载人火星探测航天运输系统

对未知世界的探索，是人类发展的永恒动力；对茫茫宇宙的认知，是人类亘古以来的不懈追求。深空探测是人类探索宇宙奥秘、寻求更加广阔发展空间的重要途径，开发和利用空间资源将为人类社会的可持续发展做出越来越大的贡献。以火星为目标的无人探测和载人探测是人类走向浩瀚宇宙必然的一步。火星是太阳系八大行星之一，按距离太阳由近及远的次序排列为第四颗，中国古代称之为“荧惑”，西方称之为“战神”（MARS）。在太阳系八大行星之中，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，火星的许多性质与地球相似，火星大气的主要成分是二氧化碳，已经证实存在水和甲烷，火星到太阳的平均距离大约是1.52倍日地距离，太阳光照充足。因此，火星是除地球以外，太阳系有可能曾经存在生命的行星，也能够为载人火星探索提供重要原位物资资源。到目前为止，已经有超过数十枚探测器到达过火星，它们对火星进行了大量的考察，并向地球发回了大量数据，火星也是除了地球以外人类了解多的行星。我国天问一号火星探测器也已成功降落火星表面，并开展了多项科学探测任务。
随着人类对火星的了解越来越多以及航天科技的快速发展，载人火星探测越来越受到国际航天界关注；美国和苏联很早就提出了载人火星探测的设想，并开展了大量研究工作，美国政府已宣布在2025年实施载人登月，同时为载人火星探测做准备，并宣布2040年前实施载人火星探测任务，SpaceX公司提出火星移民计划，并持续开展其星际运输系统——超重-星舰的研制；欧洲、俄罗斯也提出了多种载人火星探测任务方案；中国方面，已成功完成月面取样返回和首次无人火星探测任务，载人空间站已完成在轨建造，正在开展载人月球探测的研究，载人火星探测也必将是其后的下一个目标，将成为建设航天强国的重要标志性任务之一。
相对于地月空间载人探测，载人火星探测任务复杂性大幅提高，距离远、时间长，系统规模大，航天员长期暴露在没有地球磁场保护的空间环境，挑战巨大。这些问题的解决需要比当今航天运输系统规模大得多的运输能力支撑。因此，系统开展载人火星探测航天运输系统研究，对于提出和选择科学合理的载人火星探测技术路径，应对载人火星探测任务及其航天运输系统面临的各项技术挑战，引领和推动科技进步，奠定后续深入开展载人火星探测任务系统研究的基础等都具有十分重要的意义。
国际宇航科学院（IAA）王小军院士主编的《载人火星探测航天运输系统》一书，针对这一课题开展了系统性研究。该书通过对主要航天国家关于载人火星探测研究的调研分析，总结了发展趋势；在梳理载人火星探测任务架构涉及的各类设计因素的基础上，分析了关键设计因素对载人火星探测任务架构设计的影响，提出了“三步走”的载人火星探测发展路线及其具体的任务架构方案；提出了四种初期载人火星探测的架构及其航天运输系统方案，讨论了载人火星探测航天运输系统的特点和组成，梳理了关键技术，并给出了技术途径；考虑到载人火星探测任务复杂性和艰巨性，本书探讨了载人火星探测的国际合作模式，倡议通过深层次的国际合作完成这一人类壮举。
在国际宇航科学院的支持下，王小军院士牵头联合多国院士专家，系统性地开展载人火星探测航天运输系统研究，本书是他们共同研究成果的总结，凝聚了该领域国内外众多专家学者的智慧，反映了当前世界航天在载人航天领域的热点研究成果，对后续开展载人火星探测任务规划、航天运输系统的深入研究和工程研制均具有很好的参考价值，是航天领域科研工作者和广大高校师生一本很有价值的参考书。我非常高兴为该书作序，期望本书能够吸引更多的新生力量关注载人航天和载人火星探测领域的发展，并投身于这一伟大的事业，为构建太空人类命运共同体做出积极的贡献。我相信人类登陆火星的宏伟目标一定能够实现，这将是人类文明发展史上极其重要的里程碑事件。

