美國發(fā)現(xiàn)號艦載螢火蟲探測方案

美國發(fā)現(xiàn)號艦載螢火蟲探測方案

1《物權(quán)法》上的地面探測方案隨著人類對月球和宇宙勘探越來越感興趣，美國波音公司于2006年staif會(huì)議首次提出了“探測號”宇宙飛船的設(shè)計(jì)方案，并于2006年在aia合作推動(dòng)者會(huì)議和宇宙會(huì)議上詳細(xì)介紹了這一設(shè)計(jì)方案。飛船的設(shè)計(jì)方案能夠滿足多種載人深空探測任務(wù):月球、火星、木衛(wèi)三和木衛(wèi)四?！鞍l(fā)現(xiàn)號”宇宙飛船用于火星探測的著陸艙有兩種類型:一種是有人駕駛的載人著陸艙,稱作“二號著陸艙”(LM2);一種是自動(dòng)控制的載貨著陸艙,稱作“三號著陸艙”(LM3)。美國波音公司在2007年AIAA太空會(huì)議第一次介紹了LM2和LM3的設(shè)計(jì)方案,并在2008年STAIF會(huì)議描繪了最新的設(shè)計(jì)方案。文章主要對LM2和LM3的設(shè)計(jì)方案和載人火星探測過程進(jìn)行了詳細(xì)介紹,分析了美國載人火星探測方案具有的諸多優(yōu)點(diǎn)。希望能夠?yàn)橹袊d人飛船的研制和開發(fā),載人登月探測以及未來的火星探測研究工作提供參考或借鑒。2主要推進(jìn)系統(tǒng)和基“發(fā)現(xiàn)號”宇宙飛船采用模塊化設(shè)計(jì),主飛船的主要結(jié)構(gòu)包括:乘員艙(CM)、服務(wù)艙(SM)、4個(gè)主推進(jìn)劑貯箱(CT)和工程艙(EM),如圖1所示。每個(gè)主推進(jìn)劑貯箱周圍可以安裝最多6個(gè)副推進(jìn)劑貯箱(DT)。還可以攜帶2個(gè)捆綁式助推器,每個(gè)助推器和主飛船一樣有1個(gè)工程艙和2個(gè)主推進(jìn)劑貯箱,每個(gè)主推進(jìn)劑貯箱周圍也可以安裝最多6個(gè)副推進(jìn)劑貯箱,根據(jù)任務(wù)的不同來選擇副推進(jìn)劑貯箱的數(shù)量。此外,主飛船通過對接艙(DM)和4個(gè)著陸艙(LM)、1個(gè)再入艙(RM)相連,來完成不同的深空探測任務(wù)。乘員艙是宇航員生活和工作的空間,不僅能夠供給水和食物,還能屏蔽宇宙射線和宇宙微塵。執(zhí)行月球或火星任務(wù)乘坐6名宇航員,木衛(wèi)四或木衛(wèi)三則是4名。對接艙和乘員艙前部對接端口對接。對接艙內(nèi)有氣閘艙、艙蓋和5個(gè)對接端口,用來對接4個(gè)著陸艙和1個(gè)再入艙。服務(wù)艙位于乘員艙的后端,主要結(jié)構(gòu)為石墨環(huán)氧樹脂材料。它的內(nèi)部存儲(chǔ)用來制成空氣的低溫液氧和液氮。服務(wù)艙內(nèi)還裝有反作用控制系統(tǒng)(RCS),后段裝有任務(wù)中止推進(jìn)系統(tǒng)(APS)。APS和RCS的發(fā)動(dòng)機(jī)采用多年深空探測任務(wù)可靠使用的耐存儲(chǔ)的自燃推進(jìn)劑(一甲基肼和四氧化二氮)。工程艙使用3個(gè)雙模式的推力方向可調(diào)的先進(jìn)核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為主飛船提供主推力和電能。核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的反應(yīng)堆位于乘員艙后部115m處,裝有生物防護(hù)罩。工程艙和乘員艙都有可展開的遮蔽罩,用來遮蔽主推進(jìn)劑貯箱和副推進(jìn)劑貯箱以及乘員艙的宇宙射線屏蔽層,屏蔽陽光和散熱器組的熱輻射。主推進(jìn)劑貯箱和副推進(jìn)劑貯箱的結(jié)構(gòu)為石墨環(huán)氧樹脂材料,容量相同。主推進(jìn)劑貯箱構(gòu)成了主飛船和助推器的基本骨架結(jié)構(gòu),將各個(gè)艙體連接在一起。