载人火星和小行星探测任务初步分析

高朝辉，童科伟，时剑波，申麟

(1.北京航空航天大学 宇航学院，北京 100191；2.中国运载火箭技术研究院研发中心，北京 100076)

载人火星和小行星探测任务初步分析

高朝辉1，2，童科伟2，时剑波2，申麟2

(1.北京航空航天大学 宇航学院，北京 100191；2.中国运载火箭技术研究院研发中心，北京 100076)

载人火星和小行星探测是未来深空探测的重要发展方向，以美国为代表的航天强国正在积极开展相关方案论证和技术攻关。由于任务规模庞大，受制于目前以化学推进为主的运输系统能力限制，要进行火星、小行星探测，必须发展重型运载火箭、轨道转移级等运载工具。从载人火星、小行星探测任务规划的角度出发，对总体任务进行了初步分析，提出了初步的系统方案。

载人航天；火星探测；重型运载火箭

0 引 言

火星是地球轨道外侧最靠近地球的行星，其自然环境与地球最为相似，因此火星探测是太阳系行星探测的重中之重。在太阳系中，还分布着难以计数的小行星，这些小行星蕴藏着丰富的物质与资源，此外它们的存在对地球环境可能造成潜在影响，也成为深空探测的重要目标。

人类已经对火星和一些小行星进行了一系列的自动化无人探测，探测的形式包括飞越、撞击、绕飞、表面原位探测和巡视探测，以及小行星的采样返回等。随着人类航天技术水平的不断提升，开展载人火星、小行星探测任务是深空探测的一个重要发展方向。

1 国外研究现状

1.1 研究概述

载人火星、小行星探测正成为世界航天领域的研究热点，也不断受到世界各国的支持。2010年4月，美国总统奥巴马推出了新太空探索计划，放弃旨在重返月球的“星座计划(constellation program)”，而将近地小行星和火星作为美国载人航天计划的目的地。同年，NASA提出了“百年星舰(100-year starship)”计划，旨在未来一百年内，探寻到一个商业模式，开发出成熟的长距离载人宇宙方案，该计划的第一个目标就是火星。2012年11月23日，美国私人航天企业巨头太空探索技术公司(SpaceX)的CEO艾伦·马斯克(Elon Musk)宣布了一项宏大的火星移民计划，这项计划要在未来15～20年，将8万名地球人送往火星，他们将在可供人类居住的火星基地上自给自足，繁衍后代。除美国外，俄罗斯、欧洲等也在积极开展载人火星、小行星任务的可行性研究。

1.2 美国

美国凭借其雄厚的航天技术实力，早在与苏联进行登月竞赛的同期，就提出了利用重型运载火箭实现载人火星探测的构想。20世纪90年代以来，美国先后提出了若干个载人火星和载人小行星飞行的方案设想，如：设计参考任务(DRM)系列方案、火星直航(Mars direct)、火星专题(case for Mars)、空间转移概念分析(STCAEM)系列方案、星座计划(constellation program)等。下面介绍最具代表性的设计参考任务方案(design reference mission ，DRM)和小行星再定向计划(asteroid redirect mission)。

火星设计参考任务由美国约翰逊航天中心(Johnson Space Center，JSC)在20世纪90年代开始提出，包括DRM-1、DRM-3、DRM-4，DRA-5(design reference architecture 5)等几个系列[1-2]。

其中DRA 5.0方案以DRM各方案为基础，是美国目前为止最为先进的载人火星探测方案，于2009年发布，其方案继承了“星座计划”的一些基线设计。整个方案基于战神V、战神I和猎户座，轨道转移分别基于低温推进和核热推进技术，采用多次发射、多次对接的方式，设计了载人火星探测900天的任务。

整个任务分为三个阶段。

第一阶段起始于两艘货船的发射：“下降/上升飞行器”(DAV)和“火星表面居住舱”(SHAB)。这两艘飞船在低地轨道对接，等待地火转移窗口的到来，然后进入能量最优地球—火星转移轨道飞往火星，在宇航员到达火星之前两年抵达火星。

第二阶段起始于载人火星转移飞行器(MTV)发射。在所有飞船和系统都检查完毕以后，MTV便进入了地球—火星快速转移轨道。MTV到达火星轨道后，与在火星轨道上与SHAB对接。

