葉培建,果琳麗,張志賢,王 平,田 林

(1.中國(guó)空間技術(shù)研究院,北京100094；2.中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部,北京100094)

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有人參與深空探測(cè)任務(wù)面臨的風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)挑戰(zhàn)

葉培建1,果琳麗2,張志賢2,王 平2,田 林2

(1.中國(guó)空間技術(shù)研究院,北京100094；2.中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部,北京100094)

摘要：有人參與的深空探測(cè)工程是無(wú)人深空探測(cè)工程和載人航天工程的有機(jī)結(jié)合，是未來(lái)航天技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。與無(wú)人深空探測(cè)工程相比，有人參與的深空探測(cè)系統(tǒng)更加復(fù)雜、難度更大、要求更高。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)梳理，提出了4個(gè)方面面臨的風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)挑戰(zhàn)，即保障人員精確可靠到達(dá)、著陸地外天體并安全起飛返回地球，保障人員在長(zhǎng)期飛行及長(zhǎng)期駐留任務(wù)時(shí)的居住及生活環(huán)境，保障人員在地外天體的大范圍機(jī)動(dòng)作業(yè)，保障人員長(zhǎng)期任務(wù)中的健康和安全。解決上述技術(shù)問(wèn)題可為后續(xù)開(kāi)展有人參與的深空探測(cè)任務(wù)指明方向。

關(guān)鍵詞：載人航天；深空探測(cè)；技術(shù)難點(diǎn)；發(fā)展策略

1 前言

有人參與的深空探測(cè)任務(wù)是指以月球、小行星、火星及其衛(wèi)星為目標(biāo)的有人類航天員直接參與的地外天體探測(cè)任務(wù)［1］,航天器的飛行任務(wù)包括去、登、駐、用、回等飛行過(guò)程,包括短期、中期和長(zhǎng)期任務(wù)。有人參與的深空探測(cè)任務(wù)是未來(lái)以月球?yàn)榇淼纳羁仗綔y(cè)工程和載人航天工程發(fā)展的必然結(jié)合。

有人參與深空探測(cè)的必要性主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面：1)從人類自身角度看,人類探索未知世界的本能及好奇心決定了人類參與深空探測(cè)是必然的；2)從人類社會(huì)發(fā)展的角度看,人類社會(huì)生產(chǎn)力持續(xù)發(fā)展的前進(jìn)性與地球資源、空間的有限性之間的矛盾,以及人類拓展生存空間的客觀規(guī)律,決定了有人參與深空探測(cè)是必然的；3)從人類特性角度看,人類區(qū)別于機(jī)器的生物特性和智慧特性決定了有人參與深空探測(cè)任務(wù)是必然的；4)從國(guó)家與民族發(fā)展角度看,有人參與深空探測(cè)對(duì)國(guó)家未來(lái)?yè)屨忌羁仗綔y(cè)主動(dòng)權(quán)和制高點(diǎn)有著不可估量的戰(zhàn)略意義；5)作為國(guó)家重大科技工程,有人參與深空探測(cè)工程在引領(lǐng)科學(xué)研究和工程技術(shù)跨越式發(fā)展方面具有重要的戰(zhàn)略意義。

有人參與的深空探測(cè)任務(wù)發(fā)展原則遵循“以有人參與為目的,先期開(kāi)展多項(xiàng)無(wú)人深空探測(cè)任務(wù),將無(wú)人與有人深空探測(cè)任務(wù)融合發(fā)展,逐步突破核心關(guān)鍵技術(shù),帶動(dòng)科學(xué)技術(shù)的跨越式發(fā)展”,這也是人類探索宇宙、走向深空的基本發(fā)展原則。

本文以系統(tǒng)工程的視角,對(duì)比無(wú)人深空探測(cè)任務(wù),從保障人員精確可靠到達(dá)、著陸地外天體并安全起飛返回地球,保障人員在長(zhǎng)期飛行及長(zhǎng)期駐留任務(wù)時(shí)的居住及生活環(huán)境,保障人員在地外天體的大范圍機(jī)動(dòng)和作業(yè)以及保障人員長(zhǎng)期任務(wù)中的健康和安全四個(gè)方面系統(tǒng)地分析了有人參與的深空探測(cè)所面臨的風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)挑戰(zhàn),旨在為后續(xù)有人參與的深空探測(cè)技術(shù)發(fā)展點(diǎn)明方向。

2 有人參與深空探測(cè)任務(wù)面臨的風(fēng)險(xiǎn)

有人參與的深空探測(cè)任務(wù)重點(diǎn)圍繞“去、登、駐、用、回”以及“人”等方面進(jìn)行研究,可劃分為四個(gè)方面的突出科技問(wèn)題：

