1.2 载人深空探测顶层任务分析内容

载人深空探测技术是一门综合了行星科学、航天医学以及航天工程技术的交叉综合学科，开展载人深空探测顶层任务分析需重点开展发展战略与技术路径、科学目标与探测载荷、体系架构与任务分析、核心能力与关键系统、地面试验及模拟验证等方面的内容研究，这是制定工程实施方案的重要技术基础，也是本书的重点阐述内容。

1.2.1 发展战略与技术路径

火星是太阳系内与地球环境最为相近的地外行星（金星被称作地球的过去，火星被称作地球的未来），随着人类持续在火星上发现存在水的证据和痕迹，人类移民火星的潜质逐步显露。美国在过去几十年里已成功开展了多次着陆火星探测任务，对火星特性的认识也不断深入。美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）提出载人深空探测应以火星为远景目标，现已得到了世界主要航天大国/组织的认可，最终实现载人登陆火星的目标已是全球共识。2018年1月国际空间探索协调小组（International Space Exploration Coordination Group, ISECG）公布的全球探索路线图如图1-4所示。

为达到最终登陆及移民火星的目标，载人深空探测通常有三类实施途径：第一类途径是以地球或近地空间站为起点，以月球及地月系统拉格朗日点为目标，实施载人登月、月球基地等载人月球探测任务，为后续载人登陆火星任务验证相关的工程技术能力；第二类途径是以地球或近地空间站为起点，以火星及其卫星为目标，实施载人小行星抓捕及资源利用任务，为后续载人登陆火星任务验证相关的工程技术能力；第三类途径是从月球或地月空间站为起点，以火星及其卫星为目标，既可实现对月球资源的开发利用，又可发挥地月空间站作为中转站的功能，在月球探测基础上进一步实施载人火星探测任务。

由于火星距离地球遥远，最近距离约为5500万km，最远距离则超过4亿km，单次飞行任务周期长达500天，每26个月有一次发射窗口。如果从地球出发前往火星，以现有的化学推进剂为基础，不考虑采用电推进及核推进等先进推进技术且中途没有推进剂补给的情况，即使采用比冲高达440 s的液氢液氧推进剂，近地轨道的出发质量约为1000t，至少需要10枚运载能力在百吨级以上的重型运载火箭才能完成任务。因此实施载人登陆火星探测任务的工程技术难度相当巨大，如何能够减少从地球出发的发射次数，降低LEO轨道初始出发质量成为人们必须面对的难题。

因此，人们在设计载人深空探测发展路径时，自然就想到了该如何发挥近地轨道空间站，深空空间站（可以在地月L1、L2点，也可在环月轨道），以及月球基地的中转站功能，比如充分利用空间站可进行飞行器推进剂补加的功能，或者利用月球基地原位制造的推进剂和水的功能，在地火飞行的途中对飞行器进行推进剂补加和资源补给，从而减少近地轨道初始总质量（Initial Mass in LEO, IMLEO）的规模和发射次数，以便更有效地降低成本。此外还有学者提出利用火星基地的原位制造推进剂的能力，先行发射货运设备到达火星，待火星上原位制造出推进剂后，再发射载人火星着陆器，在火星上对载人火星着陆器的上升级进行推进剂补加，从而降低载人火星上升级的起飞质量。

载人深空探测发展路径的研究不仅仅涉及航天飞行任务的设计，还需考虑月球、小行星或者火星的原位制造推进剂的能力、利用中转站进行推进剂补给设计的能力，以及人在太空长期飞行的医学承受能力。由于考虑的因素较多，因此可以设计出多条载人深空探测的发展路径，但真正付诸工程实践需要从各国的政治、经济和工程技术承受能力等方面去综合择优，最终选择一条适合本国发展的载人深空探测发展路径。

