太空资源开发与利用专刊 | 走向深空的航天运输系统

鲁 宇，张 烽，汪小卫

中国运载火箭技术研究院

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1.1 国际发展态势

1.1.1 美国

1.1.1.1 积极制定顶层发展战略，描绘美国深空探索新愿景

2020年7月，美国国家太空委员会发布《月球持续探索与开发规划》和《深空探索与发展新时代》报告，以美国现有的太空探索相关政策，特别是《国家太空战略》和《太空政策指令—1》（SPD-1）为基础，提出对包括月球在内的深空探索的新愿景，逐步开展深空探索计划^[1]。报告指出，美国将以“阿尔忒弥斯（Artemis）”计划为抓手，开展长期经济与科技活动，并支持21世纪30年代的首次载人火星探测。

1.1.1.2 重视维护太空资产安全，推进太空立法

2021年4月，美国大西洋理事会发布了《太空安全的未来：美国三十年战略》报告。该报告认为太空资产的安全将对未来的陆地冲突产生决定性的影响，并呼吁美国全面改革外太空的国际法律框架，建立新联盟以抵制中俄太空活动^[2]。报告建议在未来三十年里分阶段在短期（2021—2025年）、中期（2025—2040年）和长期（2040—2050年）逐步采取行动：一是更新并完善太空法律法规管理框架；二是建立太空集体安全联盟；三是通过明确的监管和针对性的投资加速太空贸易；四是积极开发地月空间。另外，报告还提出太空原位资源利用体系发展规划。

1.1.1.3 以Artemis计划为基点，实施重返月球战略，全力维持美国在宇航领域的技术优势

Artemis月球探测计划旨在通过在月球表面建造宇航员活动基地和在月球轨道部署环月空间站等科技设施和多项月球探测、深空探测任务的实施，为未来美国的载人火星探测奠定基础^[3]。当前，美国已先后与加拿大、日本、意大利等39国签署协定，深化与盟国在太空领域的合作，构筑太空联盟利益共同体，共同为美国“重返月球”项目提供支持。

1.1.1.4 大力发展全球极速运输、航班化进出空间与空间在轨操作与转移等技术发展

充分利用国际空间站的平台作用，开展各类空间在轨操作等新技术的验证，定期开展在轨维护，同时陆续开发和部署新舱段，进一步扩展空间站在轨能力。

1.1.2 俄罗斯

1.1.2.1 出台多项围绕月球探索与开发的政策并制定月球计划，全面加快俄罗斯月球探索步伐

以月球无人探测器为先遣，继而开展载人登月，最终实现月球基地永久驻留的发展路线日渐清晰^[1]。2016年，俄罗斯政府出台了国家顶层指导文件《2016—2025年联邦航天规划》，将月球计划列为优先发展方向之一，计划实施一系列月球无人探测任务，为2025年后载人登月和建立月球基地做准备。2018年11月，俄罗斯公布《月球计划实施路线图》，提出近月轨道站或于2030—2035年间建成，首批俄罗斯航天员将从近月轨道站登月并开展为期两周的月球任务。俄罗斯与中国联合发布《国际月球科研站路线图》，开展“月神”（Luna）计划，与中国合作建设国际月球科研站。

1.1.2.2 加快超重型火箭研发，积极探索低轨道空间应用

2018年4月，普京总统签署研制超重型火箭的命令。超重型火箭首次发射计划在2028年。超重型火箭主要用于向低地球轨道发射新一代载人飞船，向地球同步轨道、高椭圆轨道、高圆形轨道及分离轨道发射航天器，向地球同步转移轨道及同步轨道进行航天器的商业发射^[4]。目前，俄罗斯航天国家集团与能源火箭航天集团已正式签署联盟-5火箭的研制合同，但首飞延迟。

