文章通过三自由度仿真研究了从火星表面发射载人飞行器进入低火星轨道（LMO）的技术方案。基于改进的猎户座飞船设计，采用两级RL-10B-2发动机推进系统，总Δv为5000 m/s。仿真结果表明，在4.35°初始俯仰角下，飞行器可在546秒内消耗4250 m/s Δv实现200km圆轨道入轨，轨道高度误差小于1km。研究重点分析了Ariane 4制导算法在火星环境下的适应性，并验证了火星大气阻力对上升轨迹的影响可忽略不计。
火星采样返回任务的高成本促使研究人员探索更高效的载人返回方案。文章针对火星表面至低轨道的载人上升任务，提出采用两级推进系统设计，基于成熟的RL-10B-2氢氧发动机（比冲465.5秒），通过三自由度仿真验证任务可行性。相比地球返回任务，火星上升飞行器无需热防护系统，可将猎户座飞船质量减轻4000磅，最终载荷质量定为24,500kg。
采用两级分离设计：第一级配置6台RL-10发动机，提供3000 m/s Δv，燃烧时间332.7秒；第二级配置2台同型发动机，提供2000 m/s Δv，燃烧时间316秒。通过火箭方程计算得出第一级初始质量99,958kg（含48,148kg推进剂），第二级初始质量42,982kg（含15,248kg推进剂）。
建立火星惯性坐标系下的三自由度模型，包含重力加速度（μ_Mars=4.28283e13 m³/s²）和推力加速度分量。忽略火星大气阻力影响，因最大动压仅137Pa（27km高度处），产生的3,300N阻力相比220,200N最小推力可忽略不计。初始条件考虑火星自转带来的241 m/s赤道初速度。
仿真显示飞行器在546.2秒时达到200km目标轨道，实际轨道参数为：近火点196km、远火点203km，速度误差小于1m/s。最大过载仅1.3g，满足载人飞行要求。动压分析表明27km高度处出现137Pa峰值，验证了忽略大气阻力的合理性。
当前研究未考虑飞行器姿态动力学，后续将引入发动机万向节控制模型；制导算法可优化为更省燃料的线性正切导引；同时需评估甲烷/液氧发动机的替代方案。尽管大气影响可忽略，未来仍需整合精确气动模型以支持全六自由度仿真。