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第1章 载人深空探测的概念与内涵

无人深空探测是从月球探测开始起步的，目前无人探测器的足迹已经覆盖了太阳系的八大行星。载人航天是从近地轨道起步的，在“和平号”空间站工作过的俄罗斯宇航员创造了人类在太空连续生活和工作438天的世界纪录，标志着人类已经基本掌握了在太空长期生活和居住的生命保障技术。在人类掌握了基本的深空探测和载人航天技术之后，实施载人深空探测工程成为空间科学和工程技术发展的必然选择。20世纪70年代美国成功实施了阿波罗载人登月工程，在之后的半个世纪以中，人们不断地探索载人深空探测任务的新途径、新系统和新技术，也不断丰富了载人深空探测任务的基本概念和内涵。与无人深空探测任务相比，实施载人深空探测任务将面临一系列的新挑战。

1.1 载人深空探测的概念

1.1.1 基本概念和内涵

对于“深空”和“深空探测”（包括载人与无人深空探测）的定义，国际上并无统一的界定，“深空”一般是相对地球轨道而言的。根据国家军用标准《卫星术语》（GJB 421A—1997）和《中国大百科全书 航空、航天》的定义，深空是指距离地球约等于或大于地月距离（约3.84×105km）的宇宙空间。根据2000年发布的《中国的航天》白皮书中的定义，目前将对地球以远的天体开展的空间探测活动统称为深空探测活动。图1-1所示为深空探测概念示意图。

学术上通常认为，深空探测是指航天器在飞行过程中，其所处的主引力场是地球以外的天体，或处于多体引力平衡点附近的空间探测活动。深空探测通常包括无人深空探测（也称为机器人深空探测，Robotic Deep Space Exploration, RDSE）和载人深空探测（Human Deep Space Exploration, HDSE）两种类型，无人深空探测任务可单独开展，也可作为实施载人深空探测任务之前的先导任务。

载人深空探测任务是指以月球、小行星、火星及其卫星为目标的有人类航天员直接参与的地外天体探测任务。在未来30年世界科技进步可预见的范围内，HDSE可达目标包括月球、小行星、火星及其卫星等。载人月球探测是以月球为代表的无人深空探测工程和以近地轨道空间站为代表的载人航天工程发展的必然结合。

载人深空探测任务包括从地球出发的火箭发射、轨道运输、登陆地外天体、居住及探测作业、从地外天体起飞、返回地球等一系列飞行过程。按照登陆地外天体目的地的不同，载人深空探测可分为载人月球探测、载人小行星探测和载人火星探测等任务；按照任务时间的长短，载人深空探测也可分为短期任务（如载人登月任务，任务周期为7～14天）、中期任务（如月球科考站任务，任务周期为14～28天）和长期任务（如月球基地任务、载人小行星任务、载人火星任务、火星基地任务，任务周期＞28天）。

“人的存在”使得载人深空探测任务在工程技术难度上较无人深空探测任务又提升了一个台阶，围绕“去、登、驻、用、回”五个方面的技术问题涉及领域广，技术难度大。需要开展重型运载火箭、载人深空探测飞行器等新型空间运输系统的研制，突破新能源、新动力、新型探测载荷、新型航天服、长周期任务生命保障等众多关键技术，以及新材料、新工艺等产品的研制基础和核心制备技术。更高的和全新的技术能力要求对工程技术与项目管理的发展形成新的牵引，将推动我国航天事业迈向新的领域，走向未知空间，战胜遥远距离、极端环境条件的挑战，实现我国航天技术新的跨越。

实施载人深空探测任务是开展基础科学研究的重要途径，作为空间科学研究的最高手段，将推动人类在太阳系的形成和演变、生命的起源等重大科学问题的认知突破，促进物理学、天文学、行星学、生物学等基础学科的快速发展和交叉、渗透，形成新的交叉学科分支，将极大地促进基础科学的发展，取得原创性成果，为人类认知客观世界做出独特的贡献。

实施载人深空探测任务还需着重开展与人相关的空间活动、地外生存等相关科学问题的研究，成果可有效推动空间生物科学、航天医学等技术的发展；在低重力/微重力、空间辐射及狭窄密闭环境下对生命科学、基础生物学、受控生态技术的研究，可为治疗人类的疾病提供更多的机会。因此载人深空探测为基础科学研究提供了一个更加广阔的平台，对引领科学研究发展，推动科学进步具有显著意义。由于载人深空探测工程在科学和技术领域的巨大牵引与带动作用，它成为美、俄等航天强国推动航天技术持续发展的重要途径。

1.1.2 载人与无人深空探测的差异

载人深空探测与无人深空探测相比，最大的区别在于人的存在，人的出现使得载人深空探测与无人深空探测在很多方面存在巨大差异。主要表现在以下四个方面：

（1）人类航天员直接参与的任务，空间生命科学成为关键科学问题。

与无人深空探测相比，载人深空探测任务的核心系统是人，人是一种有机生命体，人的加入使得对空间生命科学的研究显得十分必要且关键。为保障航天员在深空探测任务中的健康、安全问题，载人深空探测就必须关注与人有关的环境、生物、心理、生理健康与治疗等问题，这就涉及空间重力生物学、空间辐射生物学、空间微生物学、空间生理学、心理学与航天医学等方面的科学研究与技术问题。而在无人深空探测任务中，这些方面的研究并非关键，而对于以保障航天员生命安全为第一要旨的载人深空探测任务，空间生命科学的重要性甚至超越了其他科学技术问题。

