1.3 载人深空探测任务面临的挑战

载人近地轨道任务和无人深空探测任务涉及的相关技术，距离实施载人深空探测任务还存在相当差距，如图1-7所示。重点围绕“去、登、回、驻、用、人”等方面的因素，对载人深空探测任务进行对比研究，主要存在以下四个方面的突出科技问题。

（1）“去、登、回”的问题。面向有人参与的深空探测任务，解决运载火箭发射、载人深空运输、地外天体进入、着陆、起飞以及再入返回等飞行过程面临的科学技术难题，即解决如何保障人员精确可靠到达、着陆地外天体并安全起飞返回地球的问题。

（2）“驻”的问题。面向长期飞行及地外天体长期驻留任务，如月球基地任务、载人火星探测任务、火星基地任务等，解决保障人类的居住、生活、环境所面临的科学技术难题，即解决如何保障人员在长期飞行及长期驻留任务时的居住及生活环境问题。

（3）“用”的问题。“用”是有人参与的深空探测任务的长远目标，旨在对地外天体实施开发利用，甚至长期移民。面向航天员在地外天体机动和作业及开发利用外太空资源的长远目标，解决人类在地外天体作业及开发利用外太空资源中所涉及的科学技术难题，即解决如何保障人员在地外天体的大范围机动和作业问题。

（4）“人”的问题。“人”是有人参与的深空探测任务的核心，有人的存在就需时刻保障人员的健康和安全。面向有人参与的深空探测任务特点，解决人类在执行长期飞行和地外天体作业任务期间面临的健康与安全问题，探索人类生命起源的本质，即解决如何保障人员执行长期任务期间的健康和安全问题，同时提高人员的工作绩效。

这四个方面涉及载人飞行器总体技术，动力与能源技术，空间热物理技术，制导、导航与控制技术，着陆回收技术，材料、结构与制造技术，环境控制与生命保障技术，人机联合作业技术，原位资源利用技术，月球及行星科学，空间生命科学，航天医学，哲学等多个科学技术领域。

1.3.1 “去、登、回”面临的挑战

保障人员精确可靠到达、着陆地外天体并安全起飞、再入返回地球是面向载人月球/小行星/火星探测等任务的最基本要求，主要包括以下三个方面的科学技术问题。

1．载人往返运输问题

与无人深空探测相比，有人参与的深空探测任务的飞行器系统规模大幅增加。一般情况下载人飞行器的体积和质量是无人飞行器的几倍至十几倍，因此直接导致对运载火箭运载能力的需求大幅提升，例如美国阿波罗载人登月计划所用的土星5号重型运载火箭近地轨道最大运载能力约120t。如此规模的运载火箭在研制上存在诸多难题，如研制重型发动机、大型箭体的加工制造等。同时，为尽可能地降低飞行器系统规模，必须提升深空探测飞行器轨控主发动机的比冲，例如采用低温化学推进或核推进的方式。因此需重点研究大推力液体火箭发动机技术、大型箭体制造技术、先进低温推进技术、轻质低温绝热材料技术、燃料电池技术、核推进及核电源技术等。

2．载人EDLA的问题

在进入、下降、着陆和上升（Entry, Descent, Landing, and Ascent, EDLA）等任务环节，有人参与的深空探测与无人探测相比存在以下特点：①进入、着陆与起飞上升精度要求高（着陆精度为百米量级，起飞后要求在数小时内与载人飞船完成交会对接）; ②下降着陆过程质量变化大，导致控制难度提升，悬停所采用的变推力发动机要求更高（如10∶1的深度变推能力）; ③大载荷安全着陆对着陆缓冲系统形成了技术挑战。因此需重点研究确保载人员着陆安全的高精度、高安全的EDL A阶段的GNC技术、深度变推力技术、大承载高效着陆缓冲吸能材料及结构技术等内容。

