楊 彬，唐生勇，李 爽，夏陳超

(1. 南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院，南京 210016；2. 上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109)

0 引 言

自20世紀(jì)50年代以來，火星一直是深空探測的焦點。美俄等傳統(tǒng)航天大國已經(jīng)發(fā)射了多顆火星探測器，掌握了火星環(huán)繞、軟著陸和表面巡視等關(guān)鍵技術(shù)。前期無人探測的豐富經(jīng)驗和豐碩成果極大地促進(jìn)了火星探測的發(fā)展[1-4]。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著新型推進(jìn)系統(tǒng)等航天技術(shù)的飛速發(fā)展，載人深空探測逐漸成為了深空探測的焦點之一[5-6]。美國、歐空局先后提出了2030年載人登陸火星的總體目標(biāo)，并制定了詳細(xì)的任務(wù)規(guī)劃[7-8]。NASA制定的DRA系列載人火星探測任務(wù)架構(gòu)是目前最具代表性的方案，其結(jié)合美國現(xiàn)有航天技術(shù)儲備詳細(xì)論述了載人火星探測任務(wù)從發(fā)射至返回的所有技術(shù)細(xì)節(jié)[9]。

限制載人火星探測任務(wù)實施的主要原因是傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)的能力無法滿足任務(wù)需求。以高性能的液氫/液氧推進(jìn)系統(tǒng)為例，初步估算的載人飛船規(guī)模將達(dá)到上千噸[9]。如此龐大且復(fù)雜的航天器無論是設(shè)計建造還是長期維護(hù)和保障都存在諸多技術(shù)難題。核能是繼化學(xué)能、太陽能之后人類目前掌握的最強(qiáng)大的能源，在空間推進(jìn)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大[10]。目前較為成熟的空間核推進(jìn)方式主要包含核電推進(jìn)和核熱推進(jìn)兩類。其中，核熱推進(jìn)是目前掌握的對核能利用最完全的核推進(jìn)方式。核熱推進(jìn)的工作原理是利用核裂變反應(yīng)釋放的能量將推進(jìn)劑加熱后高速排出產(chǎn)生推力，能夠在保證較高比沖的同時獲得強(qiáng)勁的推力[11]。核熱推進(jìn)的大推力、高比沖、長工時等特點十分契合載人火星探測任務(wù)的需求，獲得了NASA等主要航天機(jī)構(gòu)的青睞，是未來載人火星探測任務(wù)的最佳選擇。

2004年以月球探測為目標(biāo)的“嫦娥工程”拉開了我國深空探測的序幕。迄今為止，已經(jīng)發(fā)射了3顆月球探測衛(wèi)星，實現(xiàn)了月球軟著陸和巡視探測[12-15]?！版隙鸸こ獭钡捻樌麑嵤楹罄m(xù)深空探測任務(wù)積累了豐富的經(jīng)驗。我國火星探測工程在2016年正式啟動，首顆無人火星探測器將于2020年發(fā)射，未來的長期目標(biāo)是實現(xiàn)載人火星登陸[16]。目前我國已經(jīng)熟練掌握了載人航天技術(shù)，并且供航天員長期太空駐留的空間站也已在規(guī)劃之中[17]。此外，針對空間核推進(jìn)技術(shù)的研究也取得了突破性進(jìn)展，為未來的載人深空探測任務(wù)提供了動力保障[18]。

本文結(jié)合我國航天技術(shù)基礎(chǔ)，提出了相應(yīng)的載人火星探測任務(wù)方案。針對轉(zhuǎn)移軌道、任務(wù)飛船和推進(jìn)系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。首先，基于轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計得到了長期和短期火星駐留兩種載人火星探測任務(wù)方案。然后，針對不同類型的任務(wù)，設(shè)計了相應(yīng)的飛船系統(tǒng)框架和飛船。最后，結(jié)合任務(wù)機(jī)動能力需求和飛船設(shè)計約束，給出了適應(yīng)不同類型任務(wù)的核熱推進(jìn)方案。

1 載人火星任務(wù)總體方案

1.1 軌道方案

載人火星探測任務(wù)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。根據(jù)NASA的前期研究，載人火星任務(wù)需要至少3艘飛船協(xié)同完成[7]。為了降低任務(wù)風(fēng)險，人貨分運(yùn)、批次出發(fā)模式是目前已有載人火星探測任務(wù)的主要模式。首先，火星登陸及表面探測所需的設(shè)備和保障支援系統(tǒng)被提前送至火星，并完成必要的前期部署。然后，航天員搭乘載人轉(zhuǎn)移飛船前往火星執(zhí)行預(yù)定任務(wù)。這種模式有效降低了航天員面臨的風(fēng)險，增加了任務(wù)的可靠性。因此，本文提出的載人火星探測方案也分為兩個階段執(zhí)行：先導(dǎo)任務(wù)階段和載人探測階段。

