中国载人火星探测“三步走”设想：航班化探测形成经济圈

　　2021年全球航天探索大会在俄罗斯召开，中国航天科技集团一院院长、IAF副主席王小军应邀作了题为《载人火星探测航天运输系统》的大会报告。

　　会上，王小军介绍了中国第一次火星探测任务“天问一号”和“祝融号”探测器的任务概况、总体方案、相关数据和视频，以及中国未来深空探测计划。

　　王小军简要回顾了全球火星探测的发展情况，在此基础上，提出了未来载人火星探测发展路线及任务架构，明确了载人火星探测任务航天运输系统的组成、特点、总体方案与设计参数。

　　载人火星探测“三步走” 设想

　　第一步机器人火星探测（技术准备阶段）

　　主要任务：火星采样返回、火星基地选址考察、原位资源利用系统建设等。 

　　第二步初级探测（初步应用阶段）

　　主要任务：载人环火、轨道探测、载人火星着陆探测、火星基地建设等。 

　　第三步航班化探测（经济圈形成阶段）

　　主要任务：包括大规模地火运输舰队，大规模开发与应用等。

　　载人火星探测任务架构

　　影响任务构架设计的因素有地火转移轨道类型、出发时间、出发点、推进技术、是否采用气动捕获等。

　　地火转移轨道类型：基本轨道分为长停留合式轨道和短停留冲式轨道。地球和火星之间也存在着循环轨道，可以定期重返地球和火星，适用于长期多次的载人火星探测任务。

　　出发时间：2033年、2035年、2037年、2041年、2043年等。

　　出发点：选择高椭圆轨道（HEO）的出发较为合适。

　　推进技术：核热推进是目前载人火星探测方案设计的重要选择。核聚变推进理论上具有更高比冲性能，需要理论和技术的突破，适合作为载人火星探测更远期的研究目标。

　　此外，我国还研究将天梯这一新型运输系统作为空间出发点，能降低火星探测运输的规模。

　　航天运输系统的组成

　　在初期载人探测的总体构架方案中，运输系统包括运载火箭、摆渡级地火转移运载火箭、火星着陆与上升飞行器等多个运载器。针对该任务构架的不同阶段，采用不同类型的运载器完成运输任务。   

　　每个阶段技术特点

　　机器人火星探测阶段：

　　采用大型或重型运载火箭，直接将探测器发射至地火转移轨道，探测器采用化学推进，选择脉冲式合式轨道，并利用反推制动达到火星进行探测。

　　初期载人探测阶段：

　　针对轨道转移设计了一种新型任务构架，该构架采用核电核热推进组合、人货分运，在近地球轨道（LEO）组装，从HEO出发，配合使用火星气动捕获。

　　航班化载人火星探测阶段：

　　采用核动力一体化运输模式，从地球空间驿站、日地L2等基地出发，选择地火循环轨道，地火循环轨道上已布置转移飞行器，转移飞行器的推进剂由地面或空间加注站补给。

　　任务描述

　　进入地球轨道+地球轨道组装+地火转移+火星登陆与上升+火星轨道对接+返回地球

　　飞行时间：往返数百天

　　飞行距离：数百万公里到数亿公里

　　轨道交会对接：数次甚至10余次

　　设计参数

　　地球上升段：7枚重型运载火箭和1枚载人运载火箭，采用化学推进剂。

　　地球空间摆渡地火转移阶段：基于高比冲核电推进技术的摆渡级，以及基于高比冲大推力核热推进技术的地火转移运载器。

　　火星空间：基于化学推进的火星着陆与上升器。

　　地火转移运载器：采用核热核电双模式，以三台10吨级推力的核热发动机作为主要动力，利用核电系统为各分系统提供电源。

　　载人型转移运载器：总质量为246吨，加注108吨液氢，可以运送包括深空居住舱、载人飞船等共65吨的有效载荷。

　　载货型转移运载器：总质量为328吨，加注76吨液氢，有效载荷质量为206吨。