载人火星探测任务方案构想

2014-12-31朱新波

上海航天 2014年1期

朱新波，谢华，徐亮，陆希

（1.上海市深空探测技术重点实验室，上海 200240；2.上海卫星工程研究所，上海 200240；3.上海航天技术研究院，上海 201109）

0 引言

火星是一颗类地行星，位于地球轨道外侧，和地球一样具有自转和公转，其自转速度与地球几乎相等，同样具有季节变换、大气特征。前期火星探测结果表明，火星上具备生命存在的某些必备条件，尤其是水的发现，极大地激发了人类在火星上寻找生命的热情，成为近二十年来国际深空探测的热点。随着人类对火星的了解越来越多，美国宇航局、俄罗斯航天局、欧空局都已开始进行移民火星的科学探索，均计划在2030年代中期实现人类登陆火星的梦想。其中，美国宇航局在1988年就已开始了载人火星探测方案研究，并形成了迄今为止最权威的载人登陆火星的方案火星参考任务（DRM）系列［1］。我国探月工程和载人航天工程在按计划进行，火星探测工程也已提上日程。本文结合我国航天实际，围绕载人火星探测开展技术研究，提出了一种我国在2030年代实施载人探测火星的方案。

1 总体方案概述

载人火星探测拟采用分批式提前部署的方式对整个探测任务进行分解、提前部署［1］。任务分为货运、载人两种，每次任务中的货物须在载人任务前发射到火星，并提前配置火星表面居住、活动设施。其优点是提前部署的货物采用低能量的轨道，能允许容纳更多的载荷。由于载人火星探测任务需要很大的质量，要求有大推力重型运载火箭。通过重型运载火箭的多次发射，在火星发射窗口到达前数月将各舱段在近地轨道准备就绪，并在轨组装。这些须在火星发射窗口来临前完成。载人火星任务飞行程序，如图1所示。

2 任务分析

2.1 任务约束

2.1.1 运载选择

运载主要选择我国正在论证的重型运载火箭，其起飞质量大于2 000t，近地轨道（LEO）运载能力约100t，整流罩空间包络不小于8m［2－3］。

2.1.2 任务目标

在2033～2037年期实施，载人火星任务机组人数为3人，其中登陆火星2人，并带回约1 00kg火星采样。

2.1.3 轨道

参照我国载人任务，各级航天器在轨组装轨道选择为高度约300km的近地轨道。

火星捕获轨道选择为600km×80 000km大椭圆轨道，随后利用大气制动使飞船进入300km×300km的火星圆轨道。

2.2 发射窗口及飞行轨道选择

对载人火星探测任务，轨道选择中最重要的参数是总的速度增量和总的任务持续时间。速度增量决定了任务所需的燃料量；任务持续时间特别是载人任务持续的时间决定了消耗品质量及航天员辐射剂量。应通过合适的轨道选择，尽量减少任务所需的速度增量及载人任务持续时间。据此，对第二阶段2033年载人登火任务中可能采用的直接地火－火地转移轨道、金星借力轨道进行比对分析。

2.2.1 借力飞行

借力飞行轨道速度增量及C3能量等高图如图2所示。由图可知：第二阶段任务于2033年4月14日在地球300km近地轨道发射，进入地球逃逸轨道；约在2033年10月23日抵达火星，并完成制动捕获进入600km×80 000km的火星大椭圆轨道。之后，利用火星大气制动减速，使载人飞船最终进入火星300km圆轨道；上升器与飞船分离，上升器利用气动外形进行减速并着陆火星表面；根据利用金星引力辅助原则，从火星发射至金星C3要与离开金星至地球C3相当［4－5］。同时根据从火星300km圆轨道发射所需的速度增量尽可能小原则，选取探测器约在2033年12月8日离开火星，前往金星，约在2034年6月9日通过金星引力辅助改变轨道，飞向地球，于2034年11月22日左右抵达地球。第二阶段飞行过程共计629d，奔火234d，大气制动20d，火表停留25d，返回350d。

2.2.2 直接转移

图1 载人火星任务飞行程序Fig.1 Flight procedure of manned Mars mission

图2 借力飞行轨道速度增量及C3能量等高图Fig.2 Velocity increment andC3energy of gravity assist orbit