先導(dǎo)任務(wù)主要是在航天員出發(fā)前將載人火星登陸任務(wù)所需的物資和設(shè)備運(yùn)送至火星。本階段不涉及航天員，飛船也不需要返回地球。所以，先導(dǎo)任務(wù)的軌道設(shè)計與之前的無人火星探測器類似，只需要實現(xiàn)單程的地火轉(zhuǎn)移即可。但是，先導(dǎo)任務(wù)涉及飛船的質(zhì)量和規(guī)模要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前的無人火星探測器。

載人探測階段在確認(rèn)先導(dǎo)任務(wù)成功后開始實施。首先，由載人轉(zhuǎn)移飛船將航天員送至火星，交會先導(dǎo)任務(wù)的飛船。然后，航天員搭乘火星登陸艙登陸火星，開展火星表面探測任務(wù)。最后，在完成火星表面任務(wù)后，乘坐表面上升器返回載人轉(zhuǎn)移飛船，并搭乘載人轉(zhuǎn)移飛船返回地球。由于這一階段涉及航天員，轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計時為了確保航天員能安全的返回地球，需要設(shè)計火星往返雙程轉(zhuǎn)移軌跡，而且，為了減少航天員受到的宇宙輻射，需要考慮更多的約束。

大推力直接轉(zhuǎn)移方式是大部分火星任務(wù)采用的轉(zhuǎn)移方式，是目前火星探測最為可靠的轉(zhuǎn)移方式，也是載人火星探測任務(wù)的首選轉(zhuǎn)移方式[19-20]。后續(xù)的轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計將基于大推力直接轉(zhuǎn)移方式進(jìn)行設(shè)計。

根據(jù)先導(dǎo)任務(wù)的描述，先導(dǎo)任務(wù)階段飛船的轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計與目前的無人火星探測轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計類似。但是，載人探測階段的轉(zhuǎn)移軌跡設(shè)計則十分復(fù)雜。一方面需要設(shè)計火星往返雙程軌道，保證航天員能夠安全返回地球；另一方面需要考慮更多的約束以確保航天員在飛行過程中的生命安全。

根據(jù)不同地球出發(fā)時間和火星到達(dá)時間信息，借助星歷求解地球和火星的實時位置，然后求解Lambert問題就能得到不同時間對下的速度增量。

(1)

因此，發(fā)射能量C3d可以表示為

(2)

式中:vD,vE分別為探測器地球出發(fā)速度矢量和出發(fā)時刻地球的速度。

根據(jù)式(2)求解每個時間對轉(zhuǎn)移所需的速度增量，最終得到2030～2040年地火之間轉(zhuǎn)移的發(fā)射窗口信息，如圖1所示。地火雙脈沖直接轉(zhuǎn)移的最佳轉(zhuǎn)移窗口每26個月開啟一次。由于地球和火星的軌道傾角存在微小差異，每個發(fā)射窗口分為上下兩部分，存在兩個發(fā)射機(jī)會。上面的發(fā)射機(jī)會對應(yīng)的是一條優(yōu)弧轉(zhuǎn)移軌跡，轉(zhuǎn)移時間長；下面的發(fā)射機(jī)會對應(yīng)的是一條劣弧轉(zhuǎn)移軌跡，轉(zhuǎn)移時間短。先導(dǎo)任務(wù)的飛船不攜帶航天員，對飛行時間的約束相對寬松，能夠接受飛行時間近2年的優(yōu)弧轉(zhuǎn)移軌跡。因為先導(dǎo)任務(wù)飛船要在載人探測任務(wù)啟動之前完成。所以，先導(dǎo)任務(wù)的轉(zhuǎn)移軌跡設(shè)計原則是在載人任務(wù)啟動的上一個地火轉(zhuǎn)移窗口選擇燃料最省的轉(zhuǎn)移軌跡。

載人探測任務(wù)階段，由于涉及航天員，需要盡量縮短飛行時間，減少航天員在太空受到的宇宙輻射。所以，一般采用下半部分對應(yīng)飛行時間較短的發(fā)射窗口。此外，要保證航天員能夠安全返回地球，需要考慮往返雙程軌道。理想的情況是火星返程窗口滯后地球出發(fā)窗口250天以上，從而保證航天員在火星短暫停留后直接返回地球。但是，實際情況如圖1所示，從地球出發(fā)后要等待約700天才會有速度增量需求較小的返程窗口。因此，載人火星探測任務(wù)根據(jù)火星駐留時間的長短分為長期駐留任務(wù)和短期駐留任務(wù)。長期駐留任務(wù)需要航天員在火星駐留約20個月，等待返回地球的最佳轉(zhuǎn)移窗口，減少返程所需的速度增量。長期駐留方案能夠有效減少推進(jìn)劑消耗，不過為了實現(xiàn)航天員長期駐留需要攜帶大量生活物資和復(fù)雜的生命保障系統(tǒng)，增加了任務(wù)的復(fù)雜性；短期駐留則在短期火星停留后，通過消耗大量推進(jìn)劑進(jìn)行次優(yōu)軌道轉(zhuǎn)移，將航天員送回地球。因為航天員在火星停留時間短，需要的生活物資較少，對應(yīng)的火星長期生命保障系統(tǒng)也不再需要。然而，由于返程時火星和地球不在最佳轉(zhuǎn)移相位，轉(zhuǎn)移所需的速度增量大幅增加，需要消耗更多的推進(jìn)劑。

