【载人月球探测任务对中国载人航天新要求】
中国载人航天发展到空间站阶段并不是结束,
载人登月工程正在加速研究中。在后续载人月球探测任务中，将研发新型载人飞船、登月舱以及月面居住舱等，新的任务带来新的挑战，也将带来新的技术攻关需求。
▲交会对接技术：
我国载人航天工程和月球探测工程作为国家科技发展的两项重大工程，正按照既定计划稳定有序的开展。推进以载人登月为目标的月球探测任务是我国下阶段航天活动的必然趋势，也是我国航天事业持续发展的重大举措。实施月球轨道交会对接可大幅减小从地球或月面发射航天器的规模，有效降低对起飞运载能力的要求。因此，月球轨道交会对接技术是载人登月和建立月球基地的支撑性技术之一。
月球空间环境与地球差异很大，而相较于无人月球探测任务，载人登月任务探测器规模更大，结构更为复杂，在任务类型、快速性、自主性和安全性等方面，对交会对接技术提出了新的要求。
▲对接机构技术：
我国载人月球探测任务提出了轻量化新型对接机构的研制需求，并据此开展未来对接机构的方案设计，其核心是轻量化和新技术，在对接方式上兼顾碰撞对接和停靠对接。与现有周边式对接机构相比较，新型对接机构应具有以下特点：
(1)为适应载人登月任务和近地空间站运营任务，采用周边式构型，对接接口兼容近地空间站；
(2)实现对接机构轻量化；
(3)采用新技术，降低对接过程中的相对速度和碰撞力；
(4)有良好的适应能力，具备在轨调整缓冲能力，同一套对接机构可以适应从3吨到几百吨的航天器的对接任务。
▲总体电路技术：
载人登月初步规划了两个飞行器：新一代载人
飞船和月面着陆器。其中，新一代载人飞船作为地球表面与月球轨道之间的往返飞行器，月面着陆器作为月球轨道与月球表面之间的往返飞行器。载人登月对总体电路除了更高的可靠性和安全性要求之外，在设备集成化、固态功率控制器 (SSPC) 芯片化智能化、电缆轻量化、无线移动供电、高速电连接器技术等方面提出了更高要求。
综合电子设备集成度进一步提高，一次二次配电、火工品管理等功能广泛集成在综合电子设备中。SSPC电路采用独立专用控制芯片，控制芯片通过总线进行配电数据采集、功率控制，SSPC电路体积重量显著缩小，控制芯片独立于功率器件之外，使用更灵活。广泛采用轻质导线、压接技术，电气设备连接器设计规范化，电缆复杂程度大幅度降低。试验载荷、月球车、月面活动移动用电设备广泛采用电磁耦合无线充电方案。高速时间触发以太网采用新型高速电连接器技术。以上总体电路的新技术均将有力的保障中国载人登月任务顺利实施。
新一代载人飞船的可重复利用、返回落海后48h的电气性能安全性保障要求，轻量化、小型化火工控制方式的改进，配电功率无线能量传输、固态功率控制器芯片化等方面进行的技术储备，综合电子的高度集成应用趋势，大功率汇流组件传输，预埋电缆网设计、布局与敷设的深度融合，都将为载人航天未来总体电路的设计及创新带来新的挑战。
▲回收着陆技术：
我国载人月球探测任务中要研制新一代载人运输飞船，回收质量由神舟飞船的3.5t提高到7.5t，乘员从3人增加到7人，如果仍采用单伞系统减速方案，则需求的降落伞面积将会达到3000㎡左右，而如此大面积单具降落伞的加工工艺、特纺材料性能、折叠包装都会带来难以突破和解决的问题，导致单伞系统方案和可靠性均不能满足减速需求，因此必须要开展大型群伞减速技术研究，突破大质量超大尺寸航天器群伞系统优化设计、特大型群伞多物理场耦合高精度仿真分析、群伞系统开伞同步性和载荷一致性控制、特大型群伞性能空投验证等技术难题。
新一代载人运输飞船还要满足多次重复使用的要求，这需要返回舱配置兼具缓冲性能和防护舱体结构的着陆缓冲装置，由于缓冲气囊在着陆时与地面有相当大的反作用力接触面积，受压缩的行程大，因而缓冲的加速度峰值小，缓冲效果明显；它一旦起动，其展开和整个缓冲工作过程自动完成，可靠性高，且工作后缓冲气囊系统中不排气的内囊对返回舱大底还能起到防护作用。
因此，需要发展大载重气囊着陆缓冲技术，突破气囊缓冲过程精确充气及排气控制、缓冲系统子气囊之间的联动设计、高强度多腔体气囊赋型设计、气囊缓冲过程过载及稳定性控制、气囊折叠展开及缓冲过程仿真等技术难题。
▲GNC技术：
载人月球探测航天器含新一代载人飞船和载人着陆器。在神舟载人飞船、嫦娥五号月球探测器的基础上，为了确保正常和故障（包括天地测控回路故障）情形下航天员的安全，载人月球探测航天器需要增加智能自主控制能力。
