确定用于登月的最佳人类着陆系统架构

未来登月任务的“最后一英里”。

Skoltech和麻省理工学院的研究人员分析了数十种选择，从性能和成本方面选择了最佳选择，这是未来登月任务的“最后一英里” –实际上是将宇航员运送到月球表面并返回绕月球站的安全性。该论文发表在《 Acta Astronautica》杂志上。

自从1972年12月，阿波罗17号的机组人员离开月球表面以来，人类一直渴望返回月球。2017年，美国政府启动了阿尔emi弥斯计划，该计划旨在到2024年将“第一位女性和第二位男性”带到月球南极。阿耳emi弥斯飞行任务将使用一个名为月球网关的新轨道平台，它将成为一个永久性的空间站，可重复使用的模块将从中将宇航员带回月球。这种新方法需要对最佳着陆方法进行重新分析；由NASA签约设计可重复使用的着陆模块的私人公司正在进行这项研究，但将发现的信息保留给自己。

Skoltech硕士学生Kir Latyshev博士学生Nicola Garzaniti，Alessandro Golkar副教授和麻省理工学院的Edward Crawley开发了数学模型，以评估人类着陆系统最有希望的选择，以应对未来的Artemis任务。例如，Apollo程序使用两阶段架构，当时由下降和上升模块组成的Apollo月球模块能够将两个人抬到月球表面并倒退，而使下降模块留在后面。

研究小组认为，登月通道位于直线晕环附近的L2轨道上，这是目前的首选方案，它的台站绕L2拉格朗日点运行，使其更容易着陆在月球南极上。他们还模拟了四名宇航员的远征，他们将在月球上停留约7天。科学家们考虑了该系统的最佳级数和首选推进剂。总的来说，他们经历了未来月球人类着陆系统的39个变体，还模拟了最有希望的选择的成本。

该团队采用了一种综合方法来评估月球人类着陆器的替代概念，并使用建筑筛选模型来寻找多种选择。他们首先定义了要采取的一系列关键的建筑决策，例如着陆器每个阶段要采用的阶段数和推进剂类型。他们将信息组织成数学模型，并对来自不同体系结构决策的组合的替代系统体系结构进行了全面的计算探索。最后，他们分析了由此产生的贸易空间并确定了首选架构，供与人类登月着陆器设计有关的利益相关者考虑。

他们的分析表明，对于像阿波罗计划中使用的那样的消耗性着陆系统，两级结构确实是最有利的，因为它具有较低的总干重和推进剂载荷，并且每次任务的发射成本较低。但是，对于计划用于Artemis计划的可重复使用车辆，1级和3级系统的优势很快变得可比。

考虑到本文中的所有假设，许多短期“分流”式登月任务的“最终”获胜者是在液态氧和液态氢（LOX / LH2）上运行的1级可重复使用模块。作者注意到，这是初步分析，没有考虑机组安全，任务成功的可能性以及项目管理的风险因素-这些将需要在程序的后期进行更精细的建模。

Kir Latyshev指出，对于阿波罗计划，NASA工程师进行了类似的分析，并选择了2级登月舱。但是，当时的登月任务的总体架构是不同的。它没有轨道登月站将登月舱保持在两次任务之间，这意味着所有ALM飞行都应直接从地球进行。这也意味着要使用完全消耗性的登月舱（每次任务都使用一种新型载具），而不是如今考虑的可重复使用的月舱。除此之外，没有登月站，当前的选择之一-3级着陆系统-根本不可能实现。

“有趣的是，我们的研究发现，即使考虑到轨道站，如果考虑使用完全消耗性的飞行器，那么两阶段（类似阿波罗的）着陆系统仍有望具有更轻的质量，因此成本也更低。再次确认阿波罗决定。但是，可重用性改变了这一点。尽管在这种情况下1阶段和3阶段车辆仍比2阶段车辆重，但它们允许重复使用更多的“车辆质量”（约70-100％，而2阶段选项约为60％ ）一遍又一遍，从而节省了生产和向轨道站交付新车辆的费用，并使登月任务的成本降低了。 Latyshev说。

他补充说，机组人员的安全考虑是设计人类空间系统的重要因素，而作者在研究中并未对此加以考虑。“此安全系数会以两种方式影响结果。例如，多阶段解决方案在下降到地面之前在停车月球轨道紧急情况下提供的返回机会可能比我们的“胜利者”一阶段系统更为安全：下降或上升的车辆都可用于在3级和2级系统的情况下返回，而不是在1级系统的单级情况下。同时，与简单的1级解决方案相比，2级和3级系统预计会更加复杂，因此存在更多的故障风险。因此，需要再次权衡。 Latyshev解释说。

该团队计划在未来进行扩展，对未来人类航天计划中的月球探索所需的整个探索基础设施的系统架构进行全面探索。

参考：Kir Latyshev，Nicola Garzaniti，Edward Crawley和Alessandro Golkar撰写的“月球人类着陆系统架构贸易空间建模”，2021年1月10日，Acta Astronautica.DOI：
10.1016 / j.actaastro.2021.01.015