馬廣富，龔有敏，郭延寧，高新洲

哈爾濱工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程系，哈爾濱 150001

作為八大行星中距離地球最近的行星，火星自然條件與地球最為相似，已有大量跡象表明，火星以前很可能與地球一樣，也適合生物居住，在經(jīng)過幾十億年的演化才變成如今大氣稀薄、低溫和水源枯竭的樣子，甚至有天文學(xué)家認(rèn)為火星的現(xiàn)在就是地球的未來。因此，人們希望通過開展火星大氣變化、火星表面和內(nèi)部演化等遠(yuǎn)距離觀測與就位探測任務(wù)，完成以下科學(xué)目標(biāo)[1-3]：① 研究火星生命，確定火星是否出現(xiàn)過生命；② 研究火星氣候，進(jìn)而預(yù)測地球大氣的未來；③ 研究火星地質(zhì)學(xué)和地質(zhì)物理學(xué)，了解火星表面和內(nèi)部演化過程。進(jìn)一步地，通過對火星的研究，可預(yù)測地球未來的演化過程及火星能夠提供適合人類居住條件的可能性，為人類可持續(xù)發(fā)展做準(zhǔn)備。

隨著航天技術(shù)的發(fā)展和火星研究的深入，人類探測火星的方式不斷改進(jìn)和變化，已由最初的天文望遠(yuǎn)鏡觀測逐步發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了火星飛越探測、環(huán)繞探測、就位探測以及無人巡游探測。從1960年開始，由于蘇聯(lián)和美國之間航天霸權(quán)的競爭，火星探測迎來了發(fā)展的高峰期，不過由于當(dāng)時的技術(shù)條件，大多探測任務(wù)以失敗告終。隨著蘇聯(lián)的解體，俄羅斯放慢了探測火星的腳步，而美國頻頻傳來成功的喜訊。1998年日本發(fā)射了第1顆火星探測器——“希望號”，成為第3個加入火星探測的國家，“希望號”在到達(dá)火星前因燃料耗盡而宣告失敗[4]。21世紀(jì)后，歐空局、中國和印度也紛紛加入了火星探測的行列[5-8]，歐空局和印度在一些火星探測任務(wù)中取得了成功。

隨著火星探測任務(wù)的不斷深入，世界各國也慢慢展開了火星表面采樣返回、載人火星著陸探測和建立火星基地的研究。載人火星探測是除了月球之外載人深空探測的首選目標(biāo)，具有非常重要的意義，首先，載人火星探測是高精尖科技的大集成，能夠帶動多領(lǐng)域的科技發(fā)展；其次，隨著火星探測的不斷深入，無人探測的方式越來越難以滿足許多科學(xué)目標(biāo)的要求，需要通過載人探測完成更深入的研究；最后，通過載人火星探測能夠加快人類對火星的認(rèn)識，進(jìn)而加快對地球演化過程的研究，為人類的可持續(xù)發(fā)展做貢獻(xiàn)。

從20世紀(jì)開始就不斷有關(guān)于載人火星探測的提議和方案被提出，其中美國、前蘇聯(lián)/俄羅斯等國家提出了不少載人火星探測的方案[9-11]，也做了較多技術(shù)儲備，尤其是美國[12-13]。在20世紀(jì)90年代開始，美國不斷提出詳細(xì)的載人火星探測的技術(shù)方案，其中設(shè)計參考架構(gòu)5.0(Design Reference Architecture 5.0，DRA 5.0)和火星演化行動(Evolvable Mars Campaign，EMC)針對載人火星探測的各個環(huán)節(jié)的方案及技術(shù)進(jìn)行了大量研究，給出了多種解決方案。

火星探測的整個EDL過程約為6～8 min，整個過程狀態(tài)變化快，而地球-火星之間通信的延遲大約在10 min以上，無法通過地面的科研人員輔助完成，是整個火星探測最為兇險的階段，也是失敗率最高的階段。對于載人火星探測而言，保證EDL過程的安全直接關(guān)系著宇航員的生命安全，所以研究EDL過程具有非常重大的意義。

本文在總結(jié)了無人火星探測任務(wù)的基本情況的前提下，對比分析了無人火星探測和載人火星探測，詳細(xì)介紹了俄羅斯和美國在載人火星探測中進(jìn)行的技術(shù)研究，總結(jié)歸納了載人火星探測存在的挑戰(zhàn)，梳理了EDL過程中存在的一系列關(guān)鍵約束與問題，并闡述了相關(guān)的GNC關(guān)鍵技術(shù)。

1 無人火星探測任務(wù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 無人火星探測任務(wù)概況

人類早在17世紀(jì)即開始使用望遠(yuǎn)鏡對火星進(jìn)行觀測，1960年10月10日前蘇聯(lián)的“火星1A號”揭開了人類通過發(fā)射探測器對火星進(jìn)行近距離探測的序幕，實(shí)現(xiàn)了從仰望星空到抵達(dá)星空的重要跨越。至今為止，世界各國在火星探測中取得了許多顯著成果[14-17]。

圖1統(tǒng)計了無人火星探測成敗的情況。從圖1可知，目前僅有美國、前蘇聯(lián)/俄羅斯、中國等6個國家組織進(jìn)行過火星探測任務(wù)。在無人火星探測任務(wù)中，失敗率高達(dá)44.64%；成功的案例中，美國占了絕大部分，高達(dá)80%，而且美國失敗的火星探測任務(wù)主要分布在早期的探測任務(wù)。

注：① 軌道器與著陸器分開統(tǒng)計; ② 俄羅斯與歐空局?jǐn)?shù)據(jù)中含1項由雙方合作研制成功的數(shù)據(jù)圖1 無人火星探測任務(wù)概況Fig.1 Overview of unmanned Mars exploration missions

