0.9时,防热罩不能分离,动力减速火箭发动机不能启动。在这种条件,盘缝带伞直径大于24m才是可行的。目前设计方案选择直径27m的盘缝带伞,着陆舱速度马赫数从2.7降低到0.74,使着陆舱的质量和研发风险都能降到最低。这对于宇航员安全和任务成功完成是非常关键的。同时,LM2和LM3设计采用冗余的降落伞和弹伞筒系统,确保超声速降落伞顺利开伞,增加着陆舱的安全性。3.3主体结构和材料LM2和LM3采用相同的降落伞系统、EDL程序和飞行控制。着陆舱广泛采用轻质复合结构,实现性能最大化和质量最小化;着陆舱内的乘员居住舱采用先进复合材料构成整体结构,还能屏蔽宇宙射线的辐射。LM2和LM3的下降段相同,包括4个着陆架和1个主体结构。下降段装有8个推力13.6kN的下降发动机(可变推力为38%～100%),8个推力2.64kN的离轨发动机,以及1个6轴反作用控制系统(RCS)。RCS包括16个推力0.745kN的RCS发动机,用于高度控制和平移机动。这些发动机也采用了耐存储的自燃推进剂(一甲基肼和四氧化二氮)。在有动力减速下降开始之前,坚硬的防热罩和可充气的HSE以及4个着陆架舱盖被抛掉。8个推力6.7kN的发动机用于防热罩的分离。LM2和LM3火箭发动机是基于航天飞机轨道机动系统(OMS)、RCS推进器和商用火箭发动机的设计数据设计的。而结构和电子设备是基于“阿波罗”登月舱和“海盗号”着陆器的参数进行设计的,并采用最新的材料和子系统。燃料电池也是基于“阿波罗”登月舱燃料电池设计的。LM2和LM3着陆舱不能重复使用。3.4lm2和火焰轨道结构设计LM2具有火星轨道和火星表面之间双向运输3名乘员的能力,紧急任务时,能够给航天员提供24天的生命保障。在EDL有动力降落阶段,LM2能够随时中止任务进行返回。LM2正常任务运载3名宇航员,火星表面持续时间达27天(12.5%余量),再加上3天用于上升和紧急情况。在营救任务时,LM2能够运送4名宇航员(包括4套宇航服和4套紧急生命保障装置)进入火星停泊轨道,但是上升样品有效载荷从140kg减到20kg。LM2着陆舱包括下降段和上升段,下降段有4个着陆架,上升段包括助推器和轨道飞行器。下降段和上升段都装有推进剂和增压箱。上升段助推器为98.2kN的推力方向可变的发动机,用于上升和下降,便于实现有动力降落阶段任务中止返回。降落阶段由下降段供给推进剂。上升段轨道飞行器安装有6个1.91kN推力方向固定的发动机,还有16个推力0.445kN的RCS推进器,用于上升阶段控制上升、交会和对接。LM2的电能由下降段的液氢-液氧燃料电池和上升段轨道飞行器上的太阳能电池组提供。上升段乘员舱和下降段之间设计了气闸通道,货舱位于气闸通道对面,下降有效载荷为500kg。下降段装有2个水平的对接适配器,和乘员舱相通,用来和装有增压居住舱的LM3对接。助推器上升到高度250km的中间轨道需要的上升段推进剂的质量和性能是根据无人火星样品返回任务获得的数据。设计了中间轨道,目的是减少了一步进入556km的火星停泊轨道所带来的问题,能够减少着陆舱的结构应力、着陆质量和EDL问题。中间轨道能够稳定一周或更长时间,轨道高度满足主飞船或LM2对宇航员的营救(此时宇航员不能靠自身的着陆舱上升到火星停泊轨道)。LM2服役年限为3年,在近地轨道组装达12个月,从近地轨道到火星轨道达9个月,在火星轨道或表面停留达15个月。3.5货舱内带加电压lm3和气闸舱岩板LM3具有从火星停泊轨道到火星表面单向自动运输货物的能力,可以运送设备和消耗品;具有和LM2相同的外部轮廓和飞行特性,使用相同的下降段,包括下降发动机、推进剂和子系统。EDL任务剖面和LM2相同,LM3可运送11t的货物,可以是食物、消耗品和设备。9.8t的小增压乘员舱代替了LM2的13.2t的上升段,从火星表面通过气闸通道可以到达。在下降段的3个货舱内额外携带4t的设备。增压乘员舱直径5m,内存6.6t的水、食物和氧气,其中4.8t的水存储在环型水箱内,着陆后,3.6t输到乘员舱外部厚度5cm的球壳内,提供5gm/cm2射线辐射屏蔽;并将回收75%的废水,保持球壳充满水。LM3使用5个较小的推力方向可变的下降发动机,和着陆舱的结构更好结合在一起。下降段的发动机支柱能够为货物载荷提供良好的支撑平台。还有2个直径5.5m的易操纵的柔性太阳能电池板,着陆后展开,产生5kW电能。LM3装有车轮,移动速度为90m/h,便于和LM2在火星表面对接。使用4.5kW电能驱动电动机每天可行驶1km。