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解决登月“最后一英里”,美俄科学家开发数学模型挑出最佳人类着陆系统架构

Emma Chou

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为了未来月球任务的“最后一英里”,来自莫斯科斯科尔科沃理工学院(Skoltech)和麻省理工学院的研究人员分析了几十个方案,从中挑出性能最好和最具成本效益的。月球任务“最后一英里”实际上是把宇航员送到月球表面,然后安全地返回绕月空间站。这篇论文发表在《宇航学报》杂志上。

自1972年12月阿波罗17号宇航员离开月球表面以来,人类一直渴望重返月球。2017年,美国政府启动了“阿尔忒弥斯”计划,计划在2024年之前将“第一个女性和下一个男性”带到月球南极。“阿尔忒弥斯”任务将使用一个新的轨道平台,称为“月球门户”,这将成为一个永久空间站,可重复使用的模块将把宇航员带回月球。这种新方法需要重新分析最佳着陆方法;与NASA签订合同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,但他们对自己的发现保密。

科尔科沃理工学院理科硕士研究生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中最有希望的人类着陆系统选择。例如,阿波罗计划采用两阶段结构,当阿波罗登月舱,包括下降和上升模块,能够携带两个人到月球表面及返回,留下下降模块。 

研究团队假设“月球门户”位于L2直线晕轨道附近,这是目前首选,使空间站绕L2拉格朗日点运行,更容易降落在月球南极。他们还模拟了一次由四名宇航员组成的远征,将在月球上度过大约7天。科学家们考虑了该系统的最佳级数和首选推进剂。他们总共经历了39种未来月球人类着陆系统的变种,也为最有希望的选项进行成本建模。

分析表明,对于消耗性着陆系统,如在阿波罗计划中使用的系统,2级结构确实是最有利的,因为它具有更低的总干质量和推进剂载荷,以及每次任务更低的发射成本。然而,对于计划用于“阿尔忒弥斯”项目的可重复使用飞行器,1级和3级系统在其优势上很快变得具有可比性。

论文中考虑的所有假设,一系列短的“突击”式月球任务是“最终”赢家,采取1级可重复使用模块运行的液氧和液氢(LOX/LH2)。作者指出,这只是一个初步分析,没有考虑到宇航员的安全,任务成功的概率以及项目管理的风险,这些将需要在计划后期更详细的建模。

译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料:

https://phys.org/news/2021-03-optimal-human-architectures-moon.html

https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0094576521000151


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