圖1 2030-2040地火轉(zhuǎn)移速度增量等高線圖Fig.1 The Pork-Chop plot for an Earth-Mars transfer from 2030 to 2040

由圖1的等高線信息可知，地球至火星轉(zhuǎn)移的最佳窗口是2033年4月和2035年6月。這兩個窗口所需的速度增量約2.44 km/s，是所選區(qū)間的最小值，而且飛行時間在200天左右，是近期最理想的火星任務(wù)發(fā)射窗口。后續(xù)軌道設(shè)計均以此窗口為基礎(chǔ)展開。

載人火星探測任務(wù)需要綜合考慮火星往返雙程軌跡，圖2給出了火星往返總飛行時間和總速度增量隨出發(fā)時間的變化情況?？紤]航天員所能承受的宇宙輻射劑量，設(shè)定單程飛行時間小于250天。如圖2所示，長期和短期火星駐留任務(wù)都存在4個發(fā)射機(jī)會。

圖2 2030-2040載人火星轉(zhuǎn)移速度增量和轉(zhuǎn)移時間隨發(fā)射窗口變化情況Fig.2 The dv and time of flight for different launch time

短期火星駐留任務(wù)的最優(yōu)發(fā)射時間是2033年4月3日，整個任務(wù)持續(xù)442天，其中根據(jù)實際任務(wù)需求在火星駐留30天。長期火星駐留任務(wù)綜合速度增量和轉(zhuǎn)移時間最優(yōu)的發(fā)射時間是2033年4月17日，整個任務(wù)持續(xù)950天，其中航天員在火星停留554天。詳細(xì)的載人火星探測任務(wù)轉(zhuǎn)移軌道信息如表1所示。

短期任務(wù)所需的總速度增量為17.7952 km/s,而長期駐留任務(wù)僅僅需要9.299 km/s。兩者前往火星所需的速度增量相差不大，但是從火星返程時，短期駐留任務(wù)不僅需要消耗大量推進(jìn)劑逃逸火星，而且達(dá)到地球后還需要消耗推進(jìn)劑制動減速以確保返程飛船以一個相對安全的速度進(jìn)行地球再入返回。長期任務(wù)則只需要消耗少量推進(jìn)劑使得飛船進(jìn)入返程軌道。兩種任務(wù)方案的轉(zhuǎn)移軌跡如圖3所示，長期任務(wù)的往返軌跡形狀相似，都是燃料最優(yōu)的轉(zhuǎn)移軌跡。短期駐留任務(wù)的往返軌跡則差異巨大。返程軌跡的弧度大于180°，而且部分軌跡與太陽的距離小于日地距離。

表1 載人火星登陸任務(wù)轉(zhuǎn)移軌道詳細(xì)信息Table 1 The detail information of the transfer orbits for manned Mars exploration

圖3 短期和長期載人火星登陸轉(zhuǎn)移軌跡示意圖Fig.3 The transfer trajectories of manned spacecraft for long-trem and short-term manned Mars exploration missions

貨運(yùn)飛船只需要設(shè)計單程地火轉(zhuǎn)移軌道，而且對飛行時間沒有特殊要求。因此，一般選擇燃料最省的轉(zhuǎn)移軌道?？紤]到先導(dǎo)任務(wù)需要在航天員出發(fā)之前完成，選擇載人任務(wù)發(fā)射的前一個轉(zhuǎn)移窗口發(fā)射。結(jié)合表1中給出的載人任務(wù)出發(fā)窗口信息和圖1中地火轉(zhuǎn)移Pork-Chop圖信息，確定貨運(yùn)飛船最優(yōu)的出發(fā)窗口為2031年1月18日，經(jīng)過284天的飛行抵達(dá)火星，所需要的速度增量為6.7490 km/s。貨運(yùn)飛船轉(zhuǎn)移軌跡如圖4所示。

圖4 貨運(yùn)飛船載人火星登陸轉(zhuǎn)移軌跡示意圖Fig.4 The transfer trajectory of cargo for manned Mars exploration

1.2 任務(wù)規(guī)劃

火星探測任務(wù)的有效載荷包括載人火星轉(zhuǎn)移艙，載人火星登陸艙。此外，對于長期火星駐留任務(wù)，火星表面長期生活居住艙也是必不可少的。參考NASA、ESA關(guān)于載人火星探測的研究成果，載人火星轉(zhuǎn)移艙的質(zhì)量約70 t，載人火星登陸艙和火星表面長期生活居住艙的質(zhì)量約為100 t。