（2）人类航天员的直接参与使行星科学认知能力更强。

无论是载人深空探测还是无人深空探测，对月球及行星科学的研究都是重要的科学目标，主要包括天体形貌、表面环境、地质构成、物质组成与资源分布等。人的参与使得航天员可在各种探测作业活动中充分发挥人类智能优势，航天员可利用自己的观感，综合各种信息，在很短时间内对观测到的事物做出综合判断。登陆地外天体，人可利用视觉直观地感受到星体表面的各种特征，如光、色等性质，土壤是否松软、地势是否起伏等。特别是对一些未知的自然现象的观察，人类具有特别的洞察力，远远超出了机器人或探测仪器所具备的功能。经过培训的航天员可以识别岩性、地层关系、构造特征等，可以测量地层关系（地层倾向和走向等），并且可以有选择性地进行多点采样，灵活高效地完成任务。人的存在还可以有效地排除设备故障、恢复设备功能，这些都是无人深空探测中暂且无法做到的。

此外，人的参与可使航天员在各种探测任务中充分发挥人类智能优势，通过人机联合探测等多种方式，安全快捷地完成无人深空探测任务中十分繁复的工作，并根据实际需要完成主动科学试验任务，如主动月震、深层钻取采样、原位资源利用等，从而大幅提升人类对月球等地外行星的认知能力。

（3）人类航天员的加入使飞行器的质量和体积规模显著增加，技术难度大幅提升。

飞行器是实施载人深空探测任务的直接载体。无人深空探测任务主要是飞行器平台搭载相关的有效载荷，实施规定的飞行探测任务，一般飞行器的质量规模较小，在1～10t。而对于载人飞行器，在时间和空间维度上都需要考虑人的因素，需设置密封舱，携带环控生保系统和食物等资源来满足人的生存需求；需要配备高比冲、大推力推进系统来缩短任务周期，降低风险；需要先进的制导、导航与控制技术来满足高精度星体表面着陆的需求；需要先进的防热结构和回收系统来满足大载荷高速再入与精确着陆的需求；等等；同时还需要考虑整个任务过程中的安全性问题。因此与无人深空探测相比，载人飞行器不但质量规模是无人飞行器的数倍甚至数十倍，相关航天技术水平也较无人飞行器呈现出跨越式提升，如图1-2所示。

（4）人的存在使得对载人及货运运载火箭的运载能力、安全性、可靠性要求更高。

进入空间的能力是实施深空探测任务的基本保障，无人深空探测任务对火箭运载能力的要求相对较低。载人与无人深空探测任务相比，由于载人飞行器的质量规模大幅度增加，对运载火箭的能力要求大幅度提升，载人深空探测任务对于近地轨道（Low Earth Orbit, LEO）的运载能力一般要求在50t级以上（例如猎鹰重型火箭为56t, “土星5号”火箭为120t）。如此大的能力需求差异导致对重型运载火箭的研制提出更高的要求，如推进剂类型的选择、大推力火箭发动机的研制、大型箭体结构的加工制造，等等。同时，由于人的参与，对载人运载火箭的安全性和可靠性也提出了更高的要求，对落点精度和冲击过载等要求更苛刻。图1-3所示为“长征5号”运载火箭与美国重型运载火箭的性能指标对比。

总体而言，载人深空探测任务涉及的领域更广，科学问题更加突出，可以更有效带动行星科学、生命科学等诸多学科的发展；载人深空探测任务实施难度更大、要求更高，对航天工程技术的带动性更强。因此世界航天强国都将载人深空探测工程纳入国家战略性科技工程中，其技术难度和投资规模巨大，建设周期长，战略意义深远。

1.1.3 载人深空探测的发展原则

航天技术经过数十年的发展，目前人类的双脚也仅仅踏足地月轨道空间，依托载人飞船、航天飞机、空间实验室或空间站开展小规模的载人活动，若将浩瀚宇宙比作汪洋大海，目前人类尚未站稳“海边的浅滩”。目前仅有美国在20世纪六七十年代实施了6次阿波罗（Apollo）载人登月工程，去过数次月球这一“岸边的礁石”；开展了数次无人火星探测任务，人类的触角刚刚染指火星这一“近海的小岛”。面对无垠的宇宙，就像当年人类刚刚学会制造木筏一样，若想实现自由星际航行，仍需一个漫长的过程。

人类探索太空应充分发挥工业革命、信息时代所积累的技术基础，循序渐进开展太空探索与实践，即坚持“以有人参与为目的，先期开展多项无人深空探测任务，将无人与有人深空探测任务融合发展，逐步突破核心关键技术，带动科学技术的跨越式发展”，这是人类探索宇宙、走向深空的基本发展原则，逐步将人类的脚步迈向更深远的空间。

与历史上传统的人类探险活动不同，当今科技发展迅速，信息技术、纳米技术、人工智能技术、虚拟现实技术等飞速前进，人类可以更多地利用工程机械设备或机器人完成早期目的地探测任务：一方面，无人探测任务成本相对较低，技术难度较小，有限的次数即可达到初步探测的目标；另一方面，无人探测任务可为载人深空探测任务积累目的地信息，验证关键技术，因此可作为载人深空探测的先导任务，在人类前往目的地之前先期实施，从而降低人员的风险。此外，人工智能技术的快速进步，使得利用机器或机器人完成较危险的任务成为可能，如探测岩洞、深谷或有毒物质等。若开展人机联合探测，还可充分发挥各自的优势，提高载人深空探测任务的高效性与安全性。可以预见，未来载人深空探测任务的显著特点是人机联合探测与作业。

