登上月球是人类航天史上的一个重要里程碑，而下一个重量级的里程碑，应该是载人探测火星。随着人类的目光再一次投向深空，载人探测火星也随之提上日程。美国虽然放弃了“星座”计划，但仍计划2030年代中期执行载人火星任务。下面介绍美国航宇局格伦研究中心“指南针”团队提出的使用太阳能电推进-化学推进系统的载人火星探测概念。
　　火星之旅有多道难关
　　1969年人类就完成了载人登月，而载人火星任务却还遥遥无期，这一方面是美苏航天竞赛退潮的因素，更主要的还是火星任务的难度。
　　载人火星任务的困难之一是漫长的旅途——往返需要500天以上，而阿波罗登月计划中飞行时间最长的“阿波罗”17号也仅有12天14小时。漫长的飞行时间对航天器的环境控制和生命维持系统提出了很高的要求。尤其是人类对深空飞行的辐射防护了解有限，如何确保航天员免受在长期飞行中的高能辐射伤害，还是一个未知数。
　　载人火星任务更大的困难是巨大的速度增量要求。载人火星航行一般也是先将载人飞行器送入低地轨道，然后在低地轨道上加速，使飞行器由原来的7.6千米/秒左右的环绕速度增加到12千米/秒左右的速度，脱离地球引力，进入飞向火星的转移轨道。至于减速进入火星轨道，降落到火星表面，从火星表面起飞进入火星环绕轨道，加速脱离火星轨道以及返回地球轨道也都需要巨额的速度增量。由于目前化学推进系统比冲很低，为了提供巨大的速度增量，航天器质量势必要达到空前的数字。根据美国航宇局2008年的载人火星设计参考架构5.0的方案，使用比冲900秒左右的热核推进系统（NTR），载人登陆火星仍然需要发射7枚“战神”5号火箭外加1枚“战神”1号火箭，将约825吨的载荷送入地球低轨道，如果使用传统化学推进系统，发射质量更要高达1200吨以上，超过阿波罗计划的发射量。
　　越来越务实的美国航宇局在新探索计划中决定，在2030年代中期，只进行载人环绕火星任务。这就省去了火星表面起降步骤，大大降低了任务的难度。随着空间电推进技术的成熟，火星任务的设计迎来了一线曙光，其中太阳能电推进方案兼具了电推进系统的高比冲和太阳能发电的环保，成为载人火星任务的热门设计。
　　目前公开的载人火星任务概念覆盖了从化学推进到核电推进等诸多类型，但都有一定的局限性；化学推进方式最为成熟，研发费用最低，但性能也最差；核推进无论是热核推进还是核电推进都拥有更高的比冲，但空间超大功率核反应堆的研发费用很高，而且使用空间核推进系统在政治上也有不小的障碍；太阳能电推进系统相对化学推进系统比冲高，相对核推进系统研发费用低，但受到发电能力的限制，发动机推力有限。
　　“指南针”团队的选择
　　“指南针”团队在综合评估各种推进方案的基础上，提出太阳能电推进加传统化学推进系统的设计，这个设计方案结合了电推进比冲高和化学推进系统推力大的优点，具有更高的任务灵活性，可谓独具匠心。“指南针”团队的载人火星任务设计中引入传统化学推进系统，降低了对电推进功率的要求，而且将飞船在火星轨道的停留时间从纯电推进模式的50天增加到300天甚至可以达到1年，降低了对发射窗口的要求，大大提高了载人火星任务设计的灵活性。
　　“指南针”团队的综合评估指出，太阳能电推进一化学推进方案对比其他方案，“质量比”（这里特指推进剂加抛弃部分质量与返回地球轨道时质量的比值）约为1.0，而使用常温发动机的飞船“质量比”高达22.6，复合使用常温和低温发动机的方案降低到9.5，只使用低温发动机时可以进一步降低到7，至于热核推进系统可以降低到更低的1.6，但它们都高于“指南针”团队的太阳能电推进一化学推进方案。虽然纯电推进方案可以实现更低的“质量比”，但它对功率的要求更高，同样的核电推进系统需要2.5兆瓦的功率，而且纯电推进系统的载人火星飞船在火星轨道的停留时间有限，提高了对发射窗口的要求。
　　虽然“指南针”团队的推进系统设计虽然相对简单高效，但是大功率太阳能-电推进系统仍然存在技术不成熟的问题。“指南针”团队要求电推进系统使用800千瓦/500伏特的电源，发动机为比冲2400秒的霍尔效应电推进发动机，但是目前50千瓦电推进发动机的技术成熟度只有5，200千瓦电推进发动机只有4，而高压电源和（太阳能电池阵列）先进装配展开系统的技术成熟度只有3，大型电推进系统完全还是空中楼阁。
