載人火星探測任務方案構想

朱新波，謝 華，徐 亮，陸 希

（1.上海市深空探測技術重點實驗室，上海 200240；2.上海衛星工程研究所，上海 200240；3.上海航天技術研究院，上海 201109）

0 引言

火星是一顆類地行星，位于地球軌道外側，和地球一樣具有自轉和公轉，其自轉速度與地球幾乎相等，同樣具有季節變換、大氣特征。前期火星探測結果表明，火星上具備生命存在的某些必備條件，尤其是水的發現，極大地激發了人類在火星上尋找生命的熱情，成為近二十年來國際深空探測的熱點。隨著人類對火星的了解越來越多，美國宇航局、俄羅斯航天局、歐空局都已開始進行移民火星的科學探索，均計劃在2030年代中期實現人類登陸火星的夢想。其中，美國宇航局在1988年就已開始了載人火星探測方案研究，并形成了迄今為止最權威的載人登陸火星的方案火星參考任務（DRM）系列［1］。我國探月工程和載人航天工程在按計劃進行，火星探測工程也已提上日程。本文結合我國航天實際，圍繞載人火星探測開展技術研究，提出了一種我國在2030年代實施載人探測火星的方案。

1 總體方案概述

載人火星探測擬采用分批式提前部署的方式對整個探測任務進行分解、提前部署［1］。任務分為貨運、載人兩種，每次任務中的貨物須在載人任務前發射到火星，并提前配置火星表面居住、活動設施。其優點是提前部署的貨物采用低能量的軌道，能允許容納更多的載荷。由于載人火星探測任務需要很大的質量，要求有大推力重型運載火箭。通過重型運載火箭的多次發射，在火星發射窗口到達前數月將各艙段在近地軌道準備就緒，并在軌組裝。這些須在火星發射窗口來臨前完成。載人火星任務飛行程序，如圖1所示。

2 任務分析

2.1 任務約束

2.1.1 運載選擇

運載主要選擇我國正在論證的重型運載火箭，其起飛質量大于2 000t，近地軌道（LEO）運載能力約100t，整流罩空間包絡不小于8m［2－3］。

2.1.2 任務目標

在2033～2037年期實施，載人火星任務機組人數為3人，其中登陸火星2人，并帶回約1 00kg火星采樣。

2.1.3 軌道

參照我國載人任務，各級航天器在軌組裝軌道選擇為高度約300km的近地軌道。

火星捕獲軌道選擇為600km×80 000km大橢圓軌道，隨后利用大氣制動使飛船進入300km×300km的火星圓軌道。

2.2 發射窗口及飛行軌道選擇

對載人火星探測任務，軌道選擇中最重要的參數是總的速度增量和總的任務持續時間。速度增量決定了任務所需的燃料量；任務持續時間特別是載人任務持續的時間決定了消耗品質量及航天員輻射劑量。應通過合適的軌道選擇，盡量減少任務所需的速度增量及載人任務持續時間。據此，對第二階段2033年載人登火任務中可能采用的直接地火－火地轉移軌道、金星借力軌道進行比對分析。

2.2.1 借力飛行

借力飛行軌道速度增量及C3能量等高圖如圖2所示。由圖可知：第二階段任務于2033年4月14日在地球300km近地軌道發射，進入地球逃逸軌道；約在2033年10月23日抵達火星，并完成制動捕獲進入600km×80 000km的火星大橢圓軌道。之后，利用火星大氣制動減速，使載人飛船最終進入火星300km圓軌道；上升器與飛船分離，上升器利用氣動外形進行減速并著陸火星表面；根據利用金星引力輔助原則，從火星發射至金星C3要與離開金星至地球C3相當［4－5］。同時根據從火星300km圓軌道發射所需的速度增量盡可能小原則，選取探測器約在2033年12月8日離開火星，前往金星，約在2034年6月9日通過金星引力輔助改變軌道，飛向地球，于2034年11月22日左右抵達地球。第二階段飛行過程共計629d，奔火234d，大氣制動20d，火表停留25d，返回350d。

2.2.2 直接轉移

圖1 載人火星任務飛行程序Fig.1 Flight procedure of manned Mars mission

圖2 借力飛行軌道速度增量及C3能量等高圖Fig.2 Velocity increment andC3energy of gravity assist orbit

圖3 直接轉移軌道速度增量等高圖Fig.3 Velocity increment of direct transfer orbit

直接轉移軌道速度增量等高圖如圖3所示。由圖可知：采用直接轉移軌道時，第二階段任務前期與借力飛行一致。根據從火星返回地球所需總的速度增量盡可能小原則，最終選取探測器約在2035年5月4日離開火星，約在2035年11月21日附近抵達地球。第二階段飛行過程共計993d，奔火234d，大氣制動20d，火表停留538d，返回201d。

