NASA月球到火星战略架构的解析
doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0003 cstr: 32142.14.cjss.2024-0003
-
夏一峰 男, 硕士研究生, 研究方向为月球基地建造, 先进材料的开发与性能优化, 月壤新材料成型与型性调控等. E-mail: carlohust@163.com -
高玉月 女, 博士研究生, 研究方向为月球基地建造, 结构智能设计与优化, 月面结构参数化建模与设计等. E-mail: gyy5112@163.com -
周诚 男, 教授, 博士生导师, 国家级青年人才计划入选者, 华中卓越学者. 研究方向为地外建造与工程管理, 主持国家重点研发计划课题及国家自然科学基金重大项目课题. E-mail: charleschou@163.com
作者简介:
Analysis and Implications of NASA’s Moon to Mars Strategic Architecture
-
摘要: 基于月球、火星探测任务具有总体规模庞大、任务开展周期长、任务执行难度高等特点. 美国国家航空航天局下属多个机构联合发布了美国“月球到火星战略架构”定义文件, 以此指导其月球探测与火星探测任务的开展. 根据美国国家航空航天局建立的“月球到火星战略架构”, 即M2M战略目标体系, 对其战略架构系统实施阶段典型任务以及架构评估准则进行了分析. 针对M2M战略架构定义文件中战略目标的定义与分类、任务实施阶段的系统功能需求以及战略架构评估准则进行了深入分析, 进而归纳论述了基于解析“月球到火星战略架构”获得的发展思考, 研究成果可为中国未来空间探测任务的顶层战略路径规划与月球及火星探测总体计划的制定提供参考.Abstract: Lunar and Martian exploration ventures embody a magnitude of grand scale, elongated operational timelines, elevated execution complexities, and the engagement of multifaceted mission phases alongside a diverse array of objectives. These inherent characteristics underscore the imperative need for a comprehensive strategic roadmap to navigate these ambitious undertakings. In response, an alliance of institutions under the auspices of the National Aeronautics and Space Administration (NASA) has published the Moon to Mars Architecture Definition Document, thereby furnishing a guiding compass for both lunar and Martian exploration missions. This study commences with an overview of NASA’s meticulously crafted M2M architecture, delving into the intricacies of its strategic goal hierarchy. It proceeds to meticulously untangle the system implementation phases, accompanied by a critical examination of the archetype missions embedded within these phases. The investigation also encompasses a thorough discourse on the criteria utilized for the appraisal of this strategic infrastructure, elucidating the metrics and principles that underpin its evaluation. Through meticulous dissection of the M2M Architecture Definition Document, this research illuminates the nuanced definitions and classifications of strategic objectives, unraveling the systemic functionality requisites across various mission execution stages. Moreover, it conducts a rigorous gap analysis, pinpointing disparities against the backdrop of the strategic architecture’s evaluative benchmarks. Culminating from this exhaustive analysis, the paper advances a forward-thinking perspective, distilled from a meticulous parsing of the “Moon to Mars Architecture”. This perspective aims to illuminate prospective avenues, offering a strategic compass for strategic trajectory planning of our nation’s impending space exploration endeavors, and formulating a holistic blueprint for lunar and Martian exploration programs. It aspires to contribute a set of insightful and actionable recommendations, thereby enriching the strategic discourse and enhancing the practical utility of future mission planning in the realm of celestial exploration.