对新一代载人飞船，需要研制涵盖正常返回、应急返回、逃逸救生等从亚轨道至月地轨道大范围的返回轨道和制导律的在线自主规划与生成一体化技术；对载人着陆器，需要研制高精度定点月面超软着陆GNC技术；载人飞船和着陆器相互配合完成的交会对接，需要研制月地轨道近月制动-环月轨道、月面上升-环月轨道的轨道控制与交会对接一体化技术，着陆器载航天员在应急故障下的轨道抬升与交会对接；人控作为关键任务自动控制的备份，需要在着陆避障、交会对接、返回再入等方面发挥人的作用。
▲热控技术：
载人月球探测任务将面临更复杂的环境。热控系统要解决的基本热控问题是月昼散热与月夜保温问题。对于月昼热排散需求，在低纬度地区由于月面红外辐射强度大，导致辐射器散热面只能朝天指向，且月昼期间辐射器的热排散效率低，要满足载人航天器大功率热排散需求必须要抬高辐射器的温度，空间热泵技术是可行方案之一，但需要解决蒸汽压缩热泵系统在不同重力条件下的适应性问题。
对于月夜保温，主要涉及保温用能源供给方式及热量可控传输。在无人月球探测中月夜保温用能源可选择核源，载人航天器由于航天员安全的约束，核源应用受到限制，因此需要包括燃料电池等新型能源系统以及储能技术的发展，其次要实现热量的远距离传输，可以选择泵驱两相流体回路系统，相比单相流体回路其传输效率更高，可以实现热量的高效利用。
▲推进系统技术：
与近地载人航天工程相比，载人月球探测工程任务的复杂性、风险性及难度更大，对各类载人航天器的要求更高。同样，航天器推进系统将面临更多、更新的关键技术需要突破和掌握，如高性能、高可靠、长寿命推进系统技术，自主健康管理技术，基于表面张力贮箱和压气机的闭式推进剂补加技术，高性能、高可靠轨道控制发动机技术，深度调节变推力发动机技术，轻质、大容量新型贮箱技术，无毒单组元发动机技术，可重复使用推进系统技术，高精度推进剂剩余量测量技术，适应复杂月面环境推进系统的热管理技术等。
▲通信天线技术：
在后续载人航天工程天线研制过程中，为了满足深空高速再入返回，需要进一步提升返回舱天线的耐温能力，研发完善的搜救天线系统。
未来载人航天器需多次往返太空，天线需具有重复使用能力。
为了满足海上回收应用需求，天线需防水。
为了满足航天员以及多器之间组网通信需求，需进一步提升舱内、舱外无线通信天线研发能力。采用相控阵天线技术，以满足高速通信等应用需求。
▲安全性、可靠性、维修性技术：
由于载人登月任务受到运载推力的约束，必须在不影响航天员安全和任务可靠性的前提下，合理开展系统冗余和裕度设计，控制飞行器发射重量。因此，有必要围绕系统冗余、裕度等裕量，开展高准确度可靠性量化评估方法研究，为不同减重方案的确定提供依据。
针对飞行器系统性能余量，应用确信可靠性技术，可以从航天器产品功能分析、性能分析、裕量分析等方面，分析识别关键性能参数和相关性特征，开展性能余量建模和确信可靠性分析，全面总结提取可靠性关键点；通过航天产品的性能方程、裕量方程与退化方程，评估可靠性定量指标，优化可靠性评估准确性和有效性。
▲信息系统技术：
目前，载人航天除了继续建造和运营空间站外，开始研制载人新飞船和登月舱，目标是载人登月。空间站信息系统产品面临升级换代的问题，新飞船和登月舱等信息系统需要根据深空任务需求做体系的改变。信息系统发展主要体现在以下几个方面。
(1)继续发挥快速发展的航天设施的作用增强测控通信能力。在空间站任务中利用北斗短报文技术进一步提高测控覆盖率。在载人月球探测任务中利用深空通信的基础设施，面向深空地球站和天链中继卫星设计测控通信系统，发展相控阵天线等新技术提高测控性能。
(2)发展新一代星载网络技术。目前，载人航天主用的1553B总线通信由于其速率低和终端少导致平台系统网络复杂，空间站主用的高速以太网存在通信时间不确定等问题，发展新一代星载总线技术迫在眉捷。目前，TTE由于在以太网通信中增加了传输定时功能成为国内外研究热点，可能成为新一代航天器主用网络之一。
(3)以高性能计算机为代表的新一代信息产品的产生，使信息系统性能大幅提高。随着国产化高性能电子产品不断推出，高主频CPU、大门数FPGA、大容量存储器等面世，主计算机性能进一步增强，航天器信息处理和存储能力进一步增强。空间站和其他载人航天器的产品可以不断升级换代，提高信息系统能力。
(4)信息系统体系架构和功能进一步优化。随着载人航天器计算机和网络性能的提高，信息系统体系架构进一步优化，发展可由软件定义的体系架构，系统灵活性大大增强。另外，信息系统功能进一步综合，智能化水平不断提高，能极大提高航天器的信息化水平。
来源：《航天器工程》期刊2022年第6期