1)“去、登、回”的問(wèn)題：面向有人參與的深空探測(cè)任務(wù)的特點(diǎn),解決運(yùn)載火箭發(fā)射、載人航天器深空運(yùn)輸、地外天體進(jìn)入、著陸、起飛以及再入返回等飛行過(guò)程面臨的科技問(wèn)題,即解決如何保障人員精確可靠到達(dá)、著陸地外天體并安全起飛返回地球的問(wèn)題。

與無(wú)人探測(cè)相比,有人參與深空探測(cè)任務(wù)在“去、登、回”方面主要特點(diǎn)是由于載人航天器規(guī)模大幅度增加(如圖1所示)以及對(duì)精確性、安全性和可靠性的更高要求,使得在發(fā)射過(guò)程、飛行過(guò)程、進(jìn)入/再入過(guò)程、著陸以及起飛過(guò)程中,技術(shù)難度都有顯著提升。對(duì)運(yùn)載火箭、發(fā)動(dòng)機(jī)、熱防護(hù)、著陸緩沖、再入回收等技術(shù)均提出了新的更高的要求。美國(guó)Apollo計(jì)劃用到的土星五號(hào)火箭(近地軌道運(yùn)載能力約119噸)以及星座計(jì)劃戰(zhàn)神五號(hào)火箭,其運(yùn)載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于我國(guó)當(dāng)前火箭能力(即將首飛的CZ-5運(yùn)載火箭運(yùn)載能力為25噸),如圖2所示。

2)“駐”的問(wèn)題：面向長(zhǎng)期飛行及地外天體長(zhǎng)期駐留任務(wù),如月球基地任務(wù)、載人火星探測(cè)任務(wù)等,解決保障人類的居住、生活、環(huán)境所面臨的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題,即解決如何保障人員在長(zhǎng)期飛行及長(zhǎng)期駐留任務(wù)時(shí)的居住及生活環(huán)境問(wèn)題。

圖1 無(wú)人深空探測(cè)與有人深空探測(cè)著陸器規(guī)模對(duì)比圖Fig.1 Comparison of the scale of lunar lander for manned deep space exploration and lunar lander for unmanned deep space exploration

圖2 無(wú)人深空探測(cè)與有人深空探測(cè)運(yùn)載火箭規(guī)模對(duì)比圖Fig.2 Comparison of the scale of rocket for manned deep space exploration and rocket for unmanned deep space exploration

與無(wú)人任務(wù)相比,人是生命體,有人參與的深空探測(cè)任務(wù),必須要解決人類在地外極端環(huán)境下的生存。構(gòu)建人類賴以生存的居住環(huán)境,提供維持生命延續(xù)的食品和空氣,這些都是有人參與的深空探測(cè)所必須要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

3)“用”的問(wèn)題：“用”是有人參與的深空探測(cè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo),旨在對(duì)地外星體實(shí)施開(kāi)發(fā)利用,甚至長(zhǎng)期移民。面向航天員在地外天體機(jī)動(dòng)和作業(yè)及開(kāi)發(fā)利用外太空資源的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo),解決人類在地外天體作業(yè)及開(kāi)發(fā)利用外太空資源所涉及到的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題,即解決如何保障人員在地外天體的大范圍機(jī)動(dòng)和作業(yè)問(wèn)題。

這一過(guò)程主要以資源利用為目標(biāo),主要包括地形探測(cè)、資源探測(cè)、資源采集(開(kāi)發(fā))、資源運(yùn)輸、資源處理等,除此之外還將進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)、建造維修等作業(yè)活動(dòng)。面向地外星體的特殊環(huán)境條件,為完成上述活動(dòng),必須解決星體表面的大范圍機(jī)動(dòng),航天員出艙活動(dòng)支持,科學(xué)設(shè)備載荷安裝等相關(guān)問(wèn)題。這些技術(shù)均是有人參與的深空探測(cè)的特有問(wèn)題,涉及范圍廣、技術(shù)難度大。

4)“人”的問(wèn)題：人是有人參與的深空探測(cè)任務(wù)的核心,有人的存在就要在任何時(shí)刻保障人員的健康和安全。面向有人參與的深空探測(cè)的特點(diǎn),解決人類在執(zhí)行長(zhǎng)期飛行和地外天體作業(yè)任務(wù)期間面臨的健康和安全問(wèn)題,探索人類生命起源的本質(zhì),即解決如何保障人員執(zhí)行長(zhǎng)期任務(wù)期間的健康和安全問(wèn)題。

