第2章 载人深空探测发展概况

20世纪60年代，美苏争霸开展载人登月竞赛。美国的阿波罗载人登月工程取得了巨大成功，实现了6次成功登月，在科学研究和工程技术上均收获颇丰。随后的载人飞行转向近地轨道，深空探测则以无人任务为主。进入21世纪以后，国际深空探测任务呈现出多元化的发展趋势，美国、俄罗斯、中国都提出了自己的载人登月规划目标。2019年美国特朗普政府明确提出：将在2024年将两名航天员送往月球南极，其中一名是女航天员；在2028年实现月球南极的长期生存；2035年前后实现载人登陆火星的战略目标。在此基础上，欧洲航天局以及俄罗斯、日本、加拿大、澳大利亚等国家的航天局纷纷与美国NASA签订合作协议，期望加入美国的Artemis任务中。除此之外，美国以SpaceX为代表的私营公司也研制了可重复使用的重型猎鹰火箭及“星舰”飞船，并规划了自己的载人深空探测任务时间表。从历次国际宇航大会的研讨情况来看，无论是国家政府行为还是私营商业行为，当前在载人深空探测领域，先实现人类在月球上的长期生存，并以月球为试验基地和跳板，利用月球或小行星资源进行原位资源利用，最终向火星进发的发展思路已成为全球的共识。

2.1 概述

20世纪六七十年代，美国和苏联以载人登月为目标开展太空竞赛，载人深空探测工程正式起步并成为世界大国政治角力的舞台。美国Apollo载人登月工程取得巨大成功，在工程技术和科学研究上均收获颇丰。而后载人飞行转向近地轨道，深空探测则以无人任务为主。进入21世纪，全球载人深空探测呈现多元化发展趋势，在借鉴无人探测取得成果的基础上，载人深空探测的目的地逐渐明晰，即近期瞄准重返月球、远期实现登陆火星，同时有选择地探测小行星。

当前载人航天活动主要依赖近地轨道空间站，未来人类可以探索的目的地及执行的载人深空探测任务主要包括地月空间、月球任务、深空任务、行星际运输任务及火星任务，如图2-1所示。

根据2018年国际空间探索协调小组（ISECG）公布的新版《全球探索路线图》（Global Exploration Roadmap, GER）可知，如图1-4所示：①在近地轨道，主要以国际空间站（International Space Station, ISS）的运营和中国空间站的建设为主；②在月球表面及轨道任务中，无人探测主要有印度的无人月船、俄罗斯的Lunar系列任务、中国的嫦娥月球探测任务，载人探测主要有美国的EM-1和EM-2任务（Exploration Mission, EM），以及深空之门（Deep Space Gateway, DSG）任务；③在火星表面及轨道任务中，主要以无人火星探测任务为主，包括Mars 2020、ExoMars、火星环绕器任务及火星卫星探测任务等，此外为了发展载人火星探测任务能力，美国开始建造深空运输飞行器（Deep Space Transportation, DST），用于地火往返运输；④在注重构建核心能力和关键系统之外，重点开展基于近地轨道空间站的载人深空探测技术验证，并支持推动商业航天的发展；⑤以DSG任务为核心进一步开展广泛的国际合作。

图2-1所示为ISECG公布的载人深空探测任务目的地及主要技术难点。

相对20世纪以任务牵引为目标的载人登月任务，近50年的重返月球论证过程中载人深空探测领域的发展思路转变为能力驱动，同时注重核心系统的建设和关键技术的验证。当前已经明确的核心系统包括重型运载火箭和载人飞船及深空之门（DSG），美国和俄罗斯均已进入工程研制阶段。正是这个措施有力地支撑了NASA在2024年完成重返月球的战略目标。在关键技术研究和验证上，一方面借助近地轨道国际空间站、中国空间站等平台开展验证，包括闭环生命支持、空间辐射防护、充气可展开结构、低微重力长期生存等；另一方面结合无人探测任务进行飞行验证，如行星进入与着陆、先进推进、原位资源利用、深空环境长期驻留等技术的在轨验证。下面从载人深空探测任务、飞行器系统方案、关键技术的发展概况分别进行介绍。

2.2 载人深空探测任务发展概况

2.2.1 载人月球探测任务

载人月球探测大体上可分为三个阶段：20世纪中叶以实现载人登陆月球为目标的太空竞赛阶段、20世纪90年代以实现人类重返月球为目标的能力积累阶段，以及2019年明确重返月球，并以此为跳板及试验基地，实现载人火星为目标的深入实施阶段。截至2019年10月底的全球月球探测任务情况详见附录A。

Apollo载人登月工程中，共有12名美国航天员着陆月面，在月面停留时间总计280h，行进总里程达到100km，带回地球的月球样品总重381.7kg，是迄今为止全世界最复杂的航天任务。工程任务目标是将3人乘组、2人送达月面赤道附近低纬度地区、月面停留3天，采用了人货合运的“一次发射直接奔月”飞行模式，充分利用了“土星5号”百吨级重型运载火箭的能力。飞行器系统由登月飞船和登月舱组成，登月飞船由指令舱和服务舱组成。飞船指令舱是航天员在飞行中生活和工作的座舱，也是全飞船的控制中心，总重约6t，可以支持3人14天飞行任务；服务舱总重约24t，前端与指令舱对接，为航天员提供能源与动力支持以及发动机所需的推进剂。登月舱的主要任务是携带两名航天员完成月面着陆起飞和环月轨道交会对接，由上升级和下降级组成，总重16.5t，可支持2人3天月面停留任务。

2004年乔治·沃克·布什总统宣布了“太空探索新构想”计划，再次提出重返月球并以此作为跳板为载人登陆火星做准备，2009年重返月球计划正式命名为“星座计划”。“星座计划”采用人货分运的近地轨道一次交会对接飞行模式，即“猎户座”（Orion）载人飞船和“牵牛星”（Altair）月面着陆器分别由“阿瑞斯-1”（Ares-I）载人火箭和“阿瑞斯-5”（Ares-V）重型火箭发射进入近地轨道并对接，组合体利用地球出发级（Earth Departure State, EDS）加速进入地月转移轨道，如图2-2所示。

美国前总统奥巴马上任后，在2010年2月宣布取消已进入工程研制阶段的“星座计划”，并提出“21世纪太空探索”新战略，目标是进行“月球以远”的载人空间探索，并于21世纪30年代中期实现载人火星轨道飞行，之后实施载人火星登陆。同年，美国又发布了新版《美国国家空间政策》，将奥巴马太空探索新政内容作为一项民用航天指导方针确定下来。此后，对于载人火星探测的过渡目标，美国一直采取了多目的地探索策略，以火星为终极目标，将月球、近地小行星、拉格朗日点等均作为备选目标，注重发展技术能力，以期在最终目标确定之前具备相应工程能力。

2011年，NASA成立了载人探索与运行（Human Exploration Operation, HEO）任务部，负责载人相关任务的管理、研发以及投资创新技术；同年，NASA发布了“能力驱动框架”指南，明确发展对载人探索至关重要的通用能力，还组建了由15个能力领域专家组成的跨中心团队或工作组。

2017年6月30日，特朗普签署行政命令，决定重新建立国家航天委员会（National Space Council, NSC），直接隶属于总统行政办公室。2017年10月5日，在美国国家航天委员会重组后的首次会议上，副总统麦克·彭斯发表题为《迈向新疆域：国家航天委员会的一个重点》的演讲，正式宣布美国将重启登月计划并建立永久性月球基地。

2017年4月，美国提出修建深空之门（DSG），随后在9月召开的第68届国际宇航大会（International Astronautical Congress, IAC）上，NASA和俄罗斯航天国家集团（Roscosmos）达成协议，计划2024—2026年发射首个舱段，并在第一阶段任务空间站建成后，将其应用到月球开发及探索火星任务中。

根据NASA计划，2020年前后将执行Orion飞船无人环月飞行任务（EM-1），如图2-3所示。EM-1将是NASA新时期载人深空探测系统的第一次无人环月飞行任务，任务周期约3周，对SLS运载火箭、Orion载人飞船、肯尼迪航天中心39 B发射工位及相关地面设施进行综合考核，为未来的载人深空探测飞行打下基础。该任务最远离地距离将达到44.8万公里，这将超过以往所有载人飞行任务。针对EM-1任务，目前已经完成（或正在进行）的工作包括：RS-25发动机控制器试车，39 B发射工位改造，SLS贮箱间结构组装，Orion返回舱推进及环控贮箱管路焊接，Orion服务舱部件组装。

NASA完成载人环月飞行任务EM-2，预计将在真实地月环境下对飞行器系统进行全面测试考核，计划2023年采用SLS Block 1型火箭发射。EM-2任务将是NASA重返月球及迈向深空至关重要的一步。在EM-1验证月球大幅值逆行轨道（Distance Retrograde Orbit, DRO）的基础上，EM-2采用混合自由返回轨道，如图2-4所示。在成功完成EM-1和EM-2两次任务后，NASA计划围绕“建设地月走廊”的目标每年执行一次载人发射任务。EM-2目前已完成的相关工作包括：返回舱结构加工部分完成，宇航服真空测试，发射逃逸系统测试，发射工况模拟仿真。

