一起去火星？这里有一份载人火星探测指南
今年，各火星探测器陆续抵达火星开展科学探测任务。虽然目前世界各国主要通过发射探测器对火星进行近距离探测，不过随着探测任务的不断深入，无人探测的方式或 将难以满足许多科学目标的要求，因此各国需要通过载人探测完成更深入的研究。
哈尔滨工业大学控制科学与工程系马广富教授等人在航空航天学术期刊《航空学报》2020年第7期发表了一篇综述《载人火星探测进展及其EDL过程GNC关键技术》。综述梳理了载人火星探测的特点及需求，系统地总结了前苏联／俄罗斯和美国的载人火星探测研究进展以及技术储备；归纳了载人火星探测的体系构成、集结方式和主要的技术挑战。最后，概括了载人火星进入、下降与着陆（EDL）过程面临的难题，重点阐述了EDL的导航、制导与控制（GNC）关键技术。
可以说，这是一份非常详细的载人火星探测指南。以下，小编将和大家分享这份宝藏指南的部分内容。
载人火星探测体系
综合已有的火星探测计划和进展情况，论文总结给出了载人火星探测体系结构，主要包含无人探测系统、运输系统、火星表面应用系统和测控系统。
载人火星探测体系结构
# 无人探测系统
主要包括火星轨道器、前期的无人漫游车以及前期投放的无人无线电信标等构成，目的是对载人探测的环境进行考察以及着陆点选址、技术验证和无线电导航等。
# 运输系统
包括运载火箭、地球再入飞行器和多种不同的火星飞行器。星际转移飞行器实现地球轨道与火星轨道间的转移，完成宇航员及物资在地球轨道和火星轨道之间的运送；着陆与轨道居住舱是宇航员在轨道转移和 EDL 过程的居住舱，也能在火星表面使用；火星上升器将宇航员从火星表面运送至火星轨道。
# 火星表面应用系统
其中包括居住舱是宇航员在火星表面的居住场所；科学实验舱是宇航员在火星表面进行科学实验的场所；环控生保系统能够为宇航员提供生存的条件；表面漫游车提供宇航员在火星表面移动探测；原位资源利用设备即为在火星表面利用火星资源生产能源、推进剂等的设备；舱外活动系统为宇航员舱外活动提供保障；电力系统保障系统的电力供给。
# 测控系统
包括地面测控系统和天基测控系统。地面测控系统包括地面的各种测控网络，天基测控系统包括中继卫星、导航及通信卫星等，利用测控系统，能够保证火星表面设备与地面科研人员的通信，传输实验数据或介入火星表面设备问题处置等。
载人火星探测：需要突破哪些技术？
相比于载人月球探测，载人火星探测所受到的约束更多。下表对比了载人火星探测和载人月球探测任务的区别。相比于载人月球探测，载人火星探测的任务周期更久，且物资补给受限于火星发射窗口，每26个月一次。
另外，很重要的一点是，载人月球探测的双向通信延迟约为2.6ｓ，在着陆的过程中地面的科技人员能够介入到整个EDL（Entry, Descent, and Landing, 进入、下降与着陆）过程以提高成功着陆的概率，而载人火星探测的双向通信延迟为6~44 min，整个EDL过程仅约8min，使得地面工作人员难以介入火星探测器的EDL过程，这对载人火星探测的自主性、可靠性与安全性提出了更高的要求。因此，虽然目前已有载人月球探测的经验，但载人火星探测还存在极大的挑战。
根据飞行器当前所处的位置以及状态，载人火星探测过程大致可分为地球轨道、地火转移轨道、绕火轨道、EDL过程、火星表面以及上升返回6个阶段。在各个阶段中，载人火星探测所面临的主要挑战各有不同。
NASA载人火星探测任务评估报告将 EDL技术、空间推进及能源技术、宇航员辐射安全及医疗保健技术作为3大关键技术。
EDL技术：EDL过程是整个探测过程中最凶险的阶段，整个EDL过程约为8min的时间，要求探测器在这么短的时间内从高超声速状态减速至保证安全软着陆的速度，整个过程存在多方面约束和挑战。
空间推进及能源技术：由于轨道转移时间长、宇航员生活时间长、设备工作时间长，要求具备大量的能源供设备及推力器使用，但是由于运载能力有限，所携带的能源有限，因此需要研究核动力推进技术、空间核电技术、空间太阳能技术以及原位资源生产技术等。
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宇航员辐射安全及医疗保健技术：宇航员需要长时间生活工作在辐射的微重力狭窄空间中，因此，需要研究食物营养及其长时间存储技术、微重力下失调效应减弱技术、辐射防护与装备、医疗诊断与治疗设备以及宇航员在孤立狭窄环境生理和心理压力缓解等，提供周全的措施来保障宇航员的身心健康。
美国载人火星探测方案的技术储备
从20世纪开始，美国以NASA为主不断地提出关于载人火星探测的计划和方案，并开展了很多技术研究，近些年来民营公司Space X也在积极为载人火星探测做准备。以下是美国部分主要的载人火星探测方案。
NASA火星之旅
根据美国已有的载人火星探测方案，将目前实现的技术储备总结如下：
#1
运载火箭
NASA计划将“战神一”和“战神五”运载火箭作为载人火星探测的运载火箭。同样，SpaceX公司也为载人火星探测研制了“大猎鹰”火箭。
#2
载人飞船
NASA将新一代载人飞船“猎户座”作为载人火星探测飞船，该飞船能搭载4名宇航员，SpaceX公司也研发了“载人龙”飞船。
#3
动力装置
NASA与洛斯阿拉莫斯国家实验室合作研发了小型核反应堆 Kilopower并且已经完成了测试，可作为飞船与火星表面居住的动力来源。同时NASA在EMC方案中设计了利用太阳能电池阵和氙气的150kW的电推进系统。
#4
地火转移飞行器
宇航员往返火星和地球的星际间飞行器，EMC设计了利用太阳能推进的地火转移飞行器，DRA5.0设计了核动力地火转移飞行器和化学/气动制动地火转移飞行器。
#5
火星上升器
将宇航员从火星表面送到轨道上与地火转移飞行器交会的飞行器，一般由两级飞行器构成，其推进剂在到达火星表面后利用火星的资源与携带的部分资源进行生产。
#6
火星表面居住舱
宇航员在火星表面居住和生活的场所，能够满足６名宇航员至少550天的生活需求，且具有高可靠性。从2015年起，NASA组织了多次火星居住舱设计与建设奖项计划，诞生了很多设计方案。
#7
EDL飞行器
NASA按照速度将载人火星探测EDL过程划分为高超声速、超声速和亚声速／终端下降3个阶段，针对这3个不同的阶段设计了多种不同构型的EDL飞行器，主要分为2类，第1类是在原有技术基础上进行改进设计，主要包括传统的胶囊形的飞行器和中升阻比的刚性飞行器；第2类是采用新技术重新设计，主要是采用可展开的热防护系统材料设计的飞行器，包含在框架上安装柔性TPS薄膜的自适应可展开进入和放置技术飞行器和用柔性 TPS薄膜覆盖的充气堆叠环面结构构成的高超声速充气气动减速器（HIAD），这一类飞行器在EDL过程中才会展开，能够减小运载火箭整流罩的半径以及地火转移飞行器的容积。
随着天问一号探测器的成功着陆，人类对火星的探测热情只增不减，不少航天机构已经开展了不少关于载人火星探测任务的方案及技术研究，并取得了丰富的研究成果。未来，随着火星探测任务的不断深入，人类登陆火星的愿望有望实现。
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