與無(wú)人探測(cè)相比,有人參與的深空探測(cè)最明顯的特征就是人的加入。人的存在就使得整個(gè)任務(wù)將以人為核心,確保人在整個(gè)任務(wù)期間的健康和安全成為首要任務(wù)。這就需要從空間環(huán)境、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)乃至倫理學(xué)等多個(gè)方面進(jìn)行研究,為解決上述四個(gè)方面面臨的風(fēng)險(xiǎn)需詳細(xì)分析這四個(gè)方面的技術(shù)內(nèi)涵和面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。所涉及的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題十分復(fù)雜。

為解決上述四個(gè)方面面臨的風(fēng)險(xiǎn)需詳細(xì)分析這四個(gè)方面的技術(shù)內(nèi)涵和面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

3 有人參與深空探測(cè)任務(wù)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

3.1 保障人員精確可靠到達(dá)、著陸地外天體并安全起飛返回地球

保障人員精確可靠到達(dá)、著陸地外天體并安全起飛返回地球是面向載人登月、月球基地、載人登陸小行星、載人登火、火星基地等任務(wù)的基本要求,主要包括以下三個(gè)方面的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題。

3.1.1 有人參與的深空探測(cè)地外天體到達(dá)問(wèn)題

與無(wú)人深空探測(cè)相比,有人參與的深空探測(cè)任務(wù)飛行器系統(tǒng)規(guī)模大幅增加。一般情況下有人飛行器的體積和重量是無(wú)人飛行器的幾倍至十幾倍。直接導(dǎo)致對(duì)運(yùn)載火箭運(yùn)載能力的要求大幅度提升,美國(guó)阿波羅載人登月計(jì)劃所用的土星五號(hào)重型運(yùn)載火箭近地軌道最大運(yùn)載能力達(dá)到約119噸［2］。如發(fā)動(dòng)機(jī)和大型箭體的加工制造等重型運(yùn)載火箭在研制上存在諸多難題。同時(shí),為盡可能地降低飛行器系統(tǒng)規(guī)模,必須提升深空探測(cè)飛行器軌控主發(fā)動(dòng)機(jī)的總沖,例如采用低溫化學(xué)推進(jìn)或核推進(jìn)的方式。

主要的研究方向有：

1)大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)；

2)大型箭體制造技術(shù)；

3)先進(jìn)低溫推進(jìn)技術(shù)；

4)輕質(zhì)低溫絕熱材料技術(shù)；

5)燃料電池技術(shù)；

6)核推進(jìn)技術(shù)；

7)核電源技術(shù)。

3.1.2 載人下降著陸及起飛的問(wèn)題

與無(wú)人探測(cè)相比,在EDL＆A(Entry Descent Landing＆Ascent)方面,有人參與的深空探測(cè)存在以下特點(diǎn)：1)進(jìn)入著陸與起飛上升精度要求高(著陸精度為百米量級(jí),起飛后要求在數(shù)小時(shí)內(nèi)與載人飛船完成交會(huì)對(duì)接)；2)下降著陸過(guò)程質(zhì)量變化大,導(dǎo)致控制難度提升,懸停所采用的變推力發(fā)動(dòng)機(jī)要求更高(10∶1的深度變推能力)；3)大載荷安全著陸對(duì)著陸緩沖系統(tǒng)形成了技術(shù)挑戰(zhàn)。

主要的研究?jī)?nèi)容有：

1)高精度、高安全要求的EDL＆A階段GNC技術(shù)；

2)深度變推力發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)；

3)大承載高效著陸緩沖吸能材料及結(jié)構(gòu)技術(shù)。

3.1.3 再入返回及回收問(wèn)題

有人參與深空探測(cè)任務(wù)的再入返回及回收過(guò)程與無(wú)人深空探測(cè)和近地航天任務(wù)存在明顯區(qū)別：1)再入走廊與再入過(guò)載限制的問(wèn)題,有人參與的深空探測(cè)要滿足第二宇宙速度再入要求并且過(guò)載應(yīng)限制在航天員的承受能力范圍內(nèi)；2)熱防護(hù)問(wèn)題突出,第二宇宙速度再入時(shí)單位面積最大,總加熱量達(dá)到數(shù)百M(fèi)J/ m2,由于載人飛行器規(guī)模是無(wú)人飛行器的幾倍,使得熱防護(hù)難度更大；3)大質(zhì)量飛行器回收需要幾百平米或幾千平米降落傘支持,難度更大。