2017年12月11日，特朗普在白宫签署了上台以来的“1号太空政策指令”，将重返月球正式提上日程。在特朗普政府看来，重返月球无疑是“让美国再次伟大起来”（Make America Great Again）的一条重要途径。2019年是美国Apollo载人登月工程实现人类首次载人登月的50周年。2019年3月26日，美国副总统迈克·彭斯（Mike Pence）在国家航天委员会第五次会议上雄心勃勃地表示，美国将在未来五年内重返月球，并且登上月球的第一位女性和下一位男性都必须是美国宇航员，必须从美国的土地上，由美国的火箭送入太空。

美国国家航天局（NASA）新局长吉姆·布里登斯廷（Jim Bridenstine）对彭斯的说法予以回应：“提出这一挑战恰逢其时，我向副总统保证，NASA将接受这一挑战。”布里登斯廷表示，NASA已经制定了太空探索三个阶段的完整计划：从近地轨道到月球，再到火星及更远的宇宙，并为此组建成立了一个新部门——“月球及火星任务部”（Moon to Mars Mission Directorate）。2019年5月13日，NASA表示，已经选定“阿尔忒弥斯”（Artemis）作为2024年美国登月计划的名称，阿尔忒弥斯是希腊神话中阿波罗的孪生妹妹和月神，作为NASA在2024年重返月球表面计划的名称。

根据美国政府制定的最新时间表，NASA重返月球计划将分为以下几步来实现：

2020年，进行名为“EM-1”的无人飞行试验，利用SLS重型火箭将飞船发射到月球轨道；

2022年，将宇航员送到月球附近；

2024年，实现重返月球表面，让宇航员在月球南极登陆。

如果一切顺利的话，随后NASA将在月球轨道建立空间站，并在21世纪30年代以此为基础向火星进发。为了按时完成重返月球的艰巨挑战，NASA及其合作伙伴正在建造四大登月工具：运载火箭、载人飞船、载人月球着陆器和月球轨道空间站。图2-5所示为NASA制定的重返月球的战略规划图。

在美国政府加速推动重返月球的Artemis任务实施的同时，美国私营公司也在积极推进载人月球探测任务。2017年2月，SpaceX公司宣布几年内将送两名付费游客进行环月飞行，将采用猎鹰重型火箭（Falcon Heavy, FH）和载人龙飞船执行此次载人飞行任务。2018年9月，SpaceX公司确定并公布了第一名付费乘客——来自日本的亿万富翁前泽友作，引起了全世界范围的广泛关注。2019年2月7日，FH火箭首飞成功，成为现役火箭中运载能力最强的火箭，火箭高69.2m，近地轨道能力为63t，采用芯级并联结构，由三枚经改装的“猎鹰九号”火箭组装而成，其中两枚助推火箭成功回收，可用于重复使用。由于FH火箭采用低成本设计思路，因此单发FH的发射费用仅为9000万美元。

FH第二次发射任务为2019年6月。美国国家航空航天局局长表示，如果SLS火箭进度缓慢，将考虑采用SpaceX公司的FH火箭和联合发射联盟公司（United Launch Alliance, ULA）的助推器来完成发射Orion飞船的重任，帮助美国实现2024年前重返月球的梦想。

此外，SpaceX公司还研发了一款超重型运载火箭——大猎鹰火箭（Big Falcon Rocket, BFR）。相对于猎鹰重型LEO/30t运载能力，BFR可以将150t的载荷送入近地轨道。BFR主体部分直径约为9m，总重约为4400t，助推器配置31台猛禽发动机，可产生约5400t的推力。这款火箭可支持载人火星探测任务。

2019年10月，SpaceX公司的总裁兼首席运营官Gwynne Shotwell表示，公司今年已经筹集了超过13亿美元的资金来建造两艘“星舰”（Starship）和“星链”（Starlink）。“星舰”是一种大型火箭，该公司希望用它将人类送上月球和火星；“星链”是一个由4万多颗卫星组成的网络，用来为地球提供高速互联网。

Gwynne Shotwell介绍“星际飞船”的最新目标是：“我们希望明年 ‘星舰’能进入轨道，在2022年之前把它和货物一起送上月球，并在不久之后把人送上月球。”

2.2.2 载人小行星探测任务

美国在制定载人深空探测发展路线图时，曾提出发展载人小行星探测任务，不仅可以在有人参与的情况下，开展小行星样本采集和分析等探测活动，更可以将小行星的资源用于载人火星探测任务中，成为继月球之外的另一个中转站，同时可对载人火星探测的核心关键技术（例如原位资源利用技术）进行有效验证。

截至2019年10月底全球的小行星探测任务情况详见附录B。

2007年洛克希德·马丁公司提出使用两艘Orion飞船组合体实现载人小行星探测的“普利茅斯岩石”（Plymouth Rock）计划。在“星座计划”中止后，2011年NASA提出“小行星重定向任务”（Asteroid Redirect Mission, ARM）初步设想，计划将近地小行星捕获至月球高轨并开展载人探测。2012年4月，美国加州理工大学凯克太空研究学院（Keck Institute for Space Studies, KISS）在美国“21世纪太空探索战略”的框架下完成了“小行星捕获可行性研究”报告，如图2-6所示。2013年ARM计划得到批准，正式进入工程实施阶段。飞行器系统主要包括小行星重定向飞行器（Asteroid Redirect Vehicle, ARV）和Orion载人飞船两大部分。

ARM任务分成三个阶段：观测阶段主要是找到合适的目标近地小行星，满足质量、大小等条件和任务约束；小行星重定向机器人任务（Asteroid Redirect Robot Mission, ARRM）计划2020年左右发射ARV并与目标小行星交会并捕获，利用太阳能电推进系统（Solar Electric Propulsion, SEP）将小行星转移到月球附近；小行星重定向载人任务（Asteroid Redirect Crew Mission, ARCM）计划2025年左右发射Orion飞船与ARV交会对接，实现航天员实地勘测研究和采样，评估资源利用可行性。后来美国政府取消了ARM任务，改由商业公司探索发展，政府从法律层面为其开通道路。

开发利用小行星资源对载人深空探测十分重要。有些小行星上含有丰富的水资源，有的含有丰富的C资源。从构成生命的C、H、O、N、P、S等基本元素的角度来看，月球资源对构建适宜人类居住的长期栖息地而言是非常贫瘠的，因此捕获并开发利用小行星资源非常重要。

此外，根据NASA初步测算，1500颗近地小行星中大约10%存在高价值矿产资源。瞄准小行星采矿的巨大经济价值，国外已有多家私营公司提出其探测开发方案。2012年4月由拉里·佩奇、詹姆斯·卡梅隆等亿万富翁成立了“行星资源”公司，计划2020年发射飞行器捕获小行星并提取水，用于在轨制造液氢液氧推进剂；“深空工业公司”（Deep Space Industry, DSI）计划2023年前开始小行星采矿，如图2-7所示；2013年，“开普勒能源与空间公司”宣布启动小行星采矿业务，并希望大量借鉴以往小行星探测成果。2015年5月，美国众议院表决通过《关于促进私营航天竞争力、推进创业的法案》，该法案从实质上确认了对小行星矿物资源的“允许私人所有”和“先取先得”原则，但这与联合国1967年制定的《外空条约》存在冲突。2015年11月，《美国商业太空发射竞争法案》由时任美国总统的奥巴马签署生效，明晰了太空资源的私有财产权，意味着私企开采太空资源和进行商业用途在技术上成为可能，并且获得了法律许可，这为美国政府主导的太空资源商业开发进一步铺平了道路。2019年世界上采矿领域研究实力最强的机构——美国科罗拉多矿业学院，低调开设了太空采矿专业，该机构早在20世纪90年代就开始从事太空资源及原位利用方面的研究，在太空采矿领域有扎实的基础。有了法律支持许可以及专业技术的支撑，未来私营企业公司进行载人小行星探测及资源利用将成为可能，因此倍受行业关注。以月球为基地，开发并利用小行星资源也成为推动发展太空新经济的重要抓手。

2.2.3 载人火星探测任务

1．美国

1960年10月10日，苏联发射了人类第一个火星探测器，拉开了火星探测的序幕。后续人类实施了一系列无人火星探测任务，对火星及其环境的认识极大提升；同时，世界各国也开展了载人火星探测的概念研究和方案设计。虽然已经成功实施了几十次无人火星探测任务，但无论是技术难度还是经费规模，实施载人探测任务还存在巨大的挑战。截至2019年10月底全球的火星探测任务情况详见附录C。

1989年11月，NASA JSC的A. Cohen提出了“NASA 90天”方案，采取冲点航线、低温推进和火星轨道交会方式，飞行任务的总时间为500多天，在火星表面只停留30天。该方案大量继承Apollo载人登月工程的技术、计划和管理经验，但载人火星探测器属一次使用，无法为后续任务提供支持。Viking无人火星探测任务成功后，科罗拉多博尔德大学举行了一系列名为“火星案例”的会议，会上提出了载人火星探测计划，最为引人注目之处在于提出了在火星上开展原位资源利用的理念，即可以利用火星的资源制造返回地球所需推进剂。该方案发表于美国宇航学会（American Astronautical Society, AAS）会议录上，后续几年的会议中提出了大量替代方案。

20世纪90年代初期NASA提出了“参考任务设计1.0版”（Design Reference Mission 1.0, DRM 1.0），旨在探寻当时计划的“第一月球前哨站”与接下来的火星探测任务在系统上的共同点，但除了使用重型运载火箭之外，没有找出其他明显的共同点。1998年，NASA公布了多个载人火星探测概念方案，其中最著名且常常被引用的为NASA“参考任务设计3.0版”（DRM 3.0），详细描述了载人火星探测所涉及的技术概念，阐述了罗伯特·祖布林提出的使用火星大气制造推进剂的理念。