歐空局先后進(jìn)行了5次火星探測，僅有一次完全失敗。前蘇聯(lián)/俄羅斯進(jìn)行的火星探測任務(wù)數(shù)量僅次于美國，但大部分任務(wù)以失敗或部分失敗告終，唯一的一次完全成功是2016年與歐空局合作研制的火星微量氣體任務(wù)衛(wèi)星(ExoMars)。值得注意的是，中國首個火星探測器“螢火一號”在2011年11月8日搭乘俄羅斯的“福布斯-土壤”號開始火星探測任務(wù)，成為了第4個開展火星探測任務(wù)的國家。遺憾的是“福布斯-土壤”號未能按計劃變軌，“螢火一號”也隨之失敗。

1.2 美國部分無人火星探測任務(wù)EDL概況

由于前蘇聯(lián)/俄羅斯和歐空局的火星探測任務(wù)在著陸后不久都宣告了任務(wù)的失敗，而美國具有非常豐富的成功經(jīng)驗(yàn)，因此本節(jié)僅統(tǒng)計并比較美國部分成功著陸的無人火星探測器的EDL過程參數(shù)，如表1所示[18-27]。由于“洞察號”火星探測器的數(shù)據(jù)不全，比較時，部分EDL過程參數(shù)“洞察號”火星探測器不參與比較。由表1可知，目前EDL過程中美國無人火星探測器的質(zhì)量都相對較小，除火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(Mars Science Laboratory, MSL)外，其他探測器的質(zhì)量均小于1 000 kg。在進(jìn)入階段，“海盜1號/2號”是唯一采用火星軌道進(jìn)入方式的探測器，其他探測器的進(jìn)入方式均為直接進(jìn)入方式；在直接進(jìn)入大氣的探測器中，“探路者號”的初始進(jìn)入速度最大，達(dá)到7.26 km/s，其他探測器的進(jìn)入速度相差較小，變化范圍在5.4～5.9 km/s之間。除“洞察號”外，僅“海盜1號/2號”和MSL通過質(zhì)心偏置完成升力控制，但是它們的升阻比均較小，分別為0.18和0.24，其他探測器的升阻比均為0。在姿態(tài)控制方面，“海盜1號/2號”“鳳凰號”和MSL采用了三軸反作用控制系統(tǒng)(Reaction Control System, RCS)進(jìn)行姿態(tài)控制，其他探測器依靠自旋穩(wěn)定。另外，MSL是目前為止唯一在大氣進(jìn)入段采用制導(dǎo)的著陸器，制導(dǎo)方式為阿波羅式制導(dǎo)，使得其在大氣進(jìn)入段具有較高的進(jìn)入精度，進(jìn)而提高了著陸精度，成為著陸精度最高的探測器，而且MSL具有比其他探測器更大的彈道系數(shù)，并首次采用空中吊車的著陸方式。

表1 美國部分成功無人火星探測任務(wù)EDL參數(shù)[18-27]Table 1 EDL parameters in part of successful US unmanned Mars missions [18-27]

2 載人火星探測方案及進(jìn)展

2.1 載人火星探測方案匯總

20世紀(jì)40年代末期，沃納·馮·布勞恩就提出了載人火星探測的設(shè)想。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止目前世界各國、組織、機(jī)構(gòu)共提出了45次載人火星探測方案。圖2統(tǒng)計了載人火星探測的提案情況。

從圖2可知，美國和前蘇聯(lián)/俄羅斯從20世紀(jì)就積極開展載人火星探測方案的研究，其中美國提出的方案最多。進(jìn)入21世紀(jì)后，載人火星探測方案的提出有加速的趨勢，數(shù)量上不到20年就已趕超20世紀(jì)60年代，歐空局也開始了載人火星探測的相關(guān)研究，以“曙光計劃”為主[28]。除上述3個國家/組織外，法國、德國、中國和荷蘭也有關(guān)于載人火星探測的提議，但相對較少。下面將總結(jié)前蘇聯(lián)/俄羅斯和美國的典型載人火星探測計劃。

注：① 俄羅斯與歐空局?jǐn)?shù)據(jù)中包含1項由雙方共同合作項目圖2 載人火星探測方案統(tǒng)計Fig.2 Statistic of human Mars mission programs

2.2 前蘇聯(lián)/俄羅斯載人火星探測研究進(jìn)展

從20世紀(jì)60年代起前蘇聯(lián)/俄羅斯就開始載人火星探測方案的研究和相關(guān)技術(shù)儲備。表2為部分前蘇聯(lián)/俄羅斯的載人火星探測方案。

表2 部分前蘇聯(lián)/俄羅斯的載人火星探測方案

為了實(shí)現(xiàn)其載人火星探測方案，前蘇聯(lián)/俄羅斯一直在進(jìn)行著技術(shù)儲備，部分技術(shù)如圖3所示[29]：

圖3 前蘇聯(lián)/俄羅斯載人火星探測部分技術(shù)Fig.3 Part technologies of Soviet Union/Russian human Mars mission

1) 大型運(yùn)載火箭：載人火星探測中運(yùn)載火箭需要多次發(fā)射，分別將貨運(yùn)飛船和載人飛船發(fā)射到近地軌道。前蘇聯(lián)/俄羅斯研制的“質(zhì)子M型”“安加拉7號”和“能源號”火箭等，可用于載人火星探測將不同部件送往地球近地軌道，并在近地軌道集結(jié)完成共同前往火星。

2) 在軌對接裝置：能夠保證由運(yùn)載火箭運(yùn)送到地球低軌道的不同部件對接組裝，目前俄羅斯已經(jīng)開展了多次對接試驗(yàn)，比如“進(jìn)步號”與“和平號”空間站對接以及2019年搭載攜帶人形機(jī)器人“費(fèi)奧多爾”的“聯(lián)盟MS-14”號宇宙飛船與國際空間站對接等。