主要的研究?jī)?nèi)容有：

1)高速再入返回氣動(dòng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)技術(shù)；

2)新型輕質(zhì)熱防護(hù)材料及結(jié)構(gòu)技術(shù)；

3)大承載群傘技術(shù)；

4)氣囊設(shè)計(jì)與制造技術(shù)；

5)可控翼傘技術(shù)。

3.2 保障人員在長(zhǎng)期飛行及長(zhǎng)期駐留任務(wù)時(shí)的居住及生活環(huán)境

保障人員在長(zhǎng)期飛行及長(zhǎng)期駐留任務(wù)時(shí)的居住及生活環(huán)境是面向載人火星探測(cè)、月球基地及火星基地等長(zhǎng)期任務(wù)的基本要求,共包含五個(gè)方面的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題。

3.2.1 行星表面基地結(jié)構(gòu)及構(gòu)建問(wèn)題

進(jìn)行地外天體表面的長(zhǎng)期駐留,必須解決的問(wèn)題就是居住問(wèn)題,有了人的參與,必須構(gòu)建適合人類居住生活的密封空間,為人類生活提供必要的大氣、溫度和濕度環(huán)境。居住空間應(yīng)滿足至少20 m3/人的活動(dòng)空間,還要考慮安全性、宜居性、擴(kuò)展性等問(wèn)題。同時(shí)基地還要具備高可靠、少維護(hù)、防污染的特點(diǎn)。

主要的研究?jī)?nèi)容有：

1)行星表面基地設(shè)計(jì)技術(shù)；

2)行星表面基地建造技術(shù)；

3)基地全周期高可靠維護(hù)和運(yùn)營(yíng)技術(shù)。

3.2.2 航天員長(zhǎng)期生存生命保障問(wèn)題

航天員要長(zhǎng)期駐留生存,首先要保證空氣、水、食物的持續(xù)供給以及廢物的有效處理。航天員每天的水、空氣和食物的需求量大約為20 kg/天/人。如果執(zhí)行火星任務(wù),假定3人乘組500天,則所需消耗品共計(jì)約30噸,多人長(zhǎng)期駐留則需要更多。如此規(guī)模的消耗品如果全部依靠地面一次性攜帶,代價(jià)巨大,因此必須考慮循環(huán)利用方法。生物再生式生命保障技術(shù)是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵,其利用生物循環(huán)實(shí)現(xiàn)空氣和水的凈化、食物生產(chǎn)、廢物處理,保持食品生產(chǎn)和廢物處理過(guò)程中的生態(tài)平衡,維持系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

主要的研究?jī)?nèi)容包括：

1)植物栽培技術(shù)；

2)動(dòng)物飼養(yǎng)技術(shù)；

3)廢物處理與再利用技術(shù)；

4)生命保障系統(tǒng)集成建造技術(shù)。

3.2.3 行星表面基地能源問(wèn)題

充足的能源供給是行星表面基地正常運(yùn)行的基本保證。與無(wú)人任務(wù)相比,有人參與的行星表面基地任務(wù)能源要求更大,包括通信導(dǎo)航、生命保障、熱控、作業(yè)等系統(tǒng)。與航天員有關(guān)的居住、生活、照明、圖像話音傳輸、娛樂(lè)、健康支持、衛(wèi)生系統(tǒng),生物再生式生命保障系統(tǒng)的維持,基地的建設(shè)、維護(hù)和發(fā)展等工程作業(yè),載人機(jī)動(dòng)車(chē)輛、機(jī)器人等行星表面作業(yè)的支撐設(shè)備等都需要能源的供給和補(bǔ)充。這些都導(dǎo)致有人參與的行星表面基地能源消耗量巨大(高達(dá)數(shù)十千瓦甚至百千瓦)。同時(shí)為保證乘員安全,還要考慮夜間供電、能量傳輸和可靠性、安全性問(wèn)題。

主要研究?jī)?nèi)容包括：

1)先進(jìn)模塊化輕小型核能技術(shù)；

2)無(wú)線能量傳輸技術(shù)；

3)能源系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)及智能處理技術(shù)。

3.2.4 行星表面基地?zé)峥貑?wèn)題

與無(wú)人探測(cè)任務(wù)相比,有人基地規(guī)模更大,系統(tǒng)更為復(fù)雜,熱耗也相對(duì)大大增加,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1)有人基地的外形尺寸和內(nèi)部發(fā)熱功率大,熱量主要集中于密封艙內(nèi),而且內(nèi)部熱負(fù)荷變化也較大,導(dǎo)致熱排散難度大；2)環(huán)境控制系統(tǒng)與熱控系統(tǒng)存在較多的物質(zhì)及能量的耦合,增加了熱控制問(wèn)題的技術(shù)難度；3)基地的熱控設(shè)計(jì)要適應(yīng)不同階段的、不同工作模式的熱特點(diǎn)與熱要求,工作模式顯著增多；4)行星表面基地的長(zhǎng)壽命要求熱控方案具有更高的可靠性、安全性與可維修性設(shè)計(jì)。

