载人火星任务:火星探测实现技术（第2版）

本书给出了载人火星探测任务完整的奔向火星和返回地球的轨道设计方案，并提供了分析方法，对空间任务规划和载人火星任务分析与设计进行了详细论述，为从事该领域研究的工程技术人员提供了丰富的技术资料，同时，书中详细分析了火星表面可利用的资源，并在附录中对火星上可用的太阳能、水等诸多科学问题进行了详尽的补充说明，是我国未来从事无人火星探测和载人火星任务分析设计与研究工作不可多得的技术参考著作。

 

载人探测火星将在21世纪下半叶把太阳系内的探测活动推向高潮，它不仅能够提供在火星上寻找生命的方法，也将极大地促进各类航天技术的发展，开启人类空间探测的新纪元。本书主要介绍了载人火星探测任务的目的（包括无人探测和载人探测）、空间活动和任务的规划、火星任务需要重点考虑的关键要素、载人火星探测奔向火星和返回地球的轨道设计、载人火星探测的任务分析以及火星上可用的资源等内容，为关注火星探测的工程师和公众提供了详细和生动的资料。 本书为从事无人火星探测和载人火星任务分析、设计与研究工作的科技人员提供了一套极具使用价值的技术参考资料，也适合航天、深空探测、通信等领域的科研工作者和技术人员参考阅读。

郝万宏，男，1984年出生，硕士研究生学历，现任北京跟踪与通信技术研究所助理工程师，主要专业方向为月球和深空测控通信，曾在国内外期刊上发表有关航天测控专业的论文多篇，翻译了《甚长基线干涉测量技术译文集》，参与了嫦娥一号、二号任务；樊敏，女，1980年出生，硕士研究生学历，现任北京跟踪与通信技术研究所工程师，主要专业方向为月球和深空探测测控，曾在国内期刊上发表有关航天测控专业的论文多篇，翻译了《空间飞行基础》《深空任务操作译文集》《DESCANSO设计与性能总结系列译丛》等，参与了嫦娥一号、二号任务。

第1章为什么探测火星？

1.1简介

1.2无人探测既有的观点

1.3搜索火星生命的争论

1.4为什么将人类送上火星？——支持者的看法

1.5把人类送上火星——质疑者的看法

参考文献

第2章规划的空间探测任务

2.1行动

2.2规划太空任务

2.3架构

2.4一系列步骤组成的任务

2.5运送到目的地的是什么？

2.6在低地球轨道上的是什么？

2.7在发射台上有什么？

2.8太空探测任务对IMLEO的要求

参考文献

第3章60多年来载人火星探测任务的规划

3.1Von Braun的版本

3.2NASA早的概念

3.2.1早期的研究

3.2.220世纪60年代早期的研究

3.2.3核动力火箭的发展

3.2.4波音公司在1968年所做的研究

3.3NASA之外的早期火星探测计划

3.3.1行星学会和国际科学应用公司的分析

3.3.2驶向火星Ⅱ期

3.420世纪80年代后期的NASA计划

3.4.1洛斯·阿拉莫斯国家实验室

3.4.2Sally Ride的研究

3.4.3SAIC

3.4.4星际探险办公室的案例研究(1988年)

3.4.5星际探险办公室的案例研究(1989年)

3.4.6空间探测发起人和其后继者

3.4.7劳伦斯利弗莫尔国家实验室

3.520世纪90年代的一些独立研究

3.5.1苏联的研究

3.5.2火星直击

3.5.3火星协会推出的计划

3.6DRM出现之前的时期

3.7NASA的DRM计划(1993—2007年)

3.7.1设计参考任务1（DRM1）

3.7.2设计参考任务3（DRM3）

3.7.3DRM3和DRM1中的质量比较

3.7.4DRM3中的ISRU系统

3.7.5设计参考任务4（DRM4）

3.7.6双登陆器计划

3.7.7设计参考架构5(DRA5)

3.7.8探测战略研究小组(2006年)

3.8其他火星探险计划

3.8.1Team Vision的星际探测计划

3.8.2麻省理工学院MIT的研究

3.8.3欧洲航天局的并行设计设施研究（2003年）

3.8.4使用轨道遥控火星表面无人
探测火星的HERRO任务

3.8.5波音公司（Boeing）在21世纪所做的研究

3.8.6返回计划

3.8.7短期停留与长期停留任务

3.8.8基于飞越和自由返回轨道的设计

3.9NASA近期的活动

参考文献

第4章去程与返回

4.1推进系统

4.1.1空间运输对推进剂的需求

4.1.2火箭方程

4.1.3火箭的干质量

4.2轨道分析

4.2.1火箭科学基础

4.2.2火星任务的持续时间及所需的推进条件

4.2.3更加现实的模型

4.3从地球到近地轨道

4.4飞离近地轨道

4.4.1所需的Δv

4.4.2运送至火星的质量

4.4.3地火转移轨道中使用核热火箭

4.4.4使用太阳能电推进技术升高轨道过程

4.5进入火星轨道

4.6从火星表面升空

4.7从火星轨道向火地转移轨道入轨

4.8地球轨道入轨

4.9传动比

4.9.1前言

4.9.2传动比计算

4.9.3地球逃逸的传动比

4.10近地轨道到火星轨道

4.11从近地轨道到火星表面

4.12火星任务中航天器初始质量

4.12.1化学推进和气动辅助

4.12.2核热推进的使用

4.12.3ISRU的应用

参考文献

第5章火星探测任务的关键要素

5.1维持生命的消耗品

5.1.1对消耗品的需求(不可循环利用)

