誘人的載人火星航行

一　林

在21世紀的頭20年里，人類將完成2項世界性的大型航天工程——重返月球和實現(xiàn)載人火星航行。早在30多年前，人類就已經(jīng)多次成功地登上月球，所以重返月球從技術(shù)上來說，已經(jīng)沒有任何障礙。而要實現(xiàn)載人火星航行卻還有一段艱難的路。

火星是太陽系中與地球最相似的一顆行星。火星上的一年也有四季之分，共有687天，幾乎是地球上一年時間的兩倍?；鹦巧系囊惶熘槐鹊厍蛏系囊惶扉L37分鐘。

火星被一個大氣層包圍著，其主要成分是二氧化碳，約占95％。大氣密度極其稀薄，相當(dāng)于地球海拔高度35公里處的大氣密度?；鹦堑奶炜瞻滋斐史奂t色，朝日初升和夕陽落山時呈藍色。火星表面風(fēng)速每小時可達幾百公里，雖風(fēng)力很小，但揚起的塵暴可持續(xù)數(shù)星期之久?；鹦潜砻娴臏囟仍跀z氏－140度至＋27度之間變化，巖石會因天空光線的變化，在一天里呈現(xiàn)不同的顏色。

由于載人火星航行是人類歷史上破天荒第一次，還需要解決因長期太空飛行產(chǎn)生的若干難題，為此必須進行多次無人火星探測，以便為人類登上火星提供更多的依據(jù)和經(jīng)驗。怎樣才能安全可靠地把人送上火星并返回，實現(xiàn)載人火星航行的偉大理想呢？讓我們從太空航行的基本問題——速度說起。

需要大于11.6公里/秒的速度

載人飛船要飛往火星，首先必須擺脫地球的引力束縛。我們知道，一個物體要想脫離地球引力，必須獲得等于或大于11.2公里/秒的第二宇宙速度。當(dāng)飛船以11.2公里/秒的速度飛離地球，到達距地球大約100萬公里處，可以認為已經(jīng)擺脫了地球引力。此時，飛船相對于地球的速度已減小到接近于零。但是，飛船仍具有地球給它的29.8公里/秒的相對于太陽的速度。于是，飛船就像地球的一個微不足道的小伙伴，伴隨地球一道，在半徑為1.5億公里的地球軌道上，繞太陽運行。

要使飛船脫離地球引力飛往火星，就要使它在擺脫地球引力以后，還有3公里/秒的剩余速度，加上地球給它的29.8公里/秒，它就獲得了相對于太陽32.8公里/秒的速度。這樣，飛船就會離開地球軌道，沿著一條以太陽為焦點，近日點在地球軌道上，遠日點在火星軌道上的橢圓航線，飛向火星。這條航線稱為“雙切軌道”航線。而要使飛船具有3公里/秒的剩余速度，就需要使飛船從地面起飛后，獲得一個11.6公里/秒的朝東方向的初始速度。

飛船飛往火星走什么樣的航線和行時間的長短，取決于它相對太陽的速度。速度越大，飛往火星的航程越短。雙切軌道航線要求飛船的初始速度最小為11.6公里/秒，是最省能量的航線，但是它的航程長，航行時間也長。沿雙切軌道航線飛抵火星需要259天。

發(fā)射窗口

飛船經(jīng)過259天漫長的航行，抵達火星軌道時，并不見得能與火星相遇，因為火星也在自己的軌道上運行。只有當(dāng)飛船達到遠日點，即與火星軌道相切點時，火星也正好運行到那里，飛船才能與火星交會。這就要求：飛船從地球發(fā)射起飛時，火星必須位于地球前方44度的位置。這個特定的發(fā)射時機叫做“發(fā)射窗口”。

象這種特定的位置，是不常有的，每隔26個月才出現(xiàn)一次。這段時間，天文學(xué)上稱為“會合周期”。因此，如果錯過一次發(fā)射窗口，或者發(fā)射失敗，下一次發(fā)射就只能等到兩年零兩個月以后了。

雙切軌道航線雖然最省能量，但是航行時間最長。在能量允許的情況下，一般寧可讓飛船的初始速度略大于11.6公里/秒。這樣，飛船將沿著一條比雙切軌道大的橢圓軌道航線飛行，沿這條航線到達火星軌道的航程短，航行時間也會相應(yīng)縮短。初始速度越大，航線越短。所以，在設(shè)計火星航行方案時，往往考慮將初始速度定為12公里/秒左右，這樣可使航行時間縮短到大約200天。