1.2 载人深空探测顶层任务分析内容

载人深空探测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战略规划与技术路径、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，是最终确定工程实施方案的重要基础，也是本书的重点阐述内容。

1.2.1 战略规划与技术路径

火星是太阳系内与地球环境最为相近的类地行星（通常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并巡视探测的任务，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。

为达到最终载人登陆及移民火星的目标，载人深空探测任务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，通过实施载人登月、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，通过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，在载人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5500万公里，最远距离则超过4亿公里，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460s的液氢液氧推进剂，近地轨道的初始出发质量（Initial Mass in Low Earth Oribit, IMLEO）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，降低近地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点附近，也可在环月轨道上），以及月球基地的中转站功能，例如充分利用空间站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，在火星表面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从地球出发时的初始质量。

载人深空探测发展路径的研究不仅仅涉及航天任务的顶层设计，还需综合考虑月球、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章对载人深空探测基本概念与世界各国提出的各种技术路径及发展现状进行介绍。

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两个部分。无论最终载人登陆目标选择是月球、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需确保人的安全性和可靠性，降低任务风险。以美国Apollo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，Apollo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Apollo 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Apollo 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Apollo 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Apollo 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Apollo载人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，Apollo载人登月工程在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章介绍了长期深空探测任务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分析、运载能力和发射次数需求分析，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。例如美国在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制定载人深空探测领域的发展路线和先期启动核心能力与关键系统技术攻关奠定了扎实的基础。

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根据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，同时确定了飞行任务周期。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等任务的典型飞行模式进行了分析介绍。

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, MPGV）和空间发射系统（Space Launch System, SLS）重型运载火箭；私人商业公司SpaceX研发了猎鹰重型（Falcon Heavy, FH）运载火箭，目前该型运载火箭已成功首飞。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。

无论载人深空探测任务的目的地选择是月球、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，包括货运火箭、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，在提高运载火箭的运载能力基础上，需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一条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，设计为独立飞行的空间飞行器，具体根据任务类型而定。高效轨道转移能力涉及低温推进、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，包括月球/火星车、空间机器人、星球探测工程设备等。载人深空探测任务最大的特色就是进行地外天体的人机联合探测及原位资源利用（In Situ Resource Utilization, ISRU），通过航天员操纵空间机器人，完成月球/小行星/火星的资源探测、测绘及开采任务，生产出推进剂、水或者氧气等消耗品并进行补给，以维持航天员在地外天体的长期生活和工作，详见本书第9章及第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月球/火星表面长期居住、生活和试验所需的居住系统，包括近地空间站、地月空间站、深空空间站、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类型、居住系统的系统设计技术、居住系统的关键分系统，以及居住系统的运营管理技术等内容。

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，根据工程技术方案确定地面试验及飞行验证方案也是重要的研究内容。如何开展地面试验及模拟验证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，也是本书的重点介绍内容。

1.3 载人深空探测任务面临的挑战

载人近地轨道任务和无人深空探测任务涉及的相关技术，距离实施载人深空探测任务还存在相当差距，如图1-7所示。重点围绕“去、登、回、驻、用、人”等方面的因素，对载人深空探测任务进行对比研究，主要存在以下四个方面的突出科技问题。

（1）“去、登、回”的问题。面向有人参与的深空探测任务，解决运载火箭发射、载人深空运输、地外天体进入、着陆、起飞以及再入返回等飞行过程面临的科学技术难题，即解决如何保障人员精确可靠到达、着陆地外天体并安全起飞返回地球的问题。

（2）“驻”的问题。面向长期飞行及地外天体长期驻留任务，如月球基地任务、载人火星探测任务、火星基地任务等，解决保障人类的居住、生活、环境所面临的科学技术难题，即解决如何保障人员在长期飞行及长期驻留任务时的居住及生活环境问题。

（3）“用”的问题。“用”是有人参与的深空探测任务的长远目标，旨在对地外天体实施开发利用，甚至长期移民。面向航天员在地外天体机动和作业及开发利用外太空资源的长远目标，解决人类在地外天体作业及开发利用外太空资源中所涉及的科学技术难题，即解决如何保障人员在地外天体的大范围机动和作业问题。

（4）“人”的问题。“人”是有人参与的深空探测任务的核心，有人的存在就需时刻保障人员的健康和安全。面向有人参与的深空探测任务特点，解决人类在执行长期飞行和地外天体作业任务期间面临的健康与安全问题，探索人类生命起源的本质，即解决如何保障人员执行长期任务期间的健康和安全问题，同时提高人员的工作绩效。

这四个方面涉及载人飞行器总体技术，动力与能源技术，空间热物理技术，制导、导航与控制技术，着陆回收技术，材料、结构与制造技术，环境控制与生命保障技术，人机联合作业技术，原位资源利用技术，月球及行星科学，空间生命科学，航天医学，哲学等多个科学技术领域。