-
图 1 月球架构决策关键问题分析
Figure 1. Analysis of key issues in lunar architecture decision making
图 2 人类探月返回任务阶段目标与所需任务分析
Figure 2. Analysis of human lunar return phase objectives and required tasks
图 4 月面活动驻留任务阶段目标与所需任务分析
Figure 4. Analysis of foundational exploration phase objectives and required tasks
图 5 月球庇护所. (a)概念, (b)支撑结构, (c)夜晚结构热分析, (d)月午结构热分析
Figure 5. Lunar safe haven. (a) Concept, (b) support structure, (c) night structural thermal analysis, (d) mid-day structural thermal analysis
图 6 月球可持续开发任务阶段目标与所需任务分析
Figure 6. Analysis of sustained lunar evolution phase objectives and required tasks
图 7 电解熔融月壤制备钢合金方案. (a)装备概念, (b)装备结构, (c)产物在不同冷却时间下的材料性能表征
Figure 7. Molten Regolith Electrolysis (MRE). (a) Concept, (b) equipment structure, (c) characterization of material behavior at different cooling speed
图 8 人类登陆火星任务阶段目标与所需任务分析
Figure 8. Analysis of sustained human to Mars phase objectives and required tasks
图 9 核电力推进系统(NEP). (a)系统结构, (b)防辐射装置选型, (c)LiH/W复合物 十字形结构防辐射装置屏蔽辐射通量
Figure 9. Nuclear Electric Propulsion (NEP). (a) System structure, (b) radiation protection device selection, (c) radiation shielding flux of LiH/W complex cruciform structure radiation protection device
表 1 基础科学任务目标定义
Table 1. Objective definition of basic sciences
目标类别 目标编号 任务目标 月球/行星 LPS-1 研究月球及其他行星揭示太阳系起源和早期历史 LPS-2 研究月球内部结构、岩浆历史特征及其地质演变规律 LPS-3 研究月球和火星挥发物, 揭示太阳系挥发物起源 LPS-4 研究人类宜居环境所在位置与其演变规律 太阳物理 HS-1 研究空间天气, 加强对月球和火星表面观测 HS-2 确定月球和火星岩石中记录的太阳和太阳系的历史 HS-3 以月球、火星环境为实验室, 研究基本等离子体过程, 包括尘埃与等离子体的相互作用, 并确定其特征 HS-4 进一步了解月球附近和火星周围的磁尾与原始太阳风动力学 生命科学 HBS-1 研究月球、火星和深空环境中的短期及长期暴露对人类、动物、植物, 包括人类生理系统、植物生物系统等的影响 HBS-2 评估和验证独立于地球的乘员健康和维持系统, 评估火星飞行任务的持续时间 HBS-3 确定和评估系统与深空环境的相互作用 物理科学 PPS-1 从月球背面的无线电静默环境中对深空进行探测 PPS-2 利用月球、火星和深空的独特环境, 推进对物理学的理解 
下载: 导出CSV
表 2 科学赋能与应用科学定义
Table 2. Objective definition of enabling and applied science
目标类别 任务编号 任务目标 科学赋能 SE-1 为航天员提供深入的、有针对性的培训 SE-2 从地球利用先进技术远程支持航天员的月表和深空活动 SE-3 开发从月球永久阴影区和火星含挥发物地点获取冰冻挥发物的能力, 并将样品带回地球 SE-4 从月球和火星表面的多个地点带回具有代表性的样本 SE-5 利用机器人进行勘测, 优化航天员在月球和火星的任务规划 SE-6 通过向月球和火星的多轨道与表面位置运送科学仪器 SE-7 保护具有特殊意义的代表性地貌, 包括月球永久阴影区和无线电静默背面以及火星周期性斜坡线 应用科学 AS-1 监测月球和火星表面及轨道环境, 以此支持乘员安全 AS-2 协调轨道平台和地面平台, 优化月球和火星科学活动的规划 AS-3 确定可获取的月球和火星资源的特征, 并在后续任务中实现原位资源利用 (ISRU) AS-4 开展对以生物再生为基础的生命支持系统的应用科学调查 AS-5 确定作为食物来源的作物种类, 包括其生产生长方法 AS-6 进一步了解物理系统如何受到部分重力、微重力以及月球、火星和深空过境的环境影响
下载: 导出CSV
表 3 基础设施目标定义
