近日，在武汉举办的2024年中国航天大会上，在“航天运输航班化研制与运营新模式研究学术论坛”上，清华大学航天航空学院介绍了提出的载人登月航班化运输大系统方案，并介绍了关于载人登火星航班化运输大系统的初步构想。

中国政府已经正式宣布将在2030年实施载人登月，并且计划在2040年实施载人登火星。国际社会的共识是未来将在在月球和火星上建立永久基地，进行科学研究和资源获取，并将火星建设成为人类的第二个家园。为实现这一目的，必须建立航班化运输系统，以满足地-月和地-火之间频繁的人员和物资运输需要。然而，要实现可持续的航班化运输，需要首先回答诸如：如何降低运输成本、如何保证可靠性和安全性、如何保证乘客的舒适性、如何缩短运输时间、如何做到环境友好等问题。

地球、月球和火星三者的重力相差巨大，月球的重力仅仅是地球的六分之一，火星也仅是地球的三分之一。月球没有大气层，虽然火星被大气层包围，但密度不到地球的百分之一。这些环境因素导致对载人飞行器的设计要求差异巨大，为满足这些设计要求和使用要求，飞行器系统会更加复杂，进而产生可靠性和安全性问题；加之星球之间相距遥远，如果采用同一个飞行器完成往返飞行，不仅需要携带大量的呆重进行飞行，而且需要途中进行燃料补给，经济性和运输效能都存在严重问题。为降低成本，航班化运输突出的是可重复使用。美国的航天飞机可以认为是世界上第一个可重复使用的飞行器。美国航天飞机挑战者号在重复使用的过程中，发动机密封圈出现问题，导致在起飞过程中空中燃烧解体；哥伦比亚号在返回地球途中因防热瓦脱离导致其在强烈的气动加热过程中解体，这也成为美国航天飞机计划终止的直接原因。地球和火星之间的运输存在二次着陆过程的超高温气动加热，如果重复使用，这对如何保证安全性和可靠性都将是严重的挑战。

清华大学航天航空学院所提出的航班化运输大系统方案的出发点是实施“解耦”，不仅将不同类型的任务目标进行解耦，而且将不同的载荷及环境进行解耦，即将设计要求进行解耦。任务目标解耦是用不同的飞行器完成不同的任务目标，载荷环境解耦是用不同的飞行器承受不同的载荷并经历不同的环境。恰当地定义任务目标，可以做到任务目标和载荷及环境一一对应。在方案中，将任务目标分成三种：进出地球、进出月球/火星、地-月/地-火之间飞行。显然，这样将载荷环境也进行了解耦，飞行器一次飞行仅经历一次强烈的气动加热过程，这也为检查飞行器的防热结构和发动机系统提供了更多的机会。为实现这样的任务目标分解，需要建立环绕地球的空间站、环绕月球的月球轨道站和环绕火星的火星轨道站。建立月球和火星轨道站需要投入大量的技术、人力和物力，但这也将成为国际合作的支撑点。当然，航班化运输的大规模使用会很快冲抵轨道站的研发和建造成本。

人类在月球长期驻留和实现火星移民的前提条件是能够在当地获取水、氧气和食物，而经由水可以分解出氢气和氧气进而加工成液体乃至固态氢和氧，从而获取飞行器燃料（原位资源利用，In-Situ Resource Utilization)。此外，人类也在持续探索用其它方法生产出飞行器燃料，并和改造火星大气层的努力相结合。鉴于月球和火星上都存在水，这使得通过月球和火星轨道站对飞行器进行燃料补充成为可能。

图1是2030年载人登月的运输系统方案，在这个方案中，所有飞行器都是一次性使用的。图2给出了三种航班化运动大系统构成方案，分别是利用现有空间站、经由月球轨道站中转、和同时经由空间站和月球轨道站中转。第二和三种方案和月面长期驻留的任务目标相契合，第三种方案也最具经济性，但都需要以月面可以提供飞行器燃料为前提条件。

关于地球和火星之间的航班化运输大系统，参照地球和月球之间的航班化运输方案，可以有以下五种方案：在拉格朗日点建立中转站，进行中途补给；一个运载器主体实施往返，中途进行补给（包括补充燃料）；在月球表面建立中转站，或者利用月球轨道站进行中转；一个运载器，火星表面补给燃料；在近地轨道和近火星轨道建立中转站，更换运载器以适应不同的飞行载荷环境，补充燃料。最后一个方案更具有可持续性，但前提同样是人类在火星上具备了生产燃料的能力。

图1：现行的载人登月运输大系统方案

图2：地-月间航班化运输大系统方案