2021年全球航天探索大會在俄羅斯召開，中國航天科技集團一院院長、IAF副主席王小軍應邀作了題為《載人火星探測航天運輸系統》的大會報告。會上，王小軍介紹了中國第一次火星探測任務“天問一號”和“祝融號”探測器的任務概況、總體方案、相關數據和視頻，以及中國未來深空探測計劃。

王小軍簡要回顧了全球火星探測的發展情況，在此基礎上，提出了未來載人火星探測發展路線及任務架構，明確了載人火星探測任務航天運輸系統的組成、特點、總體方案與設計參數。

載人火星探測“三步走” 設想

第一步機器人火星探測（技術準備階段）

主要任務：火星採樣返回、火星基地選址考察、原位資源利用系統建設等。 

第二步初級探測（初步應用階段）

主要任務：載人環火、軌道探測、載人火星著陸探測、火星基地建設等。 

第三步航班化探測（經濟圈形成階段）

主要任務：包括大規模地火運輸艦隊，大規模開發與應用等。

載人火星探測任務架構

影響任務構架設計的因素有地火轉移軌道類型、出發時間、出發點、推進技術、是否採用氣動捕獲等。

地火轉移軌道類型：基本軌道分為長停留合式軌道和短停留衝式軌道。地球和火星之間也存在著循環軌道，可以定期重返地球和火星，適用於長期多次的載人火星探測任務。

出發時間：2033年、2035年、2037年、2041年、2043年等。

出發點：選擇高橢圓軌道（HEO）的出發較為合適。

推進技術：核熱推進是目前載人火星探測方案設計的重要選擇。核聚變推進理論上具有更高比衝性能，需要理論和技術的突破，適合作為載人火星探測更遠期的研究目標。

此外，我國還研究將天梯這一新型運輸系統作為空間出發點，能降低火星探測運輸的規模。

航天運輸系統的組成

在初期載人探測的總體構架方案中，運輸系統包括運載火箭、擺渡級地火轉移運載火箭、火星著陸與上升飛行器等多個運載器。針對該任務構架的不同階段，採用不同類型的運載器完成運輸任務。   

每個階段技術特點

機器人火星探測階段：

採用大型或重型運載火箭，直接將探測器發射至地火轉移軌道，探測器採用化學推進，選擇脈衝式合式軌道，並利用反推制動達到火星進行探測。

初期載人探測階段：

針對軌道轉移設計了一種新型任務構架，該構架採用核電核熱推進組合、人貨分運，在近地球軌道（LEO）組裝，從HEO出發，配合使用火星氣動捕獲。

航班化載人火星探測階段：

採用核動力一體化運輸模式，從地球空間驛站、日地L2等基地出發，選擇地火循環軌道，地火循環軌道上已佈置轉移飛行器，轉移飛行器的推進劑由地面或空間加註站補給。

任務描述

進入地球軌道+地球軌道組裝+地火轉移+火星登陸與上升+火星軌道對接+返回地球

飛行時間：往返數百天

飛行距離：數百萬公里到數億公里

軌道交會對接：數次甚至10餘次

設計參數

地球上升段：7枚重型運載火箭和1枚載人運載火箭，採用化學推進劑。

地球空間擺渡地火轉移階段：基於高比衝核電推進技術的擺渡級，以及基於高比衝大推力核熱推進技術的地火轉移運載器。

火星空間：基於化學推進的火星著陸與上升器。

地火轉移運載器：採用核熱核電雙模式，以三台10噸級推力的核熱發動機作為主要動力，利用核電系統為各分系統提供電源。

載人型轉移運載器：總質量為246噸，加註108噸液氫，可以運送包括深空居住艙、載人飛船等共65噸的有效載荷。

載貨型轉移運載器：總質量為328噸，加註76噸液氫，有效載荷質量為206噸。

來源/中國運載火箭技術研究院