2.2.3 比對

載人火星任務載人飛船軌道比較見表1。由表1可知：在2033年執行載人飛船任務時，直接轉移軌道所需的總速度增量較小，任務持續時間長；利用金星進行借力返回地球在火星表面可停留時間短，但2033年借力返回窗口速度增量較大。綜合考慮航天員所受的輻射劑量、所需的消耗品（水、食物、氧氣等）、航天員安全等因素，對本次載人火星任務，采用在返回地球時可利用飛越金星縮短任務周期的方案；同時考慮在軌故障情況下，如果無法完成金星借力返回則在軌停留至直接轉移窗口再返回地球。

3 總體方案

3.1 方案概述

載人火星任務由貨運、載人任務組成，飛船由多級艙段組成。按最大程度的通用化設計，各飛行器能有效滿足地球軌道運輸，并在近地軌道實施在軌裝配。整個任務包括貨運飛船1艘，載人飛船1艘，以及相應的任務支持系統，如圖4所示。

表1 載人火星任務載人飛船軌道比較Tab.1 Comparison of crew subtask orbit about manned Mars mission

圖4 載人火星任務組成Fig.4 Composition of manned Mars mission

按分批式提前部署的原則，貨運飛船比載人飛船提前1個發射窗口左右（約26個月）離開地球。一艘貨運飛船主要承擔火表居住艙的運輸任務，一艘載人飛船主要承擔火星軌道居住艙、上升飛行器、著陸返回艙的運輸任務。

第一階段的主要任務是提前部署火表居住艙，同時驗證在軌多級組裝技術，驗證直接進入著陸火星的氣動外形，以及進入、降落、著陸過程（EDL）的其他技術。

第二階段的主要任務是在第一階段任務的基礎上，實施載人任務。

3.2 系統組成

貨運、載人飛船如圖5所示。貨運飛船包括推進艙4個、降落平臺、火表居住艙；載人飛船包括推進艙6個、在軌居住艙、降落平臺、上升飛行器、著陸軌道艙。

a）推進艙

推進艙裝載燃料，提供地球逃逸、地火轉移修正、火星制動、火星逃逸等各階段所需的速度增量，以實現將飛船運往火星軌道或從火星軌道返回地球軌道。根據重型運載發射能力、整流罩包絡空間要求，結合運載及大衛星的燃質比，推進艙初步設計為：結構本體直徑8m，長9m，總體質量約100t，裝載燃料為四氧化二氮、一甲基肼，質量85t，太陽帆板3m×4m（共2塊），推力4×20kN。由燃料預算可知：為完成載人火星計劃，貨運飛船需攜帶推進艙4個，載人飛船需攜帶推進艙6個。推進艙外部構型如圖6所示。

圖5 貨運、載人飛船概念Fig.5 Concept of cargo and crew spaceships

圖6 推進艙外形Fig.6 Pprofile of propulsion module

b）降落平臺

降落平臺具有氣動外形以及反推發動機等裝置，用于完成火表居住艙、上升飛行器、著陸返回艙等艙段的火星著陸。在進入火星大氣后，利用氣動外形對整個進入部分進行減速；在接近火星表面后，利用反推發動機進一步減速，使有效載荷完成火表著陸。同時，為在火星表面完成精確著陸，降落平臺的動力下降過程需使用多個變推力器組合協調控制，完成火星表面的懸停避障等功能。降落平臺的主要技術指標為；總體質量10t，燃料為四氧化二氮和一甲基肼，質量2.5t，反推推力變推力1～20kN（8臺），高度7m，大底直徑8m。降落平臺的外形如圖7所示。

圖7 降落平臺外形Fig.7 Profile of descent module

c）火表居住艙

火表居住艙包括火星實驗系統、火表生命支持系統、火表電力系統、就地資源系統、表面移動系統等系統。在航天員登陸火星前，用于完成對火星表面環境的詳細探測、火星表面發電以及就地資源利用等活動；在航天員登陸火星后，可利用表面移動系統完成火星表面探測活動，同時可作為航天員在火星表面生活工作場所。根據降落平臺內部空間包絡和火星表面軟著陸的要求，火表居住艙指標初步分配為：總體質量20t，移動系統質量3t，燃料質量4t，總高6m，可活動空間20m3，最大直徑6m。火表居住艙的外形如圖8所示。