再入艙能夠保障6名宇航員在正常任務(wù)或任務(wù)中止時(shí)返回地球,有效載荷1000kg(包括6名穿著宇航服的宇航員和250kg火星樣品),提供最大4天生命保障消耗和能量。3圓形火焰軌道“發(fā)現(xiàn)號”宇宙飛船執(zhí)行火星探測任務(wù)采用主飛船和對接的著陸艙推力捕獲進(jìn)入高度556km的圓形火星停泊軌道。著陸艙包括3個(gè)LM2和3個(gè)LM3。2個(gè)LM2用來在火星軌道和火星表面之間雙向運(yùn)輸6名宇航員,第3個(gè)LM2作為專用救援著陸艙;3個(gè)LM3用來運(yùn)送充足的物資到火星表面,第3個(gè)LM3沒有居住艙,只運(yùn)送貨物。LM2和LM3的布局結(jié)構(gòu)如圖2。3.1edl彈性模型及仿真為了降低研制風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用,著陸艙的設(shè)計(jì)充分利用“海盜號”著陸器的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫。防熱罩的外部輪廓按照“海盜號”著陸器的幾何外形設(shè)計(jì)的(比例系數(shù)為4.565,70°球錐型防熱罩)。LM2和LM3的進(jìn)入、降落和著陸(EDL)彈道模型是以“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”(MSL)的EDL參數(shù)(彈道系數(shù)為63kg/m2,升阻比為0.18)為原型的,采用了NASA標(biāo)準(zhǔn)火星大氣模型和球形火星重力勢模型;對著陸艙進(jìn)行了2自由度仿真;確定了盤縫帶傘(DGB)、下降發(fā)動(dòng)機(jī)和著陸艙的尺寸;優(yōu)化了EDL彈道。由于降落傘、下降發(fā)動(dòng)機(jī)和推進(jìn)劑質(zhì)量的增加,使LM2和LM3從20t增加到21.5t。EDL彈道利用Apollo方式導(dǎo)航控制,基于MSL探測器分析的基礎(chǔ)上,使用質(zhì)心偏離和升力控制(迎角達(dá)20°)實(shí)現(xiàn)精確著陸。為了滿足運(yùn)載火箭發(fā)射整流罩的最大內(nèi)部直徑8m的要求,著陸艙采用可充氣的防熱罩(HSE),連接到中間的硬防熱罩上,有效底部直徑從7.5m伸展到16m,彈道系數(shù)在(66.1～73.2)kg/m2(α=0°～20°)范圍內(nèi),和“海盜號”彈道系數(shù)64kg/m2很接近。3.2盤縫帶傘仿真LM2和LM3最初設(shè)計(jì)采用兩級降落傘進(jìn)行氣動(dòng)減速。1個(gè)直徑19.7m的盤縫帶傘進(jìn)行第一級超聲速減速,馬赫數(shù)從2.7減速到0.8;7個(gè)直徑33.5m的環(huán)帆傘進(jìn)行第二級亞聲速減速,從馬赫數(shù)0.8減速到50m/s。隨后的EDL彈道仿真顯示,在到達(dá)火星表面之前,亞聲速降落傘群傘沒有充足的時(shí)間完成開傘、充氣和穩(wěn)定過程。然而,仿真結(jié)果也表明采用單級較大的DGB傘加上額外的推進(jìn)器推力可以實(shí)現(xiàn)著陸艙軟著陸。仿真時(shí),“海盜號”盤縫帶傘的尺寸范圍為22～30m,完全開傘速度Ma=2.7,開傘動(dòng)壓小于1000Pa。并且當(dāng)Ma>0.9時(shí),防熱罩不能分離,動(dòng)力減速火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不能啟動(dòng)。在這種條件,盤縫帶傘直徑大于24m才是可行的。目前設(shè)計(jì)方案選擇直徑27m的盤縫帶傘,著陸艙速度馬赫數(shù)從2.7降低到0.74,使著陸艙的質(zhì)量和研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)都能降到最低。