太阳能电池板产生的电能和电动机消耗电能数据都是基于“火星探测漫游者”的数据。LM3的下降段装有气闸通道和一个对接适配器,气闸舱对面的货舱装有3自由度的表面对接系统,这样,LM3即可以和LM2对接,也可以和另一个LM3对接。气闸舱、对接适配器、表面对接系统和乘员舱都是相通的。设备包括大型可充气乘员居住舱、太阳能电池板、漫游车、通信设备、气象站和科学实验站。LM3使3名宇航员在火星表面生存时间从30天额外延长210天,达到最多停留240天。3.6设计依据2,设计需有4天等待时间火星着陆舱工作过程强调任务的冗余度,采用两组分离的并且独立的载人着陆任务。每组着陆乘员为3人,一组在火星停泊轨道进行科学实验,另一组在火星表面执行探测任务。每组任务使用LM2和LM3各一个,来探测火星表面的不同区域。每个LM2都能靠自身执行24天的紧急探测任务。低能耗往返火星任务(设计参考任务2,DRM2)在火星轨道等待454天:1)第一组宇航员着陆前在火星轨道等待7天;2)第一组任务结束和第二组任务开始之间有4天等待时间;3)第二组宇航员返回主飞船等待7天射入火星-地球转移轨道;4)两组宇航员在火星表面停留时间为436天。加上10%的余量,总时间为480天。因此,每218天的任务,需要240天的持续时间。LM3能够显著增加宇航员火星表面停留时间,可以预先着陆到非常接近LM2随后着陆的地点,使探测任务持续时间达218天。第三个LM3使载货质量从24.5t增加到35.5t,这样可以将三个LM3着陆到火星中心营地,第三个LM3提供核电,实现营地保障最优化,提供较大的宇航员居住舱,额外的科学实验设备以及原位资源利用(ISRU)加工厂。ISRU提供6人在火星表面停留454天可能性。第三个LM2,作为专门救援飞行器,始终处于待命状态,这样,处于火星轨道的宇航员将能够对搁浅在火星表面的第二组宇航员进行营救。4发射副催化剂贮箱DRM2采用霍曼转移轨道(低能耗轨道)往返火星,飞行任务剖面如图3。飞船使用3台NTR发动机,采用余切逃逸机动离开地球停泊轨道,射入地球-火星转移轨道(TMI)。该任务携带6个副推进剂贮箱,没有助推器。无副推进剂贮箱的主飞船可以重复使用。航行259天到达火星轨道,切入火星轨道(MOI)点火进入550km高度的火星停泊轨道,该任务要求的推进能量比采用高能耗轨道的DRM3要低得多。在火星表面停留454天后,射入火星-地球转移轨道(TEI)点火推进飞船进入历时259天返回轨道。正常的任务是采用余切推进捕获切入地球轨道(EOI),再入舱内的宇航员和样品返回地球。对于中止EOI,不采用推进捕获返回地球,而是采用气动力再入,双曲线进入界面速度为11.5km/s。4.1细发射材料lm2和装复式轨道菌株在DRM2任务中,模块化部件先从地面发射到高度556km的圆形近地轨道(组装轨道),大约需要超过1年的时间进行组装。发射部件的最大尺寸为直径8.4m,长32m;发射的每个部件的最大质量是50t(包括发射段整流罩和空运保障设备)。这样可以使两个21.5t的着陆舱(LM2或LM3)能够作为一个发射部件同时被发射到组装轨道。图4(a)给出了LM2或LM3两个着陆舱在一个发射整流罩中的配置。可以使用AresV或渐进一次性运载火箭(EELV)来发射这些部件。当着陆舱安全到达停泊轨道,它们将被对接到“发现号”宇宙飞船的前部对接舱或辅助对接端口。可充气防热罩折叠于防热罩下部环型箱内。飞船在停泊轨道组装完毕,主推进剂箱加满燃料,执行火星探测任务的宇航员进入飞船,做好TMI准备工作,点火起飞离开近地轨道飞向火星。4.2分段结构的设计从地球停泊轨道飞往火星停泊轨道时间为259天,期间LM2和LM3处于休眠模式以节省能源,自动检测系统周期性对着陆舱进研检测。图4(b)为从地球飞往火星阶段LM2和LM3在飞船上的配置结构。入轨发动机点火,切入高度550km的圆形火星停泊轨道,然后着陆舱加电进行彻底的系统测试。设计的任务方案首先是1个LM2和2个LM3用于第一组3名宇航员火星着陆。其中,一个LM3有乘员舱,另一各LM3只运送货物。LM3最先准备用于着陆任务,和主飞船分离后,防热罩充气展开,进入下降修正轨道机动阶段。自动飞行或遥控飞行到预定着陆区域。确定LM3成功着陆后,宇航员进入LM2,自动导引到LM3着陆地点。图4(c)为防热罩充气形状。4.3气动减速和悬停LM2和LM3设计着陆地点为火星观测者激光高度计(MOLA)零高度或偏离火星赤道低于12.5°。