主要研究?jī)?nèi)容包括：

1)大規(guī)模熱量傳輸技術(shù)；

2)高效熱量排散技術(shù)；

3)環(huán)熱電一體化技術(shù)。

3.2.5 行星環(huán)境保護(hù)問(wèn)題

行星環(huán)境保護(hù)所關(guān)注的問(wèn)題主要包括兩個(gè)方面,一方面是地球生命(如微生物)對(duì)地外星體的污染,這會(huì)對(duì)尋找地外生命的起源產(chǎn)生干擾,甚至影響到地外星體的生命活動(dòng)特征；另一方面,對(duì)于無(wú)人返回任務(wù)以及有人任務(wù)而言,由于目前除了地球以外的其它星體還不能確定是否有生命的存在,因此地外星體對(duì)地球污染的可能性也不能排除。

因此,行星環(huán)境保護(hù)應(yīng)面向“正向污染”和“逆向污染”兩個(gè)方面采取措施,主要研究?jī)?nèi)容包括：

1)飛行器滅菌處理與生物凈化技術(shù)；

2)返回樣本隔離存儲(chǔ)技術(shù)。

3.3 保障人員在地外天體的大范圍機(jī)動(dòng)和作業(yè)

保障人員在地外天體的大范圍機(jī)動(dòng)和作業(yè)是面向載人登月、月球基地、載人登小行星、載人登火、火星基地任務(wù),實(shí)施深度探測(cè)和開(kāi)發(fā)利用地外天體目標(biāo)的基本要求,共包含五個(gè)方面的問(wèn)題。

3.3.1 載人機(jī)動(dòng)系統(tǒng)問(wèn)題

人類對(duì)地外星體進(jìn)行環(huán)境探測(cè)與考察,必須要有大范圍機(jī)動(dòng)系統(tǒng)的支持。與無(wú)人探測(cè)相比,有人參與的深空探測(cè)任務(wù)在載人機(jī)動(dòng)系統(tǒng)方面存在以下突出問(wèn)題：1)機(jī)動(dòng)速度要求更快,移動(dòng)速度至少可達(dá)到10 km/ h；2)承載能力要求更大,能夠搭載航天員和大量的樣品以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備；3)具備持續(xù)的環(huán)控生保支持能力,航天員作業(yè)必須穿著航天服,為航天員實(shí)現(xiàn)更大范圍的機(jī)動(dòng)作業(yè),機(jī)動(dòng)系統(tǒng)必須具備環(huán)控生保支持能力；4)滿足人機(jī)工效學(xué)的要求。此外,火星飛機(jī)、飛艇等新型機(jī)動(dòng)技術(shù)也有可能成為未來(lái)支撐深空探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)。

主要研究?jī)?nèi)容有：

1)非密封載人行星車(chē)輛技術(shù)；

2)密封增壓載人行星車(chē)輛技術(shù)；

3)火星大氣層內(nèi)飛行器技術(shù)。

3.3.2 航天員出艙活動(dòng)支持及能力增強(qiáng)問(wèn)題

航天員出艙作業(yè)活動(dòng)支持主要是為了提高航天員出艙作業(yè)的安全和工作效率,主要包括兩個(gè)方面：1)航天員作業(yè)保護(hù)問(wèn)題。航天員地外作業(yè)需要穿著航天服,航天服必須具備質(zhì)量輕、靈活性高等特點(diǎn)。因此對(duì)于新型航天服的研究提出了挑戰(zhàn),包括材料的選擇、構(gòu)型的設(shè)計(jì)、人機(jī)工效等問(wèn)題。此外,航天員經(jīng)長(zhǎng)期飛行,登陸地外天體,經(jīng)歷了多種重力環(huán)境,重力環(huán)境的變化將會(huì)導(dǎo)致航天員作業(yè)能力有所下降,因此航天服的設(shè)計(jì)還應(yīng)該考慮航天員作業(yè)的能力增強(qiáng)問(wèn)題。2)人機(jī)聯(lián)合作業(yè)問(wèn)題。人機(jī)聯(lián)合作業(yè)主要采用人機(jī)配合協(xié)同作業(yè)模式。這需要兩方面的支撐,其一是智能化的機(jī)器人,其二是建立人機(jī)交互的通道,發(fā)展先進(jìn)的、滿足地外特殊作業(yè)要求的人機(jī)交互技術(shù)。