5.1.2循环系统的使用

5.2辐射效应和防辐射需求

5.2.1辐射源

5.2.2定义和单位

5.2.3对人的辐射效应和允许剂量

5.2.4空间辐射

5.2.5火星任务的辐射水平

5.2.6辐射

5.3微重力影响

5.3.1零重力值一般影响简介

5.3.2低重力值影响综述

5.3.3人造重力

5.3.4NASA应对低重力影响的计划

5.4封闭空间中的人为因素

5.5中止模式和任务安全

5.5.1ESAS月球任务中的中止模式和任务安全

5.5.2火星任务中的中止模式

5.5.3可接受的风险

5.6栖息舱

5.6.1栖息舱设计与人为因素

5.6.2火星栖息舱的地面模拟器

5.6.3DRM1栖息舱

5.6.4DRM3栖息舱

5.6.5双着陆栖息舱

5.6.6SICSA栖息舱设计

5.6.7其他栖息舱概念

5.7气动辅助入轨、再入、下降和着陆

5.7.1引言

5.7.2无人驾驶航天器的经验

5.7.3载人火星任务的再入、下降和着陆需求

5.7.4精确着陆

5.7.5开发/测试和验证计划

参考文献

第6章原位资源利用(ISRU)

6.1原位资源利用(ISRU)的价值

6.2月球ISRU

6.2.1简介

6.2.2上升段推进剂

6.2.3生命保障消耗品

6.2.4从月球输送到LEO的推进剂

6.2.5运送到月球轨道用于下降(和上升)的推进剂

6.2.6用于辐射屏蔽的表层土壤

6.2.7预言性的概念

6.2.8月球资源和进程

6.2.9月球ISRU系统成本分析

6.3火星ISRU

6.3.1介绍

6.3.2火星ISRU时间表

6.3.3ISRU系统的产物

6.3.4火星ISRU过程

6.3.5火星ISRU系统的能源需求

6.3.6在人类火星探测任务中使用
ISRU时减少IMLEO

6.4用来自外星球的资源为火星车加燃料

6.4.1月球资源

6.4.2LEO的月球水的价值

6.4.3由月球开采运送到LEO的水百分比 

6.4.4近地天体资源

6.5用于月球下降段推进剂的月球轮渡

6.6在近地太空分级、组装和加注燃料

6.6.1绕轨道而行的燃料仓库

6.6.2在轨分级

6.7运输氢气到火星上

6.7.1地面和空间应用

6.7.2在不同物理和化学状态下的氢的存储

6.7.3太空中的蒸发

6.7.4将氢运送到火星并在火星存储

6.7.5本章小结

参考文献

第7章未来数十年NASA载人火星探测任务可能失败的原因

7.1月球火星的联系

7.1.1月球与火星任务的差别

7.1.2开展月球任务作为降低火星任务风险的手段

7.1.3ISRU是从月球到火星的跳板

7.2火星计划的特点

7.3目标驱动和支持者驱动计划的比较

7.4新技术需求

7.5NASA技术路线图

7.6空间科学事业

7.6.1空间科学事业技术范围

7.6.2先导中心

7.6.3SSE技术总结

7.7人类探测技术

7.7.1NASA的人类探测技术

7.7.2近十年的巨大变化

7.8未来展望

7.8.1限制

7.8.2澄清火星任务选项

7.8.3基本需求

7.9NASA的HEO有足够的信心吗？

7.10结论

参考文献

附录A月球上的太阳能

A.1月球定向的一级近似

A.2水平面上的太阳辐射

A.3垂直面上的太阳辐射

A.4赤道夹角为纬度角的倾斜面的日照

A.5始终垂直于太阳光的面

A.6非理想月球轨道的影响

A.7月球上太阳能电池的工作温度

A.8赤道上的太阳能系统

A.8.1短周期系统(小于354 h)

A.8.2长期系统(大于354 h)