第三阶段宇航员下降到火星表面，开展工作。在完成任务后，宇航员会搭乘返回舱返回地球。宇航员乘坐DAV离开火星表面，并与在火星轨道的MTV对接。MTV将作为地球返回转移舱搭载宇航员返回地球，在地球表面附近，宇航员进入“猎户座”飞船返回地球。

图1 美国DRA5.0任务架构图Fig.1 USA DRA5.0 mission architecture

NASA于2013年公布了一项小行星载人探测研究计划，名为“小行星再定向计划”，该研究项目提出利用太阳能电推进技术(solar electric propulsion)和柔性捕获装置将一颗不超过1 000 t的小行星俘获，并拖拽到月球轨道，然后利用“猎户座”载人飞船在月球轨道实施登陆探测[3]。

小行星再定向计划利用运载工具(宇宙神V、SLS、法尔肯)将带有太阳能电推进的小行星再定向飞行器(asteroid redirect vehicle, ARV)送入近地轨道或月球轨道，分离之后ARV展开太阳能帆板，利用小推力巡航1～2年到达小行星轨道，到达小行星之后，首先对其进行观测与特征识别，然后通过柔性捕获装置将小行星捕获，捕获之后还要进行组合体消旋，整个过程预计经过60天的自主操作完成，之后ARV将带着小行星离开小行星原始轨道，巡航2～5年时间，将其推到地月系中，通过月球引力辅助变轨，进入月球轨道。

小行星进入月球轨道之后可以稳定的飞行至少100年时间，可通过SLS和“猎户座”系统实施载人探测。从地球到达小行星所在的月球轨道需要约10天左右时间，因此载人探测一颗捕获到月球轨道的小行星的任务周期大约22～25天[3]。

1.3 俄罗斯

俄罗斯从20世纪60年代起就开始着手启动火星探测计划。其载人火星探测计划主要由能源集团负责，该集团早在1959年就开始着手研究重型火星飞船，并计划利用H1火箭将其送入轨道。

至今为止，前苏联(包括俄罗斯)总共提出了6种火星探测方案，发射了18次探测器，但是失败了14次。

图2 小行星再定向任务飞行流程Fig.2 Flight process of asteroid redirect mission

从1960年至今，前苏联及俄罗斯主要研制了6套火星探测方案见表1。

表1 俄罗斯历年的火星探测方案

俄罗斯现阶段最新的火星载人探测方案由能源集团提出。能源集团预计在2025年实现火星载人考察计划。该计划主要分为以下3个步骤：

第1步：研制火星探测器。在月球周围轨道进行试验飞行和返回近地轨道时，对火星探测器进行试验研究。

第2步：进行不登陆火星的第一次载人考察。试验并完善起飞着陆器在火星上的自动着陆。起飞着陆器是由位于近火星轨道上的火星探测器里的机组人员来控制，航天员可以通过仪器对火星表面和环境进行详细研究。

第3步：航天员在火星着陆实地考察。

俄罗斯载人火星探测的典型过程如图3所示。首先预计发射20次“质子号”火箭将火星探测器各组件送往近地轨道，并将其装配成一个综合系统。之后，将4人组成的机组送往火星探测器。火星探测器在近地轨道上运行一段时间，在获得必需的加速度后，脱离地球轨道飞往火星。

当火星探测器进入火星轨道后进行制动，最终分离出载有2个航天员的起飞着陆器。航天员在搭乘起飞着陆器登陆火星以后，将在火星表面上工作2～4周，之后返回位于近火星轨道上的火星探测器。在返回地球时，火星探测器进入日心轨道，两次横穿水星轨道，追逐地球，打开制动，进入地球轨道，返回地球。

图3 俄罗斯火星探测飞行示意图Fig.3 Flight demonstration of Russian Mars exploration mission

2 载人小行星探测飞行任务分析

一般来说，小行星探测的任务窗口重复周期较长，在选定的时间段内，每颗小行星的探测窗口几乎是唯一的，因此在制定探测轨道方案时，不宜采用火星探测的人货分离运输方式，而只能采用人货同步运输方式。