主要研究?jī)?nèi)容有：

1)先進(jìn)艙外航天服技術(shù)；

2)機(jī)械外骨骼技術(shù)；

3)智能機(jī)器人與自主控制技術(shù)；

4)腦機(jī)接口技術(shù)；

5)基于先進(jìn)人機(jī)交互技術(shù)。

3.3.3 航天員參與的維修作業(yè)問(wèn)題

由于地外天體環(huán)境復(fù)雜、惡劣,以及在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上存在薄弱環(huán)節(jié)和不嚴(yán)密性,因此不可避免地會(huì)發(fā)生各種故障。深空探測(cè)任務(wù)中發(fā)生故障問(wèn)題,航天員無(wú)法像近地任務(wù)一樣快速安全返回,維修是排除故障的重要途徑。有人參與的維修作業(yè)也面臨必須要研究和解決的問(wèn)題,主要包括：1)可維修性問(wèn)題,進(jìn)行維修作業(yè),首先要保證被維修對(duì)象具備可維修性；2)可操作性問(wèn)題,飛行器設(shè)計(jì)需要保證被維修的設(shè)備能被看到,為維修操作提供了足夠的空間；3)安全性問(wèn)題。維修必須要考慮人的安全性的問(wèn)題,維修過(guò)程中必須保證航天員不受到電擊、劃傷、碰撞等傷害。

主要研究?jī)?nèi)容有：

1)系統(tǒng)可維修性設(shè)計(jì)技術(shù)；

2)航天員參與的維修操作技術(shù)。

3.3.4 原位資源利用問(wèn)題

原位資源利用(ISRU)是勘測(cè)、獲取和利用地外天體的天然或廢棄的資源,用于維持人類可長(zhǎng)期在地外生存的產(chǎn)品和服務(wù)的技術(shù)。降低發(fā)射質(zhì)量、成本和風(fēng)險(xiǎn)。以月球?yàn)槔?如果在月球上生產(chǎn)1000 kg的氧,用于推進(jìn)劑和生保支持,則可節(jié)省8000 kg的發(fā)射重量。ISRU技術(shù)主要是利用地外星體的原始資源,提煉所需要的推進(jìn)劑、水和氧等消耗品,以及土壤建筑材料等。

主要研究?jī)?nèi)容有：

1)行星表面能量的利用技術(shù)；

2)行星表面推進(jìn)劑獲取與制備技術(shù)；

3)消耗品的提取與利用技術(shù)；

4)行星原位制造技術(shù)。

3.3.5 月球/行星科學(xué)的深度認(rèn)知問(wèn)題

月球/行星科學(xué)是研究太陽(yáng)系各層次天體的科學(xué),主要研究?jī)?nèi)容包括天體的大小與形貌、空間與表面環(huán)境、物質(zhì)組成和分布、地質(zhì)構(gòu)造、內(nèi)部物理場(chǎng)與結(jié)構(gòu)等［3］。

實(shí)施月球/行星實(shí)地考察,通過(guò)無(wú)人實(shí)地探測(cè)和有人實(shí)地考察均可實(shí)現(xiàn),但在認(rèn)知程度上存在不同。

在探測(cè)過(guò)程中,人的主觀性和智能性是任何機(jī)器無(wú)法比擬的。與機(jī)器人相比,在實(shí)地科學(xué)考察過(guò)程中,經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的航天員可以根據(jù)智慧和知識(shí)分層次、分類別地選擇樣品采集的地點(diǎn)和采集對(duì)象,可以憑借洞察力和敏銳性觀測(cè)到瞬間即逝的或者隨機(jī)出現(xiàn)的自然現(xiàn)象并快速記錄,這些均是無(wú)人探測(cè)所無(wú)法做到的。

有人參與的月球/行星實(shí)地科學(xué)考察是實(shí)施月球/行星科學(xué)認(rèn)知的最高手段。針對(duì)月球/行星科學(xué)的發(fā)展要求,通過(guò)有人參與的深空探測(cè),應(yīng)結(jié)合人類航天員參與的特點(diǎn),重點(diǎn)對(duì)航天員參與的月球/行星地質(zhì)學(xué)、月球/行星物理學(xué)、月球/行星化學(xué)等核心問(wèn)題的研究方法和科學(xué)設(shè)備展開(kāi)深入研究,從而解決月球/行星科學(xué)的深度認(rèn)知問(wèn)題。

3.4 保障人員長(zhǎng)期任務(wù)中的健康和安全

保障人員長(zhǎng)期任務(wù)中的健康和安全是面向載人登月、月球基地、載人登小行星、載人登火、火星基地任務(wù),確保實(shí)施有人參與任務(wù)的基礎(chǔ)要求,主要包括五個(gè)方面的問(wèn)題。

