问题描述

载人火星探测是一项艰巨的任务，以往的研究方案多以低速度增量需求的长期火表停留任务为主，增加了航天员在轨长期驻留的风险挑战，因此开发快速往返技术是安全实现载人火星任务的最基本要求。采用先进推进技术，降低发射重量，提高推进效率是快速往返的必然选择，但目前工程实施难度大。需通过顶层设计规划，选择合适出发窗口，进行轨道设计与优化，决策推进技术途径，攻关关键技术，开展在轨演示验证，形成载人火星快速往返能力。

问题背景

火星距离地球的平均距离约2.25亿公里，远远超过人类踏足最远的地方——月球。根据地球和火星的相对位置关系，地球—火星转移轨道每26个月（约2年）存在一次发射窗口，在窗口内分别存在两个速度增量较小的机会，称为合点(Conjunction)航线和冲点(Opposition)航线。合点航线具有最低的∆V需求，但在火星上停留的时间通常为500天或更多，超过了航天员单次最长在轨驻留437天的记录；冲点航线对应在火星表面短期停留（30天），但有更高的∆V需求，需要更多的推进剂。

考虑到航天员长期在轨带来的健康风险，载人火星探测的焦点已转变为携带更多推进剂执行短期任务，取代低能量需求的长期任务。而传统的化学推进比冲太低，采用冲点航线将会导致庞大的发射规模，于是工程师们将视线转移到更为高效的核推进技术。因此，研究经济可行的短期火表停留的快速往返技术具有重要意义。

主要航天国家高度重视载人火星探测，持续加强顶层谋划和能力建设。美国相继发布《概念级载人火星探索架构DRA5.0》、《可持续的载人航天探索路线图》、《火星之旅：开拓太空探索新篇章》、《航天政策1号令》、《面向人类火星探索的太空核推进系统共识研究报告》，从政策保障、顶层战略、技术识别等方面层层推进载人火星探测任务。美国实施了Rover、DARCO、普罗米修斯计划等，提升了先进空间核热推进、核电推进技术能力，为快速往返火星奠定了坚实基础。

最新进展（截止问题发布年度）

针对载人火星快速往返，自2016年起，尤其是近两年来，美国已有多条技术路线同时推进。一类是化学推进技术，相对成熟。例如：2016年，SpaceX提出的星际运输系统（ITS）概念，其计划最早于2026年采用Starship将人类送往火星，去程耗时6个月，采用液氧甲烷发动机推进，可完全回收重复使用。发射进入地球轨道后，会进行在轨燃料补加，以便可将100吨的载荷送入火星轨道，在火星表面原位资源利用生产推进剂返回地球。

另一类是以核热推进、核电-化学组合推进等为代表的先进核推进技术，尚处于概念研究阶段。例如：2009年，DRA5.0提出的采用3个111kN的核热推进器，总重356.4吨，总长96.7米，采用合点航线，火表停留500天，航天员离开地球的时间约900天；2020年，DRACO计划拟在2026年进行太空核热推进（NTP）系统的飞行演示，提供国防部在近地空间所需的机动性，还可以支持未来美国宇航局前往火星的任务；2021年，SAC21火星小组的核电（NEP）-化学组合推进系统，包括一个1.8MWe的反应堆，18个100kW级的霍尔推进器，能够在2039年的地球出发窗口，于760天的时间内完成18亿公里的火星往返旅程。

化学推进由于比冲低，在出发阶段携带往返的全部推进剂将会造成庞大的发射规模和严苛的在轨组装要求，因此采用ISRU原位资源利用生产返程推进剂，但同时也为任务带来了不确定性和更大的挑战。应用核能推进可以大幅提高比冲，例如核热推进的比冲可以达到化推的三倍，但核热发动机重复启停、液氢长期贮存等带来了新的难题；核电推进比冲可远超核热推进，但其推力水平低，需要与化学推进结合缩短航行时间。因此，对于载人火星快速往返的需求，已有的双组元化学推进能力有限，需进一步开发先进高效的空间核推进技术，并深入开展相关共性问题研究和关键技术攻关，逐步提升现有空间推进效率和功率水平，减少地火往返时间。

综上所述，形成载人火星快速往返能力，其主要关键技术如下：

（1）核动力运输器总体设计

研究载人火星探测的时间窗口和快速往返的任务时间约束，确定载人火星任务基线，进行轨道选择与优化设计，进而根据速度增量选择合适的核动力航天器规模、功率、推力水平，形成核动力航天器的顶层架构和总体设计方案，为详细方案设计提供准确的设计输入。

（2）高可靠空间核热推进技术

空间核热推进技术，难度最高，风险最大。核热发动机需具备6~8次的多次启停能力，且在每次工作期间，需在反应堆出口将推进剂加热到约2700 K，当 NTP系统启动时，还需迅速提高到全工作温度（最好是在1 min之内），而地面反应堆启动长达几个小时，此外反应堆芯结构、慢化剂材料的技术开发、涉核全规模地面试车测试等需要突破。

（3）长寿命MW级空间核电源技术

载人火星任务需要的空间核电源，在功率、比质量和可靠性方面远远超过现有的NEP航天器。需要攻克高安全、高紧凑、大功率、长寿命的核反应堆设计、高效热量传输与热电转换、大功率热排散、轻质高效辐射屏蔽、高可靠的反应堆控制、高母线电压大功率供配电等技术难点。

（4）低温燃料长期低损耗贮存技术

目前液氢通常只被储存几个小时，而载人火星任务的架构中，需要贮存几个月，甚至几年。因此，液态氢的长期20K低温低损失贮存技术是一个重大挑战，现有的低温冷却系统不能可靠地满足要求。此外，也需要大幅提升对液氧、甲烷等90K的低温存贮能力。

（5）长寿命大推力高效电推进技术

基于核电推进的载人火星任务要求电推进系统具备相对较大推力，大幅缩短航天器转移时间；具备适当比冲，兼顾推进剂携带量与推功比；具备较长寿命，大幅提升航天器轨道转移范围。而现有在轨验证的霍尔推进器和离子推进器，可以满足比冲和效率的要求，但对于执行载人火星任务，推进器的功率水平必须增加一个数量级。更高功率的MPD或VASIMR推进器则不太成熟，此外，大功率电推进器的寿命和可靠性掌握较少。

重要意义

随着人类对地球的过度开发，地球的宜居性逐年下降。火星作为人类憧憬的第二家园，赋予了载人火星更重要的实用价值与深远意义。地火快速往返技术是实现人类首次登陆火星、地火航班化运输、火星移民的重要基础。

航天发展，动力先行。载人火星快速往返是开发空间先进动力的重要载体，将改变现有化学推进比冲低的技术现状，在空间高比冲大推力核热推进、长寿命高效率核电推进等方面取得突破，大幅提高进出空间、空间中机动的能力，为人类航天事业发展奠定坚实基础。

载人火星快速往返技术是牵引深空探测工程技术突破的创新引擎。可带动低温燃料长期低损耗贮存技术、长寿命空间核电源技术、高母线电压大功率供配电技术、高效热量传输与热电转换技术、大功率高比冲电推进技术、高精度导航、制导与控制技术、新兴材料制造等众多新兴技术的发展。

载人火星快速往返技术是推动载人航天发展的关键要素，实施火星快速往返技术研究，可以逐步突破人类进入近地空间、地月空间、深空等的频率并缩短航行时间，为建立航班化载人航天运输系统，高效开发和探索宇宙具有重要意义。