这样可以探测的火星表面面积相当大。8个离轨发动机点火(图4(c)),通过防热罩后部产生推力,使着陆舱脱离火星停泊轨道,进入下降阶段。该机动策略使LM2进入到一个椭圆形转移轨道,进入到高度125km近拱点的火星大气中。气动减速开始于高度150km进入界面,在火星上空高度150～13.9km之间,依靠可烧蚀的防热罩进行气动减速,在13.9km高度时速度马赫数降低到3.0。此时,弹伞筒射出直径27m的盘缝带伞,在高度13.3km,Ma=2.7时完全充满,稳定着陆舱,并在高度5.5km时将马赫数减到0.76。此时,通过8个固体火箭分离发动机,将防热罩和4个着陆架舱盖抛掉。着陆架舱盖抛掉后,着陆架展开并锁住,处于放下状态。在高度4.4km,Ma=0.74时,抛掉降落伞,有动力下降阶段开始。有动力下降阶段包括重力转向阶段和垂直降落阶段。此时推重比为2.0。EDL仿真显示推重比至少为1.95,才能满足减速要求。在高度约25m时进行定时悬停,避免着陆到障碍物上。然后软着陆到火星表面。4.4lm3和lhm3的分离LM2和LM3是成对工作的,LM2着陆架具有0.6m的冲击缓冲距离,以及0.6m的调整水平能力。理想的结果是LM2和LM3的着陆地点尽可能接近,但不要太接近,避免在有动力下降阶段LM2下降发动机的喷气损伤LM3,最小200m的距离足够了。虽然LM3能够每天行走1km,但是LM2必须着陆在24km范围内,在电能消耗殆尽之前和LM3会合。尘暴和恶劣地形也限制LM3在24天的行走距离。合理的上限是分离距离不应超过10km。精确着陆系统包括气动力操纵、主动地形遥感、高精度有动力降落操纵和导航系统,实现着陆10km范围。LM3表面对接系统从货舱伸出,和LM2的对接接头连接。对接完毕后,宇航员有更大的生活空间,LM3中的增压乘员舱达到58m3。宇航员居住在LM3中的增压乘员舱,一直到大的可充气居住营地建立起来。相比可充气的居住营地,LM3能够给宇航员提供更好的辐射、宇宙微尘和碎片防护;发生火星尘暴时,提供安全保护。在宇航员离开火星表面前,LM3和LM2分离,离开一定的安全距离,防止被发动机喷气损害。在接下来的任务中LM3仍然可用。4.5上升轨道航天器在设计的上升阶段,上升段助推器采用可靠的压力输送发动机,使LM2上升段进入高度250km的圆形中间轨道。如果上升段轨道飞行器的推进系统发生故障,主飞船能够前来进行营救。从火星表面到250km中间轨道的上升轨迹是基于火星样品返回任务设计的。LM2上升轨道利用了241m/s火星赤道旋转速度,设计是将宇航员从火星表面运送到火星纬度0°±12.5°的中间轨道。上升助推器点火,在上升到高度250km中间轨道过程中,包括120m/s的速度变化用于2.0°的平面改变。上升轨道飞行器可用速度增量包括120m/s用于轨道提升时2.0°的平面改变,加上用于交会对接的32m/s。正常上升任务,LM2的上升段使用下降段作为发射台,通过爆炸螺栓使上升段和下降段分离,从火星表面发射,上升段以2.0的推重比快速上升;进入高度250km中间轨道后,抛掉助推器,上升轨道飞行器靠重力滑行一段时间,为提升轨道机动与550km高度的主飞船交会建立适当的初始参数。上升助推器留在中间轨道,经过一段时间,高度减低,最终撞到火星表面,或者剩余的推进剂使该级脱离轨道。上升轨道飞行器推进系统使用霍曼机动提升宇航员到550km高度的圆形停泊轨道。宇航员然后利用轨道飞行器的RCS推进器使上升段和主飞船交会和对接。宇航员进入主飞船后,上升轨道飞行器利用剩余的推进剂使上升段和主飞船分离。这时,如果是第一个LM2,第二组着陆乘员准备返航;如果是第二个LM2,全体乘员准备返航射入地球轨道。4.6取消轨道机动在有动力下降阶段中止任务,爆炸螺栓将上升段和下降段分离,抛掉下降段,助推器发动机利用推进剂供给快速分离装置,由上升助推器推进剂供给,继续工作,将LM2的上升段送入上升轨道,在着陆舱速度Ma<0.74,防热罩和降落伞被抛掉后,该中止轨道机动是可行的。通过5个中止轨道机动方案仿真,开始高度分别为4.4km、3.0km、2.0km、1.0km和25m,确定上升段推重比至少为2.0,防止和下降段分离后,撞击火星表面。中止任务高度越低越危险,修正错误的余量越小。在25m悬停位置开始中止轨道机动很难,因为垂直速度小于1.0m/s,主发动机已经关闭,必须重新启动;上升之前,着陆舱从25m骤降到16m。这些方案中,能够进入250km中间轨道,可能不足以进