1.1 载人深空探测的概念

1.1.1 基本概念和内涵

对于“深空”和“深空探测”（包括载人与无人深空探测）的定义，国际上并无统一的界定，“深空”一般是相对地球轨道而言的。根据国家军用标准《卫星术语》（GJB 421A—1997）和《中国大百科全书 航空、航天》的定义，深空是距离地球约等于或大于地月距离（约3.84×105km）的宇宙空间。根据2000年发布的《中国的航天》白皮书中的定义，目前将对地球以远的天体开展的空间探测活动称为深空探测活动，图1-1所示为深空探测概念示意图。

学术上通常认为，深空探测是指航天器在飞行过程中，其所处的主引力场是地球以外的天体，或处于多体引力平衡点附近的空间探测活动。深空探测通常包括无人深空探测（也可称机器人探测）和载人深空探测两种类型，无人深空探测任务可单独开展，也可作为实施载人深空探测任务之前的先导任务。

载人深空探测任务是指以月球、小行星、火星及其卫星为目标的有人类航天员直接参与的地外天体探测任务。在未来30年世界科技进步可预见的范围内，载人深空探测可达目标包括月球、小行星、火星及其卫星等。载人月球探测是以月球为代表的无人深空探测工程和以空间站为代表的载人航天工程发展的必然结合。

载人深空探测任务包括从地球出发的轨道运输、登陆地外天体、居住及探测作业、从地外天体起飞、返回地球等一系列飞行过程。按照登陆地外天体目标的不同，载人深空探测可分为载人月球探测、载人小行星探测和载人火星探测等任务；按照任务时间的长短，载人深空探测也可分为短期任务（如载人登月任务，任务周期7～14天），中期任务（如月球科考站任务，任务周期14～28天）和长期任务（如月球基地任务、载人小行星任务和载人火星任务，任务周期＞28天）。

“人的存在”使得载人深空探测任务在工程技术难度上较无人深空探测任务又提升了一个台阶，围绕“去、登、驻、用、回”五个方面的技术问题涉及领域广、技术难度大。需要开展重型运载火箭、载人深空探测飞行器等新型空间运输系统的研制，突破新能源、新动力、新型探测载荷、新型航天服、长周期任务生命保障等众多关键技术，以及新材料、新工艺等产品研制的基础和制备核心技术。更高的和全新的技术能力要求对工程技术与项目管理的发展形成新的牵引，将推动我国航天事业迈向新的领域，走向未知空间，战胜遥远距离、极端环境条件的挑战，实现我国航天技术新的跨越。

实施载人深空探测任务是开展基础科学研究的重要途径，作为空间科学研究的最高手段，将推动人类在太阳系的形成和演变、生命的起源等重大科学问题的认知突破，促进物理学、天文学、行星学、生物学等基础学科的快速发展和交叉、渗透，形成新的交叉学科分支，将极大地推动促进基础科学的发展，取得原创性成果，为人类认知客观世界做出独特的贡献。

实施载人深空探测任务还需着重开展与人相关的空间活动、地外生存等相关科学问题的研究，成果可有效推动空间生物科学、航天医学等技术的发展；在低重力/微重力、空间辐射环境下对生命科学、基础生物学、受控生态技术的研究，可为治疗人类的疾病提供更多的机会。因此载人深空探测为基础科学研究提供了一个更加广阔的平台，对引领科学研究发展，推动科学进步具有显著意义。由于载人深空探测工程在科学和技术领域的巨大牵引与带动作用，因此它成为美、俄等航天强国推动航天技术持续发展的重要途径。

1.1.2 载人与无人深空探测的差异

载人深空探测与无人深空探测相比，最大的区别在于人的存在，人的出现使得载人深空探测与无人深空探测在很多方面存在巨大差异。主要表现在以下四个方面：

（1）人类航天员直接参与的任务，空间生命科学成为关键问题。

与无人深空探测相比，载人深空探测任务的核心系统是人，人是一种有机生命体，人的加入使得对空间生命科学的研究显得十分必要且关键。为保障航天员在深空探测任务中的健康、安全问题，载人深空探测就必须关注与人有关的环境、生物、心理、生理健康与治疗等问题，这就涉及空间重力生物学、空间辐射生物学、空间微生物学、空间生理学、心理学与航天医学等方面的科学研究与技术问题。而在无人深空探测任务中，这些方面的研究并非关键，而对于以保障航天员生命安全为第一要旨的载人深空探测任务，空间生命科学的重要性甚至超越了其他科学技术问题。

（2）人类智慧的加入使行星科学认知能力更强。

无论是载人深空探测还是无人深空探测，对月球及行星科学的研究都是重要的科学目标，主要包括天体形貌、表面环境、地质构成、物质组成与分布等。人的参与使得航天员可在各种探测作业活动中充分发挥人类智能优势，航天员可利用自己的观感，综合各种信息，在很短时间内对观测到的事物做出综合判断。登陆地外天体，人可利用视觉直观地感受到星体表面的各种特征，如光、色等性质，土壤是否松软、地势是否起伏等。特别是对一些未知的自然现象的观察，人类具有特别的洞察力，远远超出了机器人或探测仪器所具备的功能。经过培训的航天员可以识别岩性、地层关系、构造特征等，可以测量地层关系（地层倾向和走向等），并且可以有选择性地进行多点采样，灵活高效地完成任务。人的存在还可以有效地排除设备故障、恢复设备功能，这些都是无人深空探测中暂且无法做到的。