1.3.1 “去、登、回”面临的挑战

保障人员精确可靠到达、着陆地外天体并安全起飞、再入返回地球是面向载人月球/小行星/火星探测等任务的最基本要求，主要包括以下三个方面的科学技术问题。

1．载人往返运输问题

与无人深空探测相比，载人深空探测任务的飞行器系统规模大幅增加。一般情况下载人飞行器的体积和质量是无人飞行器的几倍至十几倍，因此直接导致对运载火箭运载能力的需求大幅提升，例如美国Apollo载人登月工程所用的“土星5号”重型运载火箭近地轨道最大运载能力约120t。如此规模的运载火箭在研制上存在诸多难题，如研制重型发动机、大型箭体的加工制造等。同时，为尽可能地降低飞行器系统规模，必须提升深空探测飞行器轨控主发动机的比冲，例如采用低温化学推进或核推进的方式。因此需重点研究大推力液体火箭发动机技术、大型箭体制造技术、先进低温推进技术、轻质低温绝热材料技术、燃料电池技术、核推进及核电源技术等。

2．载人EDLA的问题

在进入、下降、着陆和上升（Entry, Descent, Landing and Ascent, EDLA）等任务环节，载人深空探测与无人探测相比存在以下特点：①进入、着陆与起飞上升精度要求高（着陆精度为百米量级，起飞后要求在数小时内与载人飞船完成交会对接）; ②下降着陆过程质量变化大，导致控制难度提升，悬停所采用的变推力发动机要求更高（如10∶1的深度变推能力）; ③大载荷安全着陆对着陆缓冲系统形成了技术挑战。因此需重点研究确保载人员着陆安全的高精度、高安全的EDLA阶段的GNC技术、深度变推力技术、大承载高效着陆缓冲吸能材料及结构技术等内容。

3．再入返回及回收问题

载人深空探测任务的再入返回及回收过程，与无人深空探测和近地航天任务相比存在明显区别：①再入走廊与再入过载限制的问题，载人深空探测要设计满足第二宇宙速度再入要求的再入走廊，并且过载应限制在航天员的承受能力范围内；②热防护问题突出，第二宇宙速度再入时单位面积的总加热量较大，可达到每平方米数百兆焦，由于载人飞行器规模是无人飞行器的几倍，使热防护难度更大；③大质量飞行器回收需要展开面积几百或几千平方米降落伞支持，难度更大。因此需重点研究高速再入返回气动设计与试验技术、新型轻质热防护材料及结构技术、大承载群伞技术、气囊设计与制造技术、可控翼伞技术等内容。

1.3.2 “驻”面临的挑战

保障人员在长期飞行及长期驻留任务时的居住及生活环境是应对载人火星探测、月球基地及火星基地等长期任务的基本要求，共包含五个方面的科学技术问题。

1．行星表面基地结构及构建问题

进行地外天体表面的长期驻留，必须解决居住问题，有了人的参与，必须构建出适合人类居住生活的密封空间，为人类生活提供必要的大气、温度和湿度环境。居住空间应满足至少20m3/人的活动空间要求，还要考虑安全性、宜居性、扩展性等问题。同时，基地还要具备高可靠、易维护、防污染的特点。因此需开展行星基地的设计与建造，以及全周期基地高可靠维护与运营技术研究。

2．航天员长期生存生命保障问题

航天员要长期驻留生存，首先要保证空气、水、食物的持续供给以及废物的有效处理。航天员每天消耗的水、空气和食物的需求量大约为20kg/（天·人）。如果执行火星探测任务，假定3人乘组500天，则所需消耗品共计约30t，多人长期驻留则需要更多。如此规模的消耗品如果全部依靠地面运输补给，代价巨大，因此必须考虑资源循环利用的方法。生物再生式生命保障技术是解决这一问题的关键，利用生物循环可实现空气和水的净化、食物生产、废物处理，保持食品生产和废物处理过程中的生态平衡，维持系统运行的稳定性。因此需开展植物栽培技术、动物饲养技术、废物处理与再利用技术以及生命保障系统集成建造技术研究。

3．行星表面基地能源问题

充足的能源供给是行星表面基地正常运行的基本保证。与无人任务相比，有人基地任务能源需求更大，包括通信导航、生命保障、热控、作业等系统。与航天员有关的居住、生活、照明、图像话音传输、娱乐、健康支持、卫生系统，生物再生式生命保障系统的维持，基地的建设、维护和发展等工程建设作业，载人机动车辆、机器人等行星表面作业的支撑设备等都需要能源的供给和补充。这些都导致有人参与的行星表面基地能源消耗量巨大（高达数十甚至数百千瓦）。同时，为保证乘员安全，还需考虑夜间供电、能量传输和可靠性、安全性问题。因此需重点研究模块化、轻型核能技术、利用放置环月轨道太阳能电站的无线能量传输技术，以及能源系统健康监测及智能处理技术。

4．行星表面基地热控问题

与无人探测任务相比，有人基地规模更大，系统更为复杂，热耗也相对大大增加，主要表现为以下几个方面：有人基地的外形尺寸和内部发热功率大，热量主要集中于密封舱内，而且内部热负荷变化也较大，导致热排散难度大；环境控制系统与热控系统存在较多的物质及能量的耦合，增加了热控制的技术难度；有人基地的热控设计要适应不同阶段、不同工作模式的热特点与热要求，工作模式显著增多；有人基地的长寿命要求热控方案具有更高的可靠性、安全性与可维修性设计。因此需重点研究大规模热量传输技术、高效热量排散技术以及环热电一体化技术。