1.1.3 欧洲

1.1.3.1 发布多项战略规划，从宏观层面描绘了未来欧洲航天发展的方向和途径

2016年《欧洲航天战略》发布^[5]，明确了欧洲推进航天应用、强化航天能力、确保航天自主、提升航天地位四大战略目标，旨在引领2030年前欧洲航天发展。随后，欧洲航天局（ESA）正式对外发布“航天4.0”概念，强调世界航天发展正进入一个新的时代——“航天4.0”时代，倡议欧洲加快航天一体化进程，全面整合欧洲航天界和其他社会各界力量，全面促进欧洲航天科学与航天技术进步，推动欧洲航天经济可持续发展，将欧洲打造成具有全球竞争力的航天力量。2022年《Terrae Novae 2030+战略路线图》发布^[6]，旨在为欧洲在2040年前建立可行、有韧性的太空探索途径框架，激励商业太空生态系统。

1.1.3.2 提出“月球村”倡议和EURO2MOON计划，参加Artemis计划，营造欧洲对地月空间探索的牵引态势

将月球作为探索太阳系的重要跳板，营造对地月空间探索的牵引态势。持续保持欧洲多家科研院所、公司在空间科学及专项技术方面优势。英国、意大利等国家参与Artermis计划，开展月球地月空间探索。

1.1.3.3 落地欧空局保卫地球的“赫拉”任务，实施小行星无人探测。

欧空局与德国卫星制造商OHB公司联合研制“赫拉”小行星探测器。拟定于2024年10月发射，将在2026年底飞抵由“双胞胎”（Didymos）主星和“双形态”（Dimorphos）子星构成的双小行星系统，并对其开展至少6个月的观测研究。“赫拉”不仅将是第一个探索双小行星（Binary Asteroid）系统的航天器，还会成为第一个探索最小小行星的航天器。

1.1.4 日本

1.1.4.1 将月球视为未来前沿，主动掀起月球工业革命

日本于2021年4月成立月球工业愿景委员会，并在同年7月提交《月球工业愿景：地球6.0》白皮书。该报告提出月球将与地球的经济活动领域融为一体，将包括地球到月球在内的宇宙空间作为一个生态系统。报告内容包括关于日本建设月球工业愿景的六项决心和七项政策建议。同时，日本将参与Artemis计划，与美国联合开展地月空间探索与应用。

1.1.4.2 抢先一步实现小行星探测突破，实现人类对地外的一次重大探索

日本的小行星探测技术走在国际前列^[7]。2003年发射的隼鸟1号是人类历史上第一个小行星采样探测器，隼鸟2号于2014年进入太空，2019年到达目标小行星“龙宫”表面，2020年采样返回地球。

1.2 中国发展态势

中国近期将地月空间视为人类迈出地球摇篮、走向太阳系的第一步。地月空间将成为未来人类发展的战略空间。中国重视近地小行星的资源勘探利用，因为近地小行星不仅能够提供工业所需的稀贵金属，还能提供星际航行所需的可持续的水资源^[8]。从远期来看，载人火星探测将是载人登月之后人类下一个标志性成就，代表人类科技的突破和文明延续。

目前我国已完成探月工程的三期任务以及中国空间站建造，月球探测能力和载人航天活动能力有了较大程度的提升，正在开展载人登月、火星采样返回任务、国际月球科研站等任务研制，同时针对地月空间资源大规模开发与利用、载人探火、空间太阳能电站等开展发展规划。

表1 国际主流大型及重型运载火箭能力

表2 国际主流运载火箭能力与成本

表3 未来空间发射需求

3.1 国际发展现状

3.2 中国发展现状

4.1 大规模进出空间

4.1.1 航班化天地往返运输系统

面向未来大规模进入空间需要，实施“航天运输革命”，发展航班化天地往返运输系统^[11]。该系统具有高可靠、低成本、可复用、智能化、模块化、标准化、产业规模化等基本特征，并具备下述能力指标。