這對于宇航員安全和任務(wù)成功完成是非常關(guān)鍵的。同時(shí),LM2和LM3設(shè)計(jì)采用冗余的降落傘和彈傘筒系統(tǒng),確保超聲速降落傘順利開傘,增加著陸艙的安全性。3.3主體結(jié)構(gòu)和材料LM2和LM3采用相同的降落傘系統(tǒng)、EDL程序和飛行控制。著陸艙廣泛采用輕質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)性能最大化和質(zhì)量最小化;著陸艙內(nèi)的乘員居住艙采用先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)成整體結(jié)構(gòu),還能屏蔽宇宙射線的輻射。LM2和LM3的下降段相同,包括4個(gè)著陸架和1個(gè)主體結(jié)構(gòu)。下降段裝有8個(gè)推力13.6kN的下降發(fā)動(dòng)機(jī)(可變推力為38%～100%),8個(gè)推力2.64kN的離軌發(fā)動(dòng)機(jī),以及1個(gè)6軸反作用控制系統(tǒng)(RCS)。RCS包括16個(gè)推力0.745kN的RCS發(fā)動(dòng)機(jī),用于高度控制和平移機(jī)動(dòng)。這些發(fā)動(dòng)機(jī)也采用了耐存儲(chǔ)的自燃推進(jìn)劑(一甲基肼和四氧化二氮)。在有動(dòng)力減速下降開始之前,堅(jiān)硬的防熱罩和可充氣的HSE以及4個(gè)著陸架艙蓋被拋掉。8個(gè)推力6.7kN的發(fā)動(dòng)機(jī)用于防熱罩的分離。LM2和LM3火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是基于航天飛機(jī)軌道機(jī)動(dòng)系統(tǒng)(OMS)、RCS推進(jìn)器和商用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的。而結(jié)構(gòu)和電子設(shè)備是基于“阿波羅”登月艙和“海盜號”著陸器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的,并采用最新的材料和子系統(tǒng)。燃料電池也是基于“阿波羅”登月艙燃料電池設(shè)計(jì)的。LM2和LM3著陸艙不能重復(fù)使用。3.4lm2和火焰軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)LM2具有火星軌道和火星表面之間雙向運(yùn)輸3名乘員的能力,緊急任務(wù)時(shí),能夠給航天員提供24天的生命保障。在EDL有動(dòng)力降落階段,LM2能夠隨時(shí)中止任務(wù)進(jìn)行返回。LM2正常任務(wù)運(yùn)載3名宇航員,火星表面持續(xù)時(shí)間達(dá)27天(12.5%余量),再加上3天用于上升和緊急情況。在營救任務(wù)時(shí),LM2能夠運(yùn)送4名宇航員(包括4套宇航服和4套緊急生命保障裝置)進(jìn)入火星停泊軌道,但是上升樣品有效載荷從140kg減到20kg。LM2著陸艙包括下降段和上升段,下降段有4個(gè)著陸架,上升段包括助推器和軌道飛行器。下降段和上升段都裝有推進(jìn)劑和增壓箱。上升段助推器為98.2kN的推力方向可變的發(fā)動(dòng)機(jī),用于上升和下降,便于實(shí)現(xiàn)有動(dòng)力降落階段任務(wù)中止返回。降落階段由下降段供給推進(jìn)劑。上升段軌道飛行器安裝有6個(gè)1.91kN推力方向固定的發(fā)動(dòng)機(jī),還有16個(gè)推力0.445kN的RCS推進(jìn)器,用于上升階段控制上升、交會(huì)和對接。LM2的電能由下降段的液氫-液氧燃料電池和上升段軌道飛行器上的太陽能電池組提供。