圖8 火表居住艙外形Fig.8 Profile of Mars surface living module

d）軌道居住艙

軌道居住艙將在巡航、環火期間，為航天員生命保障、對地通信、數據處理等提供基本功能，并且作為巡航、環火期間航天員居住的空間。保障航天員在軌駐留期間的生活和工作，保證航天員安全，同時開展深空應用（包括深空環境、深空物理探測等）、空間科學實驗、深空醫學實驗等。該艙段將充分繼承我國天宮系列飛行器技術。軌道居住艙主要技術指標為總體質量10t，消耗品質量6t，可活動空間50m3，總長8m，主圓柱體直徑4m，太陽帆板3m×4m（6塊），可活動空間達50m3，能同時滿足3名航天員長期在軌工作、生活的需要。居住艙在為載人飛船飛行提供能源保障、控制飛行姿態軌道的同時，還負責航天員工作、訓練、生活、睡眠，并設有使航天員保持身體骨骼強健的健身區。軌道居住艙的外形如圖9所示。

圖9 軌道居住艙外形Fig.9 Profile of orbital living module

e）上升飛行器

上升飛行器通過反推發射將乘坐航天員的著陸返回艙從火星表面送至火星軌道。在繼承火表居住艙技術的基礎上，為提高上升飛行器的逃離火星速度增量，上升飛行器使用了兩級分離式推進方案。上升飛行器主要技術指標為：總體質量17.5t，燃料為四氧化二氮、一甲基肼，其中一級燃料質量10t，二級燃料質量4t，總高4.5m，最大直徑6m。上升飛行器外形如圖10所示。

圖10 上升飛行器外形Fig.10 Profile of ascent flight vehicle module

f）著陸返回艙

著陸返回艙作為航天員的乘坐飛行器，將航天員從火星軌道送至火星表面，同時用于直接返回地球。著陸返回艙繼承我國神舟飛船返回艙技術，利用氣動外形和降落傘完成地球返回任務。著陸返回艙的主要技術指標為：總體質量2.5t，總高2m，外形為鐘形，直徑2.4m，容積4m3，乘員數3人。著陸返回艙外形如圖11所示［6］。

g）任務支持系統

該系統主要包括重型運載、測控網，用于完成飛船各級艙段的發射入軌以及整個任務器間的測控。

3.3 質量預算

載人火星任務航天器質量預算如下：

a）貨運飛船 推進艙4×100t，降落平臺10t，火表居住艙20t，共430t；

b）載人飛船 推進艙6×100t，降落平臺10t，上升飛行器17.5t，著陸返回艙2.5t，在軌居住艙10t，共630t。

整個載人火星任務需要向近地軌道發射航天器總質量1 060t。其中：重型運載發射10次，每次100t；長征五號運載火箭發射3次。

3.4 速度增量預算

各階段速度增量如下：

a）貨運飛船 地球逃逸段3.65km／s，火星捕獲1.30km／s；

b）載人飛船 地球逃逸段3.57km／s，火星捕獲1.22km／s；返回地球段，借力金星時4.33km／s，直接返回時2.38km／s。

3.5 飛行過程

載人火星探測飛行過程可分為三個階段（如圖1所示）。

第一階段：利用2031年發射窗口，通過發射重型運載火箭4次、長征五號運載火箭1次將貨運飛船各組件送至近地軌道；在軌裝配；裝配完成后，貨運飛船在近地軌道利用推進艙進行加速；在獲得足夠的速度后，脫離地球軌道飛往火星；接近火星后，降落平臺與推進艙分離，攜帶火表居住艙直接進入火星；貨運飛船用推進艙制動捕獲，利用火星大氣進行制動，最終進入近火軌道。

第二階段：利用2033年發射窗口，通過發射重型運載火箭6次、長征五號運載火箭1次將載人飛船各組件送至近地軌道；在軌裝配；裝配完成后，載人飛船在近地軌道利用推進艙進行加速；在獲得足夠的速度后，脫離地球軌道飛往火星；接近火星后，降落平臺與推進艙分離，攜帶上升飛行器、著陸返回艙直接進入火星；載人飛船利用推進艙制動捕獲，利用火星大氣進行制動，最終進入近火軌道。

第三階段：在火星表面探測25d后，用上升飛行器將著陸返回艙運送至近火軌道；著陸返回艙與上升飛行器分離，并與載人飛船組合裝配；裝配完成后，載人飛船在近火軌道利用推進艙進行加速；在獲得足夠的速度后，脫離火星軌道飛往金星，借力金星，改變軌道，飛往地球；接近地球后，著陸返回艙直接進入地球。

