中国发射月球探测器的
运载火箭方案研究

□ 陈新民 余梦伦

    本文根据中国月球探测的初步长远规划和我国运载火箭的能力，考虑到方案的连续性、系统可靠性、低成本、合理的系统分工等方面的因素，提出以长征三号甲（CZ-3A）系列为基础增加一个通用上面级的四级运载火箭方案，直接将月球探测器发射进入月球卫星轨道。

    前言

    经过前一阶段我国科学家和工程师广泛深入的综合论证，我国月球探测的基本目标和整体规划已初步达成共识。“发射月球卫星”是我国开展月球探测活动的第一步，也是我国航天技术和科学探测迈向深空探测新领域的关键一步。随着航天技术水平的提高和经济实力的增强，我国将陆续开展月面软着陆、月球车月面巡视、月面取样返回等更复杂的月球探测活动。

    我国航天技术经过40多年的发展，在运载火箭、航天器、航天测控发射、空间应用和空间科学等领域取得了辉煌的成就，为我国航天事业的发展打下了坚实的基础；改革开放20多年来，随着经济的腾飞，我国在电子、能源、材料等基础领域也拥有了相当雄厚的基础。相对于30多年前美苏开展的月球探测活动而言，可以说在许多方面我们具有更好的基础。

    如何推动和深入开展我国月球探测工程的实施，更加合理经济地启动和完成这项复杂庞大的系统工程，是我国科学家、工程师需要思考的一个问题，也是我国面临的一个全新的挑战。

本文将从系统工程的角度，对开展月球探测的运载火箭方案进行初步论述。

开展月球探测活动的原则

探月工程是一个综合性的多系统大工程，因此探月工程的总体方案是多系统参加的、整体论证的一个优化方案。为降低整个探月工程的风险，提高系统的可靠性，探月工程中各系统方案应从总体优化的角度综合考虑，系统的功能要分配合理，如天、地系统要求的合理分配，运载器和月球卫星之间功能的合理分配以及长时间的轨道保持任务要求和短时间的进入轨道任务要求的合理区分。总的原则是：
（1）总体方案设计要考虑到我国月球探测的长远发展和整体规划；
（2）充分发挥运载火箭、卫星、有效载荷等各方面的优势，做到分工合理，优势互补；
（3）在关键系统应用上，运载器与卫星、运载器与着陆器等一起综合设计，减少功能重复；
（4）考虑我国航天技术水平，充分吸收国外成功的经验。

    国外发射月球探测器的运载火箭经验总结

    从国外实际飞行经验和系统功能的划分来看，一般将短期的、相对简单的轨道上升、轨道转移任务和长期轨道保持或复杂探测任务划分开来。前者由运载火箭完成，后者由月球探测器来完成。另外从任务上来讲，月球探测器担负着对月探测的繁重任务，其工作重点放在在轨任务上是比较合理的。

    在早期的月球探测任务中，考虑运载火箭的水平，一般采用直接发射连续推进进入地月转移轨道；随着火箭技术水平的提高，在运载能力提高、末级发动机具备多次启动等能力后，发射月球探测器均采用有限的过渡轨道滑行后加速进入地月转移轨道的方式。

    具体选择哪种形式，将根据运载火箭的能力、末级火箭的性能、探测器的成熟技术以及地面测控能力进行综合选择。对于末级具备多次启动能力的火箭，一般直接将探测器送入地月转移轨道(或称奔月轨道)，末级第一次工作将探测器送入停泊轨道，第二次工作将探测器送入地月转移轨道。

    从国外月球探测器发射任务来看，用于发射月球探测器的运载火箭从两级火箭到四级火箭都有，除了“克莱门汀”-1具有其军用设备试验任务外，均直接由火箭将月球探测器送入地月转移轨道。其中四级“质子号”火箭直接将月球探测器送入了环月轨道。国外用于发射月球探测器的火箭情况如下：

“月球号”：两级半火箭，发射“月球”1～3号探测器，其中“月球”3号完成绕月飞行。火箭直接将探测器送入奔月轨道，月球探测器按地球-月球直飞轨道发射，没有校正轨道系统。

    “闪电号”：三级运载火箭，发射“月球”4～14号、“探测”3号探测器。火箭从圆形中间轨道上发射，探测器送入奔月轨道。月球探测器安装了校正轨道系统，其中“月球”10、12、14号进入人造月球卫星轨道。