3) 動力裝置與桁架結(jié)構(gòu)技術(shù)：動力裝置主要包括薄膜式太陽能電池和電噴發(fā)動機(jī)2種。俄羅斯已成功研制了薄膜式太陽能電池并在1998年10月在“和平號”空間站上完成實(shí)驗(yàn)，DAS-55型電噴發(fā)動機(jī)也已經(jīng)在軌工作。目前俄羅斯已經(jīng)展開了新型太陽能電池和電噴發(fā)動機(jī)的研究。桁架結(jié)構(gòu)能夠用來安裝薄膜太陽能電池等設(shè)備的基礎(chǔ)，目前俄羅斯已經(jīng)在“禮炮號”和“和平號”空間站中進(jìn)行了桁架實(shí)驗(yàn)，甚至可以建造300 m長的桁架結(jié)構(gòu)。

4) 太陽能拖船技術(shù)：由2組電火箭發(fā)動機(jī)、桁架結(jié)構(gòu)、薄膜太陽能電池等為基礎(chǔ)建造太陽能拖船，可以實(shí)現(xiàn)星際飛行，為了保證結(jié)構(gòu)間連接處沒有間隙，俄羅斯還應(yīng)用了“形狀記憶效應(yīng)”技術(shù)，保證部件的某些材料在加熱后仍可恢復(fù)原來的形狀和尺寸。

5) 載人火星探測器：主要包含火星軌道船、起飛著陸器和返回地球飛船?；鹦擒壍来浴昂阈翘枴狈?wù)艙為雛形，主要系統(tǒng)已在“禮炮號”和“和平號”中開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)；起飛著陸艙在登陸火星的過程中不采用傘降方式；返回地球飛船以Зонд號環(huán)繞月球飛船為原型，且Зонд-4和Зонд-7號飛船曾在1969年搭乘動物環(huán)月飛行。

6) “火星-500”：由俄羅斯、歐空局和中國參與的地面模擬載人火星探測的實(shí)驗(yàn)，艙內(nèi)環(huán)境完全模擬火星環(huán)境，目的是獲取長時間深空任務(wù)下人的心理和醫(yī)療數(shù)據(jù)?！盎鹦?500”已在2010年6月3日17時至2011年11月4日18時完成了520天實(shí)驗(yàn)，模擬飛往火星、環(huán)繞火星、登陸火星和返回地球的全過程，獲取了寶貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中中國航天員王躍參與了整個實(shí)驗(yàn)過程。

2.3 美國載人火星探測研究進(jìn)展

從20世紀(jì)開始，美國以NASA為主不斷地提出關(guān)于載人火星探測的計劃和方案，并開展了很多技術(shù)研究，近些年來民營公司SpaceX也在積極為載人火星探測做準(zhǔn)備[30-35]。表3給出了美國部分主要的載人火星探測方案。

表3 部分美國載人火星探測方案Table 3 Part of US human Mars mission programs

在眾多載人火星探測方案中，NASA針對DRA5.0和EMC開展了大量的研究和實(shí)驗(yàn)[36]，比如已經(jīng)在NASA蘭利研究中心的馬赫數(shù)6.0的0.6 m風(fēng)洞中進(jìn)行了中等升阻比飛行器的外形實(shí)驗(yàn)。

美國在DRA5.0計劃中詳細(xì)給出了載人火星探測的流程[31, 37-38]，而目前主要以深空探測門戶Gateway計劃為主。深空門戶(Deep Space Gateway，DSG)計劃是美國在21世紀(jì)初提出的深空探測計劃，目標(biāo)是在地球與月球的拉格朗日點(diǎn)建立深空探測平臺[39-40]，隨著美國重返月球計劃的提出，DSG迎來了新一輪發(fā)展[41]，NASA計劃在21世紀(jì)20年代完成Gateway空間平臺建立，并開展月球采樣返回、載人登月，將月球作為載人火星探測或其他行星探測的技術(shù)驗(yàn)證基地[42-43]，特別是為載人火星探測做準(zhǔn)備[44]。DSG計劃主要劃分3個階段[45]：

1) DSG的建立：獵戶座載人飛船作為指揮平臺，完成電推進(jìn)測試、深空居住艙建立等。

2) 運(yùn)輸傳遞與試航：建立深空運(yùn)輸(Deep Space Transport，DST)工具，采用100 kW電推進(jìn)，具備能夠維持宇航員的生存等條件。

3) 火星運(yùn)輸：能夠完成1 000天的星際航行，載人航行等。

DSG計劃載人火星探測的整個流程如圖4所示[46]，DRA5.0流程與此類似，本文不再贅述。

1) 使用獵戶座分多次將貨運(yùn)飛船及載人飛船運(yùn)輸?shù)紻SG，并進(jìn)行DST的組裝與檢測，完成后獵戶座返回地球，對應(yīng)圖4中的 ①～⑤。

2) DST進(jìn)行軌道轉(zhuǎn)移，約390天后到達(dá)火星高軌道，對應(yīng)圖4中的 ⑥～⑦。

3) 著陸器與DST分離，著陸到火星表面，DST繼續(xù)運(yùn)行在火星高軌道，對應(yīng)圖4中的 ⑧ 和 ⑩。

4) 約300天后，宇航員搭乘上升器返回火星軌道與DST交會對接，對應(yīng)圖4中的⑨和。

5) 約經(jīng)過370天，DST返回到地球高軌道(HEO)，對應(yīng)圖4中～。

6) 發(fā)射獵戶座至HEO，與DST交會對接，宇航員搭乘獵戶座返回地球，對應(yīng)圖4中。

圖4 DSG任務(wù)過程[46]Fig.4 DSG mission profile[46]

根據(jù)美國已有的載人火星探測方案，將目前實(shí)現(xiàn)的技術(shù)儲備總結(jié)如下[30, 47-60]，部分設(shè)計圖如圖5所示。

圖5 部分美國載人火星探測技術(shù)Fig.5 Part of US human Mars mission technologies

1) 運(yùn)載火箭：NASA計劃將“戰(zhàn)神一”和“戰(zhàn)神五”運(yùn)載火箭作為載人火星探測的運(yùn)載火箭。同樣，SpaceX公司也為載人火星探測研制了“大獵鷹”火箭。

