下一站火星？

Daniel+Pendick

登陸火星要比你想象的難得多，但絕非不可能的任務(wù)……

月球只是前奏，把宇航員送上火星可能將會是人類歷史上更為精彩但也更為艱苦的篇章。旅途中4～6個人會在一個鋁罐子中住上6個月。在降落到火星表面之后，宇航員們又要在狹小的空間里住上600多天，直到地球再一次運(yùn)行到特定的位置他們才能啟程回家。最終，這些無畏的探險者將從火星表面起飛，在另一個鋁罐子里再呆上6個月直至抵達(dá)地球。整個過程將歷時兩年半。

載人飛向火星可能將會是有史以來最危險、最具有傳奇性質(zhì)的旅行。月球旅行在從發(fā)射到返航的全過程中都有放棄任務(wù)的機(jī)會。但火星之旅則不行。一旦離開地球，機(jī)組成員就走上了一條不歸路。去往月球就好比從紐約向外劃船幾千米，而前往火星則是揚(yáng)帆橫穿大西洋。

火星路途之艱辛堪稱“不可能的任務(wù)”。但火星載人探測的熱衷者并不這么認(rèn)為。如果資金充裕并且有著那份“阿波羅”登月時的沖勁的話，一些人相信只要幾十年人類足跡就會出現(xiàn)在火星表面之上。

為什么要去火星？

對于很多極端熱衷于火星探測的人來說，去火星根本不是“是否”“為什么”和“如何”的問題，而是必需的。它將告訴我們火星上是否存在過或者仍然存在生命。它將大大地推進(jìn)航天技術(shù)，并且鼓舞下一代。當(dāng)然，它還會把人類送上另一顆行星。對于美國宇航局來說，他們需要為火星探測制定一個目標(biāo)，那就是把人送上火星。火星是科學(xué)之所在、挑戰(zhàn)之所在、未來之所在。它是人類新的前線。

如何去火星？

當(dāng)然是坐太空飛船去。目前的行星際探險家已經(jīng)有了多種飛往火星的可選途徑。在科幻小說中充斥著在行星間呼嘯著往來穿梭的大型宇宙飛船，看上去就好像步行去便利店買一盒牛奶這么簡單。但是在現(xiàn)實(shí)的行星際飛行中，根本就不是這么回事。

前往火星包括了三個步驟。第一，擺脫地球的引力場。第二，加速去火星。第三，進(jìn)入火星的引力場并安全著陸。這并不像看上去的那么簡單。

火箭推進(jìn)劑是一大關(guān)鍵問題。你必須要攜帶有足夠的燃料來發(fā)射升空飛往火星并且返回。因此推進(jìn)劑必將占據(jù)載荷的大頭。事實(shí)上，任何行星際飛船都可以被想象成一個巨大的氣罐。從地球到火星距離大約數(shù)億千米，需要巨大的燃料儲備。

解決這個問題的一種辦法就是“分段進(jìn)行”。將整個過程劃分成多個階段，這樣也更容易管理。這一戰(zhàn)略最早源于1989年美國總統(tǒng)布什在美國國家航空航天博物館的一次演說。

那一年的7月20日，也就是“阿波羅”11號登月20周年之際，布什公布了他的空間探測計劃，其中包括了建造國際空間站、重返月球和前往火星。

美國宇航局為此進(jìn)行了“90天研究”來充實(shí)這一構(gòu)想。其中火星探測將采取“天基”架構(gòu)。宇航員會在空間站上組裝一艘大型飛船。在抵達(dá)火星之后，這艘飛船會分解成一個用于把機(jī)組人員送回地球的返回飛船以及一個用于登陸火星并且重返火星軌道的著陸飛船。第一次任務(wù)將只在火星表面逗留30天。

直奔火星

布什這一計劃的成本預(yù)計是5千億美元，但到1990年就幾乎被拋棄了。不過這也激勵了一些科學(xué)家和工程師提出了更快捷、更廉價的火星探測計劃——“直接火星”。