“质子号”：四级运载火箭，可以5.7吨的月球探测器直接送入环月轨道，发射了“月球”15～24号”、“探测”4～8号探测器。火箭第四级从圆形中间轨道上发射，进入奔月轨道，在近月附近，火箭第四级制动，将月球卫星送入环月轨道。月球探测器安装了校正轨道系统。

“宇宙神-阿金纳”B、“宇宙神-阿金纳”D、“宇宙神-半人马座”：均是二级半火箭，火箭第二级为多次启动的液体火箭，发射了“徘徊者”、“勘测者”、“月球轨道器”等探测器。二级火箭经过有限的过渡轨道滑行后，将月球探测器送入奔月轨道。

    德尔它：为三级火箭，第三级为固体发动机，发射了“探险者”33、34、35。一、二级工作将三级／卫星组合体送入近地过渡轨道。第三级有限滑行后，加速将月球卫星直接送入奔月轨道。

土星5：大型液体火箭，其主要任务是将“阿波罗”载人飞船送入奔月轨道。

M-3SII：发射“飞天”号卫星。三级半的全固体火箭，包括月球卫星的入轨制动发动机也采用固体火箭发动机。发射月球卫星时，M-3SII直接将月球卫星送入奔月轨道。

    我国发射月球探测的运载火箭方案

    单纯从运载能力上来讲，我国现有运载火箭大部分可以用来发射月球探测器。但从火箭的综合性能来讲，可选择的运载火箭方案是有限的。从运载能力、航区安全、航区测控等火箭发射条件和月球探测器发射窗口的约束等方面综合考虑，发射月球探测器的运载火箭一般要求有以下几个特点：

    (1) 火箭末级具有两次或多次启动能力，或采用可分离的固体火箭完成由停泊轨道向地月转移轨道的变轨。
    (2）为保证发射窗口，火箭要能适应一定的轨道倾角范围，受航区安全的限制，火箭的有效射向是一定的，因此要求火箭要具有一定的侧向机动能力。
    (3)运载火箭入轨精度较高，能保证发射月球探测器的轨道精度要求。

    根据以上特点和我国月球探测的长远规划，要降低月球探测整个系列工程及大系统成本，包括探测器设计、对测控系统要求、方案的连续性等多方面，选择CZ-3A系列运载火箭比较合适。CZ-3A系列运载火箭是20世纪90年代研制成功的，包括CZ-3A、CZ-3B、CZ-3C三种运载火箭。CZ—3A系列运载火箭是我国目前运载能力最大、具有以上特点的火箭，其运载能力情况如下表所示。

我国CZ-3A系列运载火箭发射月球探测器的运载能力 单位：kg

    采用运载能力大的CZ-3A系列火箭，一方面可提供更多的运载能力，另一方面制导精度相对较高。充足的运载能力具有以下优势：

·月球探测器可以尽量采用现有技术，从而降低其研制难度、研制经费、加速研制进度；
·可以加大箭上或探测器上天线功率，降低对地面测控系统的要求；
·采用同一系列的运载火箭可以适应不同阶段的月球探测的运载能力的需要；
·相对较高的制导精度，可以减少地月转移轨道中途修正的次数，也相对降低了飞行操作的难度；
·CZ-3A系列的第三级和新一代运载火箭的第二级均为同一方案，因此该方案对我国月球探测长远规划而言，具有连续性。

    新一代运载火箭将有可能在2010年研制成功并发射，届时可满足月球采样返回飞行器的发射要求。

    根据正在论证的总体方案，新一代运载火箭三种构型发射地月转移轨道的能力分别为4.4吨、8.1吨和10.6吨。利用新一代运载火箭作为运载工具，完全能够满足在轨探测器及月球着陆器、以及月球采样返回飞行器的发射要求。
考虑发射月球探测器的运载火箭方案的继承性和连续性、合理的系统分工等因素，我国月球探测器的发射可以在成熟的CZ-3A系列运载火箭的基础上增加一个通用的上面级，该上面级采用模块化、组合化设计，可以适应该系列火箭以完成不同阶段的飞行任务。具体方案如下：

1、总体方案基本设想
    在现有CZ-3A基础上增加一个通用的上面级。CZ-3A系列火箭基础级完成发射至地月转移轨道的任务，通用上面级完成地月转移轨道的中途修正、对月制动等功能，从而形成一个通用的对月发射的运载火箭系列。