本书的第1章和第2章对载人深空探测任务概念与各种技术路径的发展现状进行介绍。

1.2.2 任务目标与探测载荷

载人深空探测的任务目标设计是载人深空探测任务分析与设计的关键环节，包括工程目标和科学目标设计两个部分。无论最终目标选择是月球、小行星还是火星，都要体现出载人深空探测任务的科学和工程技术的内涵与意义。此外，载人任务设计的核心思想还要确保人的安全性和可靠性，降低任务风险。以美国阿波罗载人登月工程为例，需要在任务目标设计上考虑的内容如下：

（1）工程目标。工程目标包括工程总体目标和分阶段工程目标，分阶段工程目标包括近期目标、中期目标和远期目标。例如，美国载人登月工程提出工程总目标是先于苏联将人安全送往月球表面并返回。近期目标包括第一步实施首次载人登月阿波罗11任务，发展航天医学和载人环境技术，确保人在载人登月旅途中的安全；第二步实施人在月面小范围的科学考察任务，即阿波罗12～14任务；第三步实施人在月面大范围科学考察任务，研制载人月球车，即阿波罗15～17任务。中期目标包括探测陨石坑或第谷等特殊月球地质地区，即阿波罗18～20任务（后取消），探索不同的月表地质形貌地区。远期目标为探索月球背面和极区等。遗憾的是阿波罗登月工程的中远期目标并未最终实现。

（2）科学目标。科学目标设计将体现出行星科学（含空间天文学）和航天医学的重要内容。例如，阿波罗工程在6次登月的过程中共进行了月震、月磁、月球重力、热流、电性等近30项科学试验。月面活动所完成的科学任务包括：①安放被动月震仪、月磁仪、太阳质子和电子观测仪、月球离子观测和电离层研究等仪器、激光反射器及其他仪器；②寻找水源，进行月球高山、峡谷和火山口的地质考察；③测定月球的热流、重力波、月磁等，开展主动月震；④采集岩石和土壤样品；⑤完成月球轨道科学试验。通过这些月面活动，对月球内部构造、月表特征及空间环境有了更多、更深入的认识。此外，通过6次登月任务，验证了人在深空飞行的环境控制与生命保障能力，对于低重力、月尘等特殊星球环境对人的影响有了深刻认识。

本书的第3章介绍了载人深空探测涉及的科学目标与探测载荷等行星科学基础知识，第4章介绍了长期深空飞行对人的影响等航天医学基础知识和典型风险等级分析案例。

1.2.3 体系架构与任务分析

载人深空探测的顶层任务设计是在确定了载人深空探测的发展路径和任务目标之后，开展具体工程任务规划和方案设计，包括飞行模式、飞行轨道设计、发射窗口分析、飞行任务周期设计、飞行器的系统组成和系统规模设计、运载能力和发射次数需求，以及任务实施规划设计等内容，这是制定后续工程实施方案的重要基础。例如NASA在2009年公布的《载人火星探索设计参考任务DRA 5.0》，这份文件为NASA后续制定载人深空探测领域的发展路线和先期启动关键系统与关键技术攻关奠定了扎实的技术基础。

图1-5所示为载人深空探测任务去往不同目的地所需的速度增量，这是进行载人深空探测任务飞行模式设计的基础，飞行模式的设计主要依靠齐奥尔科夫斯基公式进行推算。轨道设计主要是在飞行模式设计的基础上进行轨道阶段划分、各段轨道详细设计和发射窗口的分析，同时决定了飞行任务周期的设计。根据具体的飞行模式可以确定飞行器系统的组成和各飞行器的系统规模与干重比分配、飞行方案等内容，从而提出对运载火箭运载能力及发射次数的需求；最后根据飞行模式、飞行任务周期、发射次数等内容制定任务实施规划。