“直接火星”和先前的“天基”方案有了顯著的不同。首先，一個貨運(yùn)飛船會使用類似“阿波羅”計劃中的“土星”Ⅴ型火箭發(fā)射升空。它將攜帶一個最終把宇航員送回地球的返航飛船，并且它將不在近地軌道上進(jìn)行組裝或者補(bǔ)給而是直接飛向火星。這正是“直接火星”中“直接”的部分。

返航飛船會在不加注燃料的情況下降落到火星表面。同時，它還會攜帶一個資源就地利用設(shè)施。其中包括了一個自動化學(xué)處理廠、一個核電發(fā)生器和液氫“原料”。隨后資源就地利用設(shè)施會混合液氫原料和火星大氣中的二氧化碳由此來制造可作為火箭燃料的甲烷和氧。

在下一次火星處于有利發(fā)射窗口的時候——貨運(yùn)飛船發(fā)射之后26個月，火星考察隊(duì)員便會從地球啟程。但前提條件是資源就地利用設(shè)施必須已經(jīng)完成了對返航飛船的燃料加注。宇航員所乘坐的飛船會運(yùn)送四名宇航員、一輛以甲烷為燃料的火星車以及在未來三年中他們所需的一切。

“直接火星”所采用的軌道都是為了把對推進(jìn)劑的需求控制在最小的程度，但代價是宇航員必須在星火上停留相當(dāng)長的時間。在6個月的飛行之后，宇航員還必須在火星上呆大約600天來等待火星再一次運(yùn)行到對返航燃料需求最少的發(fā)射位置。

當(dāng)宇航員離開火星的時候，第二艘從地球發(fā)射的返航飛船會進(jìn)入火星軌道。這將為宇航員提供一個安全保證。如果早先發(fā)射的返航飛船失靈，宇航員還可以用第二艘返航。如果宇航員最終沒有使用備用返航飛船，那么它還可以留給下一批的火星考察隊(duì)員使用。

“直接火星”的成本正是它的關(guān)鍵賣點(diǎn)。據(jù)估計它將花200億～300億美元和10年時間來進(jìn)行硬件研發(fā)以及另外的10億～20億美元來用于隨后的飛行和火星前哨站的開銷。目前它的總成本是300億～400億美元，之后每次載人火星探測的費(fèi)用為20億～30億美元。

20世紀(jì)90年代美國宇航局采納了這一戰(zhàn)略思想，但不同的是宇航員將乘坐火星上升飛船離開火星表面，然后換乘火星軌道上先前由貨運(yùn)飛船送來的行星際飛行器返航。到1998年美國宇航局拋棄了“直接火星”轉(zhuǎn)向了“間接火星”方案。使用這一方案可以省去向火星發(fā)射200噸的額外載荷。一枚80噸的火箭將會把載荷和推進(jìn)段送入近地軌道，在那里它們會對接并且前往火星。對于第一批前往火星的探險隊(duì)而言，至少需要六次發(fā)射。

雖然美國宇航局的火星探測涉及比“直接火星”更多更重的硬件，但基本步驟還是類似的。其預(yù)算要求是小于5千億美元。

著陸火星

目前的火星計劃更多的還只是大的框架，許多細(xì)節(jié)還有待進(jìn)一步深入。其中最關(guān)鍵的細(xì)節(jié)之一就是如何把沉重的載荷整體降落到火星表面。宇航工程師把這一過程稱為“進(jìn)入、下降、著陸”。endprint

目前美國宇航局還沒有官方資助任何的火星載人飛行研究。但是美國宇航局內(nèi)外的科學(xué)家和工程師一直在探索在火星上實(shí)施“進(jìn)入、下降、著陸”的辦法。對于學(xué)生來說這是一個非常好的研究案例，同時研究結(jié)果也會有助于未來機(jī)器人火星探測任務(wù)。對于“進(jìn)入、下降、著陸”來說其最大的挑戰(zhàn)是如何在不到10分鐘的時間里把速度從超高音速降到零。一旦失敗，那么載荷就會在火星表面砸出一個新的環(huán)形山。