結(jié)合第1.1節(jié)轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計數(shù)據(jù)，利用齊奧爾科夫斯基公式進(jìn)行估算，對于長期任務(wù)而言，將上述3個有效載荷分3艘飛船運(yùn)送，則每艘飛船的質(zhì)量約300 t；對于短期任務(wù)，有效載荷只有載人轉(zhuǎn)移艙和載人火星登陸艙。但是由于載人轉(zhuǎn)移飛船全程需要提供17.7952 km/s的速度增量，估算出的飛船初始質(zhì)量接近650 t。如此規(guī)模的航天器無論是制造還是操控都存在諸多難題。所以，短期火星探測任務(wù)中除了載人轉(zhuǎn)移飛船和運(yùn)送登陸艙的貨運(yùn)飛船，額外添加了一艘返程推進(jìn)飛船。其主要作用是在航天員完成火星探測任務(wù)后對接載人轉(zhuǎn)移艙，將航天員帶回地球。即短期火星任務(wù)也包含3艘飛船：載人轉(zhuǎn)移飛船，登陸艙貨運(yùn)飛船和返程推進(jìn)飛船。目前的運(yùn)載火箭無法直接將300 t規(guī)模的航天器送入近地軌道。因此，唯一可行的方案是模塊化建造，多次發(fā)射，在軌組裝。

綜上所述，載人火星探測任務(wù)主要包含在軌組裝，地火轉(zhuǎn)移，火星登陸及探測，返回地球四個階段。結(jié)合第1.1節(jié)的軌道設(shè)計結(jié)果，圖5給出了長期和短期載人火星探測任務(wù)的時間規(guī)劃圖。

短期任務(wù)中，火星登陸艙貨運(yùn)飛船和返程推進(jìn)飛船經(jīng)過60天的在軌組裝，完成準(zhǔn)備工作，然后轉(zhuǎn)移至火星環(huán)繞軌道，等待航天員的到來，這一過程持續(xù)997天。載人轉(zhuǎn)移飛船需要90天完成在軌組裝和航天員進(jìn)駐，然后，經(jīng)過171天的地火轉(zhuǎn)移到達(dá)火星環(huán)繞軌道。隨后，航天員搭乘登陸艙登陸火星，進(jìn)行為期30天的火星表面探測。與此同時，載人轉(zhuǎn)移艙脫離原飛船與返程推進(jìn)飛船完成對接。在完成火星表任務(wù)之后，航天員乘坐火星上升器，返回載人轉(zhuǎn)移艙，由返程推進(jìn)飛船送回地球。

圖5 載人火星登陸任務(wù)時間行程圖Fig.5 The time chart of manned Mars mission

長期任務(wù)同樣是火星表面居住艙貨運(yùn)飛船和火星登陸艙貨運(yùn)飛船在出發(fā)前60天內(nèi)分多次發(fā)射，在近地軌道(Low Earth orbit,LEO)完成在軌組裝，隨后前往火星。到達(dá)火星后，火星表面居住艙將直接著陸火星表面，并完成航天員進(jìn)駐之前的一系列準(zhǔn)備工作?；鹦堑顷懪搫t停留在火星環(huán)繞軌道等待航天員的到來。載人轉(zhuǎn)移飛船滯后貨運(yùn)飛船一個會合周期發(fā)射，在發(fā)射前耗費(fèi)了90天完成載人轉(zhuǎn)移飛船的在軌組裝。經(jīng)過198天的地火轉(zhuǎn)移，航天員抵達(dá)火星后，搭乘火星登陸艙登陸火星，進(jìn)駐提前布置好的火星表面居住艙。航天員將在火星表面停留554天，期間所有的生活保障由火星表面居住艙提供。完成火星表面任務(wù)后，航天員將搭乘載人轉(zhuǎn)移飛船返回地球。

1.3 飛行器系統(tǒng)模塊化方案

根據(jù)任務(wù)需求和速度增量等信息的估算結(jié)果表明，短期和長期火星駐留任務(wù)均需要3艘初始質(zhì)量約300 t的飛船?？紤]到火箭運(yùn)載能力的限制，這些飛船只能采用多次發(fā)射、在軌組裝的方式建造。為了節(jié)省任務(wù)成本，各艙段均按最大程度的通用化模塊設(shè)計，借助不同艙段的模塊化組裝，建造適用于不同類型任務(wù)的飛船。

載人轉(zhuǎn)移飛船根據(jù)是否攜帶附加推進(jìn)劑儲箱分為I型和II型載人轉(zhuǎn)移飛船。I型飛船為兩艙段結(jié)構(gòu)，由核熱推進(jìn)艙、載人轉(zhuǎn)移艙組成，用于短期火星駐留任務(wù)。II型飛船由核熱推進(jìn)艙、鞍型桁架(攜帶附加推進(jìn)劑儲箱)和載人轉(zhuǎn)移艙三艙段組成，用于長期火星駐留任務(wù)。I型飛船只需將載人轉(zhuǎn)移艙送至火星，推進(jìn)艙攜帶的推進(jìn)劑足夠完成地火單程轉(zhuǎn)移。II型飛船除了將航天員送至火星外，還要將航天員和火星樣本帶回地球，僅僅靠推進(jìn)艙的推進(jìn)劑無法提供足夠的速度增量。所以，飛船攜帶了可拋式附加推進(jìn)劑儲箱。I、II型載人轉(zhuǎn)移飛船的結(jié)構(gòu)尺寸如圖6所示。