3．再入返回及回收问题

有人参与的深空探测任务的再入返回及回收过程，与无人深空探测和近地航天任务相比存在明显区别：①再入走廊与再入过载限制的问题，有人参与的深空探测要设计满足第二宇宙速度再入要求的再入走廊，并且过载应限制在航天员的承受能力范围内；②热防护问题突出，第二宇宙速度再入时单位面积的总加热量较大，可达到每平方米数百兆焦，由于载人飞行器规模是无人飞行器的几倍，使热防护难度更大；③大质量飞行器回收需要展开面积几百或几千平方米降落伞支持，难度更大。因此需重点研究高速再入返回气动设计与试验技术、新型轻质热防护材料及结构技术、大承载群伞技术、气囊设计与制造技术、可控翼伞技术等内容。

1.3.2 “驻”面临的挑战

保障人员在长期飞行及长期驻留任务时的居住及生活环境是应对载人火星探测、月球基地及火星基地等长期任务的基本要求，共包含五个方面的科学技术问题。

1．行星表面基地结构及构建问题

进行地外天体表面的长期驻留，必须解决的问题就是居住问题，有了人的参与，必须构建出适合人类居住生活的密封空间，为人类生活提供必要的大气、温度和湿度环境。居住空间应满足至少20m3/人的活动空间要求，还要考虑安全性、宜居性、扩展性等问题。同时，基地还要具备高可靠、易维护、防污染的特点。因此需开展行星基地的设计与建造，以及全周期基地高可靠维护与运营技术研究。

2．航天员长期生存生命保障问题

航天员要长期驻留生存，首先要保证空气、水、食物的持续供给以及废物的有效处理。航天员每天消耗的水、空气和食物的需求量大约为20 kg/（天·人）。如果执行火星探测任务，假定3人乘组500天，则所需消耗品共计约30t，多人长期驻留则需要更多。如此规模的消耗品如果全部依靠地面运输补给，代价巨大，因此必须考虑循环利用的方法。生物再生式生命保障技术是解决这一问题的关键，利用生物循环可实现空气和水的净化、食物生产、废物处理，保持食品生产和废物处理过程中的生态平衡，维持系统运行的稳定性。因此需开展植物栽培技术、动物饲养技术、废物处理与再利用技术以及生命保障系统集成建造技术研究。

3．行星表面基地能源问题

充足的能源供给是行星表面基地正常运行的基本保证。与无人任务相比，有人参与的行星表面基地任务能源需求更大，包括通信导航、生命保障、热控、作业等系统。与航天员有关的居住、生活、照明、图像话音传输、娱乐、健康支持、卫生系统，生物再生式生命保障系统的维持，基地的建设、维护和发展等工程建设作业，载人机动车辆、机器人等行星表面作业的支撑设备等都需要能源的供给和补充。这些都导致有人参与的行星表面基地能源消耗量巨大（高达数十甚至数百千瓦）。同时，为保证乘员安全，还需考虑夜间供电、能量传输和可靠性、安全性问题。因此需重点研究模块化、轻型核能技术、利用放置环月轨道太阳能电站的无线能量传输技术，以及能源系统健康监测及智能处理技术。

4．行星表面基地热控问题

与无人探测任务相比，有人基地规模更大，系统更为复杂，热耗也相对大大增加，主要表现为以下几个方面：有人基地的外形尺寸和内部发热功率大，热量主要集中于密封舱内，而且内部热负荷变化也较大，导致热排散难度大；环境控制系统与热控系统存在较多的物质及能量的耦合，增加了热控制的技术难度；基地的热控设计要适应不同阶段、不同工作模式的热特点与热要求，工作模式显著增多；行星表面基地的长寿命要求热控方案具有更高的可靠性、安全性与可维修性设计。因此需重点研究大规模热量传输技术、高效热量排散技术以及环热电一体化技术。

5．行星环境保护问题

行星环境保护所关注的问题主要包括两个方面：一方面是地球生命（如微生物）对地外天体的污染，这会对地外天体的生命探索活动产生干扰，甚至影响到地外天体的生命活动特征；另一方面对于无人返回任务以及有人任务而言，由于目前除了地球以外的其他天体还不能确定是否有生命的存在，因此地外天体对地球污染的可能性也不能排除。因此行星环境保护应面向“正向污染”和“逆向污染”两个方面采取措施，包括飞行器灭菌处理和生物净化技术，也包括返回样本隔离存储技术。