2) 載人飛船：NASA將新一代載人飛船“獵戶座”作為載人火星探測飛船，能搭載4名宇航員，SpaceX公司也研發(fā)了“載人龍”飛船。

3) 動力裝置[61-63]：NASA與洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室合作研發(fā)了小型核反應(yīng)堆Kilopower并且已經(jīng)完成了測試，可作為飛船與火星表面居住的動力來源。同時NASA在EMC方案中設(shè)計了利用太陽能電池陣和氙氣的150 kW的電推進(jìn)系統(tǒng)。

4) 地火轉(zhuǎn)移飛行器[64]：宇航員往返火星和地球的星際間飛行器，EMC設(shè)計了利用太陽能推進(jìn)的地火轉(zhuǎn)移飛行器，DRA5.0設(shè)計了核動力地火轉(zhuǎn)移飛行器和化學(xué)/氣動制動地火轉(zhuǎn)移飛行器。

5) 火星上升器[65-67]：將宇航員從火星表面送到軌道上與地火轉(zhuǎn)移飛行器交會的飛行器，一般由兩級飛行器構(gòu)成，其推進(jìn)劑在到達(dá)火星表面后利用火星的資源與攜帶的部分資源進(jìn)行生產(chǎn)。表4 對比了阿波羅月球上升器、牽牛星月球上升器和載人火星上升器的部分參數(shù)[56]。

表4 阿波羅、牽牛星和火星上升器部分參數(shù)對比

6) 火星表面居住艙：宇航員在火星表面居住和生活的場所，能夠滿足6名宇航員至少550天的生活需求，且具有高可靠性。從2015年起，NASA組織了多次火星居住艙設(shè)計與建設(shè)獎項計劃，誕生了很多設(shè)計方案[68]。

7) EDL飛行器[48, 55, 69-70]：NASA按照速度將載人火星探測EDL過程劃分為高超聲速、超聲速和亞聲速/終端下降3個階段，針對這3個不同的階段設(shè)計了多種不同構(gòu)型的EDL飛行器，主要分為2類，第1類是在原有技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，主要包括傳統(tǒng)的膠囊形的飛行器和中升阻比的剛性飛行器；第2類是采用新技術(shù)重新設(shè)計，主要是采用可展開的熱防護(hù)系統(tǒng)(Thermal Protection System, TPS)材料設(shè)計的飛行器，包含在框架上安裝柔性TPS薄膜的自適應(yīng)可展開進(jìn)入和放置技術(shù)(Adaptive Deployable Entry and Placement Technology, ADEPT)飛行器和用柔性TPS薄膜覆蓋的充氣堆疊環(huán)面結(jié)構(gòu)構(gòu)成的高超聲速充氣氣動減速器(Hypersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator, HIAD)，這一類飛行器在EDL過程中才會展開，能夠減小運(yùn)載火箭整流罩的半徑以及地火轉(zhuǎn)移飛行器的容積。目前ADEPT已完成多次縮比模型的小型飛行測試，HIAD也已完成多次熱脈沖實(shí)驗(yàn),如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)中的ADEPT和HIADFig.6 ADEPT and HIAD in experiments

3 載人火星探測特點(diǎn)

3.1 載人火星探測與載人月球探測對比

從1969年7月21日美國的“阿波羅11號”開始，美國相繼成功進(jìn)行了6次載人月球探測任務(wù)，成為了世界上唯一一個將人類送至地球外天體的國家，中國和前蘇聯(lián)/俄羅斯也有無人探測器在月球著陸的成功案例，相比于載人月球探測，載人火星探測所受到的約束更多。表5對比了載人火星探測和載人月球探測任務(wù)的區(qū)別[31]。

從表5可知，載人火星探測的任務(wù)周期更久，且物資補(bǔ)給受限于火星發(fā)射窗口，每26個月一次。另外，很重要的一點(diǎn)是，載人月球探測的雙向通信延遲約為2.6 s，在著陸的過程中地面的科技人員能夠介入到整個EDL過程以提高成功著陸的概率，而載人火星探測的雙向通信延遲為6～44 min，而整個EDL過程僅約8 min，使得地面工作人員無法介入EDL過程，這對載人火星探測的自主性、可靠性與安全性提出了更高的要求。綜上，雖然目前已有載人月球探測的經(jīng)驗(yàn)，但載人火星探測還存在極大的挑戰(zhàn)等待解決。

表5 載人月球探測與載人火星探測對比[31]

3.2 載人火星探測EDL過程的特點(diǎn)

可以將載人火星探測的EDL過程特點(diǎn)總結(jié)如下[23, 30, 32, 49, 73-75]。

1) 進(jìn)入質(zhì)量極大：一般而言，無人火星探測器的質(zhì)量大部分在1 t左右，載人地球再入質(zhì)量在10 t以內(nèi)，而載人月球探測和載人火星探測由于有上升返回裝置等，質(zhì)量都較大，載人月球探測一般在20 t以內(nèi)，而由于載人火星探測需要保證宇航員在火星表面的長時間正常生活及工作且補(bǔ)給周期比載人月球大得多，因此載人火星探測一般則在40 t以上。

2) 減速技術(shù)革新：載人地球再入和載人月球探測僅需利用單一的減速方式就能將探測器的速度減速到安全范圍，減速方式分別為減速傘和反推力器；但火星大氣稀薄，大氣進(jìn)入段和減速傘段無法將火星著陸器速度減到安全值，仍需要利用反推發(fā)動機(jī)(或者緩沖氣囊及空中吊車等)技術(shù)繼續(xù)吸收或抵消動能以保證著陸安全。特別是載人火星探測器，由于質(zhì)量極大，若僅采用減速傘減速，則要求減速傘的面積極大，將增加任務(wù)的難度和著陸失敗的概率，因此，載人火星探測器往往在高超聲速階段就需要采用具有革新技術(shù)的超聲速反推力器代替減速傘進(jìn)行減速。