小行星探测轨道的一般流程为：载人小行星探测飞行器由地球近地轨道出发，经过加速进入地球—小行星转移轨道，在地球—小行星转移轨道上自由飞行直至到达目标小行星附近，载人小行星探测飞行器通过减速制动，进入与小行星伴飞状态的日心轨道，载人小行星探测飞行器与目标小行星伴飞并进行探测，当进入返回窗口时，载人小行星探测飞行器加速进入小行星—地球转移轨道，载人小行星探测飞行器在小行星—地球转移轨道自由飞行直到到达地球。其探测轨道流程如图4所示。

对于小行星探测任务分析，首先需要解决的是目标星的选择问题。不同的目标小行星，其探测任务发射窗口、速度增量需求可能相差很大。

从安全性、可行性、探测价值和经济性等方面的考虑，载人小行星探测任务的目标星应具备以下特点：1)轨道明确，观测数据完整，已经进行编号；2)近地小行星，即远日点距离小于1.3 AU的小行星；且发射窗口较为宽松，所需速度增量低，可达性好，停留时间短(能够较快返回)；3)半径大，自传周期较长，资源丰富，光谱类型有探测意义。

图4 载人小行星探测轨道示意Fig.4 Human asteroid exploration orbit demonstration

由于小行星数目众多，载人探测小行星的任务要求范围比较广，为了给出有针对性的分析结果，结合我国的国情，提出如下的轨道筛选条件：

1)发射窗口2035—2045年；

2)任务周期较短；

3)总速度增量需求较低。

根据约束条件筛选出3颗目标星，计算得到进行小行星探测的相关任务参数(燃料最省)如表2所示。

表2 探测潜在目标小行星的任务特性参数

Table.2 Characterictic parameters for potential target asteroid exploration missions

小行星代号2009BD2008KT2008UA202发射窗口2040年10月2036年4月2037年4月地球-小行星飞行时间/d155110175小行星-地球飞行时间/d137159156驻留时间/d7111431总任务周期/d363383362近地轨道出发速度增量/(m·s-1)336583509733208小行星处制动速度增量/(m·s-1)238731225007小行星出发速度增量/(m·s-1)24343687633速度增量合计/(m·s-1)384754258745847

从表2的详细特性参数可以看出，载人小行星探测任务周期分别是363天、383天及362天，总任务周期比较接近，且都不超过400天。速度增量(理论值)需求最大值是在近地轨道出发处，都在3.3～3.5 km/s之间，而在目标小行星处的两次机动需要的速度增量都比较小，总速度增量小于5 km/s。

3 载人火星探测飞行任务分析

基于当前人类科技水平，载人火星探测任务一般可以采用的轨道为直接轨道、两端停泊轨道、循环轨道以及以上几类的组合，具体飞行轨道又可根据在火星表面停留时间分为长时和短时停留轨道[4-5]。

根据不同轨道以及不同的推进系统，载人火星任务架构可以有多种不同选择，具体可见文献[6]。对于常规的不考虑多次往返的火星探测任务，一般采用两端停泊轨道，具体设计思路可参考文献[2]。

以下基于两端停泊轨道思想设计地球—火星及火星—地球往返轨道。考虑2030—2050年内的从地球飞往火星的发射窗口，转移飞行时间范围为90～400天。地球、火星星历采用DE405。

假定从地球200 km近地轨道出发，到达环火星200 km轨道。

通过地球—火星转移轨道发射窗口能量图，如图5所示，分析从地球出发前往火星的出发时间、飞行天数与所需速度增量的关系。可见：

1)地球—火星转移轨道每26个月(约两年)存在一次发射窗口。

2)由于地球和火星轨道异面，尽管每两年能存在一次发射机会，但是每一次的窗口对应轨道不尽相同，约每7个会合周期(14.95年)才能出现同样的地球—火星转移轨道。因此同样的地球—火星转移轨道约每15年会重复出现。

3)在每一个两年的窗口内分别存在两个速度增量较小的机会，分别对应一个较长的飞行时间和较短的飞行时间。

4)完成火星探测所需最小总速度增量为：5.64 km/s(从地球出发脉冲以及到达火星减速)，通常最小脉冲对应的飞行时间较长，载人飞行时需要适当减少飞行时间，使得所花的总速度增量要稍大。