3.4.1 空間基礎(chǔ)生物學(xué)問(wèn)題

在有人參與的深空探測(cè)任務(wù)中,航天員將面臨更長(zhǎng)時(shí)間的空間飛行和居留,航天員在空間飛行環(huán)境下的生存、健康等問(wèn)題關(guān)系到航天探索任務(wù)的成敗。在航天醫(yī)學(xué)研究中,空間復(fù)合環(huán)境下的心血管功能失調(diào)、骨質(zhì)流失、肌肉萎縮、免疫功能減弱、神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙、空間運(yùn)動(dòng)病、時(shí)間節(jié)律改變、心理學(xué)變化等問(wèn)題,都必須以空間基礎(chǔ)生物學(xué)為理論支撐,目前這些生物學(xué)效應(yīng)背后都還存在許多未解之謎。因此,空間基礎(chǔ)生物學(xué)是支撐航天員長(zhǎng)期在軌的生命保障、健康維護(hù)和工作效率的基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)研究。

空間基礎(chǔ)生物學(xué)應(yīng)重點(diǎn)研究以下方向：

1)空間重力生物學(xué)；

2)空間輻射生物學(xué)；

3)空間微生物學(xué)；

4)空間生命生態(tài)支持系統(tǒng)的基礎(chǔ)生物學(xué)。

3.4.2 變重力生理效應(yīng)與防護(hù)問(wèn)題

變重力生理效應(yīng)是人員在深空探測(cè)任務(wù)中面臨的重要生理問(wèn)題之一。長(zhǎng)期處于微/低重力環(huán)境中對(duì)人體影響最大的是運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及骨骼系統(tǒng)的變化,長(zhǎng)時(shí)間的作用將引起肌肉系統(tǒng)的廢用性變化,即使采取一定的防護(hù)措施,肌肉萎縮癥狀仍會(huì)發(fā)生。此外,人體的心血管、免疫系統(tǒng)等也均會(huì)產(chǎn)生不同的生理變化。這些變化可能會(huì)影響航天員的健康、工作能力,影響太空探索任務(wù)的完成。因此,不同的重力環(huán)境對(duì)人體生理效應(yīng)的影響及其防護(hù)措施研究是有人參與的深空探測(cè)任務(wù)迫切需要解決的問(wèn)題之一［4-5］。主要研究?jī)?nèi)容包括：

1)變重力效應(yīng)防護(hù)技術(shù)；

2)人工重力生成與評(píng)價(jià)技術(shù)。

3.4.3 地外環(huán)境效應(yīng)與防護(hù)問(wèn)題

航天員在長(zhǎng)期飛行或?qū)嵉厣孀鳂I(yè)過(guò)程中,面臨的輻射、星塵等特殊環(huán)境因素,會(huì)對(duì)人體造成顯著影響,包括以下兩個(gè)問(wèn)題：1)空間輻射問(wèn)題,長(zhǎng)期空間輻射將造成組織破壞、癌癥、白內(nèi)障、生殖系統(tǒng)影響和后代發(fā)育畸形等危害；2)星塵問(wèn)題,在低重力條件下,呼吸道對(duì)粉塵的凈化作用會(huì)下降,航天員一旦吸入星塵,這些物質(zhì)就會(huì)導(dǎo)致航天員呼吸系統(tǒng)中度中毒,甚至患上慢性疾病。此外,星塵本身形狀鋒利,一旦人體沾染可能對(duì)皮膚、呼吸道粘膜、眼睛等產(chǎn)生物理性損傷［4-5］。

主要研究?jī)?nèi)容有：

1)輻射風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)；

2)輻射監(jiān)測(cè)與防護(hù)技術(shù)；

3)行星表面復(fù)合型除塵技術(shù)；

4)地外天體特殊環(huán)境的高防塵材料及設(shè)備。

3.4.4 航天員健康監(jiān)測(cè)與維護(hù)問(wèn)題

隨著飛行時(shí)間的延長(zhǎng),航天員罹患疾病和受到意外傷害的概率增加,加之失重、輻射、噪聲、振動(dòng)、晝夜節(jié)律改變等航天環(huán)境因素對(duì)人體不利影響的累積,對(duì)人體生理應(yīng)激作用等,將影響航天員健康狀態(tài),增加疾病風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),隨著飛行時(shí)間的延長(zhǎng),航天器系統(tǒng)故障發(fā)生概率增加,可能出現(xiàn)有害氣體中毒、低壓缺氧、燒傷等緊急醫(yī)療事件［4］。