5．行星环境保护问题

行星环境保护所关注的问题主要包括两个方面：一方面是地球生命（如微生物）对地外天体的污染，这会对地外天体的生命探索活动产生干扰，甚至影响到地外天体的生命活动特征；另一方面对于无人返回任务以及有人任务而言，由于目前除了地球以外的其他天体还不能确定是否有生命的存在，因此地外天体对地球污染的可能性也不能排除。因此行星环境保护应面向“正向污染”和“逆向污染”两个方面采取措施，包括飞行器灭菌处理和生物净化技术，也包括采样返回样本隔离存储技术。

1.3.3 “用”面临的挑战

保障人员在地外天体的大范围机动和作业是面向载人登月、月球基地、载人登小行星、载人登火星、火星基地任务，实施深度探测和开发利用地外天体目标的基本要求，共包含五个方面的问题。

1．载人机动系统问题

人类对地外天体进行环境探测与考察，必须有大范围载人机动系统的支持，包括非密封和密封增压的载人行星车辆。与无人探测相比，有人参与的深空探测任务在载人机动系统方面存在以下突出问题：机动速度要求更快，移动速度至少可达到10km/h，目前“玉兔号”无人月球车的巡视速度是200 m/h；承载能力要求更大，能够搭载多名航天员和大量的样品以及试验设备；具备持续的环控生保支持能力，航天员作业必须穿着航天服，为满足航天员实现更大范围的机动作业的需求，机动系统必须具备环控生保支持能力；满足人机工效学的要求。此外，火星飞机、火星飞艇等新型的机动技术也有可能成为未来支撑载人深空探测任务天体表面作业活动的关键。

2．航天员出舱活动支持及能力增强问题

航天员出舱作业活动的支持及能力增强问题，是为了提高航天员出舱作业的安全和工作效率。航天员地外作业需要穿着航天服，航天服必须具备质量轻、灵活性高等特点。因此对新型航天服的研究提出了挑战，包括材料的选择、构型的设计、人机工效等问题。此外，航天员经长期飞行，登陆地外天体，经历多种重力环境后，航天员作业能力会有所下降，因此航天服的设计还应该考虑航天员作业的能力增强问题。载人深空探测任务主要采用人机配合协同作业模式。这需要两方面的支撑：一是智能化的空间机器人；二是建立人机交互的通道，发展先进的、满足地外天体特殊作业要求的人机交互技术，例如智能机器人及先进舱外航天服技术、遥操作技术、机械外骨骼技术、自主控制技术、脑机接口技术、先进人机交互技术等。

3．航天员参与的维修作业问题

由于地外天体环境复杂、恶劣，以及飞行器系统设计上难免存在薄弱环节以及元器件的使用寿命有限，因此不可避免地会发生各种故障。一旦深空探测任务中发生故障问题，航天员无法像近地任务一样快速安全返回，维修和更换是排除故障的重要途径。有人参与的维修作业面临的必须研究和解决的问题包括可维修性问题、可操作性问题及安全性问题。维修必须考虑人的安全性的问题，维修过程必须保证航天员不会受到电击、划伤、碰撞等伤害。

4．原位资源利用问题

原位资源利用是勘测、获取和利用地外天体的天然或废弃的资源，用于维持人类可长期在地外生存的产品和服务的技术，可以降低发射质量、成本和风险。以月球任务为例，如果在月球上生产1000kg的氧用于推进剂和生保支持，则可节省8000kg的发射质量。ISRU技术主要是指利用地外天体的当地原始资源，提炼所需要的推进剂、水和氧等消耗品，以及利用土壤制造建筑材料等产品，满足人类在地外天体长期生存和工作的需求。ISRU主要研究内容包括：行星资源的勘探和测绘技术、行星表面能量的利用技术、行星表面推进剂获取和制备技术、消耗品的制造和储存技术，以及建筑材料的原位制造等内容。

5．行星科学的深度认知问题

行星科学是关于行星系统的科学。行星系统是指围绕恒星（如太阳）运动的行星及其卫星、矮行星、小行星、流星体、彗星和行星际尘埃。行星科学主要研究内容包括天体的大小与形貌、空间与表面环境、物质组成和分布、地质构造、内部物理场与结构等。实施行星实地考察，通过无人实地探测和有人实地考察均可实现，但在认知程度上存在不同。在探测过程中，人的主观性和智能性是任何机器无法比拟的。在实地科学考察过程中，经过培训的航天员可以根据智慧和知识，分层次、分类别地选择样品采集的地点和采集对象，可以凭借洞察力和敏锐性观测到瞬间即逝或者随机出现的自然现象并快速记录，这些均是无人探测所无法做到的。有人参与的行星实地科学考察是实施行星科学认知的最高手段。通过对行星起源、演化和物理状态的研究，能使人类更好地了解地球，这就是比较行星学的观点。如果把地球从类地行星中孤立出来，则无法对我们自己这颗高度演化的、复杂的行星起源和演化史做出合乎逻辑的理解。

1.3.4 “人”面临的挑战

保障人员长期任务中的健康和安全是面向载人登月、月球基地、载人登小行星、载人登火星、火星基地任务，确保实施有人参与任务的基本要求，主要包括五个方面的问题。

1．空间基础生物学问题

在有人参与的深空探测任务中，航天员将经历更长时间的空间飞行和地外天体居留，航天员在空间飞行环境下的生命保障、健康维护和工作绩效等问题关系到航天探索任务的成败。在航天医学研究中，空间复合环境下的心血管功能失调、骨质流失、肌肉萎缩、免疫功能减弱、神经系统功能障碍、空间运动病、时间节律改变、心理变化等问题，以及植物在不同重力环境下生长规律特点等问题，都必须以空间基础生物学为理论支撑，目前这些生物学效应背后都还存在许多未解之谜。空间基础生物学包括空间重力生物学、空间辐射生物学及空间微生物学等。