載人轉(zhuǎn)移艙是航天員在宇宙航行過程中的生活工作艙段，包括居住艙、多用途載人飛船、T型對接結(jié)構(gòu)、備用貨運(yùn)艙。居住艙繼承我國空間站核心艙的技術(shù)建造，主要功能是為航天員提供居住環(huán)境，其自身結(jié)構(gòu)質(zhì)量約為20.5 t。多用途載人飛船對接在居住艙前方，由載人返回艙和推進(jìn)艙組成，重約14 t[21]。多用途載人飛船一方面是用于航天員在載人轉(zhuǎn)移艙和火星登陸艙之間的空間近距離轉(zhuǎn)移；另一方面，其主要是在載人轉(zhuǎn)移飛船返回地球后，攜帶航天員和樣本進(jìn)行地球再入。居住艙后端為T型對接機(jī)構(gòu)和備用物資存儲艙，整個結(jié)構(gòu)重約13.9 t(包含備份物資7.5 t)。T型對接機(jī)構(gòu)用于航天員和物資向居住艙轉(zhuǎn)移。備份物資用于補(bǔ)給任務(wù)過程中的各種損耗及緊急情況下的物資供應(yīng)。

圖6 火星登陸任務(wù)載人轉(zhuǎn)移飛船結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 The diagram of manned spacecraft for Mars exploration

II型載人轉(zhuǎn)移飛船的載人轉(zhuǎn)移艙和推進(jìn)艙用鞍形桁架連接。鞍型桁架為半圓柱形結(jié)構(gòu)，重約8.9 t。桁架內(nèi)部懸掛著一個可拋卸式推進(jìn)劑儲箱，在飛船完成地球逃逸加速后拋棄。可拋卸式推進(jìn)劑儲箱設(shè)計能夠有效減少飛船的整體質(zhì)量。

推進(jìn)艙的主要功能是為飛船星際轉(zhuǎn)移提供動力，核心部件是多臺100 kN級別的核熱發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)比沖為900 s。因為核熱推進(jìn)系統(tǒng)的核輻射對宇航員是致命的，所以在發(fā)動機(jī)前端添加了防輻射屏蔽結(jié)構(gòu)。推進(jìn)艙前部為推進(jìn)劑儲箱，能夠存儲約100 t推進(jìn)劑。推進(jìn)艙核熱發(fā)動機(jī)的具體搭配方案與實際任務(wù)有關(guān)，將在第3節(jié)進(jìn)行詳細(xì)說明。

載人轉(zhuǎn)移飛船質(zhì)量分布詳細(xì)信息如表2所示，I型載人轉(zhuǎn)移飛船不需要攜帶返程推進(jìn)劑，初始質(zhì)量約208 t，其中114 t為推進(jìn)劑。II型載人轉(zhuǎn)移飛船增加了可拋式推進(jìn)劑儲箱攜帶火星往返的推進(jìn)劑，整個航天器初始質(zhì)量達(dá)到了309 t。其中包含195.49 t推進(jìn)劑。

表2 火星登陸任務(wù)載人轉(zhuǎn)移飛船信息表Table 2 The information of manned spacecraft for Mars exploration

貨運(yùn)飛船為兩艙段結(jié)構(gòu)，由推進(jìn)艙和功能艙(火星登陸艙，火星表面居住艙等)組成。推進(jìn)艙結(jié)構(gòu)與載人轉(zhuǎn)移飛船的推進(jìn)艙相似，為了減少飛船的質(zhì)量，去除了用于保護(hù)航天員的防輻射屏蔽層。根據(jù)不同類型任務(wù)的需求選擇不同的功能艙與推進(jìn)艙組裝成不同類型的貨運(yùn)飛船。登陸艙及登陸艙貨運(yùn)飛船結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要包含火星表面上升器(Mars ascent vehicle,MVA)、火星EDL系統(tǒng)、小型火星漫游車、同位素動力系統(tǒng)和生活物資等其他有效載荷。整個載人火星登陸艙重103 t，其中有效載荷40 t。

圖7 火星登陸艙及登陸艙貨運(yùn)飛船結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 The diagram of lander and cargo for Mars exploration

火星登陸艙將攜帶航天員實現(xiàn)火星軟著陸，并為短期駐留的航天員提供生活物資保障。在火星表面任務(wù)完成后，航天員將攜帶火星樣本搭乘MAV返回載人轉(zhuǎn)移飛船。

對于長期火星駐留任務(wù)，航天員將居住在火星表面居住艙，其發(fā)射外形結(jié)構(gòu)與載人火星登陸艙相似，總重約為133 t。主要包含充氣式火星表面居住艙、火星原位資源利用設(shè)備、同位素核動力系統(tǒng)、保障航天員長期生活的物資等。發(fā)射時登陸艙和居住艙均由隔熱整流罩包裹，如圖7所示，隔熱整流罩在火星再入過程中起到了氣動減速和隔熱作用。