以上结论也同样适用于火星—地球转移轨道发射窗口能量图如图6所示，通过能量图可以分析从火星出发前往地球的出发时间、飞行天数与所需速度增量的关系。由于从火星返回地球一般采用气动减速，以弹道—升力式再入地球方式，因此无需在到达地球时主动施加脉冲减速，不计算到达地球减速速度增量。从火星返回地球出发轨道最小速度增量为1.97 km/s。考虑到为了让宇航员尽快返回地球，需要适当缩短飞行时间，则所需速度增量要稍大一些。

图5 地球-火星转移轨道发射窗口能量图Fig.5 Launch window energy figure of earth-mars transfer orbit

图6 火星-地球转移轨道发射窗口能量图Fig.6 Launch window energy figure of mars-earth transfer orbit

基于能量曲线图可以得到长时停留和短时间停留这两类任务的总任务时间以及所需总速度增量。一次火星探测任务总时间包括从地球出发飞行到火星时间、在火星停留时间以及从火星出发返回地球时间，共计约需要600～700天(对应短时停留轨道)和900天(对应长时停留轨道)。完成全部探测任务所需的总速度增量包括地球出发速度增量、到达火星减速速度增量以及从火星出发返回地球速度增量(暂未考虑从环火轨道降落到火星表面以及从火星表面起飞速度增量)，约为6～8 km/s(对应短时停留轨道)和8～10 km/s(对应长时停留轨道)。

完成载人火星探测，可以参考DRA5.0任务架构，货运任务提前进行，选用能量最优轨道，飞行时间约200余天。载人任务则选择飞行较短、能量要求更大的直接转移轨道，飞行时间约180天，速度增量稍大于能量最优轨道[2]。

图7～图8列出了火星探测载人任务和货运任务在2030—2050年间所需速度增量的示意图。图8分别考虑了火星脉冲减速和气动减速。

图7 火星探测载人任务速度增量需求Fig.7 Velocity increament needs of crew mars mission

图8 火星探测载货任务速度增量需求Fig.8 Velocity increament needs of cargo mars mission

4 基于我国航天技术水平的可行性方案论证

我国航天事业经过50余年的发展，创造了包括“东方红1号”卫星、载人航天、月球探测等三大里程碑，航天总体技术水平已经达到世界前列。通过载人航天工程的牵引，我国的载人运载火箭、载人飞船、空间实验室和空间站的技术水平获得了极大发展。目前，我国还在积极进行重型运载火箭以及载人登月工程的论证，这些工作为实施未来我国的载人登火和载人小行星探测等任务奠定了良好基础[7]。

4.1 技术水平评估

1)运载火箭水平

我国已经成功研制了体系完整的长征系列运载火箭，并正在稳步开展新一代运载火箭的研制，形成了由10余种型号组成的长征系列运载火箭家族。与此同时，中国的航天运载技术也取得了举世瞩目的成就，长征系列运载火箭经历了从串联到并联、从一箭单星到一箭多星、从常温推进剂到低温推进剂、从末级一次启动到多次启动、从发射卫星到载人飞船再到深空探测器的技术跨越，具备了发射任意地球轨道有效载荷的能力，入轨精度、安全性、可靠性和经济性处于国际领先水平，满足了不同用户的多种需求[8]。

在载人航天领域也研制或正在研制完整的载人运载火箭体系，其中采用“长征2号”F载人运载火箭发射载人飞船，低轨运载能力约8.1 t。研制“长征7号”运载火箭用于发射货运飞船。该火箭设计了货运和载人两种状态，货运状态火箭低轨运载能力约13.5 t。载人状态火箭近地轨道运载能力约13 t以上。在“长征5号”运载火箭基础上，研制“长征五号”B运载火箭，用于发射空间站各舱段。近地轨道运载能力25 t，与目前国际上主流大型运载火箭能力相当[9]。

为满足未来载人登月和深空探测的需求，中国进行了重型运载火箭的论证，根据初步论证的载人登月模式，中国的载人登月任务提出了月球转移轨道(luner transfer orbit，LTO)运载能力不低于35 t的需求，对火箭低温末级还提出在轨工作5天的需求。目前确定的重型火箭方案使用大直径箭体、大推力液氢液氧发动机、大推力液氧煤油发动机或大推力固体助推器，奔月轨道运载能力可达35 t，近地轨道运载能力为百吨级，除满足载人登月任务外，也可用于深空探测工程规划的火星采样返回任务[10-11]。