主要研究?jī)?nèi)容有：

1)航天員健康風(fēng)險(xiǎn)與預(yù)防措施；

2)航天員健康監(jiān)測(cè)技術(shù)。

3.4.5 航天員心理健康與倫理問(wèn)題

長(zhǎng)期在軌飛行,密閉狹小空間、有限人群交流、單調(diào)生活與高負(fù)荷工作以及人工和透射光暴露等因素,對(duì)航天員的心理負(fù)面影響效應(yīng)突顯。航天員長(zhǎng)期存在心理問(wèn)題,會(huì)對(duì)任務(wù)的執(zhí)行甚至成敗構(gòu)成威脅［4］。

與心理問(wèn)題同樣重要的還有倫理問(wèn)題,如航天員意外死亡,該如何處理尸體；航天員臨終前是否應(yīng)立下遺囑；長(zhǎng)期任務(wù)中的男女關(guān)系如何處理等。這些問(wèn)題不解決,長(zhǎng)期有人參與的深空探測(cè)任務(wù)就很難順利實(shí)施。因此應(yīng)從哲學(xué)、法律的角度出發(fā),建立有人參與的深空探測(cè)實(shí)施原則,指導(dǎo)有人參與的深空探測(cè)任務(wù)的實(shí)施。

主要研究?jī)?nèi)容有：

1)長(zhǎng)期飛行行為與心理健康研究；

2)航天員心理健康監(jiān)測(cè)與維護(hù)技術(shù)；

3)長(zhǎng)期飛行任務(wù)中的倫理學(xué)。

4 結(jié)論

有人參與的深空探測(cè)與無(wú)人任務(wù)相比,最大的區(qū)別在于有人的參與,人的出現(xiàn)使得有人與無(wú)人深空探測(cè)任務(wù)在“去、登、駐、用、回”等方面存在巨大差異,此外圍繞“人”帶來(lái)的基礎(chǔ)保障問(wèn)題也格外突出。雖然有人參與深空探測(cè)技術(shù)難度和投資規(guī)模相比無(wú)人深空探測(cè)都大,但外太空資源誰(shuí)先得到誰(shuí)受益,有人參與深空探測(cè)工程的戰(zhàn)略意義深遠(yuǎn),是國(guó)家戰(zhàn)略性科技工程。

因此,建議國(guó)家盡早制定載人航天與深空探測(cè)發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃,加強(qiáng)學(xué)科頂層規(guī)劃；通過(guò)無(wú)人深空探測(cè)任務(wù)和飛行驗(yàn)證規(guī)劃提高有人參與深空探測(cè)技術(shù)的成熟度,降低任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)；以近地軌道空間站為平臺(tái),驗(yàn)證與人有關(guān)的空間生命科學(xué)項(xiàng)目；實(shí)施載人深空探測(cè)基礎(chǔ)能力提升工程,有效引領(lǐng)和提升中國(guó)航天的科技實(shí)力；加強(qiáng)國(guó)家重大研發(fā)計(jì)劃支持,加強(qiáng)原始性技術(shù)創(chuàng)新,鼓勵(lì)國(guó)際合作,加大宣傳力度；積極參與,掌握制定太空法律主動(dòng)權(quán),從而有效推動(dòng)我國(guó)有人參與深空探測(cè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)（References）

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·推進(jìn)技術(shù)專題·

Risks and Challenges of Manned Deep Space Exploration Mission

YE Peijian1，GUO Linli2，ZHANG Zhixian2，WANG Ping2，TIAN Lin2
（1.China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China；2.Institute of Manned Space System Engineering，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

Abstract：Manned deep space exploration is the integration of unmanned deep space exploration and manned spaceflight，and it is the trend in spaceflight.The systems are more complex，the technologies are more difficult and the technical requirements are stricter for manned deep space explorations as compared with those for unmanned deep space explorations.Four aspects of technical challenges were presented，such as the problems of reliable arriving，landing on celestial bodies and return back to earth，the problems of astronauts living and working while performing exploration missions，the problems of large-scale motivation and working on other planets，and the problems of human health and security.The suggestions were given to point out the develop direction of the manned deep space exploration.

Key words：manned spaceflight；deep space exploration；key technologies；development strategy

作者簡(jiǎn)介：葉培建(1945-),男,博士,研究員,中國(guó)科學(xué)院院士,現(xiàn)任嫦娥系列型號(hào)技術(shù)顧問(wèn)。研究方向?yàn)轱w行器總體、圖像處理、模式識(shí)別。Email：yepeijian＠cast.cn

基金項(xiàng)目：中國(guó)科學(xué)院學(xué)部學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略基金項(xiàng)目(2013JSA)

收稿日期：2016-02-26；修回日期：2016-03-14

中圖分類號(hào)：V448.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-5825（2016）02-0143-07