短期火星往返即使采用高比沖的核熱推進(jìn)系統(tǒng)也需要消耗大量推進(jìn)劑。以100 t有效載荷為例，短期火星往返的載人轉(zhuǎn)移飛船規(guī)模將達(dá)到650 t，這種規(guī)模的航天器十分復(fù)雜，建造難度大，可靠性差。所以，為了實現(xiàn)短期火星往返任務(wù)，需要額外的返程推進(jìn)飛船將航天員帶回地球。返程推進(jìn)飛船結(jié)構(gòu)如圖8所示，由推進(jìn)艙、推進(jìn)劑儲箱、鞍型桁架和附加推進(jìn)劑儲箱四部分組成。結(jié)構(gòu)與II型載人轉(zhuǎn)移飛船相似，添加了一個大的推進(jìn)劑儲箱用于攜帶返程推進(jìn)劑。返程推進(jìn)飛船在航天員抵達(dá)火星之后將與載人轉(zhuǎn)移飛船的載人轉(zhuǎn)移艙交會對接，如圖8所示，并在完成火星表面探測任務(wù)后運(yùn)送航天員返回地球。整個返程推進(jìn)飛船重約357.8 t，其中301.5 t為推進(jìn)劑。

圖8 短期駐留返程推進(jìn)飛船往返結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 The diagram of return spacecraft for short-term Marsexploration

2 核熱推進(jìn)系統(tǒng)分析與設(shè)計

由軌道設(shè)計分析可知，載人火星登陸任務(wù)需要的總速度增量為9.3 km/s，短期駐留任務(wù)需要的速度增量則高達(dá)17.8 km/s。常規(guī)化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)顯然無法為重達(dá)幾百噸的飛船提供足夠的動力，核熱推進(jìn)系統(tǒng)比沖高、推力大、工作壽命長，是目前載人火星任務(wù)的最佳選擇。載人火星登陸任務(wù)速度增量需求大，整個任務(wù)過程中發(fā)動機(jī)工作時間長，需要多次重啟動，這也是推進(jìn)方案選擇時需要考慮的因素。本節(jié)將從技術(shù)實現(xiàn)難度、可靠性、工作時間、飛船初始質(zhì)量等方面對推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計。

Aerojet Rocketdyne (AJRD)針對核熱推進(jìn)系統(tǒng)做了長期系統(tǒng)的研究。AJRD的研究結(jié)果顯示，推力小于66.72 kN的核熱發(fā)動機(jī)存在極高的風(fēng)險，不適合載人火星登陸任務(wù)[22]。圖9給出了核熱推進(jìn)系統(tǒng)的推重比隨推力的變化關(guān)系。由圖9可知，為了隔離核輻射而添加的防護(hù)層增加了發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，而且發(fā)動機(jī)推力越大，防護(hù)層帶來的影響越明顯。

圖9 核熱推進(jìn)系統(tǒng)推重比隨推力變化情況[22]Fig.9 Thrust-to-weight of nuclear thermal propulsion system at different thrusts

由飛船設(shè)計結(jié)果可知，載人轉(zhuǎn)移飛船有效載荷及自身結(jié)構(gòu)質(zhì)量約76.6 t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無人火星探測器的質(zhì)量，需要推力強(qiáng)勁的推進(jìn)系統(tǒng)。當(dāng)前的核熱推進(jìn)技術(shù)可以建造0.1 kN至1000 kN級別的核熱發(fā)動機(jī)。因此，適用于載人火星任務(wù)的推進(jìn)系統(tǒng)有兩種設(shè)計思路：單臺大推力發(fā)動機(jī)方案和多臺較小推力發(fā)動機(jī)捆綁推進(jìn)方案。

2.1 短期任務(wù)推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計

短期載人火星駐留任務(wù)中，航天員搭乘I型載人轉(zhuǎn)移飛船前往火星；然后，借助登陸艙登陸火星完成火星表面任務(wù)；最后，換乘返程推進(jìn)飛船返回地球。返程推進(jìn)飛船需要攜帶足夠的返程燃料前往火星，然后對接載人轉(zhuǎn)移艙，攜帶航天員返回地球。因此，在短期火星駐留任務(wù)的推進(jìn)系統(tǒng)分析和設(shè)計以返程推進(jìn)飛船為參考。

返程推進(jìn)飛船LEO初始質(zhì)量和發(fā)動機(jī)工作時間隨發(fā)動機(jī)推力和數(shù)量的變化關(guān)系如圖10所示，隨著發(fā)動機(jī)推力的增加，所有推進(jìn)方案的LEO初始質(zhì)量均呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢。初始質(zhì)量的變化由發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量和因發(fā)動機(jī)長時間工作帶來的重力損失效果共同作用。在推力較小時，發(fā)動機(jī)需要長時間工作，其重力損失效果更明顯。隨著推力的增加，工作時間逐漸縮短，重力損失效果逐漸減弱，浪費(fèi)的燃料也逐漸降低，從而使得飛船的初始質(zhì)量減小。當(dāng)推力達(dá)到一定水平后，推進(jìn)系統(tǒng)工作時間穩(wěn)定在一個很小的值，如圖10所示。隨著推力的繼續(xù)增加，發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加帶來的影響變得明顯，使得飛船的初始質(zhì)量降低到最低點后逐漸變大。