Table 3. Objective definition of infrastructure
任务编号 任务目标 LI-1 开发渐进式月球发电和配电系统 LI-2 开发通信架构, 支持长期科学、探测和工业需求 LI-3 开发月球定位、导航和授时架构 LI-4 验证先进建造和自主建设能力 LI-5 验证精确着陆能力 LI-6 验证物资运输和流动能力 LI-7 验证工业规模的ISRU能力 LI-8 最大限度利用原地资源的建造和制造技术 LI-9 环境监测、态势感知和预警能力 MI-1 开发充足的火星能源供给能力, 以支持最初的火星探测 MI-2 发展火星表面、轨道与地球的通信, 以支持最初的火星探测 MI-3 开发火星定位、导航和授时架构 MI-4 验证在火星开展ISRU活动的能力, 以支持最初的火星探测
下载: 导出CSV
表 4 交通居住目标定义
Table 4. Objective definition of transportation and habitation
任务编号 任务目标 TH-1 开发乘员可在月球轨道和月球表面长时间进行常规操作的系统 TH-2 开发能够向月球表面运送各种要素的系统 TH-3 开发系统使乘员能够在月球表面和月球轨道上探测、操作及生活 TH-4 开发空间居住系统, 使乘员能够在深空长期居住 TH-5 开发在紧急情况下监测和维护乘员健康的系统 TH-6 开发地火运输系统, 将所需要素发射至火星表面 TH-7 开发系统使乘员能够在火星表面和火星轨道上探测、操作及生活 TH-8 开发在全任务阶段中可实时监测和维持航天员健康的系统 TH-9 开发具有交互能力的人类和机器人综合系统 TH-11 开发从月表到地球的运输系统
下载: 导出CSV
表 5 运营维护目标定义
Table 5. Objective definition of operations
任务编号 任务目标 OP-1 在地球表面、低地球轨道平台、半月平台和月球表面进行研究与技术验证 OP-2 优化地球上团队、轨道上乘员以及火星表面团队之间的交互能力 OP-3 确定可获取资源的特征, 在后续任务中使用资源 OP-4 建立指挥控制流程、通用接口和地面系统 OP-5 研发地面移动系统, 例如舱外活动 (EVA) 服、工具和车辆 OP-6 评估、了解长时间深空飞行任务对乘员健康和工作表现的影响 OP-7 验证系统和操作是否准备就绪 OP-8 寻找、维修、升级或利用以往任务遗留的仪器设备 OP-9 验证机器人系统的能力, 以最大限度地支持乘员在地面和轨道上的工作 OP-10 验证在月球或火星表面自主或从地球或轨道平台远程操作用于支持乘员的机器人系统的能力 OP-11 验证使用行星表面或空间资源生产的物资的能力 OP-12 建立程序和系统, 最大限度地减少对当地环境的干扰, 并提供资源, 允许材料的重新使用
下载: 导出CSV
表 6 架构评估准则
Table 6. Architecture assessment tenets
准则 架构评估准则定义 架构评估 现有差距 RT-1 国际性合作: 实现共同目标 NASA已建立诸多合作关系, 并广泛征求各方意见 NASA将继续强化双边、多边合作关系 RT-2 行业合作: 与美国工业界合作实现共同目标 为航天资产的开发和生产提供工业基础与基础研究 美国油气行业对M2M的贡献目前还未得到充分体现 RT-3 机组人员返回: 使机组人员安全返回并尽可能减轻对人员健康的影响 机组人员的健康与安全返回是贯穿所有任务的重要原则之一 人体长期处于深空环境对健康的不利影响方面还存在较多知识空白 RT-4 乘员时间: 在计划的任务期间内, 最大限度利用乘员时间进行科学和工程活动 最大限度地提高航天员可用于科学和工程活动的时间与效率 需要进行额外的评估, 以弥合各种差距, 为系统设计和操作规划提供信息 RT-5 可维护性和重复利用: 在可行的情况下设计可重复利用/可回收的系统, 以支持地外探测的可持续性并提升其与地球的独立性 必须对M2 M架构进行评估, 以了解系统可维护性、可重用性和可回收性的含义, 以支持长期运行并增加地球独立性 为了延长资产的使用寿命, 必须有专业知识的船员专门用于维护系统, 必须从利用和维护的角度评估系统生命周期限制 RT-6 负责任的使用: 按照国际义务和负责任的外空间行为原则, 以和平为目的开展探测和利用外层空间 架构的开发与任务的执行需遵守现有的法律、政策和指导, 包括但不限于已建立的行星保护政策与外空间法 在保护行星天体和深空探测方面存在重大政策空白, 需完善和更新行星保护政策 RT-7 互用性: 在系统、架构、组织之间交互并共享信息 开发标准化接口, 以最大限度地使其应用于未来任务 需开发正式的标准化策略来管理跨行业的协作 RT-8 近地轨道: 利用近地轨道基础设施支持M2M的探测活动 M2 M架构依赖于目前正在近地轨道上进行的基础研究 低轨道基础设施的应用潜力还没有得到充分的开发 RT-9 商业和空间发展: 促进地球轨道以外经济领域的扩张 美国空间探测将为美国带来大量可持续增长的利益 需制定商业化的探测任务与开发计划
下载: 导出CSV
-