图3 直接转移轨道速度增量等高图Fig.3 Velocity increment of direct transfer orbit

直接转移轨道速度增量等高图如图3所示。由图可知：采用直接转移轨道时，第二阶段任务前期与借力飞行一致。根据从火星返回地球所需总的速度增量尽可能小原则，最终选取探测器约在2035年5月4日离开火星，约在2035年11月21日附近抵达地球。第二阶段飞行过程共计993d，奔火234d，大气制动20d，火表停留538d，返回201d。

2.2.3 比对

载人火星任务载人飞船轨道比较见表1。由表1可知：在2033年执行载人飞船任务时，直接转移轨道所需的总速度增量较小，任务持续时间长；利用金星进行借力返回地球在火星表面可停留时间短，但2033年借力返回窗口速度增量较大。综合考虑航天员所受的辐射剂量、所需的消耗品（水、食物、氧气等）、航天员安全等因素，对本次载人火星任务，采用在返回地球时可利用飞越金星缩短任务周期的方案；同时考虑在轨故障情况下，如果无法完成金星借力返回则在轨停留至直接转移窗口再返回地球。

3 总体方案

3.1 方案概述

载人火星任务由货运、载人任务组成，飞船由多级舱段组成。按最大程度的通用化设计，各飞行器能有效满足地球轨道运输，并在近地轨道实施在轨装配。整个任务包括货运飞船1艘，载人飞船1艘，以及相应的任务支持系统，如图4所示。

表1 载人火星任务载人飞船轨道比较Tab.1 Comparison of crew subtask orbit about manned Mars mission

图4 载人火星任务组成Fig.4 Composition of manned Mars mission

按分批式提前部署的原则，货运飞船比载人飞船提前1个发射窗口左右（约26个月）离开地球。一艘货运飞船主要承担火表居住舱的运输任务，一艘载人飞船主要承担火星轨道居住舱、上升飞行器、着陆返回舱的运输任务。

第一阶段的主要任务是提前部署火表居住舱，同时验证在轨多级组装技术，验证直接进入着陆火星的气动外形，以及进入、降落、着陆过程（EDL）的其他技术。

第二阶段的主要任务是在第一阶段任务的基础上，实施载人任务。

3.2 系统组成

货运、载人飞船如图5所示。货运飞船包括推进舱4个、降落平台、火表居住舱；载人飞船包括推进舱6个、在轨居住舱、降落平台、上升飞行器、着陆轨道舱。

a）推进舱

推进舱装载燃料，提供地球逃逸、地火转移修正、火星制动、火星逃逸等各阶段所需的速度增量，以实现将飞船运往火星轨道或从火星轨道返回地球轨道。根据重型运载发射能力、整流罩包络空间要求，结合运载及大卫星的燃质比，推进舱初步设计为：结构本体直径8m，长9m，总体质量约100t，装载燃料为四氧化二氮、一甲基肼，质量85t，太阳帆板3m×4m（共2块），推力4×20kN。由燃料预算可知：为完成载人火星计划，货运飞船需携带推进舱4个，载人飞船需携带推进舱6个。推进舱外部构型如图6所示。

图5 货运、载人飞船概念Fig.5 Concept of cargo and crew spaceships

图6 推进舱外形Fig.6 Pprofile of propulsion module

b）降落平台

降落平台具有气动外形以及反推发动机等装置，用于完成火表居住舱、上升飞行器、着陆返回舱等舱段的火星着陆。在进入火星大气后，利用气动外形对整个进入部分进行减速；在接近火星表面后，利用反推发动机进一步减速，使有效载荷完成火表着陆。同时，为在火星表面完成精确着陆，降落平台的动力下降过程需使用多个变推力器组合协调控制，完成火星表面的悬停避障等功能。降落平台的主要技术指标为；总体质量10t，燃料为四氧化二氮和一甲基肼，质量2.5t，反推推力变推力1～20kN（8台），高度7m，大底直径8m。降落平台的外形如图7所示。

图7 降落平台外形Fig.7 Profile of descent module

c）火表居住舱

火表居住舱包括火星实验系统、火表生命支持系统、火表电力系统、就地资源系统、表面移动系统等系统。在航天员登陆火星前，用于完成对火星表面环境的详细探测、火星表面发电以及就地资源利用等活动；在航天员登陆火星后，可利用表面移动系统完成火星表面探测活动，同时可作为航天员在火星表面生活工作场所。根据降落平台内部空间包络和火星表面软着陆的要求，火表居住舱指标初步分配为：总体质量20t，移动系统质量3t，燃料质量4t，总高6m，可活动空间20m3，最大直径6m。火表居住舱的外形如图8所示。