載人火星任務飛行程序見表2。

表2 載人火星任務飛行程序Tab.2 Flight procedure of manned Mars mission

4 關鍵技術

載人火星探測是當前國外載人深空探測發展的方向之一。人類為載人探測火星項目進行了多次嘗試，包括美國、俄羅斯在內的世界主要航天國家認為這是空間探測中最有挑戰的任務之一。雖然本文設想的載人火星實施方案主要基于現有技術，但仍有多個需攻關的關鍵技術。

a）軌道優化

針對未來可能采取的火星載人探測方案，進行近地軌道發射、地火轉移、火星進入、火表上升、火（金）地轉移和再入地球的飛行全過程綜合優化，目標是提出滿足人員安全與空間耐受能力約束、燃料需求較少、飛行時間較短的軌道方案。載人火星探測的軌道優化技術主要包含多體軌道動力學建模、誤差分析與數值算法、天體借力飛行軌道設計方法、探測器設計參數對軌道參數的影響分析等研究，需在進一步掌握星際空間和火星周邊環境參數的基礎上，通過理論方法和數值算法的創新，實現滿足約束、精度達標的飛行全程軌道設計。

b）火星空氣動力減速

降落平臺的氣動外形減速過程是火星進入著陸過程中第一個關鍵步驟。載人火星探測的降落平臺質量大、速度高，在火星稀薄的大氣中進行高效的氣動減速技術的難度很大。目前，載人著陸系統設計的最終結果還存在較大的不確定性，火星空氣動力減速技術仍有發展空間，其主要攻關方向有高超聲速氣動外形設計、高超聲速飛行器高穩控制和高超聲速飛行制導等。

c）熱防護

在地外有大氣行星著陸探測領域，熱防護技術是世界公認的、有待進一步提高和發展的關鍵技術之一。熱防護技術與降落平臺氣動外形設計和高性能燒蝕材料等高度相關，而熱防護系統的研發需綜合考慮多方設計因素和新材料技術水平，難度較大。對載人火星任務而言，熱防護主要攻關方向包括低密度隔熱材料、疏導式熱防護、防熱結構集成和熱力耦合分析等技術［7］。

d）精確著陸

在載人火星探測任務中，貨物資源將先于人員抵達火星，后續載人著陸器須具備精確著陸能力才能確保與之會合。在進入平臺完成氣動外形減速后，將進入具有主動控制的動力下降階段，而高精度的控制是準確著陸在預定位置的前提。火星環境與地月環境差距較大，且火星與地球距離遙遠無法實現著陸實時控制，目前已有的月球著陸和地球回收技術不能直接應用，因此實現火星表面的精確著陸具有非常大的挑戰性。該技術主要涉及在火星著陸區實時評估與選擇、動力下降過程的高精度GNC、火星表面長時間懸停與垂降和火星表面障礙識別與自主避障等。

e）先進居住與活動

在往返火星的過程中和火星表面勘探期間，需為航天員提供適宜居住的空間和艙外活動設備，便于航天員在軌道居住艙及火表駐留艙內外活動，同時需考慮最大限度地減少探測任務的運輸質量。綜合兩方面的需求，發展火星探測先進居住與活動技術勢在必行，主要攻關方向包括輕型可展開結構（如可膨脹式居住艙）、行星表面敏捷活動裝置、高性能輻射防護和自循環生命支持等技術。

f）航天員醫療保健

航天員是載人探測任務最重要的組成部分，任何有效載荷的重要性都無法與人相提并論。在地火飛行和火星表面活動過程中，需要航天員將工作效率都保持較高的水平，必須提供周全的措施保障航天員的身心健康。航天員醫療保健系統須提供適當的醫療護理、環境監測和調控以及人體效率優化。該技術主要攻關方向涉及深空長時間輻射防護、微重力下失調效應減弱、孤立狹窄環境中航天員生理心理壓力緩解等技術。

5 結束語

本文從探索的角度，結合我國航天技術現狀和發展趨勢，設想了我國未來2030年代載人登陸火星探測的實施方案，并初步分析了發射窗口、軌道及飛行過程，梳理了載人火星探測關鍵技術，為后續在載人火星探測提供了一個解決思路，有一定的參考意義。

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［3］ 李宇飛，高朝輝，劉 偉.重型運載火箭在深空探測領域的應用［C］／／中國宇航學會深空探測技術專業委員會第八屆學術年會論文集（下）.上海：中國宇航學會，2011：616-621.

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［6］ 李頤黎，戚發軔.“神舟號”飛船總體與返回方案的優化與實施［J］.航天返回與遙感，2012，32（6）：4-6.

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