A.9月尘的影响

A.10极区的太阳能系统

A.10.1极区

A.10.2GRC太阳极区研究

参考文献

附录B火星上的太阳能

B.1当前火星轨道上的太阳能强度

B.1.1引言

B.1.2洁净火星大气中的辐照度

B.1.3大气的影响

B.2水平和倾斜平板的太阳辐射强度

B.2.1术语

B.2.2水平平面的太阳辐照度

B.3固定倾斜表面上的太阳光强度

B.3.1倾斜平面上的漫射部分

B.3.2来自倾斜收集器前方地面的反射

B.3.3倾斜平面上总的辐射量

B.3.4旋转倾斜平面

B.4火星上太阳能强度的数值估算

B.4.1水平平面上的太阳能

B.4.2倾斜平面上太阳辐射

B.4.3火星上过去百万年里的太阳能 

B.5阵列表面上灰尘的影响——简单模型

B.5.1引言

B.5.2光深

B.5.3粒度分布

B.5.4垂直大气气柱中灰尘粒子的数目

B.5.5尘埃颗粒下落的速度

B.5.6初始遮蔽速率

B.5.7尘埃的长期积累

B.6探路者号和MER的尘埃遮挡观测数据

B.7表面尘埃的风成清除

B.8太阳能电池阵列上的尘埃导致的遮光率

B.8.1JPL实验(2001年)

B.8.2关于尘埃遮挡率的概要和结论

参考文献

附录C火星上的水

C.1介绍

C.2背景信息

C.2.1火星上的温度

C.2.2火星上的压强

C.2.3火星上的水汽浓度

C.3地下冰的均衡模型

C.3.1简介

C.3.2火星地下冰的稳定性模型——研究现状

C.3.3火星上水的长期演变

C.3.4过去约一百万年内火星轨道变化的影响

C.3.5南极极地冰冠演变

C.4在火星轨道上观察得到的对火星地下水的
实验性探测结果

C.4.1中子光谱学简介

C.4.2原始数据简化——中子光谱学

C.4.3改良数据简化——中子光谱学

C.4.4基于采用中子光谱学的均匀土壤模型的含水量

C.4.5基于双地层模型下赤道和中纬地区含水量

C.4.6中子观测的深度

C.4.7冰层暴露的当前影响

C.4.8在高纬度环形山上的冰

C.4.9表层冰红外线测量

C.5中子数据与火星物理特性的比较

C.5.1地表与大气特性

C.5.2中低纬度区域水沉积与地形的关系

C.5.3赤道附近近地表水的季节性分布

C.5.4由红外反射率光谱仪探测到的火星上的水

C.5.5化合矿物和吸附水

C.6极冠

C.7火星上的液态水

C.7.1表面温度超过273.2 K的区域

C.7.2地表以下的液态水

C.7.3海水

C.7.4近期地表水流成像暗示

C.8来自撞击坑的证据

C.8.1概述

C.8.2Nadioe Barlow与其同伴们的工作

C.8.3对其他撞击坑的研究

C.8.4评论

C.9小结

参考文献

载人火星探测任务将是未来50年太阳系探测活动的，它不仅是探测火星的一种技术途径，还能够带来鼓舞人心的工程成就并开创载人深空探测的新领域。但是，由于载人深空探测任务需要开展大量的技术攻关并投入大量经费，因此，目前载人火星探测任务还处于论证和概念研究阶段。
本书第3章提及David Portree的观点，从20世纪50年代起，NASA内外的科研机构开展了上千项载人空间探测任务的研究项目，但是，绝大多数研究工作停留在任务概要设计层面，很多关键技术的推进依赖于热核推进技术，空间核能源技术，大尺度气动辅助再入、下降、着陆技术和长期高效循环系统技术等的发展，因此，尽管有些研究工作已经依托以上相关技术得以开展，但还未达到成熟的工程应用阶段。
NASA经过几十年的研究，依然没有实现任务概念研究和工程实践之间的跨越。其中一个重要问题在于地火距离是地月距离的100多倍，因此，地火飞行的时间非常长。到达火星后，为了等待地火相对位置关系适合从火星返回地球的机会，大部分任务都需要宇航员在火星表面工作一年半。因此，整个火星探测任务往返共需两年半时间，而且期间没有中止任务的机会。这就要求任务的所有系统都必须可靠运行，并且大量的系统部件还需要发射后在太空中组装。因此，准备载人火星任务需要约20年时间开展技术研究并在地球和火星上开展试验验证，整个任务准备和实施需要约1000亿美元的经费支持。
尽管实施载人火星探测任务存在许多障碍，但更大的障碍还在于经费。NASA的预算精简了载人火星探测任务的大量经费，其中，火星探测系统只有约32亿美元，科学经费预算中约50亿美元用于研究地外生命科学。
通常在科学和工程领域都是既有支持者又有质疑者。支持者能够在设想和追求梦想的过程中起到重要作用，他们深信即使梦想和现实之间可能存在很大的障碍，但是梦想终将实现。而质疑者总是明确指出前进道路上存在的障碍、困难、陷阱以及未知的情况，强调实现梦想所必需的技术储备。

但是，在载人火星探测领域，一直是支持者和倡导者在开展工作，却非常缺乏质疑者。本书首次从质疑的角度分析了载人火星探测任务，希望本书能够对NASA、火星协会和社会各界普遍存在的乐观情绪构成有益的制约。

Donald Rapp

2015年7月