2009年，NASA对外正式公布提出了载人火星探测“参考任务设计5.0版”（DRM 5.0），以Ares-I、Ares-V为基础的任务总时间为900天，其中飞往火星180天、火星停留540天、返回地球180天，每次火星探测任务使用8枚或更多的Ares-V重型运载火箭以及1枚Ares-I载人运载火箭，同时提出将月球作为载人火星探测飞行器系统的技术试验验证平台。

在《美国国家太空政策》和《2010年NASA授权法案》的要求下，NASA围绕载人火星探测这一战略目标开展工作。2015年9月，NASA公布火星表面存在液态水活动的强有力证据，将全世界目光聚焦到火星上，同时将继续开展深入的无人火星探测任务。2018年成功实施了洞察号（Insight）无人火星探测任务，重点对火星内部结构进行立体探测，同时发现了火星大气存在甲烷气体的有力证据。

2015年10月8日，NASA发布了《NASA火星征程：制定太空探索的后续步骤》报告，阐述21世纪30年代人类到达火星空间、最终登陆火星并开展可持续探测的战略目标，提出以载人登陆火星为总目标的空间探测实施战略、原则和挑战，按照“依赖地球”“试验场”“独立于地球”三个阶段循序渐进地实现载人登陆火星目标，如图2-8所示。

（1）“依赖地球”阶段。在近地轨道利用国际空间站（ISS）平台和可靠的补给，试验验证载人深空探测所需的技术与能力，如长期深空飞行任务所需的先进环境控制与生命保障系统、微重力环境对航天员身体健康的影响、高能粒子辐射环境下的安全防护、10亿bit/s数据传输速率激光通信系统、在轨增材制造以及原位资源利用等。

（2）“试验场”阶段。在地月空间对深空环境复杂操作技术和载人火星探测能力进行试验验证，如在深空任务中进行载人飞船和重型火箭验证，利用机器人采集近地小行星上的大型岩石样本并运输至月球轨道试验场，验证150～200kW大功率太阳能电推进技术以及航天员舱外活动能力和样品采集处理技术，建立和测试深空居住舱，验证最大限度地减少对地球补给依赖的技术，等等。NASA重点测试和建立在深空环境（主要是地月空间）中执行复杂任务的能力，将其复杂程度限定为“乘组可在数天内返回地球”。

（3）“独立于地球”阶段。确保人类到达火星附近、最终登陆火星并开展长期持续探测，突破高效、安全可靠地将货物和人员送往火星，20～30t有效载荷在火星表面精确下降与着陆以及从火星表面上升并返回地球的运输系统，人/机协同操作和自主智能操作，火星表面太阳能发电或核能系统，利用火星资源原位生产推进剂、水和空气等，实现航天员在火星轨道中转移居住舱和表面居住舱中的长期工作，以及在火星环境下保证航天员健康和安全的技术，等等。

2017年特朗普政府推出了以深空之门（DSG）和深空运输飞行器（DST）为代表的载人空间探索最新规划。由于有月球附近深空轨道空间站DSG的支持，NASA载人深空探测的任务模式相比以前的方案丰富了很多，具体分为5个阶段：

（1）阶段0（当前状态）。利用ISS研究和测试未来载人深空探测任务所需的技术和能力，并研究月球资源的可用性，如图2-9所示。

（2）阶段1。在地月空间开展多次任务，开展DSG以及DST建造，如图2-10所示。

在阶段1, DSG能力上可支持NASA商业以及国际合作伙伴开展深空探测任务，在Orion载人飞船停靠状态下支持4名乘员生活至少30天，以及DST建造，系统组成包括电推进模块、居住舱、补给舱，并为后续气闸以及DST建造开展验证。

（3）阶段2。完成DSG建设，并开展火星能力验证工作，如图2-11所示。

DST采用大功率电推进系统，用于为乘员深空飞行（包括未来的火星探测）提供运输和居住支持，通过消耗品补充和少量维修可以重复开展3次火星级别的任务，支持4名乘员1000天以上的飞行任务，可由1枚SLS 1 B型货运火箭一次发射升空。

（4）阶段3+阶段4。乘员离开地月系统到达火星轨道，开展火星及其卫星的表面探测任务，如图2-12和图2-13所示。

按照上述5个阶段的设想，NASA发布的载人深空探测领域第1～3阶段任务规划如图2-14和图2-15所示，阶段1—DSG组建计划见表2-1，阶段2及阶段3的初步规划—DST试航和首次载人火星探测任务见表2-2。按此规划设想，美国将在2030年左右完成载人登陆火星的壮举。

2．俄罗斯

俄罗斯于2000年提出了“火星轨道站”（Marpost）方案，航天器总重400t，采用“能源号”运载火箭进行4次发射，在近地轨道进行部件组装，加速入轨后使用以氙气作为推进剂的太阳能离子推进。后来，Marpost方案更新为一个可重复使用载人飞船，总任务时间将为730天。2005年，克鲁尼契夫航天研制中心对载人火星探测进行了可行性研究，提出了“火星2005”（Mars 2005）计划，如图2-16所示。

2009年起，俄罗斯科学院生物医学研究所和欧洲航天局（European Space Agency, ESA）合作开展了两个阶段的“火星-500”地面演示试验，如图2-17所示，试验时间分别为105天和520天。105天试验于2009年3月31日在俄罗斯科学院生物医学研究所启动。520天任务在2010年6月3日启动，6名志愿者（包括中国志愿者王跃）在模拟火星飞船中生活520天。俄罗斯生物医学研究所负责组织，主要目的是检验人在深空探测活动中的长期承受能力，以及航天员之间的相互协调能力，为未来登陆火星收集数据、知识和经验。“火星-500”项目取得了巨大成功，在520天的时间里开展了生理学、心理学和微生物学等五大类试验，为深化航天医学研究提供了大量数据。

2.2.4 其他载人深空探测任务

土卫二和木卫二——欧罗巴上都有大量液态水，可能成为未来地外生命探测以及载人探测的重要目标。2016年SpaceX公司公布了其载人深空探测规划，所提出的载人深空探测飞行器可以适用于多个目的地，包括土卫二、木卫二和土星等，如图2-18所示。

土卫二是土星第六大卫星，直径约500km。1980年11月，“旅行者1号”探测器从距离土星二20万公里处掠飞观测；1981年8月，“旅行者2号”探测器从距离土卫二8万公里处掠飞，发现土卫二表面存在明显的地质活动；2004年，“卡西尼号”探测器进入土星轨道并对土卫二进行近距离掠飞观测（最小距离50km）。经过多次探测，认为土卫二存在地质喷发活动，星体表面以下有大量液态水，在喷发羽状物中发现了特殊化学成分；2017年4月，NASA宣布木卫二具备生命所需的所有元素。由于距离太阳遥远，太阳能发电无法提供足够的能源，使用核能又会对其环境造成不可逆转的影响，有研究者借鉴地球上的潮汐能发电，提出了水力发电持续供电方案。

土卫六大气层稠密且二氧化碳含量很高，是目前已知唯一有稠密大气的地外天体，一直是深空探测的重要目标。随着“卡西尼·惠更斯”土星探索任务的成功，更多目光投向了土卫六及其深处的甲烷海洋。2007年有学者提出采用热气球式飞行器探索土卫六表面；2017年，约翰·霍普金斯大学的应用物理实验室提出了“蜻蜓”无人机，用于探索土卫六的大气和表面。图2-19所示为NASA提出的采用垂直起降飞行器的土卫六探索方式。

当前木卫二、土卫二、土卫六等是无人深空探测寻找宜居星球的热点目标星球，一旦有重大科学发现，适宜人类生存或者具备宜居条件后，就会成为继火星之后的载人深空探测下一代目的地。

2.3 载人深空探测飞行器发展概况

2.3.1 载人月球探测飞行器系统

1．美国

1）Apollo工程载人飞行器系统

Apollo载人飞行器系统由登月飞船和登月舱组成，登月飞船由指令舱和服务舱组成，发射阶段指令舱和服务舱连接在一起，登月舱放在服务舱下面的火箭第三级顶部的整流罩里。Apollo工程载人登月飞船和登月舱发射阶段构型如图2-20所示，其主要性能指标见表2-3。

指令舱是航天员在飞行中生活和工作的座舱，也是全飞船的控制中心。其外形为钝头体，总重约6t（包括航天员），可以支持3名航天员14天的飞行任务，乘员总活动空间达到6.17m3。返回时采用跳跃式再入方法，着陆采用群伞系统减速。服务舱总重约24t，前端与指令舱对接，为航天员提供能源与动力支持，以及发动机所需的推进剂，后端有主发动机。安装了1台97.5kN主发动机和16台445 N姿控发动机，使用常规推进剂。Apollo载人登月飞船如图2-21所示。