上升段乘員艙和下降段之間設(shè)計(jì)了氣閘通道,貨艙位于氣閘通道對面,下降有效載荷為500kg。下降段裝有2個(gè)水平的對接適配器,和乘員艙相通,用來和裝有增壓居住艙的LM3對接。助推器上升到高度250km的中間軌道需要的上升段推進(jìn)劑的質(zhì)量和性能是根據(jù)無人火星樣品返回任務(wù)獲得的數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)了中間軌道,目的是減少了一步進(jìn)入556km的火星停泊軌道所帶來的問題,能夠減少著陸艙的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、著陸質(zhì)量和EDL問題。中間軌道能夠穩(wěn)定一周或更長時(shí)間,軌道高度滿足主飛船或LM2對宇航員的營救(此時(shí)宇航員不能靠自身的著陸艙上升到火星停泊軌道)。LM2服役年限為3年,在近地軌道組裝達(dá)12個(gè)月,從近地軌道到火星軌道達(dá)9個(gè)月,在火星軌道或表面停留達(dá)15個(gè)月。3.5貨艙內(nèi)帶加電壓lm3和氣閘艙巖板LM3具有從火星停泊軌道到火星表面單向自動(dòng)運(yùn)輸貨物的能力,可以運(yùn)送設(shè)備和消耗品;具有和LM2相同的外部輪廓和飛行特性,使用相同的下降段,包括下降發(fā)動(dòng)機(jī)、推進(jìn)劑和子系統(tǒng)。EDL任務(wù)剖面和LM2相同,LM3可運(yùn)送11t的貨物,可以是食物、消耗品和設(shè)備。9.8t的小增壓乘員艙代替了LM2的13.2t的上升段,從火星表面通過氣閘通道可以到達(dá)。在下降段的3個(gè)貨艙內(nèi)額外攜帶4t的設(shè)備。增壓乘員艙直徑5m,內(nèi)存6.6t的水、食物和氧氣,其中4.8t的水存儲(chǔ)在環(huán)型水箱內(nèi),著陸后,3.6t輸?shù)匠藛T艙外部厚度5cm的球殼內(nèi),提供5gm/cm2射線輻射屏蔽;并將回收75%的廢水,保持球殼充滿水。LM3使用5個(gè)較小的推力方向可變的下降發(fā)動(dòng)機(jī),和著陸艙的結(jié)構(gòu)更好結(jié)合在一起。下降段的發(fā)動(dòng)機(jī)支柱能夠?yàn)樨浳镙d荷提供良好的支撐平臺(tái)。還有2個(gè)直徑5.5m的易操縱的柔性太陽能電池板,著陸后展開,產(chǎn)生5kW電能。LM3裝有車輪,移動(dòng)速度為90m/h,便于和LM2在火星表面對接。使用4.5kW電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)每天可行駛1km。太陽能電池板產(chǎn)生的電能和電動(dòng)機(jī)消耗電能數(shù)據(jù)都是基于“火星探測漫游者”的數(shù)據(jù)。LM3的下降段裝有氣閘通道和一個(gè)對接適配器,氣閘艙對面的貨艙裝有3自由度的表面對接系統(tǒng),這樣,LM3即可以和LM2對接,也可以和另一個(gè)LM3對接。氣閘艙、對接適配器、表面對接系統(tǒng)和乘員艙都是相通的。設(shè)備包括大型可充氣乘員居住艙、太陽能電池板、漫游車、通信設(shè)備、氣象站和科學(xué)實(shí)驗(yàn)站。LM3使3名宇航員在火星表面生存時(shí)間從30天額外延長210天,達(dá)到最多停留240天。3.6設(shè)計(jì)依據(jù)2,設(shè)計(jì)需有4天等待時(shí)間火星著陸艙工作過程強(qiáng)調(diào)任務(wù)的冗余度,采用兩組分離的并且獨(dú)立的載人著陸任務(wù)。每組著陸乘員為3人,一組在火星停泊軌道進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn),另一組在火星表面執(zhí)行探測任務(wù)。