院士的話

載人火星探測任務(wù)是載人航天領(lǐng)域的長遠(yuǎn)目標(biāo)項目，也是航天大國的競爭新疆域。而火星距地球的距離約是地月之間的500倍，不僅使航天器的規(guī)模及任務(wù)難度遠(yuǎn)大于地月間往返，宇宙中的長時航行還將帶來空間輻射、微重力等問題對航天員產(chǎn)生不利影響。開發(fā)地火間快速往返技術(shù)是實現(xiàn)安全載人火星任務(wù)的最基本要求，而目前主流的化學(xué)火箭推進(jìn)系統(tǒng)的能力難以適應(yīng)載人火星任務(wù)，存在比沖低（≤500s）、質(zhì)量大、在軌組裝難等問題，更高效的核熱、核電推進(jìn)技術(shù)成為發(fā)展應(yīng)用的方向。核熱推進(jìn)利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的裂變熱能把氫氣等低分子量推進(jìn)劑加熱到很高的溫度，然后將高溫高壓的推進(jìn)劑從噴管高速噴出，產(chǎn)生高比沖（≥900s）。核電推進(jìn)把核反應(yīng)堆的裂變熱能轉(zhuǎn)換成大功率電能，供給電推進(jìn)系統(tǒng)使用。推動核動力載人火星往返運輸器研究發(fā)展，是實現(xiàn)快速高效地火往返的重要途徑，對提升我國進(jìn)出外空、利用外空能力，建立航班化載人航天運輸系統(tǒng)以及建設(shè)航天強(qiáng)國具有重要意義。

王巍

中國科學(xué)院院士

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登陸火星是人類探索宇宙的重要目標(biāo)

火星對人類來說一直是特殊的存在，火紅色的整體外觀更是讓這顆行星格外惹人關(guān)注。人類對火星的觀察和探測歷史已經(jīng)超過3500年，包括了對火星的地基觀察和航天探測。從火星在太陽系中的位置來看，它是太陽系八大行星之一，離太陽由近至遠(yuǎn)的次序排列為第四顆。在太陽系八大行星之中，火星也是距離地球第二近的行星（最近的是金星）。大約每隔26個月就會發(fā)生一次火星沖日，地球與火星的距離在沖日期間會達(dá)到極小值，通常不足1億公里，而在火星發(fā)生大沖時，距離甚至不足6000萬公里，這為人類地基觀察火星提供了更好的條件。

人類的火星探測之路充滿了坎坷，近一半的探測器，尤其是早期發(fā)射的探測器，都設(shè)有能夠成功完成任務(wù)。但火星對人類似乎有一種特殊的吸引力，因為它是太陽系中最近似地球的天體之一。此外，根據(jù)科學(xué)家推測，火星上曾經(jīng)應(yīng)該有著巨大的湖泊存在，這對于人類尋找外星球生命和未來人類移民，有著重大的意義，因此，探索火星一直是人類探索宇宙的重要目標(biāo)。

▲火地距離與火星探測器發(fā)射窗口的關(guān)系

核動力載人火星探測登上舞臺

載人火星軌道運輸器的技術(shù)路線中，采用傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)和太陽能電推進(jìn)對任務(wù)帶來了挑戰(zhàn)和不確定性。不同于其他地月空間采用傳統(tǒng)推進(jìn)的航天任務(wù)，核動力技術(shù)受到了載人火星探測的青睞，新世紀(jì)以來，針對載人火星探測中軌道運輸器的方案大多數(shù)涉及到了核動力技術(shù)。

▲SpaceX 星箭載人火星任務(wù)

為什么會出現(xiàn)這種技術(shù)路線的差異呢？火星距地球的距離約是地月之間的500倍，不僅使航天器的規(guī)模及任務(wù)難度遠(yuǎn)大于地月間往返，宇宙中的長時航行還將帶來空間輻射、微重力等問題對航天員產(chǎn)生不利影響。采用目前主流的化學(xué)火箭推進(jìn)系統(tǒng)，效率較低，要達(dá)到往返火星的目標(biāo)，航天器需要攜帶千噸級的推進(jìn)劑，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前百噸級的發(fā)射能力，即使采用多次發(fā)射，其在軌組裝、航天器結(jié)構(gòu)等也面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，探索更先進(jìn)更高效的核熱推進(jìn)和核電推進(jìn)等技術(shù)應(yīng)用，成為發(fā)展方向。核推進(jìn)系統(tǒng)主要可分為核電推進(jìn)和核熱推進(jìn)。