3) 著陸精度更高：在載人火星探測任務(wù)中，往往將整個探測任務(wù)需求的物資及載人任務(wù)艙分別在多次發(fā)射窗口中分別發(fā)射到達(dá)火星表面，要求每次單獨(dú)發(fā)射的物資及載人任務(wù)艙在到達(dá)火星表面的位置盡可能的靠近，因此，一般要求著陸精度能達(dá)到50～100 m。

4) 測控系統(tǒng)種類少但要求更高：載人地球再入能夠調(diào)用地面豐富的測控網(wǎng)絡(luò)對返回艙進(jìn)行測控，而火星探測任務(wù)僅能利用特定的天基和地基測控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測控，相對而言種類較少。但是為了能達(dá)到載人火星任務(wù)的需求，對測控系統(tǒng)的要求將比載人地球再入更高。

5) 任務(wù)階段不同：無人火星探測任務(wù)的著陸過程一般包括進(jìn)入、下降與著陸(EDL)3個階段[76]，而無人火星采樣返回任務(wù)和載人火星探測任務(wù)中還需要保證樣品或宇航員能夠從火星表面安全返回到地球，所以需要包含火星EDL和上升、返回等5個階段[57]。

4 載人火星探測體系構(gòu)成及挑戰(zhàn)

4.1 載人火星探測體系構(gòu)成

綜合已有的火星探測計劃和進(jìn)展情況，本文總結(jié)給出了載人火星探測體系結(jié)構(gòu)，如圖7所示。主要包含無人探測系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、火星表面應(yīng)用系統(tǒng)和測控系統(tǒng)。

圖7 載人火星探測體系構(gòu)成Fig.7 Composition of human Mars mission systerns

1) 無人探測系統(tǒng)：主要包括火星軌道器、前期的無人漫游車以及前期投放的無人無線電信標(biāo)等構(gòu)成，目的是對載人探測的環(huán)境進(jìn)行考察以及著陸點(diǎn)選址、技術(shù)驗(yàn)證和無線電導(dǎo)航等。

2) 運(yùn)輸系統(tǒng)：包括運(yùn)載火箭、地球再入飛行器和多種不同的火星飛行器。星際轉(zhuǎn)移飛行器實(shí)現(xiàn)地球軌道與火星軌道間的轉(zhuǎn)移，完成宇航員及物資在地球軌道和火星軌道之間的運(yùn)送；著陸與軌道居住艙是宇航員在軌道轉(zhuǎn)移和EDL過程的居住艙，也能在火星表面使用；火星上升器將宇航員從火星表面運(yùn)送至火星軌道。

3) 火星表面應(yīng)用系統(tǒng)：其中包括居住艙是宇航員在火星表面的居住場所；科學(xué)實(shí)驗(yàn)艙是宇航員在火星表面進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的場所；環(huán)控生保系統(tǒng)能夠?yàn)橛詈絾T提供生存的條件；表面漫游車提供宇航員在火星表面移動探測；原位資源利用設(shè)備即為在火星表面利用火星資源生產(chǎn)能源、推進(jìn)劑等的設(shè)備；艙外活動系統(tǒng)為宇航員艙外活動提供保障；電力系統(tǒng)保障系統(tǒng)的電力供給。

4) 測控系統(tǒng)：包括地面測控系統(tǒng)和天基測控系統(tǒng)。地面測控系統(tǒng)包括地面的各種測控網(wǎng)絡(luò)，天基測控系統(tǒng)包括中繼衛(wèi)星、導(dǎo)航及通信衛(wèi)星等，利用測控系統(tǒng)，能夠保證火星表面設(shè)備與地面科研人員的通信，傳輸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或介入火星表面設(shè)備問題處置等。

4.2 載人火星探測集結(jié)方式

載人火星探測任務(wù)的總質(zhì)量較大，超過現(xiàn)有任一運(yùn)載火箭的單次運(yùn)載能力，且若將宇航員及物資在地面組裝好一同發(fā)射則要求運(yùn)載火箭具有很大的整流罩，這都不現(xiàn)實(shí)。因此，載人火星探測需要將各個模塊分成多個批次通過不同的運(yùn)載火箭發(fā)射至地球軌道，在地球軌道進(jìn)行集結(jié)組裝然后前往火星。同樣，當(dāng)宇航員從火星表面返回地球時，先乘坐上升器到達(dá)火星軌道或者繞火軌道，與軌道上的飛船交會對接再返回地球。在阿波羅登月的開始階段，美國也提出了多種集結(jié)方式，同樣，美國也開展了載人火星探測的各種集結(jié)方式的研究，表6對比了阿波羅登月和載人火星探測主要研究的幾種集結(jié)方式。

表6 阿波羅號與載人火星探測集結(jié)方式Table 6 Assembly of Apollo and human Mars missions

在阿波羅登月任務(wù)中，科研人員在綜合考慮后最終選用了月球軌道集結(jié)的方式。針對載人火星探測的集結(jié)方式，直接起飛的出發(fā)集結(jié)方式可用于小模塊，火星表面集結(jié)的返回集結(jié)方式要求火星上升器具備足夠的運(yùn)載能力才能把在火星表面集結(jié)好的裝置送至火星軌道或繞火軌道，而上升器推力難以滿足要求，而火星繞飛軌道集結(jié)的返回集結(jié)方式因?yàn)樵诶@飛軌道上飛船的速度很大，也大大加大了集結(jié)的難度，因此，目前載人火星探測方案中大多采用地球低軌道集結(jié)或者地月軌道集結(jié)的出發(fā)集結(jié)方式和火星軌道集結(jié)的返回集結(jié)方式。

4.3 載人火星探測存在的挑戰(zhàn)

載人火星探測根據(jù)飛行器當(dāng)前所處的位置以及狀態(tài)大致可分為地球軌道、地火轉(zhuǎn)移軌道、繞火軌道、EDL過程、火星表面以及上升返回6個階段。在各個階段中，載人火星探測所面臨的主要挑戰(zhàn)各有不同，表7總結(jié)了各個階段中所要解決的主要技術(shù)難題。

表7 載人火星探測各階段的主要技術(shù)挑戰(zhàn)