（1）入轨运载能力：根据载人月球探测、深空探测等国家重大工程任务要求，单运载器满足百吨级入轨能力。

（2）发射频次：根据未来每年总发射规模需求，发射频次每年需达千次级。

（3）发射成本和可复用次数：单位载荷发射成本下降1~2个量级，可复用次数达100次。

（4）可靠性安全性：空间站、载人深空探测及太空旅游等载人航天任务需求将持续增长，对进出空间的可靠性、安全性提出了更高的要求。在现有基础上提升1~2个量级，飞行可靠性不低于0.995，飞行安全性不低于0.9999。

值得一提的是，经过可复用成本分析，如图1所示，火箭完全复用且复用次数足够多时，全箭制造成本将趋于零，最终发射成本集中于发射场、回收费和维护维修费之和。因此，只有完全复用，才能真正从量级上降低成本。

图1 单次发射成本及单次载荷发射成本与运载器重复使用次数变化关系

发展航班化天地往返运输系统，需要突破的关键技术包括^[9]：跨空天域高动态航班运管技术、高频次长寿命航班化运载器技术、敏捷维修保障技术、航班化运载器狭窄走廊在线自适应制导控制技术以及基于小子样航班化大尺度复杂系统可靠性评估技术等。

4.1.2 新概念运载器

电磁发射运载器，是利用电磁力发射有效载荷的新型航天发射技术。应用电磁轨道技术为运载器提供一个较大的推力和较高的起飞初速，使运载器携带更多有效载荷入轨，从而提高进入空间规模^[12]。电磁发射运载器单位有效载荷的发射成本预计可低至200美元。需要突破的关键技术包括：电磁发射系统总体设计技术、适应大过载的运载器设计技术、电磁发射运载器气动影响分析、分离起飞精确控制技术、脉冲直线电机技术以及发射体技术^[13]。

同时要发展天梯技术^[14-15]，该技术是一种将有效载荷从地球表面运送到空间的新型进入空间的运输系统。天梯运送GEO有效载荷单位质量成本为每千克数百美元，与火箭相比降低两个数量级。天梯技术可实现7×24小时不间断、常态化运输，每周能够运送百吨级的有效载荷进入空间。需要突破的关键技术包括：天梯系统总体参数优化设计技术、天梯系统动力学设计与分析技术、天梯绳索材料设计技术、天梯系统绳索展开控制技术、天梯攀爬器总体方案优化设计技术以及天梯能源系统方案优化设计技术等。

4.2 基于在轨加注的空间转移运输

大规模进出空间的迫切需求，不仅刺激了进入空间能力的不断提升，还催生了基于在轨加注的大规模深空探测与开发的新形态，结合成熟的空间对接技术，进一步拓展了深空运输能力，提供载荷在轨延寿、空间设施维修等空间服务。

在轨加注能够使空间转移运输段独立设计，不再受限于火箭规模，运载能力实现大幅提升^[16]。以月球开发为例，采用星舰开展月球轨道往返，当前模式下并无运载能力，而采用在轨加注模式，运载能力能够拓展到最大150 t。

采用“空间转移运输级+在轨加注站”组合可拓展实现载人登月、载人小行星探测以及载人探火等多种大规模深空探测任务，而且可复用，能够大幅降低成本，提升任务灵活性。需要突破的关键技术包括：低温推进剂长期在轨贮存技术、推进剂在轨加注技术、推进剂贮箱压力控制技术、长期在轨能源供给与管理技术、推进剂在轨气液分离技术以及加注过程组合体高精度稳定控制技术。

4.2.1 载人登月任务

载人月球探测任务需要基于LEO和EML1点两个在轨加注站，其整体运输系统包括运载火箭、LEO加注站、EML1点加注站、载人再入飞船（Crew Re-entry Vehicle，CRV）、乘员转移飞行器（Crew Transfer Vehicle，CTV）、登陆器等，典型任务剖面如图2所示。

图2 基于LEO和EML1加注站的载人登月任务模式

4.2.2 小行星探测任务

载人小行星探测任务需要LEO、EML1点加注站予以支撑，其运输系统组成包括运载火箭、LEO加注站、EML1点加注站、CRV、CTV、深空居住舱（Deep Space Habitat，DSH）、小行星探测器（Asteroid Exploration Vehicle，AEV）等，典型任务模式如图3所示。