圖10 返程飛船LEO初始質(zhì)量、推進(jìn)系統(tǒng)工作時間與發(fā)動機(jī)臺數(shù)、推力變化關(guān)系Fig.10 The LEO initial mass and operating time of return spacecraft for different number and thrust of nuclear thermal engine

從初始質(zhì)量考慮，隨著發(fā)動機(jī)臺數(shù)的增加，飛船的最小初始質(zhì)量逐漸增加，初始質(zhì)量最小時對應(yīng)的單機(jī)推力逐漸減小。發(fā)動機(jī)的可靠性與其工作時間密切相關(guān)。為了提高推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性，在選擇推進(jìn)系統(tǒng)時需要預(yù)留足夠的冗余量，即發(fā)動機(jī)的單次工作時間和總工作時間小于額定值。在工作時間冗余量充足的情況下，選擇飛船初始質(zhì)量最小的推力，最終得到的不同發(fā)動機(jī)臺數(shù)下的最優(yōu)推進(jìn)系統(tǒng)搭配方案如表3所示。

單臺發(fā)動機(jī)推進(jìn)方案的最優(yōu)發(fā)動機(jī)推力為420 kN，飛船的初始質(zhì)量為338.9 t，是所有推進(jìn)方案中質(zhì)量最少的。但是，比沖900 s、推力420 kN級別的核熱發(fā)動機(jī)需要核反應(yīng)堆的功率達(dá)到1795 MW，整個發(fā)動機(jī)將長達(dá)9 m。如此巨大的發(fā)動機(jī)不論是建造還是測試都存在較多的技術(shù)難題。此外，采用單臺420 kN發(fā)動機(jī)在整個轉(zhuǎn)移過程中總工作時間僅僅冗余166 s，單次工作時間也十分接近發(fā)動機(jī)的額定值，使得任務(wù)的風(fēng)險增加。

表3 不同發(fā)動機(jī)數(shù)目的最優(yōu)推進(jìn)方案詳細(xì)信息表Table 3 The detail information of the optimal propulsion program for different numbers of engines

隨著發(fā)動機(jī)臺數(shù)的增加，單機(jī)最優(yōu)推力持續(xù)降低，飛船初始質(zhì)量逐漸增加。4臺發(fā)動機(jī)時，最佳推力為110 kN，對應(yīng)飛船初始質(zhì)量為358.5 t。同420 kN單臺發(fā)動機(jī)推進(jìn)方案相比，飛船的初始質(zhì)量略有增加，約5%。但是，這些質(zhì)量代價是值得的。首先，100 kN級別的核熱發(fā)動機(jī)對核反應(yīng)堆的功率要求降低(約495 MW)，工程實現(xiàn)難度大幅降低；其次，四臺110 kN發(fā)動機(jī)的推進(jìn)方案對應(yīng)的總工作時間有長達(dá)1000 s的冗余，而且四臺發(fā)動機(jī)可以互為備份，保證在緊急情況下有足夠推力將成員送回地球，提高任務(wù)的可靠性。2臺和3臺發(fā)動機(jī)組合推進(jìn)方案質(zhì)量相對于單臺發(fā)動機(jī)推進(jìn)有所增加，但是，其工作時間縮減效果并不十分明顯。而且其單機(jī)推力較大，對于我國目前的技術(shù)儲備，建造難度較大。

綜上所述，綜合考慮飛船質(zhì)量、發(fā)動機(jī)工作時間、研制技術(shù)難度等因素，短期載人火星登陸任務(wù)最終選定4臺110 kN核熱發(fā)動機(jī)組合推進(jìn)方案,詳細(xì)信息如表4所示。

表4 短期載人火星登陸任務(wù)飛船推進(jìn)系統(tǒng)信息Table 4 The information of propulsion system and spacecraft for short-term Mars mission

發(fā)動機(jī)布局如圖11所示。

圖11 短期載人火星登陸任務(wù)推進(jìn)艙及發(fā)動機(jī)布局Fig.11 The propelling module and engine layout of short-term mission spacecraft

為了減少成本，飛船采用模塊化設(shè)計，所有飛船共用同一類型的推進(jìn)艙，其中貨運(yùn)飛船的發(fā)動機(jī)去除了防輻射屏蔽層。推進(jìn)系統(tǒng)在任務(wù)開展過程中的工作情況如表5所示。所有飛船無論是單次工作時間還是總工作時間都遠(yuǎn)低于額定值，確保了任務(wù)的順利實施。

表5 短期載人火星任務(wù)的核熱推進(jìn)系統(tǒng)工作情況Table 5 The information of propulsion system operating time for short-term Mars mission