NASA載人火星探測任務(wù)評估報告中介紹了以下8項技術(shù)，將EDL技術(shù)、空間推進(jìn)及能源技術(shù)、宇航員輻射安全及醫(yī)療保健技術(shù)作為3大關(guān)鍵技術(shù)[77]。

1) 在軌集結(jié)/裝配技術(shù)：完成不同模塊在地球軌道和火星軌道的集結(jié)與裝配，形成飛行器整體前往火星或者返回地球。

2) 軌道優(yōu)化技術(shù)：載人火星探測必須考慮到宇航員的安全與空間耐受能力，因此軌道轉(zhuǎn)移時間越短越好，但由于探測器質(zhì)量較大，其燃料消耗是不可回避的問題。因此，針對各方面的約束，多體軌道動力學(xué)建模、誤差分析與數(shù)值仿真、天體借力飛行軌道設(shè)計及探測器參數(shù)對軌道的影響等軌道優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)的研究是必要的。

3) 居住與活動技術(shù)：在載人火星探測任務(wù)中，運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力及運(yùn)載空間都是有限的，而且物資補(bǔ)給受限于探測窗口，所以居住與活動設(shè)備應(yīng)具備質(zhì)量小、占用空間小、能長時間滿足宇航員生活需求且具有高可靠性和可維修性。因此，在居住與活動技術(shù)中應(yīng)研究輕型可展開結(jié)構(gòu)、空氣/水封閉技術(shù)、行星表面植物種植技術(shù)及行星表面敏捷活動技術(shù)等。

4) 氣動捕獲技術(shù)[78]：氣動捕獲可以結(jié)合推力器實(shí)現(xiàn)火星制動捕獲，以減少燃料消耗，進(jìn)而減輕運(yùn)載的質(zhì)量。氣動捕獲是一種風(fēng)險相對較低的技術(shù)，主要包含10個步驟，如圖8所示，盡管目前氣動捕獲技術(shù)未在實(shí)際任務(wù)中實(shí)施，但研究已經(jīng)證實(shí)了其可行性。

圖8 火星氣動捕獲過程Fig.8 Process of Mars aerocapture

5) 宇航員輻射安全及醫(yī)療保健技術(shù)[79]：宇航員需要長時間生活工作在輻射的微重力狹窄空間中，因此，需要研究食物營養(yǎng)及其長時間存儲技術(shù)、微重力下失調(diào)效應(yīng)減弱技術(shù)、輻射防護(hù)與裝備、醫(yī)療診斷與治療設(shè)備以及宇航員在孤立狹窄環(huán)境生理和心理壓力緩解等，提供周全的措施來保障宇航員的身心健康。

6) 空間推進(jìn)及能源技術(shù)：由于軌道轉(zhuǎn)移時間長、宇航員生活時間長、設(shè)備工作時間長，要求具備大量的能源供設(shè)備及推力器使用，但是由于運(yùn)載能力有限，所攜帶的能源有限，因此需要研究核動力推進(jìn)技術(shù)、空間核電技術(shù)、空間太陽能技術(shù)以及原位資源生產(chǎn)技術(shù)等。

7) 熱防護(hù)技術(shù)：在EDL過程中，探測器與火星大氣接觸摩擦產(chǎn)生巨大的熱量，熱防護(hù)技術(shù)是世界公認(rèn)的、有待進(jìn)一步提高和發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。其與探測器的氣動外形設(shè)計和熱防護(hù)材料等高度相關(guān)，需要綜合考慮多方面因素和新材料技術(shù)水平。當(dāng)前熱防護(hù)主要突破方向包括低密度隔熱材料、疏導(dǎo)式熱防護(hù)、防熱結(jié)構(gòu)集成和熱力耦合分析等技術(shù)。

8) EDL技術(shù)：EDL過程是整個探測過程中最兇險的階段，整個EDL過程約為8 min的時間，要求探測器在這么短的時間內(nèi)從高超聲速狀態(tài)減速至保證安全軟著陸的速度，整個過程存在多方面約束和挑戰(zhàn)，具體見第5節(jié)。

5 載人火星探測EDL的GNC關(guān)鍵技術(shù)

5.1 載人火星探測EDL過程面臨的挑戰(zhàn)

本文在表8中對比了無人火星探測任務(wù)與載人火星探測任務(wù)的EDL過程的部分區(qū)別。

表8 無人火星探測與載人火星EDL過程對比

相比無人火星探測任務(wù)，載人火星探測質(zhì)量大，至少為40 t，而且由于火星大氣稀薄，而載人火星探測的質(zhì)量大，傘降減速效果不明顯且所需減速傘過大，需要采用超聲速反推力器在探測器仍處于超聲速狀態(tài)就開始工作進(jìn)行減速。同時載人火星探測貨運(yùn)及載人飛船是分批次到達(dá)火星表面再進(jìn)行組裝的，這就要求著陸精度為50～100 m 的著陸精度。這些要求都增加了探測任務(wù)的難度。而載人火星探測由于前期發(fā)射了相應(yīng)數(shù)量的貨運(yùn)著陸器、軌道器以及先期的無人火星探測器等表面設(shè)備，使得載人火星探測能夠利用的火星軌道器與火星表面設(shè)備的數(shù)量比無人火星探測的數(shù)量更多，載人火星探測可以利用設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)航以提高著陸精度。同時，載人著陸器在著陸過程中宇航員在必要時可進(jìn)行操控以提高安全性，這兩方面又是能夠降低任務(wù)難度的。

載人火星探測EDL過程主要有以下難點(diǎn)和約束條件[23, 73, 80]：

1) 著陸精度高：如3.2節(jié)所述，載人火星探測任務(wù)要求著陸精度為50～100 m。而火星的大氣復(fù)雜多變、著陸過程易受到陣風(fēng)等影響。為提高著陸精度，需要開展高精度導(dǎo)航系統(tǒng)、建立高精度火星大氣模型、建立探測器高精度動力學(xué)模型、高超聲速制導(dǎo)與控制技術(shù)等研究。

