中航集團(tuán)一院院長、IAF 副主席王小軍應(yīng)邀參加 2021 年全球航天探索大會,并作了題為《載人火星探測航天運輸系統(tǒng)》的報告。
他向大家介紹了中國第一次火星探測任務(wù)“天問一號”和“祝融號”探測器的任務(wù)概況、總體方案、相關(guān)數(shù)據(jù)和視頻,以及中國未來深空探測計劃。
在此基礎(chǔ)上,他提出了未來載人火星探測發(fā)展路線及任務(wù)架構(gòu),明確了載人火星探測任務(wù)航天運輸系統(tǒng)的組成、特點、總體方案與設(shè)計參數(shù),并提出了載人火星探測“三步走”的設(shè)想。
第一步機器人火星探測(技術(shù)準(zhǔn)備階段)
主要任務(wù):火星采樣返回、火星基地選址考察、原位資源利用系統(tǒng)建設(shè)等。
第二步初級探測(初步應(yīng)用階段)
主要任務(wù):載人環(huán)火、軌道探測、載人火星著陸探測、火星基地建設(shè)等。
第三步航班化探測(經(jīng)濟圈形成階段)
主要任務(wù):包括大規(guī)模地火運輸艦隊,大規(guī)模開發(fā)與應(yīng)用等。
載人火星探測任務(wù)架構(gòu)
地火轉(zhuǎn)移軌道類型:基本軌道分為長停留合式軌道和短停留沖式軌道。地球和火星之間也存在著循環(huán)軌道,可以定期重返地球和火星,適用于長期多次的載人火星探測任務(wù)。
出發(fā)時間:2033 年、2035 年、2037 年、2041 年、2043 年等。
出發(fā)點:選擇高橢圓軌道(HEO)的出發(fā)較為合適。
推進(jìn)技術(shù):核熱推進(jìn)是目前載人火星探測方案設(shè)計的重要選擇。核聚變推進(jìn)理論上具有更高比沖性能,需要理論和技術(shù)的突破,適合作為載人火星探測更遠(yuǎn)期的研究目標(biāo)。
此外,我國還研究將天梯這一新型運輸系統(tǒng)作為空間出發(fā)點,能降低火星探測運輸?shù)囊?guī)模。
航天運輸系統(tǒng)的組成
IT之家了解到,在初期載人探測的總體構(gòu)架方案中,運輸系統(tǒng)包括運載火箭、擺渡級地火轉(zhuǎn)移運載火箭、火星著陸與上升飛行器等多個運載器。針對該任務(wù)構(gòu)架的不同階段,采用不同類型的運載器完成運輸任務(wù)。
每個階段技術(shù)特點
機器人火星探測階段:
采用大型或重型運載火箭,直接將探測器發(fā)射至地火轉(zhuǎn)移軌道,探測器采用化學(xué)推進(jìn),選擇脈沖式合式軌道,并利用反推制動達(dá)到火星進(jìn)行探測。
初期載人探測階段:
針對軌道轉(zhuǎn)移設(shè)計了一種新型任務(wù)構(gòu)架,該構(gòu)架采用核電核熱推進(jìn)組合、人貨分運,在近地球軌道(LEO)組裝,從 HEO 出發(fā),配合使用火星氣動捕獲。
航班化載人火星探測階段:
采用核動力一體化運輸模式,從地球空間驛站、日地 L2 等基地出發(fā),選擇地火循環(huán)軌道,地火循環(huán)軌道上已布置轉(zhuǎn)移飛行器,轉(zhuǎn)移飛行器的推進(jìn)劑由地面或空間加注站補給。
任務(wù)描述
進(jìn)入地球軌道 + 地球軌道組裝 + 地火轉(zhuǎn)移 + 火星登陸與上升 + 火星軌道對接 + 返回地球
飛行時間:往返數(shù)百天
飛行距離:數(shù)百萬公里到數(shù)億公里
軌道交會對接:數(shù)次甚至 10 余次
設(shè)計參數(shù)
地球上升段:7 枚重型運載火箭和 1 枚載人運載火箭,采用化學(xué)推進(jìn)劑。
地球空間擺渡地火轉(zhuǎn)移階段:基于高比沖核電推進(jìn)技術(shù)的擺渡級,以及基于高比沖大推力核熱推進(jìn)技術(shù)的地火轉(zhuǎn)移運載器。
火星空間:基于化學(xué)推進(jìn)的火星著陸與上升器。
地火轉(zhuǎn)移運載器:采用核熱核電雙模式,以三臺 10 噸級推力的核熱發(fā)動機作為主要動力,利用核電系統(tǒng)為各分系統(tǒng)提供電源。
載人型轉(zhuǎn)移運載器:總質(zhì)量為 246 噸,加注 108 噸液氫,可以運送包括深空居住艙、載人飛船等共 65 噸的有效載荷。
載貨型轉(zhuǎn)移運載器:總質(zhì)量為 328 噸,加注 76 噸液氫,有效載荷質(zhì)量為 206 噸。