IAA宇航研究小組——全球載人火星系統探索任務—目標、需求和技術
自1972年Apollo項目中止以來，大量學者提出了火星探測的設計方案，但是這些方案大多是從工程角度的研究，缺少對技術性能、項目成本、運營等可行性的研究，甚至有些項目是單純的出於科學研究角度，缺乏對項目經費可行性的考慮。基於這些原因，SG3.16開展了這項研究，其目標並不是提出新的載人火星任務方案，而是為任務設計者解決可行性方面的問題。
1、項目吸引力的評估標準
政治動機。載人火星項目要想獲得支持，必須有足夠說服力的政治動機，在這方面載人火星項目有許多優勢，包括：獲取新的科學知識、促進科技創新與經濟發展、有利於地緣政治戰略與國際合作、對社會進步的貢獻，以及人類長遠未來的戰略考慮。
項目風險接受度。載人火星項目有許多潛在和不得不面對的風險，如果想獲得支持，就必須要考慮政府、公眾對這些風險的接受程度，這些風險包括項目經費超支、項目延遲、可靠性不夠、項目被中止、任務失敗、宇航員犧牲、項目缺少迴旋餘地等。
2、項目可行性的評估標準
技術可行性。載人火星項目的技術可行性主要考慮技術成熟度和任務系統複雜度。在某些情況下，項目應該選擇那些技術成熟度高的方案，而不是那些看似性能很好但是不成熟的方案，比如化學推進與核電推進。但是在另一些情況下，項目也必須承擔成熟度不高的方案所帶來的風險，比如原位資源利用。
現實的科學目標。項目的科學目標必須考慮現實情況，應該與項目的工程技術手段相符合，不能脫離項目的實際情況而提出一些冒險的科學目標。
經濟可行性。應該通過深入的行業調研明確項目的總經費需求情況，對以往項目的經費使用情況進行研究，把技術、科學方面的風險等因素納入考慮範圍，更重要的是把不可預知成本控制在可接受範圍。
政治可行性。包括國家政府參與載人火星項目的可能性，以及該政府在任期內批准該項目的可能性。這兩個可能性都依賴於整個項目在技術、經濟上的可行性，以及該國公眾對項目的支持。
項目本身因素。任務乘員數量、星際運輸系統、著陸火箭、原位資源利用、飛船結構等。
3、歷史經驗
1949年，火箭工程師Wernher von Braun第一次提出了火星探測計劃「Das Mars Project」。20世紀60年代，美國人Stuhlinger提出了基於核電推進的載人火星飛船的詳細方案。同時期，俄羅斯也設計了一個熱核推進的火星探測飛行器。另外，還有一些其它的基於熱核推進的火星探測方案。
1989年小布希提出了「太空探索計劃」，但是被國會否決。1993年-2009年，NASA提出了「Design Reference Mission」計劃，以及重返月球和載人登錄火星的目標。這些計劃有些得以實施、有些未能獲批准，但都為後來的載人火星計劃設計提供了寶貴的經驗。
4、空間運輸系統
（1）乘員數量
載人空間飛行任務中，乘員數量是影響載人飛船質量、體積的重要因素，並進而影響整個任務的方案和各分系統。
比較理想的載人火星任務的乘員數量是5~6人。另外，根據生理和心理專家的建議，如果航天員能夠進行嚴格的選拔和訓練，3名乘員的方案可以接受。從現實角度，如果任務確實需要更多航天員前往火星，可以通過發射多艘飛船的方式實現，在著陸火星後，多艘飛船中的乘員可以共用一部火星居住艙。
（2）LEO發射策略
在大多數載人火星任務中，通常建議同時發射3艘星際飛船，包括2艘貨運飛船和1艘載人飛船，載荷包括：火星著陸器/返回器、星際飛行器、火星居住艙，以及返回推進系統。並建議，全部載荷的質量不超過1000噸。
以現有火箭的能力，無法將300噸載荷一次送入LEO。因此，需通過多次發射將各模塊分別送入LEO，然後以在軌對接組裝的方式完成火星轉移飛船。這樣的方式具有很強的靈活性，但是存在缺陷——低溫推進劑在空間會蒸發減少。
（3）星際航行軌跡