2．变重力生理效应与防护问题

变重力生理效应是航天员在深空探测任务中面临的重要生理问题之一。长期处于微/低重力环境中对人体影响最大的是运动系统及骨骼系统的变化，长时间的作用将引起肌肉系统的废用性变化，即使采取一定的防护措施，肌肉萎缩症状仍会发生。此外，人体的心血管、免疫系统等也会产生不同的生理变化。这些变化可能会影响航天员的健康和工作绩效，从而影响探测任务科学目标的完成。因此需要掌握人体在变重力环境下的生理规律，研究对抗及防护措施。

3．地外环境效应与防护问题

航天员在长期飞行或地外生存作业过程中，面临的辐射、星尘等特殊环境因素会对人体造成显著影响，包括空间辐射问题，长期空间辐射将造成组织破坏、癌症、白内障、生殖系统影响和后代发育畸形等危害；以及星尘问题，在低重力条件下，呼吸道对粉尘的净化作用会下降，航天员一旦吸入星尘，就会导致呼吸系统中度中毒，甚至患上慢性疾病。此外，星尘本身形状锋利，一旦人体沾染就可能对皮肤、呼吸道黏膜、眼睛等产生物理性损伤。当前美国认为重返月球的最大问题就是月尘问题，每年都召开相关学术会议进行研讨。

4．航天员健康监测与维护问题

随着深空飞行时间的延长，航天员罹患疾病和受到意外伤害的概率增加，加之失重、辐射、噪声、振动、昼夜节律改变等航天环境因素对人体不利影响的累积，对人体生理应激作用等，将影响航天员健康状态，增加疾病风险。同时，随着飞行时间的延长，航天器系统故障发生概率增加，可能出现有害气体中毒、低压缺氧、烧伤等紧急医疗事件。因此需重点开展航天员健康风险与预防措施，以及航天员健康监测技术研究。

5．航天员心理健康与伦理问题

长期在轨飞行，密闭狭小空间、有限人群交流、单调生活与高负荷工作以及人工和透射光暴露等因素，会对航天员造成心理负面影响。航天员长期存在负面心理问题，会对任务的执行甚至成败构成威胁。与心理问题同样重要的还有伦理问题，如航天员意外死亡，该如何处理尸体；航天员临终前是否应立下遗嘱；长期任务中的男女关系如何处理等。这些问题不解决，长期有人参与的深空探测任务就很难顺利实施。因此需重点开展长期飞行行为与心理健康研究、航天员心理健康监测与维护及长期飞行任务中的伦理学研究。此外，从哲学、法律、社会学的角度出发，建立有人参与的深空探测实施原则，指导有人参与的深空探测任务的实施。

随着工程实践的不断深入，人们发现在载人深空探测飞行的征途上遇到的风险和挑战还远远不止上述提出的问题，随着世界各国科学家和工程师研究的不断深入，还会有其他意想不到的新问题产生。

1.4 载人深空探测体系工程的内涵

20世纪70年代美国实施的Apollo载人登月工程在项目管理上取得了突出成就，通过采用系统工程方法，解决了载人登月工程系统规模大、技术水平高、可靠性与安全性高、研制周期长、参与人员多、投资巨大等复杂项目管理问题。在产品研制过程中，从工程总体的研制要求到产品实现以及在轨运行，产生了具有复杂关联关系的海量设计信息，如系统、分系统、单机设计要求及接口关系等，这些信息当时主要是以文档的形式进行存储、交换与管理的。然而，自1969年形成美国军用标准《系统工程管理》（MIL-STD-499）以来，系统工程方法变化很小。但与此同时，随着载人深空探测任务论证的持续深入，以载人火星探测任务为例，系统的规模和复杂性却在显著增长，涉及的学科领域不断增多，信息管理的难度大大增加，而且不同文档中系统参数状态不一致的问题时常出现，导致出现很多设计安全隐患，因此传统系统工程（Traditional Systems Engineering, TSE）方法已经不能满足需求，急需一种新的方法和手段来改变这一现状。

2012年，NASA在论证重返月球的“星座计划”时，在一次项目管理挑战研讨会（Project Management Conference, PMC）上提出体系工程的概念，同时来自约翰逊航天中心的技术人员介绍了在航天服开发中应用基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering, MBSE）的情况，得到了与会各方的赞同和肯定。当前，NASA所属的兰利航天中心、喷气推进实验室等都在项目研发、技术管理等方面积极推进应用MBSE方法，用于巨型复杂任务的项目管理，目的是显著提升项目的经济可承受性、缩短开发时间、有效管理系统的复杂性、提升系统的整体质量水平。

1.4.1 体系工程的概念及特点

体系即系统的系统（System of System, SOS），它不是简单的系统叠加，而是为实现某种能力需求的有机组合，体系具有一般系统组合不具备的功能与能力；体系工程是指面向体系的能力发展需求，在全寿命生命周期中对体系的设计、规划、开发、组织及运作进行系统的管理过程，目标是建立基于能力的动态系统，提供多种能力满足多项任务的需求。未来载人深空探测项目管理将呈现出体系工程的特点，主要体现在以下四个方面：