每組任務(wù)使用LM2和LM3各一個(gè),來探測火星表面的不同區(qū)域。每個(gè)LM2都能靠自身執(zhí)行24天的緊急探測任務(wù)。低能耗往返火星任務(wù)(設(shè)計(jì)參考任務(wù)2,DRM2)在火星軌道等待454天:1)第一組宇航員著陸前在火星軌道等待7天;2)第一組任務(wù)結(jié)束和第二組任務(wù)開始之間有4天等待時(shí)間;3)第二組宇航員返回主飛船等待7天射入火星-地球轉(zhuǎn)移軌道;4)兩組宇航員在火星表面停留時(shí)間為436天。加上10%的余量,總時(shí)間為480天。因此,每218天的任務(wù),需要240天的持續(xù)時(shí)間。LM3能夠顯著增加宇航員火星表面停留時(shí)間,可以預(yù)先著陸到非常接近LM2隨后著陸的地點(diǎn),使探測任務(wù)持續(xù)時(shí)間達(dá)218天。第三個(gè)LM3使載貨質(zhì)量從24.5t增加到35.5t,這樣可以將三個(gè)LM3著陸到火星中心營地,第三個(gè)LM3提供核電,實(shí)現(xiàn)營地保障最優(yōu)化,提供較大的宇航員居住艙,額外的科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及原位資源利用(ISRU)加工廠。ISRU提供6人在火星表面停留454天可能性。第三個(gè)LM2,作為專門救援飛行器,始終處于待命狀態(tài),這樣,處于火星軌道的宇航員將能夠?qū)R淺在火星表面的第二組宇航員進(jìn)行營救。4發(fā)射副催化劑貯箱DRM2采用霍曼轉(zhuǎn)移軌道(低能耗軌道)往返火星,飛行任務(wù)剖面如圖3。飛船使用3臺(tái)NTR發(fā)動(dòng)機(jī),采用余切逃逸機(jī)動(dòng)離開地球停泊軌道,射入地球-火星轉(zhuǎn)移軌道(TMI)。該任務(wù)攜帶6個(gè)副推進(jìn)劑貯箱,沒有助推器。無副推進(jìn)劑貯箱的主飛船可以重復(fù)使用。航行259天到達(dá)火星軌道,切入火星軌道(MOI)點(diǎn)火進(jìn)入550km高度的火星停泊軌道,該任務(wù)要求的推進(jìn)能量比采用高能耗軌道的DRM3要低得多。在火星表面停留454天后,射入火星-地球轉(zhuǎn)移軌道(TEI)點(diǎn)火推進(jìn)飛船進(jìn)入歷時(shí)259天返回軌道。正常的任務(wù)是采用余切推進(jìn)捕獲切入地球軌道(EOI),再入艙內(nèi)的宇航員和樣品返回地球。對于中止EOI,不采用推進(jìn)捕獲返回地球,而是采用氣動(dòng)力再入,雙曲線進(jìn)入界面速度為11.5km/s。4.1細(xì)發(fā)射材料lm2和裝復(fù)式軌道菌株在DRM2任務(wù)中,模塊化部件先從地面發(fā)射到高度556km的圓形近地軌道(組裝軌道),大約需要超過1年的時(shí)間進(jìn)行組裝。發(fā)射部件的最大尺寸為直徑8.4m,長32m;發(fā)射的每個(gè)部件的最大質(zhì)量是50t(包括發(fā)射段整流罩和空運(yùn)保障設(shè)備)。這樣可以使兩個(gè)21.5t的著陸艙(LM2或LM3)能夠作為一個(gè)發(fā)射部件同時(shí)被發(fā)射到組裝軌道。圖4(a)給出了LM2或LM3兩個(gè)著陸艙在一個(gè)發(fā)射整流罩中的配置?？梢允褂肁resV或漸進(jìn)一次性運(yùn)載火箭(EELV)來發(fā)射這些部件。當(dāng)著陸艙安全到達(dá)停泊軌道,它們將被對接到“發(fā)現(xiàn)號”宇宙飛船的前部對接艙或輔助對接端口。可充氣防熱罩折疊于防熱罩下部環(huán)型箱內(nèi)。飛船在停泊軌道組裝完畢,主推進(jìn)劑箱加滿燃料,執(zhí)行火星探測任務(wù)的宇航員進(jìn)入飛船,做好TMI準(zhǔn)備工作,點(diǎn)火起飛離開近地軌道飛向火星。