研究人员确定了登陆月球的最佳载人着陆系统架构

导读：为未来登月任务的“最后一英里”--实际上是将宇航员送到月球表面，再回到安全的轨道月球站--从性能和成本上挑选出最佳方案。

来自Skoltech公司和麻省理工学院的研究人员分析了几十种方案，为未来登月任务的“最后一英里”--实际上是将宇航员送到月球表面，再回到安全的轨道月球站--从性能和成本上挑选出最佳方案。该论文发表在《Acta Astronautica》杂志上。

自从1972年12月阿波罗17号的乘员离开月球表面后，人类就一直渴望重返月球。2017年，美国政府启动了“阿尔忒弥斯”计划，打算在2024年前将“第一个女性和下一个男性”宇航员带到月球南极。“阿尔忒弥斯”任务将使用一个新的轨道平台，被称为 "月球门户"，它将成为一个永久性的空间站，可重复使用的模块将从这里把宇航员带回月球。这种新方法需要重新分析最佳的着陆方式；与NASA签约设计可重复使用的着陆舱的私人公司正在进行这项研究，但他们的研究结果不公开。

Skoltech公司的硕士生Kir Latyshev、博士生Nicola Garzaniti、副教授Alessandro Golkar和麻省理工学院的Edward Crawley开发了数学模型，以评估未来“阿尔忒弥斯”任务的载人着陆系统最有希望的方案。例如，阿波罗计划采用了2级架构，当时阿波罗月球舱由下降舱和上升舱组成，能够搭载两人到月球表面并返回，留下下降舱。

该团队假设 "月球门户"位于L2近直线晕轨道，这是目前首选的方案，即月球站围绕拉格朗日点L2运行，这样更容易在月球南极着陆。他们还模拟了一个由4名宇航员组成的探险队，他们将在月球上停留7天左右。科学家们既考虑了系统的最佳级数，也考虑了系统的首选推进剂。他们总共经历了39种未来月球载人登陆系统的变体，还为最有希望的方案建立了成本模型。

该团队通过一种全面的方法来评估月球载人着陆器的替代概念，利用架构筛选模型考察了大量的方案。他们首先确定了一套关键的结构决策，如着陆器每个阶段要采用的级数和推进剂类型。他们将这些信息组织在数学模型中，并对来自不同架构决策组合的替代系统架构进行了全面的计算探索。最后，他们分析了由此产生的交易空间，并确定了首选的架构，供设计人类登月器的利益相关者考虑。

他们的分析表明，对于消耗性着陆系统，如阿波罗计划中使用的系统，2级架构确实是最有利的，因为它的总干质量和推进剂载荷都较低，而且每次任务的发射成本也较低。然而，对于计划在“阿尔忒弥斯”计划中使用的可重复使用的飞行器，1级和3级系统的优势很快就变得不相上下。

在考虑到论文中的所有假设的情况下，对于一些短途 "短程 "型月球任务来说，"最终 "的赢家是以液氧和液氢（LOX/LH2）运行的一级可重复使用舱。作者指出，这是一个初步分析，没有考虑到乘员的安全、任务成功的概率以及项目管理的风险因素--这些都需要在计划的后期阶段进行更详细的建模。

Kir Latyshev指出，对于阿波罗计划，NASA的工程师们也做了类似的分析，并选择了2级月球舱。然而，当时月球任务的整体架构是不同的。它没有一个轨道月球站来保持月球舱在任务之间的位置，这意味着所有的ALM飞行都应该直接从地球上进行。这也意味着使用完全消耗性的月球舱（每次任务都有一个新的飞行器），而不是现在考虑的可重复使用的月球舱。除此之外，如果没有月球空间站，目前的方案之一--3级着陆系统--根本不可能实现。