朱新波，謝 華，徐 亮，陸 希

（1.上海市深空探測技術(shù)重點實驗室，上海 200240；2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240；3.上海航天技術(shù)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(cè)，和地球一樣具有自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，其自轉(zhuǎn)速度與地球幾乎相等，同樣具有季節(jié)變換、大氣特征。前期火星探測結(jié)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(fā)現(xiàn)，極大地激發(fā)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(xué)探索，均計劃在2030年代中期實現(xiàn)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(quán)威的載人登陸火星的方案火星參考任務(wù)（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(jié)合我國航天實際，圍繞載人火星探測開展技術(shù)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(wù)進行分解、提前部署［1］。任務(wù)分為貨運、載人兩種，每次任務(wù)中的貨物須在載人任務(wù)前發(fā)射到火星，并提前配置火星表面居住、活動設(shè)施。其優(yōu)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(wù)需要很大的質(zhì)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(fā)射，在火星發(fā)射窗口到達(dá)前數(shù)月將各艙段在近地軌道準(zhǔn)備就緒，并在軌組裝。這些須在火星發(fā)射窗口來臨前完成。載人火星任務(wù)飛行程序，如圖1所示。

2 任務(wù)分析

2.1 任務(wù)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(zhì)量大于2 000t，近地軌道（LEO）運載能力約100t，整流罩空間包絡(luò)不小于8m［2－3］。

2.1.2 任務(wù)目標(biāo)

在2033～2037年期實施，載人火星任務(wù)機組人數(shù)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(wù)，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(fā)射窗口及飛行軌道選擇

對載人火星探測任務(wù)，軌道選擇中最重要的參數(shù)是總的速度增量和總的任務(wù)持續(xù)時間。速度增量決定了任務(wù)所需的燃料量；任務(wù)持續(xù)時間特別是載人任務(wù)持續(xù)的時間決定了消耗品質(zhì)量及航天員輻射劑量。應(yīng)通過合適的軌道選擇，盡量減少任務(wù)所需的速度增量及載人任務(wù)持續(xù)時間。據(jù)此，對第二階段2033年載人登火任務(wù)中可能采用的直接地火－火地轉(zhuǎn)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(wù)于2033年4月14日在地球300km近地軌道發(fā)射，進入地球逃逸軌道；約在2033年10月23日抵達(dá)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(jù)利用金星引力輔助原則，從火星發(fā)射至金星C3要與離開金星至地球C3相當(dāng)［4－5］。同時根據(jù)從火星300km圓軌道發(fā)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(dá)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(zhuǎn)移

圖1 載人火星任務(wù)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(zhuǎn)移軌道速度增量等高圖Fig.3 Velocity increment of direct transfer orbit

直接轉(zhuǎn)移軌道速度增量等高圖如圖3所示。由圖可知：采用直接轉(zhuǎn)移軌道時，第二階段任務(wù)前期與借力飛行一致。根據(jù)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(dá)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(wù)載人飛船軌道比較見表1。由表1可知：在2033年執(zhí)行載人飛船任務(wù)時，直接轉(zhuǎn)移軌道所需的總速度增量較小，任務(wù)持續(xù)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(wù)，采用在返回地球時可利用飛越金星縮短任務(wù)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(zhuǎn)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(wù)由貨運、載人任務(wù)組成，飛船由多級艙段組成。按最大程度的通用化設(shè)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(wù)包括貨運飛船1艘，載人飛船1艘，以及相應(yīng)的任務(wù)支持系統(tǒng)，如圖4所示。

表1 載人火星任務(wù)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(wù)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(fā)射窗口左右（約26個月）離開地球。一艘貨運飛船主要承擔(dān)火表居住艙的運輸任務(wù)，一艘載人飛船主要承擔(dān)火星軌道居住艙、上升飛行器、著陸返回艙的運輸任務(wù)。

第一階段的主要任務(wù)是提前部署火表居住艙，同時驗證在軌多級組裝技術(shù)，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(shù)。