　　不过，也不用太悲观，毕竟这是为20多年后执行的载人火星飞行任务的预研。至于化学推进系统，“指南针”团队直接借用了“猎户座”飞船的常温推进系统。虽然常温发动机比冲只有327秒，但无需攻克低温推进剂长期贮存的技术障碍，降低了整体的技术风险。目前的评估分析认为，“猎户座”飞船衍生的常温推进系统的技术成熟度为7～9，已经基本成熟。
　　大型火星飞船方案
　　根据“指南针”团队的设计方案，大型火星载人飞船包括电推进模块（EP）和居住舱（HAB）两个基本模块，居住舱上装有多个对接口，可与货运飞船或载人飞船对接。大型火星载人飞船总质量将达到234吨左右，其中居住舱模块质量126.6吨，电推进模块质量107.4吨。
　　有意思的是，大型火星载人飞船的两个基本模块都包括电推进和化学推进子系统，居住舱模块的电推进系统工质质量高达57.36吨，同时还有9.64吨的可贮存推进剂，而电推进模块的电推进系统工质质量只有51.87吨，相反可贮存的推进剂高达34.27吨。电推进模块尾部中有8台大功率电推进发动机。
　　具体地说，大型载人火星飞船的居住舱模块和我国的天宫一号目标飞行器外形上相近，不过它比天宫一号大得多，从上到下分为居住舱部分和推进系统，其中的居住舱部分直径为7.2米，推进系统部分的直径为4.59米，整个居住舱模块的总长度为14.43米。
　　居住舱模块的推进系统设计比较另类，电推进系统使用的氙工质箱体置于内部，而可贮存推进剂置于外部的四个箱体中，底部是两台“猎户座”飞船使用的发动机。 　　相比之下，电推进模块设计则较为传统，它几乎就是一个4.59米直径的圆柱体，长度为12.18米，它的内部从上到下依次为氙工质箱体、推进剂箱体和两台“猎户座”飞船的发动机，它的外部上方是辐射散热器和基于国际空间站技术发展出来的大型太阳能电池阵列，下方是两片碟形的太阳能电池阵列，底部两端各4台125千瓦的大功率霍尔电推进发动机。电推进模块两侧展开的大型太阳能电池阵列长度为54.69米，宽度为46.04米，在地球轨道上的输出功率为800千瓦，可为电推系统提供充足的电力。
　　美欧联合飞往火星
　　“指南针”团队的飞行方案设计中，电推进模块和居住舱将分别使用一枚新一代运载火箭（SLS BIock2）发射到距离地面407千米高度的地球轨道上，随后对接为大型载人火星飞船。由于两枚SLS未必能满足运力的需求，还将对接两艘欧洲自动转移货运飞船补充工质和推进剂。
　　在地球轨道上部署完毕后，大型载人火星飞船将使用太阳能电推系统从地球低轨道出发飞往地月系的第二拉格朗日点（EM-L2），飞行时间约400天，需要的速度增量高达6.6千米，秒左右。在火星飞船抵达地月系第二拉格朗日点前，航天员乘坐“猎户座”飞船抵达地月系第二拉格朗日点的中转站（一个载人深空空间站）。整装待发的航天员进入火星飞船后，2037年6月17日启动太阳能电推进系统飞向火星。这次变轨需要4.204千米，秒的速度增量。火星飞船进入和脱离火星轨道时，还将部分使用化学推进系统辅助轨道机动，获得更长的火星轨道停留时间。
　　根据预定的时间表，载人火星飞船抵达火星的时间为2038年8月30日，从火星脱离的时间为2039年6月26日，返回抵达地球的时间为2040年5月17日。按照预定计划，载人火星飞船进入火星轨道时电推系统提供391米/秒的速度增量，化学推进系统提供345米/秒的速度增量，而脱离火星轨道时各自提供2.203米/秒和226米/秒的速度增量，总的说来飞行全程中电推系统提供了13.4千米/秒的速度增量，而化学推进系统提供约600米/秒的速度增量。为了冗余，电推进和化学推进系统的速度增量将分别达到14千米/秒和700米/秒。
　　整个载人火星环绕任务持续数年时间，航天员从拉格朗日点启程到返回地球的飞行时间为1066天，其中在火星轨道停留时间为300天，如果计算载人火星飞船的全程飞行时间，则要长达1400天以上。
　　从“指南针”团队的这个方案可看出，太阳能电推一化学推进方案充分取长补短，分别发挥了电推进系统和化学推进系统的优点，降低了对电推进功率的要求，显著增加了在火星轨道的停留时间，化学推进的“备份”也提高了推进系统的可靠性。我国2020年左右开始建造的大型载人空间站将使用大型太阳能电池翼和电推进发动机，如果未来我国要开展火星任务，这一方案值得借鉴。