1.3.3 “用”面临的挑战

保障人员在地外天体的大范围机动和作业是面向载人登月、月球基地、载人登小行星、载人登火星、火星基地任务，实施深度探测和开发利用地外天体目标的基本要求，共包含五个方面的问题。

1．载人机动系统问题

人类对地外天体进行环境探测与考察，必须有大范围载人机动系统的支持，包括非密封和密封增压的载人行星车辆。与无人探测相比，有人参与的深空探测任务在载人机动系统方面存在以下突出问题：机动速度要求更快，移动速度至少可达到10km/h，目前玉兔号无人月球车的巡视速度是200m/h；承载能力要求更大，能够搭载多名航天员和大量的样品以及试验设备；具备持续的环控生保支持能力，航天员作业必须穿着航天服，为满足航天员实现更大范围的机动作业的需求，机动系统必须具备环控生保支持能力；满足人机工效学的要求。此外，火星飞机、火星飞艇等新型的机动技术，也有可能成为未来支撑载人深空探测任务天体表面作业活动的关键。

2．航天员出舱活动支持及能力增强问题

航天员出舱作业活动的支持及能力增强问题，是为了提高航天员出舱作业的安全和工作效率。航天员地外作业需要穿着航天服，航天服必须具备质量轻、灵活性高等特点。因此对新型航天服的研究提出了挑战，包括材料的选择、构型的设计、人机工效等问题。此外，航天员经长期飞行，登陆地外天体，经历多种重力环境后，航天员作业能力会有所下降，因此航天服的设计还应该考虑航天员作业的能力增强问题。载人深空探测任务主要采用人机配合协同作业模式。这需要两方面的支撑：一是智能化的机器人；二是建立人机交互的通道，发展先进的、满足地外天体特殊作业要求的人机交互技术，例如智能机器人及先进舱外航天服技术、机械外骨骼技术、自主控制技术、脑机接口技术、先进人机交互技术等。

3．航天员参与的维修作业问题

由于地外天体环境复杂、恶劣，以及飞行器系统设计上难免存在薄弱环节以及元器件的使用寿命有限，因此不可避免地会发生各种故障。一旦深空探测任务中发生故障问题，航天员无法像近地任务一样快速安全返回，维修和更换是排除故障的重要途径。有人参与的维修作业面临的必须研究和解决的问题包括可维修性问题、可操作性问题及安全性问题。维修必须考虑人的安全性的问题，维修过程必须保证航天员不会受到电击、划伤、碰撞等伤害。

4．原位资源利用问题

原位资源利用（In Situ Resource Utilization, ISRU）是勘测、获取和利用地外天体的天然或废弃的资源，用于维持人类可长期在地外生存的产品和服务的技术，可以降低发射质量、成本和风险。以月球为例，如果在月球上生产1000 kg的氧用于推进剂和生保支持，则可节省8000 kg的发射质量。ISRU技术主要是指利用地外天体的当地原始资源，提炼所需要的推进剂、水和氧等消耗品，以及利用土壤制造建筑材料等产品，满足人类在地外天体长期生存和工作的需求。ISRU主要研究内容包括：行星资源的勘探和测绘技术、行星表面能量的利用技术、行星表面推进剂获取和制备技术、消耗品的制造和储存技术，以及建筑材料的原位制造等内容。

5．行星科学的深度认知问题

行星科学是关于行星系统的科学。行星系统是指围绕恒星（如太阳）运动的行星及其卫星、矮行星、小行星、流星体、彗星和行星际尘埃。行星科学主要研究内容包括天体的大小与形貌、空间与表面环境、物质组成和分布、地质构造、内部物理场与结构等。实施行星实地考察，通过无人实地探测和有人实地考察均可实现，但在认知程度上存在不同。在探测过程中，人的主观性和智能性是任何机器无法比拟的。在实地科学考察过程中，经过培训的航天员可以根据智慧和知识，分层次、分类别地选择样品采集的地点和采集对象，可以凭借洞察力和敏锐性观测到瞬间即逝或者随机出现的自然现象并快速记录，这些均是无人探测所无法做到的。有人参与的行星实地科学考察是实施行星科学认知的最高手段。通过对行星起源、演化和物理状态的研究，能使人类更好地了解地球，这就是比较行星学的观点。如果把地球从类地行星中孤立出来，则无法对我们自己这颗高度演化的、复杂的行星起源和演化史做出合乎逻辑的理解。