登月舱的主要任务是携带2名航天员完成月面着陆起飞和环月轨道交会对接，由上升级和下降级组成，总重16.5t，可以支持2名航天员月面停留3天，乘员活动空间达4.5m3。上升级为登月舱主体，安装有导航、控制、通信、生命保障和电源等设备，使用1台15.6kN恒定推力常规发动机和16台445 N姿控发动机进行控制。下降级是登月舱的无人部分，负责在登月舱下降过程中提供减速、机动和着陆缓冲支撑等功能，使用1台44.5kN、10∶1大变比的常规挤压式发动机，并具备推力矢量控制（Thrust Vector Control, TVC）能力，与上升级共用1套姿控系统。整个登月舱由4根可收缩的悬臂式着陆腿支撑，通过铝蜂窝材料的变形来实现缓冲吸能，在轨飞行期间着陆腿处于折叠状态，月面下降前在轨展开。Apollo最后三次任务携带了1台电动四轮载人月球车（Lunar Rover Vehicle, LRV），为航天员完成远距离的月面移动考察任务提供便利，极大地拓展了航天员月面考察范围。Apollo登月舱和月球车如图2-22所示。

在6次成功实施的载人登月任务中，飞行方案基本一致，但在飞行控制细节上进行了持续的技术改进。月面着陆区域集中在月球正面低纬度，Apollo-12是首次精确定点着陆任务（以“勘探者3号”无人月球探测器为目标），着陆误差仅为0.163km。Apollo计划载人月面着陆点分布如图2-23所示。

为解决航天员在月面大范围机动，进行月面多点探测的问题，1969年美国贝尔宇航公司承担了单人月面巡飞器（Lunar Flight Vehicle, LFV）研究任务，拟借用当时Apollo飞船以及其他已有飞行器的技术产品，用于携带航天员在24km范围内进行月面巡飞以及应急救生。LFV设计总重453kg，在短时间内完成了任务分析、多方案比较、原理样机研制、地面试验等工作，完成了航天员手动控制下的自由飞行，但最终未能跟随登月舱到达月面执行任务。LFV的外形及尺寸概念图如图2-24所示。

2）空间发射系统

2011年9月14日，NASA正式公布了新型重型运载火箭——“空间发射系统”（SLS）方案，这是美国继土星-5之后研制的又一枚重型运载火箭，用于向低地球轨道或更远空间发射Orion载人飞船、运输重要货物及科学试验设备，由美国波音公司负责研制。除载人月球探测任务外，SLS还是国际空间站商业乘员运输系统的备份发射运载工具，未来将用于执行近地小行星、拉格朗日点、火星等深空探索任务。

SLS采取渐进式发展模式，并最大限度地使用通用组件和现有资源进行灵活的模块化设计，规划中分为两大基本构型：SLS Block 1型（含SLS Block 1基本载人型、SLS Block 1 B改进载人型和SLS Block 1 B货运型）、SLS Block 2型（含SLS Block 2载人型、SLS Block 2货运型）。SLS火箭芯级均采用RS-25氢氧发动机，周围捆绑2枚五段式固体火箭助推器，上面级使用1台现有的RL10 B-2低温发动机，整箭由NASA马歇尔航天中心抓总研制。SLS发展型谱及运载能力如图2-25所示，SLS全型谱火箭基本组成如图2-26所示。

SLS大量继承了NASA过去半个多世纪积累的技术和零部件，包括航天飞机外贮箱、主发动机RS-25、德尔它4火箭二子级发动机RL10 B-2、Ares-5火箭固体助推器等。2014年8月SLS通过关键阶段评审后进入正式的详细设计和制造阶段，目前芯级五个部段飞行件已全部制造完毕，下一步将进行结构试验，上面级飞行产品已完成最终测试并运抵肯尼迪航天中心与其他部段集成，力争在2019年12月实现火箭的首飞。

2017年12月，NASA在斯坦尼斯航天中心完成了RS-25发动机规划50次系列试车中的第一次，同步进行了一个3D打印部件——POGO蓄能器的测试，3D打印技术的引入有望大幅降低火箭发动机和整个任务的成本。目前，第一次飞行任务（EM-2）运载火箭芯级所需的4套RS-25发动机以及控制器飞行件已通过测试。RS-25发动机试车如图2-27所示。

2019年2月，NASA开始测试航天发射系统SLS火箭的主燃料箱，主燃料箱为4台RS-25发动机提供液氢及液氧推进剂；2019年5月，NASA开展了SLS火箭飞行软件系统的系列测试；2019年7月，NASA开始测试SLS火箭的逃逸塔，使用一枚带有逃逸塔的缩比的SLS火箭发射简化版的猎户座飞船，火箭发射升空约55s后火箭逃逸塔点火气动，在到达安全区域后，与猎户座飞船分离，飞船最终溅落海面，试验成功；2019年9月，SLS火箭核心级的5个部组件首次开始组装，包括发动机尾段、液氢贮箱、箱间段、液氧贮箱及前裙。图2-28所示为SLS火箭芯级燃料贮箱在进行吊装测试。

2019年12月9日，NASA完成了SLS火箭推进剂贮箱在极限压力环境下的测试。随后，NASA局长Jim Bridenstine宣布首枚SLS火箭芯级组装完工，同时透露了SLS火箭的预估发射成本：批量订购每枚火箭价值8亿美元（约56亿元人民币），如果NASA只购买一枚执行发射任务，则需要16亿美元（约112亿元人民币）。

此外，由于SLS载人重型火箭在研制过程中进度延期、经费超支等原因，NASA需要对SLS能否支持其2020年首飞的时间进行重新评估。SLS火箭被规划用于多达10项的Artemis任务，因此它是NASA能否实现重返月球战略目标的重中之重。

3）Orion载人飞船

2010年“星座计划”中止后，Orion载人飞船升级为“多用途乘员飞行器”（MPCV），主要用于满足美国未来不断变化的空间探索需求，将由SLS运载火箭发射。作为美国新一代载人飞行器系列的核心，Orion载人飞船不仅承担未来的载人深空探测任务，也可以支持国际空间站乘员运输、货物补给等近地轨道任务或自由在轨飞行，还可用作紧急逃生飞船。2018年8月，Orion载人飞船模拟测试版本通过质量测试（确保飞船正样质心与设计值保持一致）。在近20年的研制过程中，已经历了多个发展阶段和多次变化。Orion载人飞船由NASA和ESA共同研制，其系统功能设计图如图2-29所示。

Orion载人飞船由指令舱（Command Module, CM）、服务舱（Service Module, SM）、发射逃逸系统（Launch Abort System, LAS）和船箭适配器四个部分组成，Orion载人飞船系统组成示意图如图2-30所示。采用与Apollo飞船类似的外形，CM国内也称为乘员舱，外形为锥形，服务舱为圆筒形。飞船总重约23t，设计速度增量为1738m/s，相比Apollo飞船功能更强大、性能更先进、航天员飞行体验更好，最长独立飞行时间为21天，在其他飞行器的支持下可持续飞行6个月。

乘员舱大底直径为5.02m，采用倒锥角为32.5°的钝头体外形，重约8.5t，舱体结构为轻型钛增强型铝锂合金材料构成的整体式壁板，密封舱容积达到19.56m3，可供航天员居住的空间达到8.9m3，比Apollo指令舱大1倍，最多可以容纳6名航天员。采用3顶大降落伞和空气缓冲气囊组合的独特海上溅落回收方式，也可直接降落到美国西部沙漠地区。降落伞系统位于返回舱顶部，由两具弹射拉直的减速伞和三具通过弹射拉直的引导伞与三具引导伞拉直的主伞组成，下侧的气囊膨胀后可吸收着陆冲击。迎风面安装有烧蚀热防护层，在背风面以及承压结构与外层之间则安装有可重复使用的热防护层，底部采用名为AVCOAT的防热材料，曾用于Apollo飞船和早期航天飞机的部分结构区域。指令舱的姿态控制系统（Reaction Control System, RCS）主系统采用气态氧+液体乙醇二元推进剂，具有无毒以及与生保系统高压氧供应系统共用氧的特点。在俯仰、偏航和滚动方向各布置了两台推力为445N的发动机，4个圆柱状的氧气贮箱位于乘员舱底部，给推进系统和生保系统供氧。乘员舱内还配置了一套备用RCS，再入返回时如果主RCS推进剂消耗殆尽时将被启动。备用RCS系统也可以被用作乘员舱在返回进入大气层时，将小端在前转为防热大底在前时进行控制，其推进剂与主RCS相同。Orion飞船乘员舱如图2-31所示。

服务舱用于安装飞船能源系统、电子设备、推进系统、热控辐射器以及船箭适配器，总重约13.6t，为整个飞船提供能源和推进支持，由ESA在空间站货运飞船“自动转移飞行器”（Automated Transfer Vehicle, ATV）基础上负责研制，2015年年底通过了关键设计评审。服务舱舱体为非承压半硬壳式结构，采用轻型聚合物复合材料和铝加强型蜂窝结构，舱外安装一对伞形展开式太阳翼。Orion载人飞船主要部组件设计如图2-32所示。

“猎户座”飞船的发射逃逸系统LAS与Apollo飞船逃逸系统设计类似，利用安装在返回舱上端的逃逸塔进行待发段和上升段的应急救生，包括逃逸发动机、姿控发动机与分离发动机三种发动机。在待发段或上升段，如果出现异常，LAS可在几秒钟内产生相当于自身和乘员舱重量15倍的推力，以10g加速度载着航天员逃离危险。如果在发射时发生严重故障，LAS将上升至约1200m高度，打开降落伞并着陆到安全区域。从开始研制到测试完成，LAS预计总费用为2.56亿美元，而Orion整船研制费用预计超过110亿美元。