2)载人飞船、空间站水平

我国神舟飞船已经成功验证了载人飞船的各项关键技术，成功应用于出舱行走、交会对接等任务，从“神舟8号”开始，已经进入小批量生产阶段，并将作为空间站载人天地往返运输系统的一个重要组成部分。未来载人火星探测任务可以继承神舟飞船技术。载人航天工程已经验证了载人飞船从近地轨道再入返回技术，“嫦娥”月球探测任务已经验证了弹跳式月球再入返回技术。从火星再入返回的再入速度更高，再入气动热环境更加复杂，新型的载人飞船需成功继承前期神舟飞船的成果，并突破行星际再入返回、深空长期在轨等特殊关键技术。

我国空间站具备100 t级规模，包括核心舱、实验舱Ⅰ和实验Ⅱ，通过交会对接和舱体转位组装构成空间站基本构型。设计寿命10年，并具有通过维护维修延长使用寿命的能力。额定乘员3人，可以适应2人或无人值守飞行。我国空间站以三舱作为基本构型，通过组装建造和初步运营后，将全面系统地掌握空间站技术，使我国形成建造和运营长期大型复杂载人空间设施的能力[9]。

3)测控水平

我国的VLBI深空测控网已经成功应用于“嫦娥”月球探测任务，并一直还在建设中，未来载人航天可以利用现有的深空探测网，并加强国际合作，加强与美国、俄罗斯、欧洲、澳大利亚等的VLBI深空测控站的合作，能够解决载人火星深空测控问题。

4.2 初步方案论证

载人火星小行星探测需要利用重型运载火箭、载人飞船、深空居住生活舱以及大规模轨道转移运输级。

4.2.1 重型运载火箭

载人深空探测需要研制百吨级运载能力的重型运载火箭，初步确定我国的重型运载火箭采用二级捆绑助推器构型方案，近地轨道运载能力约130 t。通过第二级多次点火，可用于载人登月、深空探测、载人火星等多种任务[10-11]。

4.2.2 新型多用途飞船

新型载人飞船要具备执行近地空间站任务、未来载人登月与月球基地、火星和小行星等空间探测任务的能力。

新型载人飞船由返回舱与推进舱两舱组成，具备整船自逃逸能力。返回舱采用倒锥型侧壁加球冠状大底的钝头体构型，为全船指令中心，在飞行过程中为航天员提供生存环境，前部安装对接机构和交会对接敏感设备；推进舱为整船提供能源和动力。新型飞船具备从火星转移轨道再入能力。

采用推进舱模块化设计理念来适应不同任务的速度增量需求，并通过密封舱的模块化设计兼顾人员和货物运输的能力。针对不同任务对人员运送和上行物资方面能力的不同需求，从密封舱或推进舱内部空间布局上考虑，使新飞船具备人货混运的能力，最大可适应6名航天员运送的需求。

4.2.3 深空探测任务生活舱

载人火星、小行星任务周期长，航天员的长期生活空间、生活消耗品和产生废弃物的储存、有效载荷和维修更换设备的贮存等都需要很大的空间和上行能力，同时航天员长期在火星表面生活工作也需要提供相应的支持设备和资源，需要针对载人登陆火星、小行星任务设计深空探测任务生活舱。

深空探测任务生活舱为密封舱结构，具备独立的能源、信息、热管理、载人环境控制和空间环境防护功能，其全部或部分舱段可以在火星表面定点着陆，为航天员在火星表面生活和工作提供资源、工具和通信等支持。

5 基于新型动力的载人火星探测任务展望

基于常规推进系统(传统化学推进以及核热推进)的载人火星探测任务时间长达900余天，如此漫长的任务时间造成探测系统规模庞大，对人类现有工程技术水平，以及对航天员心理和生理等也造成巨大压力(俄罗斯进行的火星500项目进行了初步测试)。可以预见，基于常规推进系统进行载人火星探测任务将面临诸多挑战，用900天完成一次载人火星探测任务在可预见的未来几十年内还难以实现。要使未来载人火星探测成为类似于航空活动一样的人类行为，还需要航天工程取得诸多革命性的进步。