這個過程中最困難的部分是中間的“下降”階段。在這之前載荷具有相當(dāng)大的軌道能量，而在接近地表前則要把這一能量削減到不足原來的1%。

2008年5月成功著陸火星的“鳳凰”號探測器則體現(xiàn)了目前火星著陸的最高水準(zhǔn)。其“恐怖7分鐘”始于火星大氣的頂端，距離地面大約125千米?！傍P凰”號以每小時20000千米的速度進(jìn)入火星大氣?；鹦谴髿鈱ζ浣^熱罩的阻尼使得它的速度降到了每小時1400千米。然后降落傘會把速度進(jìn)一步降到每小時400千米。在短暫的自由下落之后，“鳳凰”號會在距離面975米的時候啟動減速火箭并最終觸地——整個過程歷時大約7分鐘。

到2018年當(dāng)“好奇”號（原“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”）抵達(dá)火星的時候，目前的“進(jìn)入、下降、著陸”技術(shù)就會達(dá)到它的極限?！昂闷妗碧柕馁|(zhì)量為900千克，這差不多正是傳統(tǒng)的絕熱罩、降落傘、反推火箭所能做到的極限。

但未來的載人火星探測載荷將達(dá)到30～60噸。而目前的“進(jìn)入、下降、著陸”技術(shù)甚至都不能把一輛迷你庫珀車降落到火星上。迷你庫珀的重量約為1145千克，體積也要比未來的著陸艙小得多。

為此必須要采用新的技術(shù)?！爸苯踊鹦恰焙推渌媱澋姆桨付际窃谙陆惦A段采用降落傘。但是火星稀薄的大氣意味著降落傘必須非常的大，而且還要能在超高音速的情況下快速打開而不會纏繞在一起。這樣一個降落傘攤開之后足可以覆蓋一個足球場。

而“阿波羅”式的僅靠反推火箭的著陸方式也有問題。使用火箭從火星軌道減速著陸會消耗巨量的推進(jìn)劑。同時在超高音速下在火星大氣中使用火箭會造成空氣動力學(xué)阻尼以及難以預(yù)測的不穩(wěn)定性。

美國宇航局和空氣動力學(xué)研究中“進(jìn)入、下降、著陸”技術(shù)領(lǐng)域的專家也想出了一些新辦法。其中最有希望的是超音速膨脹氣動力學(xué)減速器，它是一個形狀類似羽毛球的巨大氣囊。這種氣動減速器直徑大約50米，可以使得飛船減速到大約每小時720千米，在這個速度下就可以使用火箭引擎制動并且完成最終的軟著陸。不過一次性完成30～60噸載荷的著陸可能還是會有問題，如果分批進(jìn)行（例如以15噸為一個批次）可能會更實(shí)際。

插入奇跡

解決大質(zhì)量載荷的著陸問題只是攻克載人火星探測諸多挑戰(zhàn)中的一步，還需要有更多的“奇跡”發(fā)生。大小可以達(dá)到波音747客機(jī)翼展的超音速膨脹氣動力學(xué)減速器雖然是一大挑戰(zhàn)，但并非不可能。

在載人火星探測問題上，雖然有些人的目光可以看穿技術(shù)上的這些沙漠，但是最終還是要老老實(shí)實(shí)地穿過它。連續(xù)30年每年投入100億美元也許可以實(shí)現(xiàn)登陸火星。但是考慮到美國宇航局重返月球計劃的推遲以及所有尚未解決的挑戰(zhàn)，美國宇航局真正要駐足火星可能要等到2080年。

當(dāng)然也有人對此相當(dāng)樂觀。他們認(rèn)為，今天的載人火星探測所遇到的挑戰(zhàn)要比1961年載人登月時所遇到的小得多。與其說這些技術(shù)困難無法解決，倒不如說為此投入的人力、物力遠(yuǎn)不如以前。也許還是要提及前美國總統(tǒng)肯尼迪的那句話（當(dāng)然要做一點(diǎn)修改）——我們?nèi)セ鹦遣皇且驗(yàn)樗菀?，而是因?yàn)樗y。（來源：科學(xué)松鼠會，2010-01-20）endprint