“星空浩瀚无比，探索永无止境”，人类迈向深空的步伐永不停歇，随着人类社会和航天科技的不断发展，火星探测变得越来越有吸引力。天问一号火星探测器已成功降落火星，并通过一次任务就实现“绕、落、巡”三大目标，对火星的表面形貌、土壤特征、物质成分、水冰、大气、电离层、磁场等进行了科学探测。从1960 年苏联发射世界上个无
人火星探测器至今，人类已发射无人火星探测器47 次，对火星进行了详细的考察；随着火星探测任务的不断深入，世界各国也相继开展火星表面采样返回、载人火星探测和火星基地的研究，并提出相关计划。
载人火星探测在探索地外生命、星际移民、推动科技发展、提升国家地位和促进人类社会进步等方面具有重要意义，同时对青少年能起到极大的科技教育和激励作用。航天运输系统技术是载人火星探测任务实施的基础技术，其技术水平对载人火星探测任务的风险、复杂度和成本具有重要影响，有必要开展载人火星探测航天运输系统技术研究。开展载人火星探测航天运输系统研究，除了能够直接支撑载人火星探测任务的实施外，还能够为支撑大型空间基础设施的建设、支撑地月经济区建设与运行、支撑大规模深空探测和行星资源开发任务打下技术基础，同时能够牵引航天动力技术变革和核能应用发展。
与地球空间航天运输系统相比，载人火星探测航天运输系统任务复杂，飞行时间长，飞行距离远，交会对接次数多，运载器规模大，且由多个运载器组成。美国从20 世纪50 年代就开始载人火星探测的研究工作，并提出了多种运输系统方案；美国政府和相关企业提出2040 年前开展载人火星探测。欧洲和俄罗斯也提出了相关方案设想。我国相关研究机构和大学开展了载人火星探测有关的轨道设计和不同推进技术应用分析等研究，还尚未有关于载人火星探测航天运输任务架构设计、运输系统组成与特点分析、方案研究、关键技术以及国际合作等系统性研究工作。
面向未来载人火星探测任务，针对如何构建相关任务架构，设计相关航天运输系统方案，本书总结了相关研究成果，并系统分析了载人火星探测任务架构设计因素及其影响，提出了未来载人火星探测发展路线和总体架构设计，并基于此提出了相关航天运输系统方案，梳理了关键技术，后给出了载人火星探测国际合作模式设想。
本书分为9 章。第1 章绪论，表述了开展本课题研究的背景和意义；第2 章总结了载人火星探测模式及其航天运输系统研究成果，重点对美国、中国、俄罗斯和欧洲等主要航天国家及地区的相关研究进行了分析和总结；第3 章对载人火星探测任务架构设计因素进行了梳理，并对各设计因素内涵和范围进行了解释说明；第4 章对载人火星探测任务架构重点设计因素进行了详细分析，考察其对载人火星探测任务架构设计的影响，包括能量需求、飞行时间、系统规模等；第5 章在前几章研究的成果的基础上，提出了三步走的载人火星探测发展路线及其具体的任务架构方案，分别是机器人火星探测、初期载人火星探
测和航班化载人火星探测；第6 章针对第5 章的初期载人火星探测提出的四种架构方案，分别提出了相关航天运输系统的方案，同时分析给出了载人火星探测航天运输系统组成、各方案速度增量需求和运输系统规模、总体及分系统技术方案；第7 章针对载人火星探测航天运输系统，梳理了相关重点关键技术，给出了技术内涵和解决途径；第8 章提出了针对载人火星探测任务的国际合作模式设想，分析了国际合作需求，总结了当前国际合作现状与发展趋势，后提出了相关国际合作模式；第9 章总结了本课题的研究成果，并提出了相关措施建议。
本书的编写得到了意大利Giancarlo Genta 教授、俄罗斯Yury Razoumny 教授、美国Peter Swan 教授、Roger Lenard 教授的大力支持，他们也对本书内容进行了指导和修改；汪小卫、任宽、张烽、李扬、董晓琳、焉宁、艾立强、何漫、张黎、童科伟等同志为本书的编写和出版提供了许多帮助；本书得到了国家自然科学基金（基金号：52232014）的支持；中国宇航出版社为本书的编辑、出版提供了帮助。在此一并表示衷心感谢！
本书同时以中英文出版，在编写过程中经过多次修改完善，并经过多位中外业内专家审阅，力求做到结构完整、思路清晰、观点明确、反映一些成果，鉴于编者水平有限，书中难免有不妥之处，恳请广大读者指正。