图8 火表居住舱外形Fig.8 Profile of Mars surface living module

d）轨道居住舱

轨道居住舱将在巡航、环火期间，为航天员生命保障、对地通信、数据处理等提供基本功能，并且作为巡航、环火期间航天员居住的空间。保障航天员在轨驻留期间的生活和工作，保证航天员安全，同时开展深空应用（包括深空环境、深空物理探测等）、空间科学实验、深空医学实验等。该舱段将充分继承我国天宫系列飞行器技术。轨道居住舱主要技术指标为总体质量10t，消耗品质量6t，可活动空间50m3，总长8m，主圆柱体直径4m，太阳帆板3m×4m（6块），可活动空间达50m3，能同时满足3名航天员长期在轨工作、生活的需要。居住舱在为载人飞船飞行提供能源保障、控制飞行姿态轨道的同时，还负责航天员工作、训练、生活、睡眠，并设有使航天员保持身体骨骼强健的健身区。轨道居住舱的外形如图9所示。

图9 轨道居住舱外形Fig.9 Profile of orbital living module

e）上升飞行器

上升飞行器通过反推发射将乘坐航天员的着陆返回舱从火星表面送至火星轨道。在继承火表居住舱技术的基础上，为提高上升飞行器的逃离火星速度增量，上升飞行器使用了两级分离式推进方案。上升飞行器主要技术指标为：总体质量17.5t，燃料为四氧化二氮、一甲基肼，其中一级燃料质量10t，二级燃料质量4t，总高4.5m，最大直径6m。上升飞行器外形如图10所示。

图10 上升飞行器外形Fig.10 Profile of ascent flight vehicle module

f）着陆返回舱

着陆返回舱作为航天员的乘坐飞行器，将航天员从火星轨道送至火星表面，同时用于直接返回地球。着陆返回舱继承我国神舟飞船返回舱技术，利用气动外形和降落伞完成地球返回任务。着陆返回舱的主要技术指标为：总体质量2.5t，总高2m，外形为钟形，直径2.4m，容积4m3，乘员数3人。着陆返回舱外形如图11所示［6］。

g）任务支持系统

该系统主要包括重型运载、测控网，用于完成飞船各级舱段的发射入轨以及整个任务器间的测控。

3.3 质量预算

载人火星任务航天器质量预算如下：

a）货运飞船推进舱4×100t，降落平台10t，火表居住舱20t，共430t；

b）载人飞船推进舱6×100t，降落平台10t，上升飞行器17.5t，着陆返回舱2.5t，在轨居住舱10t，共630t。

整个载人火星任务需要向近地轨道发射航天器总质量1 060t。其中：重型运载发射10次，每次100t；长征五号运载火箭发射3次。

3.4 速度增量预算

各阶段速度增量如下：

a）货运飞船地球逃逸段3.65km／s，火星捕获1.30km／s；

b）载人飞船地球逃逸段3.57km／s，火星捕获1.22km／s；返回地球段，借力金星时4.33km／s，直接返回时2.38km／s。

3.5 飞行过程

载人火星探测飞行过程可分为三个阶段（如图1所示）。

第一阶段：利用2031年发射窗口，通过发射重型运载火箭4次、长征五号运载火箭1次将货运飞船各组件送至近地轨道；在轨装配；装配完成后，货运飞船在近地轨道利用推进舱进行加速；在获得足够的速度后，脱离地球轨道飞往火星；接近火星后，降落平台与推进舱分离，携带火表居住舱直接进入火星；货运飞船用推进舱制动捕获，利用火星大气进行制动，最终进入近火轨道。

第二阶段：利用2033年发射窗口，通过发射重型运载火箭6次、长征五号运载火箭1次将载人飞船各组件送至近地轨道；在轨装配；装配完成后，载人飞船在近地轨道利用推进舱进行加速；在获得足够的速度后，脱离地球轨道飞往火星；接近火星后，降落平台与推进舱分离，携带上升飞行器、着陆返回舱直接进入火星；载人飞船利用推进舱制动捕获，利用火星大气进行制动，最终进入近火轨道。