目前，Orion飞船已经完成部组件研制进入全面试验阶段，包括紧急逃逸飞行试验、系列声学环境测试、降落伞空投试验、水面溅落试验、力学振动测试、LAS发动机点火试验以及地球大气高速再入返回飞行试验（EFT-1）。2014年12月5日，Orion飞船完成了无人状态首飞任务（EFT-1），以8.88km/s的高速再入地球大气并成功着陆海上，这是美国继1972年12月Apollo-17飞船之后载人航天器最远的一次飞行，旨在面向载人深空探测验证大型防热结构、电子设备、飞行软件以及降落伞等系统，任务取得圆满成功。2018年9月，NASA完成了降落伞系统的最终空投测试，确定满足载人飞行任务要求。模拟舱由C-17运输机从9.5km高空投放，四套降落伞接力完成减速和着陆任务，第一套是用于在32倍超声速开始工作的减速伞，随后展开的是两具减速稳定伞，然后在三具引导伞的帮助下，三具主伞打开直至返回舱着陆海面。

目前，已经明确的Orion载人飞船飞行任务有两次：探索任务-1（EM-1）实现无人绕月飞行，任务周期约3个星期；探索任务-2（EM-2）实施首次载人飞行任务，搭载4名航天员进行至少21天的载人月球探测飞行任务，如图2-3和图2-4所示。

4）载人月面着陆器

在美国的重返月球计划中，提出了多种载人月球着陆器方案，包括Altair着陆器、DASH月球着陆器、洛·马公司的可重复使用月球着陆器及以ESA牵头负责研制的Heracles月球着陆器等，下面分别进行介绍。

（1）Altair载人月球着陆器。

“星座计划”中NASA经过多次论证提出了短期载人登月型（45t级）、月球基地型（45t级）、月球货运型（53t级）三型月面着陆器，如图2-33所示。2007年12月，NASA将新型载人月面着陆器正式命名为“牵牛星”（Altair），如图2-34所示，并将其作为重返月球的登月飞行器系统的关键飞行器之一。

Altair载人月面着陆器主结构采用先进的复合材料，在承载人数、月面停留时间、登月舱质量等指标上均有大幅提高，并提出了多种新型大承载着陆缓冲机构方案。波音公司提出的月面着陆缓冲系统由4套着陆缓冲机构组成，其新颖之处在于采用了向上收拢的方式，能够进一步减小发射包络，并且具有很好的固定刚度，着陆缓冲机构的跨度也较大。此外还在积极探索基于新型缓冲材料的着陆缓冲机构、主动控制缓冲机构以及可调节着陆后姿态的着陆机构。Altair拟采用新的低冲击对接系统（Low-Impact Docking System, LIDS），该系统对现有对接系统将有大幅提升，不仅有效减小了对接冲击，而且将成为对接系统新标准。

GNC分系统主要包括星敏感器、自主光学导航传感器系统（Optical Navigation Sensor System, ONSS）、惯性测量单元、交会对接激光雷达、对接相机、终段下降雷达系统（Terminal Descent Radar System, TDRS）、终段危险探测敏感器系统（Terminal Hazard Detection Sensor System, THDSS）等。ONSS包含宽、窄视场两个光学相机，窄视场相机主要用于地月转移段、交会对接的交会段和环月飞行段的远距离观测，宽视场相机则用于下降着陆段以及交会对接的对接段的近距离观测。TDRS用于测量相对月面的高度和速度，已成功得出着陆器着陆时面临的主要危险来自月面上的环形山、陨石坑、斜面和岩石等。20世纪60年代Apollo计划的月面探测由航天员完成，与Apollo登月舱不同，Altair月面地形障碍探测由THDSS自主完成，测量距离达到1km，航天员的观察仅作为备份。交会对接主要敏感器为星敏感器和星载惯性基准单元（Inertial Measurement Unit, IMU），光学导航传感器系统（ONSS）可作为备份敏感器，并通过双向S波段测距；同时，激光雷达在5km以内距离时提供方位角和距离信息，在150m以内距离时提供相对姿态信息。

Altair推进分系统包含两个独立完整的部分。下降级轨控采用液氢液氧低温推进剂，通过主被动结合方法实现低温推进剂零蒸发量的控制目标，主发动机额定推力为82.9kN，标称比冲450s，具备10∶1变推能力（地面热试车已经达到17.6∶1），可双向摇摆。上升级轨控采用常规推进剂（偏二甲肼和N2O4），恒定推力为24.5kN，标称比冲320s。下降级和上升级分别配置了一套姿控系统。前者包括4簇共16个445N的R-4 D推力器，安装平面过着陆月面时的整器质心；后者包括4簇共20个推力器，每簇包括两台890 N的R-42推力器、两台22 N的AmPac推力器以及1台445 N的R-4 D推力器，安装平面过月面上升交会对接终端时刻的上升级质心。

在能源与供电方面，上升级主电源采用锂电池，副电源提供上升级从下降级分离后的功率并作为地月转移加速阶段阴影区的备份电源。下降级采用质子交换膜高能燃料电池（额定功率为5.5kW）和蓄电池供电，为着陆器环月轨道飞行和停留月面时供电，并可以在与Orion对接后输出1.5kW功率。Apollo登月舱与Altair月面着陆器规模对比如图2-35所示，其总体方案对比见表2-4。

（2）DASH载人月球着陆器。

由于载人月球着陆器的方案受载人登月飞行模式的影响较大，不同的飞行模式下载人月球着陆器的任务功能差异较大。因此2006年NASA启动“月面着陆器预先计划”，兰利研究中心创新性地提出了基于可分离制动级的下降辅助分离舱（Descent Assisted Split Habitat, DASH）概念，并完成了初步方案设计工作。DASH是一种多功能载人/货运月面着陆器，采用一个单独可中途抛弃的制动级以及一个最小化的乘员居住舱，由制动模块（Retrograde Module, RM）、着陆模块（Landing Module, LM）和载荷模块（Payload Module, PM）三个模块组成，如图2-36所示。RM采用高性能液氢液氧推进系统，承担近月制动和月面动力下降主减速任务；LM包含了所有关键系统，完成剩余着陆及月面起飞上升任务；PM被定义为一个多功能载荷平台，集居住舱、气闸舱功能于一体。执行登月任务时，DASH从100km高环月轨道下降，动力下降阶段制动级中途分离，由剩余部分继续制动着陆。DASH方案与Altair方案相比，把动力下降段的主减速段功能交由制动模块负责，好处是有效缩小了着陆器的尺寸和规模，便于在月面寻找安全的载人着陆区；缺点是多了一套动力及控制系统，整个月面着陆器的系统组成更复杂。

（3）洛·马公司的可重复使用载人月球着陆器。

除了Altair和DASH月球着陆器外，2018年10月，洛克希德·马丁公司公布了可重复使用载人月球着陆器方案，作为其“火星大本营”火星登陆构想的一部分，也是火星着陆器设计的“先驱飞行器”。这是一种采用液氧/液氢低温推进剂的单级飞行器，可向月球表面运送4人和1t的货物，并可在月面上停留长达两周。具体运行方案包括在月球轨道上建立推进剂补给站，月球着陆器运水过去并制造液氧和液氢，水可以从地球补给也可以在月面开采。着陆器先飞到补给站，随后转往DSG供乘员和货物进入，最后前往月面，完成月面任务后返回DSG，基于DSG和着陆器可前往月面上的几乎任何区域。

着陆器净重22t，推进剂满载时重62t，总高约14m。乘员借助一个简易升降平台从着陆器顶部的乘员舱下到月面。乘员舱内部与Orion载人飞船非常接近，很多设备也是沿用的。目前只确认使用液氢/液氧推进系统，主发动机考虑采用洛克达因公司的RL10或蓝源公司的BE-3，要求发动机推力能深度调节。洛·马公司的可重复使用载人月球着陆器的概念示意图如图2-37所示。

（4）ESA主导的Heracles载人月球着陆器。

在NASA主导开展DSG设计后，由ESA主导、多国合作设计提出了一种月面着陆器——Heracles，如图2-38所示。用于DSG与月面之间的往返运输任务演示验证，其中月面上升级（Lunar Ascent Element, LAE）由ESA负责，月面下降级（Lunar Descent Element, LDE）由日本宇航局（JAXA）负责，月球车由加拿大航天局（Canadian Space Agency, CSA）负责，如图2-39所示。Heracles携带一个月面机器人着陆，用于验证月面探测活动以及携带月球样品返回DSG的能力，实际上是面向可持续发展载人深空探测任务选择了一条人机联合探测的技术途径。

Heracles月面探测任务将采用太阳能帆板—放射性同位素电源系统，具体设计要点如下：①太阳能帆板能够获得最大的能量效率。②放射性同位素电源可以在月球阴影区或者月夜期间以最小代价和质量提供稳定的能源供给。③可充电电池组满足快速移动或者采样期间的高功率需求。④另外配置的放射性同位素电源可为上升级提供月夜期间的能源供给。

5）深空居住舱

1966年，马歇尔航天中心主导开展了基于“土星5号”S-IVB级试验性支持模块（S-IVB Stage Experiment Support Module, SSESM）研究，并最终演化为“天空实验室”（Skylab Ⅰ）。“星座计划”中NASA提出了基于SLS运载火箭贮箱的“天空实验室Ⅱ”（Skylab Ⅱ）方案，如图2-40所示。相对基于国际空间站改进或者全新设计的深空居住舱，Skylab Ⅱ具有更高的创新性、可靠性和效费比。SLS火箭液氢贮箱正常工作压力为0.345MPa，而且结构本身就预留了1.4倍安全裕量，如果改造为载人舱段就有2.5倍的结构安全裕量；此外，液氢贮箱内部有加强结构，为设置多层底板和设备安装提供了条件。