4.2分段結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)從地球停泊軌道飛往火星停泊軌道時(shí)間為259天,期間LM2和LM3處于休眠模式以節(jié)省能源,自動(dòng)檢測系統(tǒng)周期性對著陸艙進(jìn)研檢測。圖4(b)為從地球飛往火星階段LM2和LM3在飛船上的配置結(jié)構(gòu)。入軌發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火,切入高度550km的圓形火星停泊軌道,然后著陸艙加電進(jìn)行徹底的系統(tǒng)測試。設(shè)計(jì)的任務(wù)方案首先是1個(gè)LM2和2個(gè)LM3用于第一組3名宇航員火星著陸。其中,一個(gè)LM3有乘員艙,另一各LM3只運(yùn)送貨物。LM3最先準(zhǔn)備用于著陸任務(wù),和主飛船分離后,防熱罩充氣展開,進(jìn)入下降修正軌道機(jī)動(dòng)階段。自動(dòng)飛行或遙控飛行到預(yù)定著陸區(qū)域。確定LM3成功著陸后,宇航員進(jìn)入LM2,自動(dòng)導(dǎo)引到LM3著陸地點(diǎn)。圖4(c)為防熱罩充氣形狀。4.3氣動(dòng)減速和懸停LM2和LM3設(shè)計(jì)著陸地點(diǎn)為火星觀測者激光高度計(jì)(MOLA)零高度或偏離火星赤道低于12.5°。這樣可以探測的火星表面面積相當(dāng)大。8個(gè)離軌發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火(圖4(c)),通過防熱罩后部產(chǎn)生推力,使著陸艙脫離火星停泊軌道,進(jìn)入下降階段。該機(jī)動(dòng)策略使LM2進(jìn)入到一個(gè)橢圓形轉(zhuǎn)移軌道,進(jìn)入到高度125km近拱點(diǎn)的火星大氣中。氣動(dòng)減速開始于高度150km進(jìn)入界面,在火星上空高度150～13.9km之間,依靠可燒蝕的防熱罩進(jìn)行氣動(dòng)減速,在13.9km高度時(shí)速度馬赫數(shù)降低到3.0。此時(shí),彈傘筒射出直徑27m的盤縫帶傘,在高度13.3km,Ma=2.7時(shí)完全充滿,穩(wěn)定著陸艙,并在高度5.5km時(shí)將馬赫數(shù)減到0.76。此時(shí),通過8個(gè)固體火箭分離發(fā)動(dòng)機(jī),將防熱罩和4個(gè)著陸架艙蓋拋掉。著陸架艙蓋拋掉后,著陸架展開并鎖住,處于放下狀態(tài)。在高度4.4km,Ma=0.74時(shí),拋掉降落傘,有動(dòng)力下降階段開始。有動(dòng)力下降階段包括重力轉(zhuǎn)向階段和垂直降落階段。此時(shí)推重比為2.0。EDL仿真顯示推重比至少為1.95,才能滿足減速要求。在高度約25m時(shí)進(jìn)行定時(shí)懸停,避免著陸到障礙物上。然后軟著陸到火星表面。4.4lm3和lhm3的分離LM2和LM3是成對工作的,LM2著陸架具有0.6m的沖擊緩沖距離,以及0.6m的調(diào)整水平能力。理想的結(jié)果是LM2和LM3的著陸地點(diǎn)盡可能接近,但不要太接近,避免在有動(dòng)力下降階段LM2下降發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣損傷LM3,最小200m的距離足夠了。雖然LM3能夠每天行走1km,但是LM2必須著陸在24km范圍內(nèi),在電能消耗殆盡之前和LM3會(huì)合。塵暴和惡劣地形也限制LM3在24天的行走距離。合理的上限是分離距離不應(yīng)超過10km。精確著陸系統(tǒng)包括氣動(dòng)力操縱、主動(dòng)地形遙感、高精度有動(dòng)力降落操縱和導(dǎo)航系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)著陸10km范圍。