第三阶段：在火星表面探测25d后，用上升飞行器将着陆返回舱运送至近火轨道；着陆返回舱与上升飞行器分离，并与载人飞船组合装配；装配完成后，载人飞船在近火轨道利用推进舱进行加速；在获得足够的速度后，脱离火星轨道飞往金星，借力金星，改变轨道，飞往地球；接近地球后，着陆返回舱直接进入地球。

载人火星任务飞行程序见表2。

表2 载人火星任务飞行程序Tab.2 Flight procedure of manned Mars mission

4 关键技术

载人火星探测是当前国外载人深空探测发展的方向之一。人类为载人探测火星项目进行了多次尝试，包括美国、俄罗斯在内的世界主要航天国家认为这是空间探测中最有挑战的任务之一。虽然本文设想的载人火星实施方案主要基于现有技术，但仍有多个需攻关的关键技术。

a）轨道优化

针对未来可能采取的火星载人探测方案，进行近地轨道发射、地火转移、火星进入、火表上升、火（金）地转移和再入地球的飞行全过程综合优化，目标是提出满足人员安全与空间耐受能力约束、燃料需求较少、飞行时间较短的轨道方案。载人火星探测的轨道优化技术主要包含多体轨道动力学建模、误差分析与数值算法、天体借力飞行轨道设计方法、探测器设计参数对轨道参数的影响分析等研究，需在进一步掌握星际空间和火星周边环境参数的基础上，通过理论方法和数值算法的创新，实现满足约束、精度达标的飞行全程轨道设计。

b）火星空气动力减速

降落平台的气动外形减速过程是火星进入着陆过程中第一个关键步骤。载人火星探测的降落平台质量大、速度高，在火星稀薄的大气中进行高效的气动减速技术的难度很大。目前，载人着陆系统设计的最终结果还存在较大的不确定性，火星空气动力减速技术仍有发展空间，其主要攻关方向有高超声速气动外形设计、高超声速飞行器高稳控制和高超声速飞行制导等。

c）热防护

在地外有大气行星着陆探测领域，热防护技术是世界公认的、有待进一步提高和发展的关键技术之一。热防护技术与降落平台气动外形设计和高性能烧蚀材料等高度相关，而热防护系统的研发需综合考虑多方设计因素和新材料技术水平，难度较大。对载人火星任务而言，热防护主要攻关方向包括低密度隔热材料、疏导式热防护、防热结构集成和热力耦合分析等技术［7］。

d）精确着陆

在载人火星探测任务中，货物资源将先于人员抵达火星，后续载人着陆器须具备精确着陆能力才能确保与之会合。在进入平台完成气动外形减速后，将进入具有主动控制的动力下降阶段，而高精度的控制是准确着陆在预定位置的前提。火星环境与地月环境差距较大，且火星与地球距离遥远无法实现着陆实时控制，目前已有的月球着陆和地球回收技术不能直接应用，因此实现火星表面的精确着陆具有非常大的挑战性。该技术主要涉及在火星着陆区实时评估与选择、动力下降过程的高精度GNC、火星表面长时间悬停与垂降和火星表面障碍识别与自主避障等。

e）先进居住与活动

在往返火星的过程中和火星表面勘探期间，需为航天员提供适宜居住的空间和舱外活动设备，便于航天员在轨道居住舱及火表驻留舱内外活动，同时需考虑最大限度地减少探测任务的运输质量。综合两方面的需求，发展火星探测先进居住与活动技术势在必行，主要攻关方向包括轻型可展开结构（如可膨胀式居住舱）、行星表面敏捷活动装置、高性能辐射防护和自循环生命支持等技术。

f）航天员医疗保健

航天员是载人探测任务最重要的组成部分，任何有效载荷的重要性都无法与人相提并论。在地火飞行和火星表面活动过程中，需要航天员将工作效率都保持较高的水平，必须提供周全的措施保障航天员的身心健康。航天员医疗保健系统须提供适当的医疗护理、环境监测和调控以及人体效率优化。该技术主要攻关方向涉及深空长时间辐射防护、微重力下失调效应减弱、孤立狭窄环境中航天员生理心理压力缓解等技术。