1.3.4 “人”面临的挑战

保障人员长期任务中的健康和安全是面向载人登月、月球基地、载人登小行星、载人登火星、火星基地任务，确保实施有人参与任务的基本要求，主要包括五个方面的问题。

1．空间基础生物学问题

在有人参与的深空探测任务中，航天员将经历更长时间的空间飞行和地外天体居留，航天员在空间飞行环境下的生命保障、健康维护和工作绩效等问题关系到航天探索任务的成败。在航天医学研究中，空间复合环境下的心血管功能失调、骨质流失、肌肉萎缩、免疫功能减弱、神经系统功能障碍、空间运动病、时间节律改变、心理变化等问题，以及植物在不同重力环境下生长规律特点等问题，都必须以空间基础生物学为理论支撑，目前这些生物学效应背后都还存在许多未解之谜。空间基础生物学包括空间重力生物学、空间辐射生物学及空间微生物学等。

2．变重力生理效应与防护问题

变重力生理效应是航天员在深空探测任务中面临的重要生理问题之一。长期处于微/低重力环境中对人体影响最大的是运动系统及骨骼系统的变化，长时间的作用将引起肌肉系统的废用性变化，即使采取一定的防护措施，肌肉萎缩症状仍会发生。此外，人体的心血管、免疫系统等也会产生不同的生理变化。这些变化可能会影响航天员的健康和工作绩效，从而影响探测任务科学目标的完成。因此需要掌握人体在变重力环境下的生理规律，研究对抗及防护措施。

3．地外环境效应与防护问题

航天员在长期飞行或地外生存作业过程中，面临的辐射、星尘等特殊环境因素会对人体造成显著影响，包括空间辐射问题，长期空间辐射将造成组织破坏、癌症、白内障、生殖系统影响和后代发育畸形等危害；以及星尘问题，在低重力条件下，呼吸道对粉尘的净化作用会下降，航天员一旦吸入星尘，就会导致呼吸系统中度中毒，甚至患上慢性疾病。此外，星尘本身形状锋利，一旦人体沾染就可能对皮肤、呼吸道黏膜、眼睛等产生物理性损伤。当前美国认为重返月球的最大问题就是月尘问题，每年都召开相关学术会议进行研讨。

4．航天员健康监测与维护问题

随着深空飞行时间的延长，航天员罹患疾病和受到意外伤害的概率增加，加之失重、辐射、噪声、振动、昼夜节律改变等航天环境因素对人体不利影响的累积，对人体生理应激作用等，将影响航天员健康状态，增加疾病风险。同时，随着飞行时间的延长，航天器系统故障发生概率增加，可能出现有害气体中毒、低压缺氧、烧伤等紧急医疗事件。因此需重点开展航天员健康风险与预防措施，以及航天员健康监测技术研究。

5．航天员心理健康与伦理问题

长期在轨飞行，密闭狭小空间、有限人群交流、单调生活与高负荷工作以及人工和透射光暴露等因素，会对航天员造成心理负面影响。航天员长期存在负面心理问题，会对任务的执行甚至成败构成威胁。与心理问题同样重要的还有伦理问题，如航天员意外死亡，该如何处理尸体；航天员临终前是否应立下遗嘱；长期任务中的男女关系如何处理等。这些问题不解决，长期有人参与的深空探测任务就很难顺利实施。因此需重点开展长期飞行行为与心理健康研究、航天员心理健康监测与维护及长期飞行任务中的伦理学研究。此外，从哲学、法律、社会学的角度出发，建立有人参与的深空探测实施原则，指导有人参与的深空探测任务的实施。

随着工程实践的不断深入，人们发现在载人深空探测飞行的征途上遇到的风险和挑战还远远不止上述提出的问题，随着世界各国研究的不断深入，还会有其他意想不到的新问题产生。