在长期的载人深空探测任务中，适宜的居住环境对于保持航天员心理和生理的健康非常关键。“星座计划”中启动了深空居住舱（Deep Space Habitat, DSH）项目，旨在明确和完善空间居住舱架构，通过在相关环境中集成和测试不断完善空间居住舱方案和技术，初始方案任务包括60天和500天构型，如图2-41所示。充分利用从近地轨道ISS和地面模拟研究中得到的经验与知识，由衍生自ISS的硬件和系统、Orion载人飞船和各种支援飞船组成，居住舱将至少配备一个国际标准对接系统（International Dock Standard System, IDSS）。为评估新技术，NASA研制了居住舱验证单元（Habitat Demonstration Unit, HDU），分别于2010—2012年和2013年进行了两个版本HDU的地面试验。

6）月球空间站

从2000年开始，NASA开始研究位于地月系统拉格朗日点（L1、L2）的“门户”（Gateway）空间站，空间站上航天员可对月面机器人实时遥控进行月球基地建设，还可作为空间站储存空间货物，支持载人深空探测任务。Gateway空间站系统由空间站（模块Ⅰ）、乘员运输飞行器和太阳能发电推进装置（SEP stage）三个部分组成，总质量为95t，总长19.8m，充气展开后最大直径为12.8m，可用容积为575m3，如图2-42所示。模块Ⅰ为30.5t, SEP stage模块17t，装载化学推进剂47.5t。设计寿命为15年，支持4名乘员驻留几个星期，可从环月低轨自主转移至地月L1或L2点的飞行。

瞄准ISS后时代的载人航天持续发展，2012年美国波音公司与俄罗斯能源公司联合提出了一种拉格朗日点空间站概念，即基于国际空间站的试验平台（ISS-Experimental Platform, ISS-EP），旨在拓展国际空间站功能，并尽可能降低月球及后续深空探测任务成本。根据所设计载人登月飞行方案，首先在地月L2点建立空间站平台，ISS- EP携带月球转移飞行器（Lunar Transfer Vehicle, LTV）由地月L2点转移至3200km高环月轨道，然后LTV与空间站ISS-EP分离，并与可重复使用的载人月面着陆器实现交会对接。LTV的作用是将着陆器由3200km环月轨道运送至100km环月轨道。图2-43所示为基于ISS-EP空间站的载人登月飞行过程。

2017年4月，考虑2024年ISS退役后的载人航天发展，NASA经过多方权衡正式提出DSG月球轨道空间站计划，即在月球附近轨道布置一个载人空间站，作为探索月球甚至更远深空目的地（如火星）的中转站，也可作为解决长周期载人深空探测任务中多项技术难题的试验验证平台。

根据NASA公布的方案，DSG计划布置于月球附近的近直线Halo轨道（NRHO）上，由电源和推进系统、居住舱、对接机构、气闸舱和后勤货舱段组成，重约40t，可支持4名航天员驻留，用大功率电推进进行位置保持和环月轨道上的机动，设计寿命15年。DSG各个部段将在系列探索任务（EM-2～EM-8）中作为与Orion载人飞船同批次有效载荷由SLS发射，计划在2023年开始逐步发射部署。

2017年7月，NASA正式发布DSG核心部件——动力与推进部件（Power and Propulsion Element, PPE）信息征询书，8月在“下一代空间技术探索合作”第二阶段项目中发布了PPE研究指南，11月向5家公司授予了为期4个月的研究合同。2017年9月，NASA与俄罗斯航天集团在第68届国际宇航联大会（68th IAC）上签署协议，俄罗斯正式加入DSG计划。同时，当前参与ISS的加拿大、ESA、日本等国家（机构）也将陆续加入该计划。按照目前分工，美国负责研制电源和推进舱（ESA负责部分组件）, ESA和日本负责研制居住舱，俄罗斯负责研制气闸舱，加拿大负责研制机械臂，补给舱有多种过渡方案，目前方案尚未确定。图2-44所示为DSG月球轨道站多国合作分工示意图。

2．苏联/俄罗斯

1）N1-L3计划载人飞行器系统

N1火箭主要任务是将L3飞船组合体送入环月轨道并使用第五级火箭承担月面下降段的主减速功能。由于苏联在液体发动机及运载火箭研制领域多年保持技术优势，设计师系统采用了光杆五级构型方案，使用液氧/煤油推进剂，质量为3080t，起飞推力达4620t，近地轨道运载能力约为100t。N1-L3发射阶段系统构型如图2-45所示。

N1-L3计划中的L3飞船组合体包括载人飞船（LOK）（含Block I推进系统）和登月舱（LK）（含Block E推进系统）两部分。LOK基于早期联盟A型飞船改进而来，由生活舱（BO）、再入舱（SA）和仪器-发动机舱（PAO）三部分构成。生活舱（BO）由对接机构（SU）、生活舱发动机系统（DOK）和生活室（BO）三个部分组成。再入舱（SA）在联盟A型飞船返回舱的基础上改进完成，如为了适应第二宇宙速度高速再入要求，加大了防热大底的厚度。载人飞船及环月飞行示意图如图2-46所示，载人飞船主要参数见表2-5。

N1-L3计划中只有1名航天员着陆月面，登月舱属于单人飞行器。登月舱规模较小，减轻了整个载人登月运输系统的负担，但1名航天员执行月面活动时无法获得其他支持，对航天员自身能力提出了很高要求，执行月面任务的时间也必须控制在最小范围。登月舱采用单舱构型，重约5.56t，高5.2m，最大直径4.5m，可承载1名航天员，设计月面工作时间为3天。登月舱外形如图2-47所示，登月舱主要参数见表2-6。

2）超重型运载火箭

俄罗斯联盟-5运载火箭进展顺利，其一子级RD-171 MV发动机已完成设计工作，预计2021年首飞，将代替安加拉-A5 V火箭用于发射未来的“联邦号”载人飞船。2017年5月，普京总统要求加快超重型运载火箭的研制，目前俄罗斯航天国家集团已经起草了计划书的拟订，低地球轨道运载能力将达到160t，能够向月球轨道运送27吨的物资，并计划于2028年从俄罗斯的东方航天发射场发射首飞，目标是月球、火星等深空探索。该超重型运载火箭计划从2020年开始进入研制阶段。

3）载人飞船

俄罗斯提出的新一代载人飞船（PTK NP）可用于近地轨道和月球载人飞行任务，其原型样机已于2013年莫斯科航展公开展出，如图2-48所示。2016年新一代载人飞船正式命名为“联邦号”，发射质量20t，在月球探测以及近地轨道飞行任务中可以多次重复使用，计划使用联盟-5火箭发射，最多可携带4名航天员执行30天自主飞行任务，或者在空间站上停靠一年。2017年3月，俄罗斯联邦航天局载人航天领域总设计师叶甫盖尼·米克林表示，“联邦号”飞船将于2021年进行首次自主无人飞行试验，将搭载“费奥尔多”机器人；首次载人飞行任务计划于2023年执行。

“联邦号”飞船乘员舱被分为指令隔舱（KO）和聚合隔舱（AO），指令隔舱又分为一个加压座舱和不加压的上部转移段（VP）。为降低质量，不加压的上部转移段、聚合隔舱、隔热罩和推进舱（DO）的主承力结构可能采用碳基复合材料。乘员舱采用可重复使用防热瓦，顶部采用可移动空气动力学襟翼，一旦乘员舱到达可辨识大气的区域就可以用来控制乘员舱。内部空间很大，配备卫生间并可储备大量食物和水，为航天员执行长时间载人登月任务创造了良好条件。乘员舱使用中性气态氢+乙醇的推进系统，用于大气层外机动控制。着陆采用“发动机 +降落伞 +可折叠着陆腿”组合系统，其发动机具有精确推力控制能力，能够更好地控制着陆速度和着陆点位置。聚合隔舱还设置可折叠着陆腿，用于缓冲乘员舱的触地冲击，并可重复使用。

从俄罗斯近年来的火箭及飞船研制情况总体来看，由于受俄罗斯政府经费投入有限的影响，其再次开展载人月球探测的准备并不充分，单独依靠俄罗斯的能力进行载人月球探测的可能性并不大。

2.3.2 载人月球基地

世界各国对载人月球基地任务进行了大量论证研究，可归纳为月球自身科学研究、月球资源开采利用、科学试验平台、月基空间观测站和深空探测中转站五大类型，最终目的是拓展人类的生存空间，探索浩瀚的宇宙。载人月球基地从建造过程上看可以分为刚性、柔性展开式和建造式等类型。