LM3表面對接系統(tǒng)從貨艙伸出,和LM2的對接接頭連接。對接完畢后,宇航員有更大的生活空間,LM3中的增壓乘員艙達(dá)到58m3。宇航員居住在LM3中的增壓乘員艙,一直到大的可充氣居住營地建立起來。相比可充氣的居住營地,LM3能夠給宇航員提供更好的輻射、宇宙微塵和碎片防護(hù);發(fā)生火星塵暴時(shí),提供安全保護(hù)。在宇航員離開火星表面前,LM3和LM2分離,離開一定的安全距離,防止被發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣損害。在接下來的任務(wù)中LM3仍然可用。4.5上升軌道航天器在設(shè)計(jì)的上升階段,上升段助推器采用可靠的壓力輸送發(fā)動(dòng)機(jī),使LM2上升段進(jìn)入高度250km的圓形中間軌道。如果上升段軌道飛行器的推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)生故障,主飛船能夠前來進(jìn)行營救。從火星表面到250km中間軌道的上升軌跡是基于火星樣品返回任務(wù)設(shè)計(jì)的。LM2上升軌道利用了241m/s火星赤道旋轉(zhuǎn)速度,設(shè)計(jì)是將宇航員從火星表面運(yùn)送到火星緯度0°±12.5°的中間軌道。上升助推器點(diǎn)火,在上升到高度250km中間軌道過程中,包括120m/s的速度變化用于2.0°的平面改變。上升軌道飛行器可用速度增量包括120m/s用于軌道提升時(shí)2.0°的平面改變,加上用于交會(huì)對接的32m/s。正常上升任務(wù),LM2的上升段使用下降段作為發(fā)射臺(tái),通過爆炸螺栓使上升段和下降段分離,從火星表面發(fā)射,上升段以2.0的推重比快速上升;進(jìn)入高度250km中間軌道后,拋掉助推器,上升軌道飛行器靠重力滑行一段時(shí)間,為提升軌道機(jī)動(dòng)與550km高度的主飛船交會(huì)建立適當(dāng)?shù)某跏紖?shù)。上升助推器留在中間軌道,經(jīng)過一段時(shí)間,高度減低,最終撞到火星表面,或者剩余的推進(jìn)劑使該級脫離軌道。上升軌道飛行器推進(jìn)系統(tǒng)使用霍曼機(jī)動(dòng)提升宇航員到550km高度的圓形停泊軌道。宇航員然后利用軌道飛行器的RCS推進(jìn)器使上升段和主飛船交會(huì)和對接。宇航員進(jìn)入主飛船后,上升軌道飛行器利用剩余的推進(jìn)劑使上升段和主飛船分離。這時(shí),如果是第一個(gè)LM2,第二組著陸乘員準(zhǔn)備返航;如果是第二個(gè)LM2,全體乘員準(zhǔn)備返航射入地球軌道。4.6取消軌道機(jī)動(dòng)在有動(dòng)力下降階段中止任務(wù),爆炸螺栓將上升段和下降段分離,拋掉下降段,助推器發(fā)動(dòng)機(jī)利用推進(jìn)劑供給快速分離裝置,由上升助推器推進(jìn)劑供給,繼續(xù)工作,將LM2的上升段送入上升軌道,在著陸艙速度Ma<0.74,防熱罩和降落傘被拋掉后,該中止軌道機(jī)動(dòng)是可行的。通過5個(gè)中止軌道機(jī)動(dòng)方案仿真,開始高度分別為4.4km、3.0km、2.0km、1.0km和25m,確定上升段推重比至少為2.0,防止和下降段分離后,撞擊火星表面。中止任務(wù)高度越低越危險(xiǎn),修正錯(cuò)誤的余量越小。在25m懸停位置開始中止軌道機(jī)動(dòng)很難,因?yàn)榇怪彼俣刃∮?.0m/s,主發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)關(guān)閉,必須重新啟動(dòng);上升之前,著陸艙從25m驟降到16m。這些方案中,能夠進(jìn)入250km中間軌道,可能不足以進(jìn)