目前，關於火星任務的方案主要有兩類，一類是短期任務，另一類是長期任務。從經濟的角度，火星長期駐留任務採用橢圓霍曼轉移軌道，任務飛行時間大約8~9個月；如果攜帶更多推進劑的話，飛行時間可以縮短至5~6個月。火星長期駐留任務方案的缺點是需要等待火星、地球的運行到合適的位置，而等待返回時間太長——大約500天。
（4）星際推進系統
關於載人火星任務的空間推進系統至今仍有爭論，主要圍繞化學推進、熱核推進、核電推進和太陽能推進等方案。
NASA DRA5計劃使用熱核推進的方式到達火星。方案包括使用重型運載火箭通過9次發射，將必要部件送入LEO，在軌道組裝3枚星際熱核推進火箭，分別運送貨運飛船、火星居住艙、6名宇航員到達火星。
5、火星設施及交通工具
載人火星任務中火星表面需要的載荷設備包括：居住艙、能源系統、原位資源利用設施、巡視器、溫室、輔助設備、工作室、地面導航系統等。
（1）居住艙
火星居住艙必須能夠保護宇航員不受火星環境的侵襲，而且能夠提供一個居住、工作、娛樂的「社會」環境。特別是針對超過460天的長期火星駐留任務。
（3）發電站
除了居住艙需要的各種能源，利用原位資源、巡視車、科學設備等都需要大量的電力。
（4）原位資源利用設施
原位資源利用是支持載人火星任務持續開展的必要條件。載人火星任務中，原位資源利用設備需要提前運送到火星。它能夠從火星大氣中制氧，以供宇航員生命所需並作為返回時的氧化劑；反向水氣轉換設施用來減少二氧化碳濃度；水分離裝置，通過電解槽分解水獲得氫和氧。
（5）巡視車
巡視車可以擴大宇航員的活動範圍，載人火星任務可能需要多部巡視車，包括：1）一輛小型自動化或遙控巡視車；2）一輛單人小型無氣壓巡視車；3）一輛帶氣壓巡視車；4）一個大型可移動巡視艙。
（6）其他設備
在長期的火星任務中應該配備設施維修工具，以便宇航員在必要的時候對設備進行檢修；溫室可以用來種植食物並可以開展各種實驗；航天服也是載人火星任務中宇航員開展各項活動的必要設備。
6、地面支持設施
（1）發射設備
重型運載火箭。NASA的SLS Block2近地軌道能力130噸，火星轉移軌道能力45噸；中國的LM-9和俄羅斯的「能源號」，以及SpaceX的「獵鷹」重型運載火箭都具備類似的能力。另外，火箭牽引裝置、發射平台等也是必須的。
（2）火星載荷的設計和測試裝置
針對載人火星任務所必需的各項設備，包括星際運輸系統、深空載人艙、貨運飛船和載人飛船、著陸設備、火星居住艙、原位資源利用設備、能源系統、宇航服、火星巡視器和交通工具等，建立必要的設計和測試設備。
（3）通信中心
深空通信與地面通信、LEO通信有很大的區別，需要建立高增益天線。目前，NASA已經建立了自己的深空通信網，這套網在世界各地建立了大型的天線和通信設施。火星任務所需的深空通信網路必須具備遙測與跟蹤、火星設備遠程控制、宇航員通訊等功能。
（4）原位推進劑生產模擬
從火星發射的運載火箭的推進劑需要利用原位資源進行生產。儘管在地球上還無法模擬火星重力環境，但是可以模擬火星大氣、土壤環境用來測試原位資源利用設施的各項功能。
（5）任務模擬
嚴格按照火星環境條件對載人火星任務的各項設備、試驗進行模擬，包括生命支持系統、宇航服、巡視車、機器人、科研設備等。同時也要對宇航員長期駐留火星進行有人模擬實驗，包括生理問題、心理問題、社會問題等方面。
7、結論與建議
目前，針對載人火星項目的一些重要技術方案還沒有形成共識，未來還應繼續開展深入、詳細的研究工作，進一步明確成本和各環節的方案，形成性價比最高的載人火星路線圖。
*以上內容摘自國際宇航科學院研究小組報告，若您對報告內容感興趣，請聯繫國際宇航科學院研究中心
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