1．美国月球基地

图2-49所示为美国近年来提出的多种载人月球基地概念示意图，包括刚性月球基地中的固定式和转移式两种方案。2000年，美国John Mankins提出了可居住的机器人概念“Habot”，包括居住环境和工作环境两大类模块组，模块采用腿式移动，压力舱为六边形，可以组成一个临时性的月球基地，直径3～5m。2005年，NASA月球前哨站公布了初步方案，其居住舱采用固定式刚性舱，通过非增压月球车和表面移动运输车扩大探测范围。2007年，NASA对月球基地的建设构想进行了较大改进，从分批次发射建造改进为单次发射一个大型登月舱到达月球。美国的Frassanito等人提出的Wagon Train月球基地由一系列月球车组成，当压力舱模块组装在一起时，车内保持稳定的大气压力，航天员可以在各舱段内自由活动；还可以利用非压力舱的月球车进行局部范围内的探测活动。2006年，美国的Andrew T. Bingham等人提出一种模块化刚性舱月球基地方案，由六个舱段组成，包括中心舱段、航天员生活区、制造舱段、气闸舱、能源舱和精炼舱。

图2-50所示为美国近年来提出的可充气展开式载人月球基地的概念示意图，包括了建筑式及柔性展开式月球基地的概念设想。圆球形充气式月球基地的居住舱是一个直径16m的大圆球，可供12名航天员在里面生活和工作。整个居住舱是一个可充气结构，外面用1m厚的月球土壤覆盖住，作为防辐射屏蔽层。约翰逊航天中心LSS Habitation Lead小组设计了一种扁圆形充气式月球基地方案。两个扁圆形的充气式月球基地的单元内直径为8.5m，高3.6m，体积大约为174m3，可同时供4名航天员使用；如果额外增加一个78m3的充气式载荷后勤保障舱（Payload Logistics Module, PLM），整个月球基地可供4名航天员执行180天的月球探测任务。美国ILC Dover公司研制了一种新型的充气式月球基地，由两个立式圆柱形充气舱构成。较大的充气舱直径为3.65m，通过4条腿站立；较小的充气舱是气密过渡舱，通过刚性高压舱门与直径为3.65m的充气舱相连，气密过渡舱也通过4条腿站立。ILC Dover公司设计了卧式半圆柱形充气月球基地，这个完全绝缘和隔热的充气式月球基地可作为健康监控、自愈材料和放射物保护材料等新技术试验平台。

此外，美国月球建筑团队（Lunar Architecture Team, LAT）设计了一种卧式圆柱形充气月球基地模型，模型高约3m，折叠状态时长约5.2m，展开后长约10m，折展比接近2∶1，适合1.62～1.75m身高的航天员使用。

在充气展开式载人舱的方案设计基础上，2016年4月美国毕格罗公司研制的充气式太空舱——可扩展式活动模块（Bigelow Expandable Activity Module, BEAM）由SpaceX的货运龙飞船发射至国际空间站上，这个充气式太空舱重1.4t，原始大小为直径2.36m、长2.4m，充气后会膨胀至直径3.2m、长3.7m、内部空间16m3，它将与ISS的“宁静号”节点舱对接两年，如图2-51所示。在此期间毕格罗公司将测试充气式太空舱的防辐射性能、温度控制能力以及其舱体抗陨石或太空垃圾撞击的性能等。航天员将每年进出太空充气舱三四次以收集数据，但不会在其中生活或居住。

毕格罗公司的创始人罗伯特·毕格罗对于将充气式结构用于月球任务充满了信心，他认为毕格罗可扩展式活动模块（BEAM）采用多层碳纤维材料以及专门的微陨石与轨道碎片防护层，完全可以达到由金属圆筒组成的ISS舱段的结构强度。在此基础上，NASA与毕格罗宇航公司签订了B330充气模块研制合同。B330充气后内部空间将达到330m3，与一辆大巴车规模相当，将安装有太阳能电池和热辐射片、半私人床位、一个零重力环境厕所、4个窗户和2套控制推进系统，足够6个人在里面居住生活。B330模块预计2020年发射升空，后续用于建造月球基地或者太空酒店，这是向充气式月球基地迈出的关键一步。

2．俄罗斯月球基地

2008年，俄罗斯维塔利·谢苗诺夫公布所提出的可移动式刚性舱结构月球基地是一种基于空间站核心舱和节点舱，同时结合了月球车移动和月面着陆器垂直着陆起飞的创新性方案。图2-52所示为俄罗斯提出的可移动式刚性舱月球基地设想图，在此基础上俄罗斯并未有实质性进展。

3. ESA月球村

建造式结构月球基地既可以建造在月面以上，也可建造在月面下，或是半月面下，甚至是建设在熔岩管（指早期月球火山喷发时，熔岩流出形成的管道）里。建造式结构扩展性更强，可以根据需要建造成形式多样的月球基地。由于月球表面环境恶劣，需要进行多重防护，单是银河宇宙射线就要求岩石屏蔽防护的厚度不能小于2m（可能10m或更多）。月壤具有非常好的绝热性能，月表地下1m往下的温度变化较为平缓，月球基地更容易维持一个合适的热环境，因此永久性载人月球基地特别适合建造于月面下。

ESA提出了一种构建在月面下的月球基地方案，选址于南极的一个月球坑内，主体结构建在月面下，通过挖掘和烧蚀月壤进行构建。月面上密封舱内种植有多种绿色植物，其密封结构采用透明材料，这样便于利用太阳光照射到植物。近年来也有科学家提出在月球上利用岩管建设月球基地的概念，但这项技术首先得确立在月球上是否有岩管的基础上。2013年，ESA提出了一种半地下式月球基地概念设想图，建造结构采用月球混凝土。著名建筑公司Foster+Partners演示了利用月球土壤实施3D打印的可行性，目前已利用模拟的月球土壤建造了1.5t建材模块，如图2-53所示。

2017年ESA公布了“月球村”的发展设想，通过原位利用月球上的冰、金属及矿物，采用3D打印技术来建设“月球村”，月球车先着陆月面并搭建充气展开结构，其后再让更多月球车登陆月球并协同开展基地建设。计划2030年形成6～10个月面定居点，到达月球的科学家和工程师将为后续月面居住打下基础，到2040年左右形成100人的居住规模。ESA局长简·维尔纳甚至认为一个永久性的月球基地可以取代预计2024年退役的ISS，成为下一个阶段人类地外生存的基地，并强调了国际合作的重要性。关于月球基地选址，ESA倾向于在月球两极或永久光照区建设“月球村”。ESA“月球村”初步方案如图2-54所示。ESA提出的基于“月球村”的载人月面探测任务规划如图2-55所示。

2.3.3 载人小行星探测飞行器系统

开展载人小行星探测任务同样需要重型运载火箭、载人飞船及小行星表面附着器等飞行器，这里重点介绍一种独特的载人小行星探测任务的多任务空间探索飞行器（Multi-Mission Space Exploration Vehicle, MMSEV），以及用于抓捕小行星的飞行器ARV。2007年，NASA公布了MMSEV的概念，用于探索近地小行星，分为表面探索型和空间探索型，其加压舱既可用于空间任务又可用于行星表面探索活动。后续公布了若干更新版本，融合众多先进技术，包括燃料电池、再生制动器、轮子、轻型结构和材料、主动悬浮、电子设备和软件、舱外活动航天服端口、热控系统、自动交会对接、高能量密度电池和气氢气氧反作用控制系统。

MMSEV表面探索型底盘上安装加压舱，大小相当于有12个轮的轻型卡车，可载两名乘员执行最长14天的任务，设有睡眠和卫生设施；也可以将加压舱拆下来，底盘用于装载有效载荷或由着航天服的航天员驾驶，其设计特点如图2-56所示。表面探索型MMSEV要求在10年运行寿命中，不需要太多的维护维修工作，能够行驶数千千米，能够越过岩石，攀爬40°的斜坡。该型MMSEV已在2008年进行了地面荒漠的跑车试验。

MMSEV空间探索型是在飞行平台上安装加压舱，可载两名乘员执行最多14天的任务，可以装机械臂抓取观测目标，经航天服端口航天员可以更方便地执行出舱活动，提高工作效率。MMSEV空间探索型设计特点如图2-57所示。

MMSEV具有以下设计特点：

（1）探索范围。如果两辆或更多辆MMSEV一同在行星表面行驶，行驶距离将增加到200km，大大增加了科学探测能力。紧急状况下，即使在最恶劣的地形中央，也可以在1h内得到紧急支援。

（2）航天员防护。MMSEV的防护层非常强，快速获取的、加压的、防辐射的安全掩体可以为航天员防护最多72h的太阳粒子事件、航天服故障和身体不适等紧急情况。

（3）快速进出。MMSEV系统的航天服端口可以使航天员非常快速地进行舱外活动，通过“航天服端口”穿脱航天服非常方便，省去了取出航天服、清除航天服内灰尘和其他污染物等程序，并能减少航天服的磨损。航天服端口可以最大化地减少舱内空气的损失，有利于扩展任务周期。

（4）舱内活动能力。加压舱与航天服端口结合，给予航天员前所未有的灵活性，能够在便装和航天服之间方便切换。即使航天员想要走出加压舱近距离观察外面的某个目标，他可以舒服地坐在舱内观察工作站或地质情况，不需要穿着航天服，便于使用计算机、操作机器人、地图，乘员之间也可以方便地交谈。加压舱也可用作流动的科学实验室来研究样品。