從火星返回地球也不是隨時可以啟程的。如果沿雙切軌道航線返回，飛船是在軌道的遠日點離開火星軌道，到近日點與地球軌道相切。為使地球同時走到這一位置與飛船交會，就要求在飛船從火星出發(fā)時，地球應(yīng)位于火星后面75度的位置上。這樣的相對位置（發(fā)射窗口），自飛船到達火星之日起450天才第一次出現(xiàn)。此后，按照地球與火星的會合周期，每隔26個月出現(xiàn)一次。

所以，每次載人火星航行任務(wù)，航天員不得不在火星上呆450或500天（500天是選擇途中為200天航線時，需要在火星上等待的時間），多也不行，少也不行。由此可見，載人火星航行，如走雙切軌道航線，來回需要2×259＋450=968天；如走較短航線，需要2×200＋500=900天。往返一次要花900個日日夜夜，也真夠長的！

需要解決的難題

20世紀60年代以來，無人火星探測的實現(xiàn)及載人登月的成功，為載人火星航行所需的基本技術(shù)和功能系統(tǒng)奠定了良好的基礎(chǔ)，例如，載人火星飛船的研制、火星航行的導(dǎo)航與控制、通信與測控、捕獲火星、從火星著陸與返回、火星車及儀器設(shè)備在火星表面的自主或遙控工作等。

為了實現(xiàn)載人火星航行，尚需要進一步完善這些技術(shù)和系統(tǒng)，特別是提高它們的可靠性與安全性。同時，載人火星航行還必須解決因長達兩年半的航行給航天員帶來的一些特殊難題。

為減少旅途中航天員的孤獨，執(zhí)行任務(wù)有人商量，每次載人火星航行的航天員人數(shù)不能太少，一兩人不合適，也不能太多，初期以4至6人為宜。

航天員在兩年半中所需要的食物、水、氧氣、能源以及其他生活和工作消耗品，重量將達到數(shù)十噸，都需要從地球運去。向火星每發(fā)送1噸有效載荷，需要消耗大約100噸重的運載器。尤其麻煩的是，航天員從火星返回地球用的返航運載器也必須從地球運去。這個運載器裝滿推進劑后，將重達100多噸。為此，需要研制一種不亞于發(fā)射“阿波羅”登月飛船的“土星5號”的重型運載器，以便能把數(shù)十至一百多噸重的有效載荷送入飛往火星的軌道。

為了解決上述難題，航天專家們提出了3條途徑：

利用火星大氣生產(chǎn)推進劑、水和氧氣，盡可能減少需從地球運往火星的載荷。由于火星大氣中95％是二氧化碳，利用從地球上帶去的氫，與火星大氣中的二氧化碳進行化學(xué)反應(yīng)，可生成甲烷和水，再將水電解又可得到氫和氧。甲烷和氧是推進劑，不僅可供返航運載器用，還可供火星車及可移動儀器設(shè)備用。氫可以循球使用，不斷生產(chǎn)甲烷、氧氣和水。生產(chǎn)推進劑所需電能由從地球帶去的核電站供給。

分批運送，“糧草先行”。先將返航運載器、推進劑生產(chǎn)設(shè)備、液氫、核電站及航天員生活、工作必需品等分批運送，最后運送航天員，以減輕每次發(fā)射的有效載荷重量，降低對運載能力的要求。

開發(fā)新的重型運載器。美國國家航空航天局的馬歇爾航天中心設(shè)想了一種名叫“馬格努姆”（Magnum）的火箭，近地軌道的運載能力可達80噸。由飛船（或其他有效載荷）和推進級組成、重量為100至200噸的航天器，可以用該火箭分2至3次送入近地軌道，在軌道上組裝，然后點燃推進級，將速度由7.6公里/秒左右提高到12公里/秒，飛向火星。

美國前洛克希德·馬丁公司的工程師祖伯林（Zubrin）提出了研制名叫“阿勒斯”（Ares）的重型運載器。它能從地面將數(shù)十噸的飛船或其他有效載荷直接加速到12公里/秒，進入飛向火星的軌道。

基于上述解困途徑，馬歇爾航天中心和祖伯林提出了各自的載人火星航行方案，即基準航行方案和火星直航方案。

基準航行方案

這是馬歇爾中心提出的方案，主要特點是：每次任務(wù)有6名航天員參加，進行3次發(fā)射?？偼顿Y約需500億美元。

第一次發(fā)射用“馬格努姆”火箭把裝滿推進劑的返航運載器送往火星，停泊在環(huán)繞火星的軌道上，待3年零3個月以后，供航天員從火星返回地球用。

第二次發(fā)射在第一次發(fā)射后不久（在同一個發(fā)射窗口內(nèi)）進行，發(fā)射一艘運貨飛船。它攜帶有充氣式居住艙、未裝推進劑的上升船、推進劑生產(chǎn)設(shè)備、核電站、液氫、科學(xué)儀器和航天員在火星期間及返回途中的食物等必需品。