2) 火星大氣稀?。河捎诨鹦谴髿庀”。环矫?，使得采用減速傘減速的效果不明顯，進(jìn)而使得采用減速傘進(jìn)行減速的方案難以實(shí)現(xiàn)，另一方面，探測器在EDL過程中減速段會持續(xù)到較低的高度，使得著陸軌跡修正、風(fēng)險規(guī)避等時間和空間均不足。因此，需要開展高超聲速氣動外形設(shè)計、高超聲速飛行器高穩(wěn)控制、高超聲速飛行制導(dǎo)、超聲速反推力器等研究。

3) 熱效應(yīng)嚴(yán)重：探測器在火星大氣中高超聲速飛行時會產(chǎn)生大量的氣動熱，為防止探測器被燒蝕或者保證探測器內(nèi)部器件不因高溫?fù)p壞，需要開展低密度隔熱材料、熱防護(hù)技術(shù)、防熱結(jié)構(gòu)集成技術(shù)和熱力耦分析等技術(shù)的研究。

4) 火星環(huán)境多變，地貌崎嶇多變：一方面由于地面崎嶇多變，欺騙了探測器攜帶的雷達(dá)測高系統(tǒng)，使得著陸器可能會過早打開或者過早/過晚開始終端下降，另一方面，在著陸的過程中，小于0.5 m的障礙難以識別，容易造成探測器與障礙發(fā)生碰撞，導(dǎo)致任務(wù)失敗，因此需要開展高精度障礙檢測與障礙規(guī)避技術(shù)、人工操控技術(shù)、高精度測高系統(tǒng)等技術(shù)的研究。

5) 過低的有效載荷比：若載人火星探測在軌道轉(zhuǎn)移、火星軌道捕獲等過程全采用推進(jìn)方式，則到達(dá)火星表面1 t的物體，在地球低軌道的質(zhì)量約為20 t；即使火星軌道捕獲采用氣動捕獲的方式，在地球低軌道質(zhì)量也在5～6 t左右。

6) 火星大氣是復(fù)雜多變的，受到很多因素的影響，隨著溫度、季節(jié)和光照等變化，而且火星的大氣模型呈現(xiàn)非線性，缺乏精確的建模。

7) 在EDL過程中存在通信黑障段，無線電通信不可用，且拋棄熱防護(hù)罩前，部分導(dǎo)航敏感器被遮擋不能正常工作。

8) 探測器EDL過程速度大、狀態(tài)變化快，整個過程持續(xù)的時間小于地火通信延時，地面科研人員無法干預(yù)EDL過程。

9) 器載宇航計算機(jī)的計算能力有限，要求GNC設(shè)計相對簡單以滿足實(shí)時性。

10) 缺乏充足的先驗(yàn)信息，無法進(jìn)行精確建模，缺乏仿真數(shù)據(jù)和設(shè)備，使得很多實(shí)驗(yàn)無法真實(shí)模擬火星探測EDL過程。

11) EDL全過程模擬技術(shù)：地面的設(shè)備難以準(zhǔn)確地模擬載人火星探測的EDL過程，以提高EDL的設(shè)計可靠性與安全性。

5.2 載人火星探測EDL過程導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

載人火星探測EDL過程中，由于通信黑障段和防熱罩的原因，使得部分導(dǎo)航傳感器在某些階段或某些狀態(tài)下無法使用，限制了導(dǎo)航可用信息源，而且無法建立精確的導(dǎo)航模型，在設(shè)計及驗(yàn)證過程中需要依賴假設(shè)和預(yù)測，要求導(dǎo)航系統(tǒng)具備自主性、魯棒性和自適應(yīng)能力。另外，為了在器載宇航計算機(jī)運(yùn)算能力有限的情況下保證導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的實(shí)時性，要求導(dǎo)航算法簡單易實(shí)現(xiàn)。因此，導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)：

1) 在線建模與校正技術(shù)：將探測器的EDL動力學(xué)模型引入導(dǎo)航系統(tǒng)中，且具備在線建模與校正能力。即實(shí)時測量氣動參數(shù)以提高模型精度，同時建模時應(yīng)考慮高階火星重力場模型、火星自轉(zhuǎn)及科氏力等影響，以提高導(dǎo)航精度。

2) 構(gòu)建類GPS導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)：隨著火星探測計劃的實(shí)施，越來越多的火星軌道環(huán)繞器運(yùn)行在繞火軌道中，可以利用這些軌道器建立類似于GPS的導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)，以提高EDL過程的導(dǎo)航精度，如圖9 所示。

圖9 火星類GPS網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.9 Illustration of Mars GPS network

3) 無線電測量技術(shù)：利用火星軌道器或者先期任務(wù)中留在火星表面的探測器或者前期已著陸的貨運(yùn)飛船等火星表面設(shè)備建立無線電測量系統(tǒng)，進(jìn)行無線電測量導(dǎo)航，如圖10所示。

圖10 火星無線電測量導(dǎo)航示意圖Fig.10 Scheme of Mars radio-based navigation

4) 組合導(dǎo)航技術(shù)[73, 81-82]：防熱罩分離前，采用無線電測量信號、類GPS導(dǎo)航信號與慣性測量單元(IMU)導(dǎo)航信息進(jìn)行組合導(dǎo)航，如圖11[83]所示；防熱罩分離后，雷達(dá)正常工作，采用雷達(dá)、類GPS和IMU進(jìn)行組合導(dǎo)航，且為了避免相互干擾，雷達(dá)打開后應(yīng)將無線電信號關(guān)閉；在著陸段，此時探測器的高度相對較低，視覺導(dǎo)航開始起作用，可以利用視覺、激光雷達(dá)、類GPS與IMU進(jìn)行組合導(dǎo)航。組合導(dǎo)航技術(shù)如圖12所示。

圖11 無線電組合導(dǎo)航示意圖[83]Fig.11 Integrated navigation scheme of radio and IMU[83]