▲載人火星太陽能電推進(jìn)航天器（左）與國際空間站（右）規(guī)模對比

核熱推進(jìn)

核熱推進(jìn)的工作原理是采用工作介質(zhì)流過核熱反應(yīng)系統(tǒng)（反應(yīng)堆）吸收能量，產(chǎn)生高溫高壓的氣體，然后通過噴管被加速到超音速，從而產(chǎn)生推進(jìn)動力。核熱推進(jìn)比沖相對較高，可達(dá)900s，約是傳統(tǒng)化推的2~3倍，可以實現(xiàn)較少的發(fā)射規(guī)模。此外，核熱推進(jìn)的推力與化推類似，可達(dá)到千牛級，能夠提供快速往返火星的能力，從而降低宇航員長期暴露于宇宙和高能太陽輻射的風(fēng)險，也可為快速應(yīng)急逃生軌道機(jī)動提供大推力。

▲核熱推進(jìn)系統(tǒng)組成

核電推進(jìn)

核電推進(jìn)的工作原理是將核反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱能通過熱電轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成電能，再通過電源管理與分配裝置將電能提供給電推力器等，為航天器提供推力。電推進(jìn)的比沖一般可超3000s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于化學(xué)推進(jìn)最大約500s的比沖。在相同速度增量下，極大程度的節(jié)省了推進(jìn)劑質(zhì)量，可以達(dá)到最小發(fā)射規(guī)模。但電推進(jìn)的推力小，小功率的電推力器通常只有mN級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于化學(xué)推進(jìn)上千牛的推力等級。因此，不受深空中太陽光照強(qiáng)度約束又可以高效提供大功率的核電源可以數(shù)量級的顯著提升電推進(jìn)系統(tǒng)的推力。此外，采用少量的化學(xué)推進(jìn)發(fā)動機(jī)進(jìn)行組合推進(jìn)，用于行星捕獲和逃逸以減少航行時間。

▲DRA5.0 中載人（上）和貨運（下）飛船示意圖

核動力載人火星探測的快速往返優(yōu)勢

雖然太陽能電推進(jìn)、化學(xué)推進(jìn)、核電推進(jìn)、核熱推進(jìn)等各種動力形式均可以滿足往返火星，但實際上載人火星探測任務(wù)對軌道運輸器提出了額外的需求：短任務(wù)時間和小發(fā)射規(guī)模。短的任務(wù)時間意味著航天員著陸火星后，無法等待到最省能量的返回地球窗口，因為這是將近500天的等待，帶來了空間輻射、零重力等長期空間任務(wù)的許多其他方面相關(guān)的風(fēng)險。因此，載人火星探測的焦點已轉(zhuǎn)變?yōu)閿y帶更多推進(jìn)劑執(zhí)行短期任務(wù)，取代低能量需求的長期任務(wù)。于是更為高效的核推進(jìn)技術(shù)成為軌道運輸器的最優(yōu)動力形式。

▲核電 - 化學(xué)組合推進(jìn)航天器

實現(xiàn)核動力載人火星探測快速往返的重要意義

核動力載人火星快速往返，是實現(xiàn)人類首次登陸火星、地火航班化運輸、火星移民的重要基礎(chǔ)。以核動力載人火星快速往返技術(shù)作為開發(fā)空間先進(jìn)動力的重要載體，將改變現(xiàn)有化學(xué)推進(jìn)比沖低的技術(shù)現(xiàn)狀，在空間高比沖大推力核熱推進(jìn)、長壽命高效率核電推進(jìn)等方面取得突破，大幅提高進(jìn)出空間、空間中機(jī)動的能力。同時可作為牽引深空探測工程技術(shù)突破的創(chuàng)新引擎，帶動低溫燃料長期低損耗貯存技術(shù)、長壽命空間核電源技術(shù)、高母線電壓大功率供配電技術(shù)、高效熱量傳輸與熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)、大功率高比沖電推進(jìn)技術(shù)、高精度導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù)、新興材料制造等眾多新興技術(shù)的發(fā)展。突破核動力載人火星快速往返技術(shù)，可以大幅提升人類進(jìn)入近地空間、地月空間、深空等的頻率并縮短航行時間，為建立航班化載人航天運輸系統(tǒng)，高效開發(fā)和探索宇宙具有重要意義。

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