（1）载人航天任务需求日益复杂，越来越强调体系的能力建设。

在早期的载人航天任务中，通常是完成基于功能的设计，例如载人飞船最早就是为验证人在太空的短期生存能力而设计的，最主要的功能是保障人在太空的短期生存能力；到了空间站任务时期，体系的需求范围大大拓展，系统功能设计日益复杂，例如空间站不仅需保障人在空间的中长期生存功能，还需保障完成各类科学试验载荷的空间科学试验功能，也需保障进行复杂结构的空间组装和维修等功能。当多个舱段进行组装建造完成后，空间站系统表现出来的强大的体系能力，例如组合体的控制与管理能力、在轨运营与后期补给能力、空间应急救援能力，将大大超越单个系统工程，越来越突显出体系工程能力建设的特点，通过不同工程子系统的组合可以满足不同类任务的需求，例如用商业货运火箭发射货运飞船可以完成空间站系统的货物补给运输任务，也可以用载人飞船完成人员和部分货物的补给运输任务。

（2）体系工程中各系统间的接口日益复杂，接口管理和验证至关重要。

以空间站工程为代表的载人航天任务，由于系统组成过于复杂，模块多，进行体系工程设计时首先分解成若干工程大系统，再把工程各大系统分解成子系统，再把子系统分解成单个产品。体系工程中重点强调的是系统间以及子系统间的接口关系，这种接口关系可以简单到信息或数据的传递，也可以复杂到人机交互及管理控制等。子系统之间点对点互联的接口数等于n（n-1）/2，其中n是子系统的数量。例如，目前中国空间站系统拥有7个工程大系统，1个系统工程组织，一共15个子系统（包括航天员系统、空间应用系统、长二F运载火箭系统、长七运载火箭系统、长五B运载火箭系统、载人飞船系统、货运飞船系统、空间实验室系统、空间站系统、光学舱系统、酒泉发射场系统、海南发射场系统、测控通信系统、着陆场系统和工程大总体），各子系统间接口的数量有105个。NASA在DRA 5.0中提出的载人火星探测飞行器体系架构如图1-8所示，从图中可以看出仅仅是飞行器和运载火箭系统已有12个之多，中国空间站系统的飞行器体系架构仅仅相当于图1-8中的深空居住舱、重型运载火箭和载人飞船系统而已，若把发射、测控、着陆、货运补给等多个因素考虑齐全，子系统的个数还需要显著增加，显而易见各子系统间的接口数量和关系更为复杂。

虽然载人航天传统意义上可以通过接口需求/控制文档资料进行管理，但是面对复杂大型的体系工程，接口之间的管理和验证将显得至关重要。最复杂和最重要的接口就是对工程大系统的安全与任务成败起决定作用的子系统间的接口关系，这类接口必须易于理解，易于使用，更改可控易追溯，同时能够易于验证，这将是未来载人航天体系工程面临的突出特点。

（3）体系工程中系统资源裕量管理难度高，越靠近寿命末期成本越高。

以载人登火星为代表的复杂载人航天任务中，体系工程师最重要的工作就是进行系统资源裕量的管理。系统资源管理主要是指质量、体积、能量/功率、数据传输速率、总线带宽、中央处理器（Central Processing Unit, CPU）利用和数据存储量、维修寿命、航天员出舱活动时间等系统级指标；裕量是指两个数值之间的差，通常是指系统需求或分配与实际值之间的差。对于复杂体系工程而言，资源和需求裕量可能是跨系统交叉的，因此需要分层次进行管理和分配。裕量管理的技巧是必须在正确的时间测定出裕量，以操控问题并减少风险，同时为未来的需求存留适量的裕度，包括跨子系统间的支撑裕量来平衡风险。很显然，超过裕量事件的发生时间越靠近任务全寿命周期的后期，花费代价就越高。例如对于机器人探测地外天体任务，如需重构系统质量，成本大于20万美元/kg；对于载人探测任务而言，成本往往是10倍以上。

（4）体系工程项目实施的风险大，故障环节多，产品保证难度大。

众所周知，载人航天任务风险管理要求高，必须坚持安全第一的原则。在体系工程中由于工程各大系统中的各子系统生产研制单位地理分布广泛，参研单位众多，如果按照传统项目管理各自管控各自产品的风险，极易造成接口风险失控，系统故障环节多，一旦出现关键环节失效，代价极其昂贵，因此将风险管理提升到体系工程师产品保证及质量风险管控的层面，也将是未来载人航天体系工程建设和管理的突出特点。

1.4.2 基于模型的系统工程概念

2007年，国际系统工程学会（International Council on Systems Engineering, INCOSE）在《系统工程2020年愿景》中，给出了“基于模型的系统工程”（MBSE）的定义，基于模型的系统工程是对系统工程活动中建模方法正式化、规范化的应用，以使建模方法支持系统要求、设计、分析、验证和确认等活动，这些活动从概念性设计阶段开始，持续贯穿到设计开发以及后来的全寿命周期阶段。由定义可以看出，MBSE方法与传统基于文档的系统工程方法在基础理论及基本流程方面没有本质区别，区别主要是在设计过程管理方式、工作形式及设计结果展示形式上。

MBSE和TSE的最大区别就在于系统架构模型的构建方法和工具不同，以及由此带来的工作模式、设计流程等方方面面的区别。也可理解为传统的系统工程变成基于模型的系统工程，实际是从“基于文本”（Text-Based）向“基于模型”（Model-Based）的转变。这个模型，指的是用系统建模语言建立的系统架构模型，或者说是系统架构模型的建模语言从“自然语言、文本格式”转向了图形化的系统建模语言（Systems Modeling Language, SysML）。但MBSE并不是完全抛弃过去的文档，而是从过去“以文档为主、模型为辅”向“以模型为主、文档为辅”的转变。