2.2 長期任務(wù)推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計

長期火星駐留任務(wù)同樣需要3艘飛船，其中兩艘貨運(yùn)飛船只需要完成單程地火轉(zhuǎn)移。航天員搭乘II型載人轉(zhuǎn)移飛船實現(xiàn)火星往返。所以，長期火星駐留任務(wù)的推進(jìn)系統(tǒng)分析與設(shè)計以II型載人轉(zhuǎn)移飛船為參考。II型載人轉(zhuǎn)移飛船LEO初始質(zhì)量和發(fā)動機(jī)工作時間隨發(fā)動機(jī)推力和數(shù)量的變化關(guān)系如圖12所示。

圖12 II型載人轉(zhuǎn)移飛船LEO初始質(zhì)量、推進(jìn)系統(tǒng)工作時間與發(fā)動機(jī)臺數(shù)、推力變化關(guān)系Fig.12 The LEO initial mass and operating time of manned spacecraft II for different number and thrust of nuclear thermal engine

由圖12可知，LEO初始質(zhì)量隨著單臺發(fā)動機(jī)推力增加而增加。這是因為長期火星駐留任務(wù)中載人轉(zhuǎn)移飛船往返均是在最佳相位完成，任務(wù)所需的速度增量與短期任務(wù)相比大大降低。發(fā)動機(jī)工作時間較短，重力損失效應(yīng)并不明顯。初始質(zhì)量主要受到發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的影響。隨著推力的增加，發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加，最終導(dǎo)致飛船的LEO初始質(zhì)量逐漸增加。

因此，對于長期火星駐留任務(wù)，只需要考慮發(fā)動機(jī)單次工作時間和總工作壽命的約束。不同發(fā)動機(jī)數(shù)目的最優(yōu)方案詳細(xì)信息如表6所示。由于長期駐留任務(wù)所需要的速度增量較小，所以相較于短期任務(wù)的推進(jìn)系統(tǒng)，表6中給出的長期任務(wù)推進(jìn)方案的單臺發(fā)動機(jī)推力、發(fā)動機(jī)總工作時間等都較小。

表6 不同發(fā)動機(jī)數(shù)目的最優(yōu)推進(jìn)方案詳細(xì)信息表Table 6 The detail information of the optimal propulsion program for different numbers of engines

3臺120 kN級別核熱發(fā)動機(jī)組合推進(jìn)的方案相較于單臺發(fā)動機(jī)推進(jìn)方案在LEO初始質(zhì)量上略有增加，但是其在單次工作時間和總工作壽命上擁有足夠的冗余量，確保在出現(xiàn)故障時也能將航天員安全帶回地球，有效降低了任務(wù)的風(fēng)險。因此，綜合技術(shù)基礎(chǔ)、初始質(zhì)量、任務(wù)風(fēng)險等因素分析，3臺120 kN級別的組合推進(jìn)方案是長期載人火星登陸任務(wù)最佳推進(jìn)方案，推進(jìn)系統(tǒng)詳細(xì)信息如表7所示。

表7 長期載人火星登陸任務(wù)飛船推進(jìn)系統(tǒng)信息Table 7 The information of propulsion system and spacecraft for long-term Mars mission

推進(jìn)艙發(fā)動機(jī)布局如圖13所示。

圖13 長期載人火星登陸任務(wù)推進(jìn)艙及發(fā)動機(jī)布局
Fig.13 The propelling module and engine layout of long-term mission spacecraft

為了減少成本，飛船采用模塊化設(shè)計，所有飛船共用同一種類型的推進(jìn)艙，其中貨運(yùn)飛船的發(fā)動機(jī)去除了防輻射屏蔽層。由表7可知，所有類型飛船在當(dāng)前推進(jìn)系統(tǒng)下(3臺120 kN核熱發(fā)動機(jī))總質(zhì)量控制在310 t。相應(yīng)推進(jìn)系統(tǒng)在任務(wù)過程中的工作情況如表8所示。

表8 長期載人火星任務(wù)的核熱推進(jìn)系統(tǒng)工作情況Table 8 The information of propulsion system operating time for long-term Mars mission

3 結(jié) 論

核熱推進(jìn)是短期內(nèi)實現(xiàn)載人火星登陸任務(wù)的最佳選擇。本文結(jié)合我國實際情況設(shè)計了我國的載人火星探測方案。針對轉(zhuǎn)移軌跡、飛船設(shè)計和推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)果表明，載人火星登陸任務(wù)的最優(yōu)發(fā)射窗口分布在2033年；根據(jù)火星駐留時間的長短，載人火星登陸任務(wù)存在長期駐留和短期駐留兩種方案。從飛船初始質(zhì)量和發(fā)動機(jī)可靠性考慮，短期任務(wù)對推進(jìn)系統(tǒng)的要求更高，建議采用4臺110 kN級別的核熱發(fā)動機(jī)聯(lián)合推進(jìn)；長期任務(wù)由于往返均是最佳相位，只需要采用3臺120 kN級別的核熱發(fā)動機(jī)聯(lián)合推進(jìn)。