    现有的CZ-3A系列火箭不作大的改动。

    上面级采用成熟的技术，通过通用化、模块化、组合化的设计，由我国成熟的发动机、结构、热防护、控制技术等技术构成通用的主结构、控制系统、通信系统、基本能源系统组成基础的模块。通用的接口与不同的火箭组合，通过不同大小的推进系统、能源系统组合可适应不同的运载能力和轨道任务，完成我国发射月球卫星、软着陆器等月球探测任务。

    CZ-3A发射GEO轨道的上面级方案目前已通过总公司级的专家评审，如果在此基础进行适应性的改进，可以作为发射月球探测器的通用上面级。

2、制导控制系统方案
    CZ-3A系列运载火箭的制导控制系统保留原有方案，通过各种措施提高其入轨精度和可靠性(采用组合制导和冗余措施)。

    上面级的制导控制系统方案采用箭上主动修正、主动制导和地面外测辅助修正的综合修正方法。

    轨道修正分为三个步骤：
(1) 初始修正：用于修正地月转移轨道的入轨初始误差，这对减小地月转移轨道的中途修正量非常必要。考虑实现的可能性以及可以获得的精度，上面级分离后，距离地球高度3000公里以内，应用GNSS进行速度、位置测量，进行第一次轨道修正(初始修正)。GNSS的测量精度为Dv≤O.Ol米/秒，DS≤lOO米。

(2) 中途修正：包括星敏感器进行主动修正和地面遥控的被动修正。根据地面测控数据，通过地面遥控在距离地球约10万公里和30万公里处进行两次修正，同时采用星敏感器进行空间定位、定向，修正惯性导航基准误差。

(3)末制导：在距离月球3万公里处，通过CCD月球成像跟踪器捕捉月球，采用直接制导方法，将上面级和卫星组合体引导到月球轨道。

    以上制导控制方案各段之间功能上有部分重叠，可以构成一定的冗余。

3、测控系统的方案
    测控初步方案采用主、辅信道结合的测控方案。主信道由定向天线+USB应答机，辅信道由全向天线+遥测发射机组成。测量范围从上面级与运载火箭分离至着陆制动点。测量跟踪初步要求主要是提供精确的分离点、轨道修正点、姿态定向时刻、末制导起始点及着月制动点数据；测量精度要求：位置最大误差为10米，速度最大误差为0.05～0.1米／秒。考虑到能量消耗，测控天线根据需要定时工作。

    该方案的要点：
1)主动段和停泊轨道(高度200公里)仍依靠现有S波段测控系统完成(国内固定站、国外的基里巴斯、圣地亚哥站及三个测量船站)。上面级加装GNSS作为测轨的另一重要手段(高度3000公里以下起作用)，GNSS数据插入下行数据流。

2)上面级在3000公里距离以内，以S波段全向天线、下行lOkbps、上行1kbps工作。随着距离加大，下行数据率切换到312.5bps。此后当探测器姿态稳定后，切换到S波段定向天线、下行lOkbps、上行1kbps。

    在近月段，绕月卫星和着月舱分离后，绕月卫星可以用X波段定向天线、下行88～lOOkbps发送图像等数据，上行仍用S频段1kbps；着月舱以S波段全向天线、下行312.5bps(无上行)工作。

    上面级上的定向天线是S、X双频段共用天线座、共用反射面，能确保近月段图像等数据的传送。

3)建议采用国际上推广的CCSDS遥测、遥控数据格式和信道编译码(卷积码和RS码级连)以及上下行相关的发／收频率。

4、综合设计考虑
    以上设计是从运载火箭的角度考虑的，如果从运载火箭和月球探测器的大系统考虑，在设计制导控制系统、测控系统时，可以对运载火箭上面级和月球探测器进行综合优化设计，减少系统的重复或通过冗余措施提高大系统的可靠性。

    小结

    根据以上分析，在CZ-3A系列运载火箭的基础上增加一个通用的上面级的运载火箭方案，上面级采用模块化设计，可以适应21世纪初期我国多种月球探测任务。该方案的特点是通过通用化和集成化的综合设计，可以保证我国月球探测工程的连续性和继承性，从而缩短我国月球探测工程的周期、降低月球探测工程的系统成本、提高系统的可靠性。□