本书通过对主要航天国家关于载人火星探测研究的调研分析，总结了发展趋势；在梳理载人火星探测任务架构涉及的各类设计因素的基础上，分析了重点设计因素对载人火星探测任务架构设计的影响，进一步提出了三步走的载人火星探测发展路线及其具体的任务架构方案，可供后续开展载人火星探测任务规划参考；并针对性地提出了四种初期载人火星探测的架构及其航天运输系统方案，明晰了载人火星探测航天运输系统的特点和组成，梳理了相关重点关键技术，并给出了技术途径，对后续开展载人火星探测航天运输系统的深入研究和工程研制具有很好的参考价值。

王小军，研究员，国际宇航科学院（IAA）院士，现任中国航天科技集团有限公司研究院院长、党委副书记，国际宇航联（IAF）副主席，国家百千万人才工程专家。

第1 章　绪论 1
第2 章　载人火星探测模式及其航天运输系统方案发展情况 7
2.1　美国 10
2.2　中国 47
2.3　俄罗斯 51
2.4　欧洲 57
2.5　小结 61
第3 章　载人火星探测任务架构设计因素 63
3.1　人货转移模式 65
3.2　转移轨道类型 66
3.3　地球出发时间 72
3.4　地球停泊轨道 73
3.5　推进技术 76
3.6　地球逃逸模式 91
3.7　火星探测目标与模式 93
3.8　火星停泊轨道 94
3.9　火星停留时间 95
3.10　火星捕获方式 95
3.11　地球返回模式 97
第4 章　载人火星探测任务架构设计因素分析 99
4.1　载人火星探测任务架构设计因素分析基准 99
4.2　载人火星探测任务架构设计因素影响分析 102
第5 章　载人火星探测发展路线与总体架构设计 159
5.1　发展路线及任务模式选择 159
5.2　任务架构设计 162
第6 章　载人火星探测航天运输系统方案研究 175
6.1　载人火星探测航天运输系统组成分析 175
6.2　航天运输系统速度增量需求和规模分析 178
6.3　地球发射系统 184
6.4　地火转移级 188
6.5　火星着陆与上升器 226
6.6　火星表面设施 235
第7 章　关键技术分析 239
7.1　载人火星探测航天运输系统总体设计技术 239
7.2　低温推进剂长期在轨应用技术 244
7.3　先进推进技术 260
7.4　精确制导与控制技术 268
7.5　先进能源与通信技术 277
7.6　先进结构机构设计技术 280
第8 章　载人火星探测的国际合作 291
8.1　需求分析 292
8.2　现状与发展趋势 293
8.3　模式研究 299
第9 章　结论与建议 303
参考文献 307

载人火星运输系统，国际宇航科学院（IAA）院士王小军主编，中国载人航天工程总设计师周建平院士作序推荐

本书系统总结了面向未来人类载人火星探测任务架构及方案研究成果，提出了未来载人火星探测发展路线和总体架构设计，并基于此提出了相关航天运输系统方案，梳理了关键技术，反映了当前热点研究成果，能够为航天领域的科研工作者和广大高校师生提供参考，具有很好的借鉴性。