第二階段的主要任務(wù)是在第一階段任務(wù)的基礎(chǔ)上，實施載人任務(wù)。

3.2 系統(tǒng)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(zhuǎn)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(xiàn)將飛船運往火星軌道或從火星軌道返回地球軌道。根據(jù)重型運載發(fā)射能力、整流罩包絡(luò)空間要求，結(jié)合運載及大衛(wèi)星的燃質(zhì)比，推進艙初步設(shè)計為：結(jié)構(gòu)本體直徑8m，長9m，總體質(zhì)量約100t，裝載燃料為四氧化二氮、一甲基肼，質(zhì)量85t，太陽帆板3m×4m（共2塊），推力4×20kN。由燃料預(yù)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(gòu)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(fā)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(fā)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(xié)調(diào)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(shù)指標(biāo)為；總體質(zhì)量10t，燃料為四氧化二氮和一甲基肼，質(zhì)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(tǒng)、火表生命支持系統(tǒng)、火表電力系統(tǒng)、就地資源系統(tǒng)、表面移動系統(tǒng)等系統(tǒng)。在航天員登陸火星前，用于完成對火星表面環(huán)境的詳細(xì)探測、火星表面發(fā)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(tǒng)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(jù)降落平臺內(nèi)部空間包絡(luò)和火星表面軟著陸的要求，火表居住艙指標(biāo)初步分配為：總體質(zhì)量20t，移動系統(tǒng)質(zhì)量3t，燃料質(zhì)量4t，總高6m，可活動空間20m3，最大直徑6m?；鸨砭幼∨摰耐庑稳鐖D8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(huán)火期間，為航天員生命保障、對地通信、數(shù)據(jù)處理等提供基本功能，并且作為巡航、環(huán)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(yīng)用（包括深空環(huán)境、深空物理探測等）、空間科學(xué)實驗、深空醫(yī)學(xué)實驗等。該艙段將充分繼承我國天宮系列飛行器技術(shù)。軌道居住艙主要技術(shù)指標(biāo)為總體質(zhì)量10t，消耗品質(zhì)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(dá)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(tài)軌道的同時，還負(fù)責(zé)航天員工作、訓(xùn)練、生活、睡眠，并設(shè)有使航天員保持身體骨骼強健的健身區(qū)。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(fā)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(shù)的基礎(chǔ)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(shù)指標(biāo)為：總體質(zhì)量17.5t，燃料為四氧化二氮、一甲基肼，其中一級燃料質(zhì)量10t，二級燃料質(zhì)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(shù)，利用氣動外形和降落傘完成地球返回任務(wù)。著陸返回艙的主要技術(shù)指標(biāo)為：總體質(zhì)量2.5t，總高2m，外形為鐘形，直徑2.4m，容積4m3，乘員數(shù)3人。著陸返回艙外形如圖11所示［6］。

g）任務(wù)支持系統(tǒng)

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

3.3 質(zhì)量預(yù)算

載人火星任務(wù)航天器質(zhì)量預(yù)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(wù)需要向近地軌道發(fā)射航天器總質(zhì)量1 060t。其中：重型運載發(fā)射10次，每次100t；長征五號運載火箭發(fā)射3次。

3.4 速度增量預(yù)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(fā)射窗口，通過發(fā)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(fā)射窗口，通過發(fā)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(wù)飛行程序見表2。

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

4 關(guān)鍵技術(shù)

載人火星探測是當(dāng)前國外載人深空探測發(fā)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(nèi)的世界主要航天國家認(rèn)為這是空間探測中最有挑戰(zhàn)的任務(wù)之一。雖然本文設(shè)想的載人火星實施方案主要基于現(xiàn)有技術(shù)，但仍有多個需攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。