此外，人的参与可使航天员在各种探测任务中充分发挥人类智能优势，通过人机联合作业等多种方式，轻松快捷地完成无人深空探测任务中十分繁复的工作，并根据实际需要完成主动科学试验任务，如主动月震、深层钻取采样、原位资源利用等，从而大幅提升人类对月球地外行星的认知能力。

（3）人类航天员的加入使飞行器的质量和体积规模显著增加，技术难度大幅提升。

飞行器是实施载人深空探测任务的直接载体。无人深空探测任务主要是飞行器平台搭载相关的有效载荷，实施规定的飞行探测任务，一般飞行器的质量规模较小，在1～10t。而对于载人飞行器，在时间和空间维度上都需要考虑人的因素，需设置密封舱，携带环控生保系统和食物等资源来满足人的生存需求；需要配备高比冲、大推力推进系统来缩短任务周期，降低风险；需要先进的制导、导航与控制技术来满足高精度星体表面着陆的需求；需要先进的防热结构和回收系统来满足大载荷高速再入与精确着陆的需求；等等；同时还需要考虑整个任务过程中的安全性问题。因此与无人深空探测相比，载人飞行器不但规模是无人飞行器的数倍甚至数十倍，相关航天技术水平也较无人飞行器呈现出跨越式提升，如图1-2所示。

（4）人的存在使对载人任务使用的运载火箭运载能力、安全性、可靠性要求更高。

进入空间的能力是实施深空探测任务的基本保障，无人深空探测任务对火箭运载能力的要求相对较低。载人与无人深空探测任务相比，由于载人飞行器的质量规模大幅度增加，导致对运载火箭的能力要求大幅度提升，载人深空探测任务对于近地轨道（Low Earth Orbit, LEO）的运载能力一般要求在50t级以上（例如猎鹰重型火箭为56t，土星5号火箭为120t）。如此大的能力需求差异导致对重型运载火箭的研制提出更高的要求，如推进剂类型的选择，大推力火箭发动机的研制，大型箭体结构的加工制造，等等。同时，由于人的参与，对载人运载火箭的安全性和可靠性也提出了更高的要求，对落点精度和冲击过载等要求更苛刻。图1-3所示为长征5号运载火箭与美国重型运载火箭的性能指标对比。

总体而言，载人深空探测任务涉及的领域更广，科学问题更加突出，可以更有效带动行星科学、生命科学等诸多学科的发展；载人深空探测任务实施难度更大、要求更高，对工程技术的带动性更强。因此世界航天强国都将载人深空探测工程纳入国家战略性科技工程中，其技术难度和投资规模巨大，建设周期长，战略意义深远。

1.1.3 载人深空探测的发展原则

航天技术经过数十年的发展，目前人类的双脚也仅仅踏足地月轨道空间，依托载人飞船、航天飞机、空间实验室或空间站开展小规模的载人活动，若将浩瀚宇宙比作汪洋大海，目前人类尚未站稳“海边的浅滩”。目前仅有美国在20世纪六七十年代实施了6次阿波罗载人登月任务，去过数次月球这一“岸边的礁石”；开展了数次无人火星探测任务，人类的触角刚刚染指火星这一“近海的小岛”。面对无垠的宇宙，就像当年人类刚刚学会制造木筏一样，若想实现自由星际航行，仍需一个漫长的过程。

人类探索太空应充分发挥工业革命、信息时代所积累的技术基础，循序渐进开展太空探索与实践，即坚持“以有人参与为目的，先期开展多项无人深空探测任务，将无人与有人深空探测任务融合发展，逐步突破核心关键技术，带动科学技术的跨越式发展”，这是人类探索宇宙、走向深空的基本发展原则，逐步将人类的脚步迈向更深远的空间。

与历史上传统的人类探险活动不同，当今科技发展迅速，信息技术、纳米技术、人工智能技术、虚拟现实技术等飞速前进，人类可以更多地利用仪器或机器人完成早期目的地探测任务：一方面，无人任务成本相对较低、技术难度较小，有限的次数即可达到初步探测的目标；另一方面，无人任务可为载人深空探测任务积累目的地信息，验证关键技术，因此可将无人深空探测作为载人深空探测的先导任务，在人类前往目的地之前先期实施，从而降低人员的风险。此外，人工智能技术的快速进步，使得利用机器或机器人完成较危险的任务成为可能，如探测岩洞、深谷或有毒物质等。若开展人机联合探测，还可充分发挥各自的优势，提高载人深空探测任务的高效性与安全性。可以预见，未来载人深空探测任务的显著特点是人机联合探测与作业。