（5）对接口。对接口允许乘员从漫游车到达居住舱、下降舱或其他漫游车。

另一种载人小行星捕获飞行器ARV，是由从上到下分别为头部收缩存储的捕获装置（小行星捕捉袋）、任务模块、中段折叠状态太阳能帆板、太阳能电推进模块（Solar Electric Propulsion, SEP）以及底部的5台带有双向侧摆装置的2轴10kW霍尔推力器（总共可提供30km/s的速度增量）和交会对接机构组成，如图2-58所示。ARV与运载火箭分离后进入在轨飞行模式，将展开太阳能帆板向电推进系统提供能量。当ARV接近目标小行星后，将把收紧存储的捕获袋展开成近似圆柱形进行捕获。ARV推动小行星到达预定的月球轨道后，载人飞船与其交会对接。

在美国NASA停止了载人小行星抓捕任务之后，这两种飞行器也就未见有进一步的实质性进展。

2.3.4 载人火星探测飞行器系统

载人火星探测飞行器系统中，除了载人飞船及火星着陆器外，NASA当前重点开展研究的是DST飞行器。2017年NASA载人火星探测规划中提出的深空运输器（DST）是一种可重复利用航天器，采用电力和化学双模推进，用于开展包括火星在内的深空探索目的地载人探索任务。航天员将搭乘DST往返于目的地与DSG之间，DST经过维护后还可再次出发。

DST重约41t，具备环境控制和生命保障系统，可通过补给和少量维护重复开展3次火星级别任务，支持4名航天员开展1000天级别的深空任务，并可在DSG进行燃料补给和少量维护维修。

此外，私营航天方面，2016年9月，SpaceX公司CEO（首席执行官）伊隆·马斯克公布了瞄准载人登陆火星任务的星际运输系统（International Transportation System, ITS）, ITS系统的最大亮点是所有系统都能完成复用。ITS系统包括运载火箭、载人飞船、货运飞船、轨道加油站及推进剂生产火星基地，其中：

（1）运载火箭：直径为12m，高77.5m, 42个猛禽发动机，最大运载能力为550t。

（2）载人飞船：直径为12m，高49.5m, 9个猛禽发动机，最大运载能力为450t。

（3）货运飞船：直径为12m，高49.5m, 9个猛禽发动机，最大运载能力为450t。

（4）轨道加油站：BFR贮箱，可存储150t推进剂。

（5）推进剂生产火星基地：可以就地取材合成甲烷、液氧等推进剂。

基于ITS系统的载人登陆火星飞行模式如图2-59所示。ITS开发总预算超过100亿美元。

经过一年多的研发，2017年9月，SpaceX宣布提出更先进更经济的ITS，即研发大猎鹰火箭（Big Falcon Rocket, BFR）取代当前的“猎鹰”火箭和“龙”飞船，将二者合一、箭船整体化。

BFR属于总称，包括大猎鹰飞船（BFS）和大猎鹰火箭（BFR），分别对应ITS系统的载人飞船和运载火箭。BFR系统总高度从ITS的122m缩减到118m，直径从12m缩小到9m。无论是近地轨道还是月球、火星轨道，BFR最大运载能力都可达100t以上，并具备50t返回地球的能力。其中：

（1）大猎鹰火箭BFR：高63m，直径为9m，配置了31个猛禽发动机。

（2）大猎鹰火箭BFS：高55m，直径为9m，配置了7个猛禽发动机。

图2-60所示为SpaceX公司的BFR飞船概念设计图。BFR系统具有载人/货运飞船、卫星发射飞船和燃料加注飞船三种工作模式。在执行不同工作模式的任务时，BFR的外形和总体结构不会发生变化，只会对飞船内的一些模块进行调整。

上述这个概念很快又被SpaceX公司更新的设计理念所取代，这就是超重鹰（Super Heavy）及星舰（Starship）方案，分别对应原来的大猎鹰火箭（BFR）和大猎鹰飞船（BFS）。这个改变彻底颠覆了对运载火箭、宇宙飞船的刻板印象，如图2-61所示。

在这个方案中：

（1）超重鹰火箭（Falcon Super Heavy）：简称Super Heavy（SH），高63m，直径为9m，配备31个猛禽发动机，基本配置与BFR一样，不同的是箭体材质，由碳纤维复合材料全部改为不锈钢合金。

（2）星舰（Starship）：高55m，直径为9m，配备7个猛禽发动机，跟BFS大猎鹰飞船一样，关键在于改进处：前后各增加一组机翼。一对前机翼和三个尾翼。尾翼既是飞行机翼，同时用作着陆架。星舰飞船腹部大面积增加了隔热层，能够适应重返地球、月球及火星等多种着陆飞行。

星舰船体与SH一样，全部采用不锈钢合金，而不是碳纤维复合材料，星舰可以用作载人飞船，也可用作货运飞船。内部加压空间超过1000m3，比ISS加压容积还要大。

为了验证Starship的性能，SpaceX公司又研发了Starship的原型飞船，称为“跳虫”（Hopper）。Hopper高39m，直径为9m，装备3台猛禽发动机，与全尺寸Starship相比，显然小很多，也简化得多，如图2-62所示。研发Hopper验证船仅用34个月时间，之所以如此快速建造Hopper，就是为打造全尺寸星舰（Starship）铺路。2019年4月3日，星舰验证机Starhopper完成首次点火，起动猛禽发动机，完成了系绳跳跃。后续按照SpaceX公司的计划，2020年进行全尺寸星舰首飞。这是私营航天公司进行载人火星探测任务的重要实践。

2.3.5 载人火星基地

载人火星基地由于任务遥远，真正进行工程实施的并不多，目前大多停留在概念设计阶段。

2012年，格拉斯哥大学和国家空间大学联合提出了充气展开式载人火星基地10方案（Mars Base 10, MB10），“10”表示为10名火星航天员提供永久适宜的居所，支持火星生命探测以及气候观测，如图2-63所示。MB10模块由MTO/30t运载火箭发射入轨，地火转移过程中一般为无人状态，自主执行火星进入下降与着陆（Entry Descent and Landing, EDL）。舱体采用可充气展开结构，在着陆火星表面后与太阳能帆板一起展开到位，形成直径为26m、高9.6m的舱体结构，结构设计能够适应火星表面3.711m/s2的重力环境。充气舱顶部有5°斜面，以降低火星沙尘暴的损害。

此外，私营航天方面，2017年9月，SpaceX公司公布了其最新的火星基地设计方案，核心为其一体化设计的“火箭 +飞船”组合体，如图2-64所示。如果一切顺利，第一批任务将建设一座永久性而且可持续城市的“种子”。当然SpaceX公司的火星基地方案最终依赖于Starship以及SH火箭的建造情况。这里需要特别指出的是，无论是NASA的载人火星探测任务方案，还是私营公司SpaceX公司的方案，都依赖于火星原位资源利用技术，这是确保人类能在火星上生存的关键技术。

2.4 载人深空探测关键技术发展概况

2018年，在ISECG公布的新版《全球探索路线图》中，按照当前状态（ISS验证及已有飞行经历）、近期需求（月球附近及表面）及未来需求（火星附近及表面），提出在推进、着陆和返回，自主系统，生命保障，乘员健康及效能，结构及支持系统，以及出舱活动/移动/机器人任务领域共计31项技术，如表2-7所示。

从这些优先支持的关键技术项目中，可以清晰看出未来载人深空探测任务的突出特征就是人机联合探测，充分发挥人与机器人各自的优势，提高任务的效能。在围绕“人”的存在这条主线上，主要的关键和难点是提高载人航天器推进系统的比冲，提高着陆及再入返回的精度，提高能源的供给能力，采用更先进的生命保障技术及研发新型宇航服，提升乘员健康及效能，在发挥“机”的优势这条主线上，主要的关键和难点是：进一步提高飞行器的自主智能水平，采用高速大容量、自适应通信技术，利用机器人进行月球/火星的ISRU技术验证，布置核电能源，研发先进的月球/火星表面机动移动系统，发展机器人遥操作技术，进一步改进人机界面及人机协同工作能力。在“人”与“机”的关键技术优先投资取得突破的基础上，形成关键产品和系统，通过地面试验及模拟验证，逐步具备执行载人深空探测任务的能力，从而支持多任务、多类型、多目标的载人深空探测体系工程的实施和发展。

此外，私营航天公司在发展重复使用运输系统，包括重复使用的运载火箭和飞船，降低天地往返运输系统的飞行价格方面，取得的经验十分值得借鉴，同样包括充气式太空舱的飞行验证。Hopper验证机及Starship飞船在关键技术上的大胆创新和实践，都值得进一步借鉴和思考。通过核心关键技术的突破研发新型载人深空探测飞行器，甚至颠覆原有的飞行模式和方案，都正在成为现实并改变人类原有的认知。

思考题

1．世界载人月球探测任务包括哪三个发展阶段？各个阶段的任务目标是什么？

2．载人月球探测飞行器系统包括哪些飞行器？各个飞行器的系统组成和任务功能是什么？

3．载人月球基地包括哪些类型？各个类型的优缺点是什么？

4．欧洲“月球村”任务发展设想的优缺点是什么？

5．美国提出重返月球的Artemis计划后，欧空局、俄罗斯、日本、加拿大、澳大利亚等国的航天局纷纷加入该计划中，中国在这种国际形势下，该如何推进载人月球探测任务？

6．美国载人小行星探测飞行器MMSEV两种类型的设计特点是什么？

7．美国载人火星探测飞行器系统的组成和任务功能是什么？

8．实施载人深空探测任务的关键技术是什么？

9．美国私营航天公司为推动实施载人深空探测任务做了哪些探索和实践？对我们有什么启示？

10．航天新经济是指什么？对推动实施载人深空探测任务有何作用？

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