圖12 視覺、激光雷達(dá)與IMU組合導(dǎo)航示意圖Fig.12 Navigation scheme of vision, Lidar and IMU

5.3 載人火星探測EDL過程制導(dǎo)與控制關(guān)鍵技術(shù)

載人火星探測EDL過程著陸精度要求高，難以建立精確的動力學(xué)模型用于制導(dǎo)與控制設(shè)計，而且在設(shè)計過程很大程度上依賴于蒙特卡羅仿真。另外EDL過程存在不確定性，使得大氣進(jìn)入段和動力下降段難以精確交班，且在動力下降段所能用來進(jìn)行軌跡修正、風(fēng)險規(guī)避等的時間和空間不足，這些都加大了制導(dǎo)與控制設(shè)計的難度。為此，要求制導(dǎo)與控制方式為自主閉環(huán)的制導(dǎo)與控制方式，能夠?qū)崟r規(guī)劃修正軌跡，且具備高可靠性與容錯能力。制導(dǎo)與控制關(guān)鍵技術(shù)分為在線優(yōu)化、軌跡跟蹤、反饋制導(dǎo)與智能容錯4個模塊，共9項技術(shù)，如圖13所示。

圖13 制導(dǎo)與控制技術(shù)分類Fig.13 Classification of guidance and control technology

1) 在線建模與校正技術(shù)：實(shí)時測量氣動參數(shù)在線提高模型精度；同時，建模時應(yīng)考慮高階的火星重力場、火星自轉(zhuǎn)等因素。

2) 軌跡優(yōu)化與快速在線重規(guī)劃技術(shù)：一方面，EDL過程具有大不確定性，可采用智能優(yōu)化算法進(jìn)行EDL軌跡優(yōu)化，如遺傳算法、粒子群算法等；另一方面，EDL過程探測器與標(biāo)稱軌跡間存在誤差，快速在線重規(guī)劃能夠提高著陸精度。

3) 標(biāo)稱軌跡與跟蹤制導(dǎo)綜合設(shè)計：將標(biāo)稱軌跡和跟蹤制導(dǎo)分開設(shè)計的方法若控制系統(tǒng)跟蹤標(biāo)稱軌跡的能力很弱，制導(dǎo)的性能將會嚴(yán)重下降，為了提高制導(dǎo)的精度，應(yīng)進(jìn)行標(biāo)稱軌跡與跟蹤制導(dǎo)綜合設(shè)計。

4) 魯棒自適應(yīng)自主制導(dǎo)與控制技術(shù)：利用魯棒控制理論、自適應(yīng)控制理論等設(shè)計自適應(yīng)制導(dǎo)與控制算法，比如基于指令發(fā)生跟蹤器的直接模型參考自適應(yīng)跟蹤控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制等。文獻(xiàn)[84]以速度作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計了自適應(yīng)動力下降段初態(tài)的制導(dǎo)方法，如圖14所示。

圖14 自適應(yīng)動力下降段初態(tài)制導(dǎo)框圖[84]Fig.14 Guidance with adaptive powered descent initiation[84]

5) 自主風(fēng)險監(jiān)測與規(guī)避技術(shù)：火星表面碎石、溝壑等障礙會影響著陸安全，探測器應(yīng)具備自主風(fēng)險監(jiān)測與規(guī)避能力，確保著陸安全，圖15中給出了基本的技術(shù)流程圖。

圖15 自主風(fēng)險監(jiān)測與規(guī)避技術(shù)流程Fig.15 Flow chart of autonomic risk monitoring and avoidance technology

6) 大氣進(jìn)入與動力下降一體化制導(dǎo)技術(shù)：將大氣進(jìn)入段與動力下降段綜合考慮，尋找滿足約束條件的交接點(diǎn)，一體化設(shè)計滿足條件的大氣進(jìn)入與動力下降的制導(dǎo)律。文獻(xiàn)[85]利用計算制導(dǎo)方法設(shè)計了大氣進(jìn)入段與動力下降段一體化制導(dǎo)律，制導(dǎo)框圖如圖16所示。

圖16 大氣進(jìn)入與動力下降一體化制導(dǎo)設(shè)計框圖[85]Fig.16 Block diagram of integrated guidance from entry to powered descent[85]

7) 人在閉環(huán)控制技術(shù)：在載人火星探測的EDL過程中，若自動著陸系統(tǒng)故障或者其他情況發(fā)生，使得探測器無法自主完成著陸任務(wù)，宇航員可以介入探測器的著陸過程，進(jìn)行著陸點(diǎn)重新選址、障礙規(guī)避和著陸控制，以保證安全，在阿波羅月球探測器已經(jīng)成功應(yīng)用了人工操縱[86]。

8) 容錯控制技術(shù)：為提高著陸過程的可靠性與安全性，容錯控制方案必不可少，如基于改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的容錯控制、直接模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)重構(gòu)等。

9) EDL不確定性量化技術(shù)[87-90]：無論無人火星探測還是載人火星探測，在EDL過程中，探測器的初始狀態(tài)、系統(tǒng)參數(shù)、外界環(huán)境參數(shù)等均存在不確定性，傳統(tǒng)采用蒙特卡羅對不確定性進(jìn)行分析的方法計算效率低，因此需要開展EDL不確定性量化技術(shù)的研究，為EDL不確定性的影響提供高精度且高效分析。

6 結(jié) 論

目前美國、歐空局等在無人火星探測方面已經(jīng)取得了顯著的成績，近些年來以美國為首的國外航天機(jī)構(gòu)已經(jīng)開展了不少關(guān)于載人火星探測任務(wù)的方案及技術(shù)研究，并取得了豐富的研究成果。本文旨在調(diào)研國外目前載人火星探測的方案及技術(shù)研究成果，總結(jié)了載人火星探測的體系構(gòu)成、集結(jié)方式和存在的挑戰(zhàn)，系統(tǒng)的針對EDL過程存在的挑戰(zhàn)給出了GNC相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，為中國未來的載人火星探測的方案及技術(shù)研究提供一定的參考和學(xué)術(shù)思路。