图3 基于LEO和EML1加注站的小行星探测任务模式图

4.3 载人火星探测

4.3.1 发展路线及任务模式选择

未来载人火星探测可采用三步走的总体发展路线，从最初的机器人探测，到初期载人探测，再到航班化载人探测^[17]。

第一步：机器人探测（技术准备阶段）。本阶段也可称为载人火星探测任务的技术准备阶段。在正式实施载人探测之前，开展机器人探测任务，如载人火星着陆和基地建设的地点选择与考察、火星的采样返回等，验证后续载人探测所需的相关关键技术，降低载人探测的技术风险，包括验证星际运输和推进技术、再入着陆与返回技术、部分火星基地和地面基础设施所需技术等。这一阶段的典型任务模式包括LEO出发、典型脉冲式合式轨道和化学推进，如图4所示。

图4 火星采样返回典型任务架构

第二步：初期探测（技术成熟与初步应用阶段）。执行初期载人火星探测任务时，由于缺乏经验，面临如此复杂的任务，难度比较大，因此，正式的载人火星探测也需由易到难。在正式开展载人火星着陆探测之前，还可以实施载人火星环绕探测或火星卫星的载人着陆等任务。因此，一般情况，本阶段还可以分成以下子阶段：（1）载人火星环绕探测或火星卫星载人着陆探测；（2）首次载人火星登陆探测；（3）建立具备完备功能的火星基地。这一阶段的典型任务模式包括人货分运，大椭圆轨道（HEO）出发、合式轨道、核电+核热推进组合、气动捕获和原位资源利用，如图5所示。

图5 基于核电摆渡级+核热转移运载器组合的载人火星探测任务架构

第三步：航班化载人火星探测（技术升级与地火经济圈形成阶段）。本阶段的任务模式将很大程度上取决于推进技术的发展情况。当核推进技术成熟时，采用核推进技术，运输系统的能力进一步增强，能够形成更加强大的地火经济圈，火星探测规模能够进一步扩大，但发射窗口和转移时间没有本质改变。该阶段地球系统与火星系统之间活动大大增加，互相支撑，地火经济圈规模日益扩大，并开始辐射到其他太阳系内行星。远期当核聚变技术成熟时，将极大地改变空间任务模式，发射窗口和转移时间选择将极大增加，具备更大规模的地火往返运输能力，随着核聚变推进运载器这类革命性运输技术的出现，地火经济活动规模快速增长，并全面辐射到全太阳系等更远空间的载人任务。这一阶段的典型任务模式包括空间基地出发、循环轨道、核推进、气动捕获和原位资源利用，如图6所示。

图6 基于循环轨道的航班化载人火星探测典型任务模式剖面图

4.3.2 航天运输系统方案研究

由于机器人火星探测当前正在实施，而航班化载人火星探测较为遥远，故本文重点研究初期载人火星探测的航天运输系统方案。

针对初期载人火星探测，综合权衡任务安全性和系统规模两个重点因素，航天运输系统涵盖运载火箭、摆渡级、地火转移运载器、火星着陆与上升飞行器等多个运载器，典型任务模式涵盖多次近地及环火交会对接，如表4所示。

表4 初期载人火星探测模式选择与特点分析

地火转移运载器采用核热核电双模式，如图7所示采用3台100 kN核热发动机作为主动力，利用核电系统为各分系统提供电源。摆渡级负责将无人转移运载器由近地轨道抬升至高轨，通过近地轨道加注，可以实现多次轨道往返转移任务，拟采用布雷顿热电方式及磁等离子体推力器。火星着陆与上升飞行器采用单级着陆与上升、垂直起降、载人载货通用模式。需要突破的关键技术包括：载人火星探测任务总体设计技术、大规模星际运输推进技术、载人火星探测精确制导与控制技术、可持续能源与星际测控通信网络技术和轻质防热结构与可靠机构设计技术。

图7 地火转移运载器

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