本书的第5章和第6章详细介绍了载人深空探测飞行模式与轨道设计的主要内容和设计方法，并对载人登月、载人小行星及载人火星探测的典型飞行模式进行了初步介绍。

1.2.4 核心能力与关键系统

从美国近半个世纪载人深空探测的发展动态来看，虽然发展路径和任务目标一直处于调整状态，但是却持续投入核心能力和关键系统的研发。例如，为发展进入空间与返回地球的能力，美国研制了新型载人飞船猎户座多用途乘员飞行器（Multi-Purpose Grew Vehicle, MPCV）和空间发射系统（Space Launch System, SLS）重型运载火箭；私人商业公司Space X研发了猎鹰重型（Falcon Heavy）运载火箭，目前火箭已成功首飞。这充分体现了载人深空探测任务提出的“构建核心能力，发展使能技术”的研发策略，即使总体任务目标不断调整，核心能力和关键系统仍旧保持基本不变。总体任务目标的调整只影响到关键系统的选择和配置。

无论载人深空探测的任务目标选择是月球、小行星还是火星，载人深空探测飞行器体系必须具备五项基本核心能力，包括进入空间和返回地球的能力、高效轨道转移能力、行星下降着陆与上升能力、太空活动及作业能力，以及在太空长期生存能力，如图1-6所示。

1．进入空间和返回地球的能力

进入空间能力是指将人员和货物运送至太空的能力，主要由运载火箭和飞船系统提供，包括重型火箭、载人火箭、载人飞船、货运飞船等；返回地球的能力是指将航天员或少量货物从目的地运送回地球的能力，主要是由载人飞船完成。为降低往返运输成本，在提高运载能力的基础上，着重发展重复使用技术，进入空间所需的运载火箭及其推进技术，以及地外天体着陆回收所需的变推力发动机技术等，详见本书第8章的具体介绍。

2．高效轨道转移能力

高效轨道转移能力是指将人员和货物从空间轨道转移运输至另一轨道的能力，主要由推进飞行器来完成，推进飞行器可以选用化学推进，也可以选用电推进或者核推进。推进飞行器可与载人飞船进行一体化设计，也可功能独立单独成为空间飞行器，根据具体的任务类型而定。高效轨道转移涉及低温推进、电推进及核推进技术等，详见本书第8章的具体介绍。

3．行星下降着陆与上升能力

行星下降着陆与上升能力是指将人员和货物从环绕轨道上降落或附着至星体表面，并从星体表面起飞至环绕轨道的能力，主要由载人着陆器或者货运着陆器完成。行星着陆与上升过程涉及高精度制导、导航与控制（Guidance Navigation Control, GNC）技术、热防护技术、发动机羽流导流及防护技术、着陆缓冲技术等，详见本书第7章的具体介绍。

4．太空活动及作业能力

太空活动及作业能力是指人员在太空中或者星体表面开展各种科学探测和试验活动的能力，包括星球车辆、星球机器人、星球探测设备以及航天员出舱活动必备的舱外服等，对于载人深空探测任务来说最大的特色是进行地外天体的原位资源利用，生产出推进剂、水或者氧气，以维持航天员在地外天体的长期生活和工作，详见本书第11章的具体介绍。

5．太空长期生存能力

太空长期生存能力是指人在太空中或者星体表面长期居住、生活和试验所需的居住系统，包括地月空间站、载人深空居住舱、月球基地和火星基地等。本书第10章将具体介绍居住系统的构成，以及居住系统的后勤及维护等内容。

1.2.5 地面试验及模拟验证

载人深空探测顶层任务分析的内容十分广泛，根据技术方案确定地面试验及飞行验证方案也是重要的内容之一。地面试验及模拟验证技术是研制载人深空探测飞行器必然面临的关键问题，也是后续对航天员进行模拟训练的重要环节，这些均需在开展顶层任务分析时同步考虑。本书第12章将详细介绍地面试验及模拟验证的内容。顶层任务分析的另一个内容就是确定实施规划，不仅包括地面试验和飞行试验，更包括实施规划。本书第2章将具体介绍美国载人月球探测飞行试验规划，如EM-1和EM-2任务。

上述五部分内容是开展载人深空探测顶层任务分析的核心内容。