無人貨船到達火星表面后，推進劑生產(chǎn)設(shè)備即開始調(diào)試運行，利用帶來的液氫和火星大氣中的二氧化碳生產(chǎn)甲烷、氧和水。甲烷和氧是上升船需要的推進劑，返回時用。氧和水供航天員用。在此期間，充氣式居住艙在火星表面自動充氣展開成形，準備迎接航天員到來。

第三次發(fā)射在第一次發(fā)射以后2年零2個月（即下一個發(fā)射窗口到來之際）進行，發(fā)射乘有6名航天員的飛船。但在這之前，必須經(jīng)過地面遙控、測試，證明已送到火星上的所有設(shè)備和儀器均工作正常，甲烷、水和氧產(chǎn)量已能滿足上升船和航天員的需求。

航天員在火星表面期間，可以乘坐火星車或用可移動的儀器設(shè)備進行巡視探測。500天以后，當(dāng)返回窗口來臨時，航天員乘坐上升船離開火星表面，到環(huán)繞火星軌道上，與等在那里的返航運載器交會對接，6名航天員即可乘坐返航運載器返回地球。

此后，每隔26個月發(fā)射一個返航運載器，一艘運貨飛船；再隔26個月發(fā)射載人飛船。照此辦理，就可為在火星上建立起可供人類長期居住的火星基地創(chuàng)造條件。

火星直航方案

美國工程師祖伯林提出的這個直航方案特點是：每次任務(wù)派4名航天員；從地球運去的返航運載器不帶推進劑，推進劑在火星上生產(chǎn)。與基準航行方案相比，直航方案需要從地球運往火星的物資大大減少。每次任務(wù)只需發(fā)射2次，比基準方案少1次；所需投資也少一半，為250億美元。

所謂“直航”，是指飛船和返航運載器都從地球直接送到火星表面，既不需要在環(huán)繞地球軌道上組裝，也不需要停泊在環(huán)繞火星的軌道上。航天員返回時，乘坐返航運載器從火星表面直接返回地球即可。

第一次發(fā)射時，用“阿勒斯”重型運載器將未裝推進劑的空的返航運載器、6噸液氫、推進劑生產(chǎn)設(shè)備和100千瓦的核電站送到火星表面。

這些設(shè)備到達火星后，就展開運行，利用帶來的液氫和火星大氣中的二氧化碳生產(chǎn)甲烷、氧和水。總共需要生產(chǎn)108噸由甲烷與氧組成的推進劑，其中，96噸供返航運載器用，其余12噸供火星車和可移動設(shè)備用。另外，還需生產(chǎn)一些供航天員用的水和氧氣。

第二次發(fā)射在第一次發(fā)射后26個月進行，發(fā)射乘有4名航天員的載人飛船。飛船中還裝有航天員在900天任務(wù)中所需的食物和其他消耗品（水和氧氣除外）。在航行途中，載人飛船和熄火的運載器末級之間用一根長1500米的系繩連接。整個系統(tǒng)以每分鐘1轉(zhuǎn)的速度繞質(zhì)心旋轉(zhuǎn)，使飛船內(nèi)產(chǎn)生與火星表面重力大小（0.41g）相等的人工重力。在快到火星表面的時候，飛船與運載器末級分離，并使飛船減速，然后利用火星大氣制動，最后降落到火星表面。

4名航天員在火星表面生活、工作500天后，返回窗口來臨，他們便乘返航運載器離開火星表面直接返回地球。

在直航方案中，前后兩次航行任務(wù)是交叉進行的：后面一次的首次發(fā)射（發(fā)射返航運載器及推進劑生產(chǎn)設(shè)備等）安排在前一次任務(wù)的第二次發(fā)射之前幾個星期進行。這是為了使后一次任務(wù)的返航運載器可以兼作前一次返航運載器的備份，萬一返航運載器發(fā)生故障，航天員可以乘坐后一次任務(wù)的返航運載器返回。

無論是基準航行方案，還是直航方案，現(xiàn)在還都處于方案設(shè)想階段。方案中所提出的技術(shù)途徑，如重型運載火箭或重型運載器的研制、返航運載器的火星著陸和返回、自動生產(chǎn)推進劑以及充氣式居住艙自動展開等，都還需要通過無人火星航行，進行幾次飛行驗證試驗。首次載人火星航行的日期，要根據(jù)這些飛行驗證試驗結(jié)果而定，估計不會早于2010年。