图9 核聚变火箭载人火星探测任务规模Fig.9 Mission scale for nuclear fusion rocket human mars exploration mission

为了把载人飞行任务缩短到人类可以接受的水平，同时大大降低航天器任务规模，最可行的思路是基于新型的具有革命性的推进系统。这方面具有突出优势的是核推进系统[6]。核热推进系统虽然比冲较传统化学推进高，可以降低一定的任务规模，但无法缩短任务时间。未来新型的核电、核聚变推进系统则有望大大缩短任务时间，降低系统规模[12]。

普通的电推进系统比冲极高，但推力过小，目前还只能应用于质量较小的无人航天任务中，如SMART-1月球探测任务以及GEO卫星南北位置保持等[13]。对于能量要求更高的载人任务，需要利用能量更高的核电推进系统。NASA指出要完成载人火星探测任务，核电推进系统需要至少提供6 MWe能量(这部分能量代表了最低需求，仅能应用于对能量需求较少火星探测任务架构)，而为了能够完全地执行一次载人火星探测任务(人货合运模式，飞行时间较少)，核电推进系统需要的能量高达20 MWe，甚至更高[14]。

华盛顿大学航空航天系认为利用现有化学能火箭几乎不可能完成地月系之外的行星际载人探索，对火星乃至更远天体的探索需要更强大的推进系统。他们提出一种基于核聚变推进系统的载人火星探测方案，能够在210天完成载人火星探测任务，整个初始任务规模约为134 t，由一枚战神V火箭即可以完成初始发射任务[15]。

这种先进的核聚变火箭采用等离子体喷射流技术，将等离子体流注入火箭喷嘴，在各层金属环(锂金属)结构控制的压力室内被压缩，将能量突然释放出来，使得锂金属在磁场控制下的喷嘴区域蒸发、电离，由此产生了可驱动火箭前进的推力。

该研究小组设计的核聚变火箭只需要质量很低的核材料，一粒沙子大小的核材料相当于1 gal(约3.8 L)的火箭燃料。聚变系统中会形成强大的磁场，将等离子体压缩，点燃核聚变的过程仅几微秒，可在极端的时间内释放出足够的能量。整个过程可被快速重复，这样就能产生推力驱动宇宙飞船。

6 结束语

本文调研了国外载人火星小行星探测任务，对载人小行星、载人火星探测任务进行了分析，并基于我国航天技术水平进行了评估，提出了初步的技术方案。

目前我国航天技术整体水平与美、俄等航天强国相比还存在一定差距，结合我国的航天技术现状及我国的基本国情，建议我国的载人火星和小行星探测规划及发展按照如下思路进行：

1)尽快从顶层规划未来发展

为保证未来我国载人火星、小行星探测任务的顺利实施，提升我国航天强国的地位，需提前做好载人火星、小行星探测未来发展规划，开展相关关键技术预先研究与攻关，通过既定任务不断验证和发展载人天地往返运输技术，加强技术储备，完善天地往返运输领域技术体系，为天地往返运输战略的实施提供有力支撑。

2)载人登月、载人登陆小行星、载人火星等深空探测统一规划，技术基础共享

载人火星、载人小行星探测的任务规划，是未来载人航天发展规划的一部分，从任务发展、技术进步以及节约成本等角度出发，需要结合载人航天发展相关的其他重大规划一起，统筹规划、合理布局。

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[责任编辑：宋宏]

Analysis of the Manned Mars and Asteroid Missions

GAO Zhaohui1，2，TONG Kewei2，SHI Jianbo2，SHEN Lin2

(1.School of Astronautics， Beijing University of Aeronautics and Astronautics， Beijing 100191，China;2.Research &Development Center， China Academy of Launch Vehicle Technology， Beijing 100076，China)

Manned Mars and asteroid missions are the important development directions of deep space. Active works about scheme demonstration and technology research have been done by America. For its enormous scale and the limited capacity of the space transport system， such vehicles as heavy launch vehicle and orbit transfer stage have been developed. Analysis of the manned Mars and asteroid missions have been done on the mission plan in this paper， tentative transport schemes and key technologies are done at the same time．

manned space flight； Mars detection； heavy launch vehicle

2015-01-10

2015-02-15

V412.4

A

2095-7777(2015)01-0010-10

10.15982/j.issn.2095-7777.2015.01.002