MBSE方法相比于以文档为中心的系统工程方法具有以下优点：

（1）理解、沟通效率提高。可视化的模型比文字更容易被接受，图形化的符号配以文字描述，既直观、形象，又保证了信息的完整性，使不同人员对同一模型的理解更容易达成一致，可以提高不同设计人员之间的沟通效率。

（2）数据获取容易。基于文档的系统工程方法处理的最小对象是文档，用户所需的信息散布在大量的文档之中，因此查找起来要耗费巨大的工作量。而MBSE方法处理的最小对象是数据，结合数据库管理方法，用户能直接获得所需的指标参数，可大幅减少设计人员的工作量。

（3）技术状态可追踪性好。MBSE方法在工作过程中会不断建立模型之间的关系，通过这些关系实现技术状态的追踪性和关联性分析，完成对技术状态的全面分析和控制。

（4）设计验证一体化。MBSE方法在工作过程中强调同时考虑设计与验证，通过建立验证模型与需求模型、功能模型，以及其他设计过程中所用到的相关模型之间的关系，进行验证覆盖性分析，以保证所有项目均满足验证要求。

MBSE方法的最终目标是以模型为基础，构建出经过测试与验证的系统架构。在整个设计过程中，最基本的是构建系统的需求模型、功能模型和物理架构模型。

1．需求模型

需求模型是指从系统最顶层的需求直至最底层的需求，以及它们之间逻辑关系构成的集合。按不同侧重点，可将需求分为功能需求、性能需求、接口需求、可靠性需求、安全性需求、人因工程需求等。需求模型用于将系统设计过程中不清晰的期望、要求等转换成需要解决的具体问题，用于指导系统设计。对应于系统的不同层次，需求模型有一个层级结构，最顶层的需求来自用户的使用要求、成本约束、研制周期约束及各利益相关方的期望等，这些顶层需求都被划分为功能需求和性能需求等，并在系统内进行分解与分配，由系统到子系统再到单机部件，层层细化，这个分解和分配过程一直持续到完成完整的满足需求的设计为止。需求模型如图1-9所示。

2．功能模型

功能模型是指系统完成既定任务目标所需要的全部功能的集合，其中包括对应系统级（如载人飞船）、分系统级（如测控系统）、产品级（如传感器），甚至更小单元的功能及它们之间的逻辑关系，用于指导系统组成的设计。功能模型在需求模型的基础上，通过逻辑分解进行系统功能分析，同时基于对任务过程的分析，梳理整个过程中的飞行事件，再通过飞行事件识别出每一层次的系统功能，如图1-10所示；之后对功能进行逐级归纳，形成系统的功能模块划分。此外，在功能模型的构建过程中，还要将总结出来的功能与需求模型中的条目进行匹配，确保每项需求都有功能与之对应。对于没有覆盖到的需求，要考虑其是否合理，是否需要添加相应功能对其支持；对于不支持系统需求的功能，考虑将其删除。

3．物理架构模型

物理架构模型用于描述构成系统的全部要素及它们之间的接口关系，同样由系统级直至产品，甚至更小单元的层级结构组成。构建系统的物理架构模型时，以需求模型和功能模型为基础，综合考虑性能指标、系统效能、研制成本、系统接口、技术风险等，开展多方案比较，选择能满足用户需求并能较好完成系统功能的系统组成方案。物理架构模型如图1-11所示。

除上述三个基本模型外，完成整个任务设计还需要系统接口模型、产品结构模型、风险分析及验证模型等。建成任务设计所需的模型后，还要根据事先制定的逻辑规则建立不同模型之间的关系，实现对整个工程中数据的全面可达。整个过程反复迭代，不断细化，直至能清晰描述整个设计、验证及工作过程，最终建立一个完整、一致并可方便追溯与查询的体系，实现参数查询、覆盖性分析等工作，以保证系统设计模型的一体化，避免各个组成部分之间的设计冲突，降低风险。图1-12所示为MBSE方法不同模型之间的关系。

综上所述，MBSE将在载人深空探测领域得到广泛的推广使用。为应对基于文档的传统系统工程模式在复杂体系工程中产品和系统研发时面临的挑战，它可以逻辑连贯一致的多视角通用的系统模型为桥梁和框架，实现跨系统、跨领域模型的可追踪、可验证和全寿命周期内的动态关联。它适用于从概念方案、工程研制，乃至使用维护到报废更新的全寿命周期内的活动，从体系工程顶层设计往下到系统、分系统、单机或组件等各个层级内的系统工程过程和活动，包括技术过程、技术状态管理过程、协议过程和项目组织管理过程。

思考题

1．载人深空探测任务的概念和内涵是什么？

2．开展载人深空探测活动的意义是什么？

3．载人与无人深空探测任务的差异是什么？

4．载人深空探测飞行器体系通常包含哪些核心能力和关键系统？

5．载人深空探测任务面临的突出科学和技术问题有哪些？

6．什么是体系工程？为什么说载人深空探测任务呈现出体系工程的特点？

7．什么是基于模型的系统工程？

8．与以文档为中心的系统工程方法相比，MBSE方法有什么特点？

9．未来从事载人深空探测任务的系统工程师需要掌握什么样的专业技能？

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