a）軌道優(yōu)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(fā)射、地火轉(zhuǎn)移、火星進入、火表上升、火（金）地轉(zhuǎn)移和再入地球的飛行全過程綜合優(yōu)化，目標(biāo)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(yōu)化技術(shù)主要包含多體軌道動力學(xué)建模、誤差分析與數(shù)值算法、天體借力飛行軌道設(shè)計方法、探測器設(shè)計參數(shù)對軌道參數(shù)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(huán)境參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過理論方法和數(shù)值算法的創(chuàng)新，實現(xiàn)滿足約束、精度達(dá)標(biāo)的飛行全程軌道設(shè)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(guān)鍵步驟。載人火星探測的降落平臺質(zhì)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(shù)的難度很大。目前，載人著陸系統(tǒng)設(shè)計的最終結(jié)果還存在較大的不確定性，火星空氣動力減速技術(shù)仍有發(fā)展空間，其主要攻關(guān)方向有高超聲速氣動外形設(shè)計、高超聲速飛行器高穩(wěn)控制和高超聲速飛行制導(dǎo)等。

c）熱防護

在地外有大氣行星著陸探測領(lǐng)域，熱防護技術(shù)是世界公認(rèn)的、有待進一步提高和發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。熱防護技術(shù)與降落平臺氣動外形設(shè)計和高性能燒蝕材料等高度相關(guān)，而熱防護系統(tǒng)的研發(fā)需綜合考慮多方設(shè)計因素和新材料技術(shù)水平，難度較大。對載人火星任務(wù)而言，熱防護主要攻關(guān)方向包括低密度隔熱材料、疏導(dǎo)式熱防護、防熱結(jié)構(gòu)集成和熱力耦合分析等技術(shù)［7］。

d）精確著陸

在載人火星探測任務(wù)中，貨物資源將先于人員抵達(dá)火星，后續(xù)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(zhǔn)確著陸在預(yù)定位置的前提。火星環(huán)境與地月環(huán)境差距較大，且火星與地球距離遙遠(yuǎn)無法實現(xiàn)著陸實時控制，目前已有的月球著陸和地球回收技術(shù)不能直接應(yīng)用，因此實現(xiàn)火星表面的精確著陸具有非常大的挑戰(zhàn)性。該技術(shù)主要涉及在火星著陸區(qū)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(shè)備，便于航天員在軌道居住艙及火表駐留艙內(nèi)外活動，同時需考慮最大限度地減少探測任務(wù)的運輸質(zhì)量。綜合兩方面的需求，發(fā)展火星探測先進居住與活動技術(shù)勢在必行，主要攻關(guān)方向包括輕型可展開結(jié)構(gòu)（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(huán)生命支持等技術(shù)。

f）航天員醫(yī)療保健

航天員是載人探測任務(wù)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(yī)療保健系統(tǒng)須提供適當(dāng)?shù)尼t(yī)療護理、環(huán)境監(jiān)測和調(diào)控以及人體效率優(yōu)化。該技術(shù)主要攻關(guān)方向涉及深空長時間輻射防護、微重力下失調(diào)效應(yīng)減弱、孤立狹窄環(huán)境中航天員生理心理壓力緩解等技術(shù)。

5 結(jié)束語

本文從探索的角度，結(jié)合我國航天技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，設(shè)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(fā)射窗口、軌道及飛行過程，梳理了載人火星探測關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)在載人火星探測提供了一個解決思路，有一定的參考意義。

［1］ DRAKE B G.Human exploration of Mars design referenc rrcbitecture 5.0［R］.NASA-SP-2009-566.

［2］ 何 巍，劉 偉，龍 樂.重型運載火箭及其應(yīng)用探討［J］.導(dǎo)彈與航天運載技術(shù)，2011（1）：1-5.

［3］ 李宇飛，高朝輝，劉 偉.重型運載火箭在深空探測領(lǐng)域的應(yīng)用［C］／／中國宇航學(xué)會深空探測技術(shù)專業(yè)委員會第八屆學(xué)術(shù)年會論文集（下）.上海：中國宇航學(xué)會，2011：616-621.

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［5］ BYMES D V，LONGSKI J M，ALDRIN B.The cycler orbits between earth and Mars［J］.Journal of Spacecraft and Rockets，1993，30：334-335.

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

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