自從1972年12月阿波羅17號的乘員離開月球表面後,人類就一直渴望重返月球。2017年,美國政府啟動瞭“阿爾忒彌斯”計劃,打算在2024年前將“第一個女性和下一個男性”宇航員帶到月球南極。“阿爾忒彌斯”任務將使用一個新的軌道平臺,被稱為 "月球門戶",它將成為一個永久性的空間站,可重復使用的模塊將從這裡把宇航員帶回月球。這種新方法需要重新分析最佳的著陸方式;與NASA簽約設計可重復使用的著陸艙的私人公司正在進行這項研究,但他們的研究結果不公開。
Skoltech公司的碩士生Kir Latyshev、博士生Nicola Garzaniti、副教授Alessandro Golkar和麻省理工學院的Edward Crawley開發瞭數學模型,以評估未來“阿爾忒彌斯”任務的載人著陸系統最有希望的方案。例如,阿波羅計劃采用瞭2級架構,當時阿波羅月球艙由下降艙和上升艙組成,能夠搭載兩人到月球表面並返回,留下下降艙。
該團隊假設 "月球門戶"位於L2近直線暈軌道,這是目前首選的方案,即月球站圍繞拉格朗日點L2運行,這樣更容易在月球南極著陸。他們還模擬瞭一個由4名宇航員組成的探險隊,他們將在月球上停留7天左右。科學傢們既考慮瞭系統的最佳級數,也考慮瞭系統的首選推進劑。他們總共經歷瞭39種未來月球載人登陸系統的變體,還為最有希望的方案建立瞭成本模型。
該團隊通過一種全面的方法來評估月球載人著陸器的替代概念,利用架構篩選模型考察瞭大量的方案。他們首先確定瞭一套關鍵的結構決策,如著陸器每個階段要采用的級數和推進劑類型。他們將這些信息組織在數學模型中,並對來自不同架構決策組合的替代系統架構進行瞭全面的計算探索。最後,他們分析瞭由此產生的交易空間,並確定瞭首選的架構,供設計人類登月器的利益相關者考慮。
他們的分析表明,對於消耗性著陸系統,如阿波羅計劃中使用的系統,2級架構確實是最有利的,因為它的總幹質量和推進劑載荷都較低,而且每次任務的發射成本也較低。然而,對於計劃在“阿爾忒彌斯”計劃中使用的可重復使用的飛行器,1級和3級系統的優勢很快就變得不相上下。
在考慮到論文中的所有假設的情況下,對於一些短途 "短程 "型月球任務來說,"最終 "的贏傢是以液氧和液氫(LOX/LH2)運行的一級可重復使用艙。作者指出,這是一個初步分析,沒有考慮到乘員的安全、任務成功的概率以及項目管理的風險因素--這些都需要在計劃的後期階段進行更詳細的建模。
Kir Latyshev指出,對於阿波羅計劃,NASA的工程師們也做瞭類似的分析,並選擇瞭2級月球艙。然而,當時月球任務的整體架構是不同的。它沒有一個軌道月球站來保持月球艙在任務之間的位置,這意味著所有的ALM飛行都應該直接從地球上進行。這也意味著使用完全消耗性的月球艙(每次任務都有一個新的飛行器),而不是現在考慮的可重復使用的月球艙。除此之外,如果沒有月球空間站,目前的方案之一--3級著陸系統--根本不可能實現。