[1] JIM L, JEFFREY K. Apollo 13[M], Boston: Houghton Mifflin Harcourt, 2006 [2] BRIAN H. Soviet and Russian lunar exploration[M], Springer Science & Business Media, 2006 [3] NASA, Artemis[EB/OL]. https://www.nasa.gov/feature/artemis/ [4] ISRO, Chandrayaan-2[EB/OL]. https://www.isro.gov.in/Chandrayan_2.html?__cf_chl_tk=sYXZ4I2Zu2EYEWwfBDzs45PdPLss_a_GbmqfliaxcWI-1712744162-0.0.1.1-1642 [5] ESA, ESA STRATEGY FOR SCIENCE AT THE MOON[EB/OL]. https://exploration.esa.int/s/WmMyaoW [6] ESA, Terrae Novae 2030+ Strategy Roadmap [EB/OL]. https://esamultimedia.esa.int/docs/HRE/Terrae_Novae_2030+strategy_roadmap.pdf [7] PAUL A, BRAD B, DAVE B, et al. The Lunar Exploration Roadmap: Exploring the Moon in the 21st Century: Themes, Goals, Objectives, Investigations, and Priorities, 2013[EB/OL]. https://www.lpi.usra.edu/leag/LER-Version- 1-3-2013.pdf [8] PAUL A, BRAD B, DAVE B, et al. The Lunar Exploration Roadmap: Exploring the Moon in the 21st Century: Themes, Goals, Objectives, Investigations, and Priorities, 2016[EB/OL]. https://www.lpi.usra.edu/leag/roadmap/US-LER_version_1_point_3.pdf [9] JEFF F. NASA delays Artemis 2 and 3 missions[R]. 2024 [10] NASA, NASA’S Moon To Mars Architecture A Summary Of The 2022 Architecture Concept Review Process And Results[EB/OL]. https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2023/10/acr22-publication-083123.pdf [11] NASA, Moon-to-Mars Architecture Definition Document [EB/OL]. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20230002706/downloads/M2MADD_ESDMD-001(TP-20230002706).pdf [12] NASA, Artemis Accord[EB/OL]. https://www.nasa.gov/artemis-accords/ [13] 中国国家航天局. 国际月球科研站合作伙伴指南[EB/OL]. https://www.cnsa.gov.cn/n6758823/n6758838/c6812147/content.html [14] NASA, Gateway Space Station[EB/OL]. https://www.nasa.gov/reference/gateway-about/ [15] MELANIE G, BOB M. Overview of lunar safe haven seedling study for NASA/APL excavation & Construction TIM STMD Game Changing Development Program, 2021. [16] PALAK P, JOSE S, ZACHARY A, et al. Artemis steelworks: Advancing reactor technologies for electrolytic manufacturing of in-situ steel[EB/OL]. https://bigidea.nianet.org/wp-content/uploads/MIT-Technical-Paper.pdf [17] LEE M, STEVE O, DAVID J, et al. Nuclear power concepts and development strategies for high-power electric propulsion missions to mars[EB/OL]. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20210016968/downloads/TM-20210016968_final.pdf -
-
下载:
计量
- 文章访问数: 1220
- HTML全文浏览量: 458
- PDF下载量: 92
-
被引次数:
0(来源:Crossref)
0(来源:其他)
