“熒惑之旅”載人火星研究

李怡晨

摘 要 “熒惑之旅”作為載人火星探測計劃，設想將一款新型的地火航天飛機、一套基于全功率可變比沖磁等離子火箭的推動器和一種多用途火星基地艙三者結合起來，構成一個整體系統(tǒng)。它將在不到四十天的時間里，將航天員送到火星，并安全帶回。該計劃的目標是：將至少3名宇航員送入太空，在最短時間內運往火星，登陸火星表面，并讓宇航員開展一段時間的科學探索工作，最后安全返回地球。因為火星熒熒如火，位置、亮度時常變動讓人無法捉摸，我國古書上將之稱為“熒惑”，也表征了人類對火星探索的渴求。為此，給這個計劃取名為“熒惑之旅”。

關鍵詞 載人火星探測 地火航天飛機 可變比沖磁等離子火箭推動器 多用途火星基地

中圖分類號：V412.41 文獻標識碼：A

0引言

20世紀，人類實現(xiàn)了載人登陸月球；21世紀，人類最重要、最復雜的航天項目就是載人登陸火星。其主要目的有三：一是尋找地外生命，從而深入研究生命、地球乃至宇宙起源和演化；二是不少天文學家推斷，火星有可能是地球的未來。因此，載人探測或登陸火星可研究地球的演變，防止它變成人類難以生存的第二個火星；三是由于火星與地球最為相似，所以很多科學家認為可先把火星改造成適合人類居住的第二個人類家園，在地球人口超過110億以上時向火星移民。

但在當今，不要說載人登陸火星了，就是進行無人探測火星也充滿了風險。目前，全球一共發(fā)射了約43個火星探測器，只有26個獲得成功，成功率約60%，所以火星被稱為“航天器墳場”。因此，要進行載人探測或登陸火星就更難了，需要克服千難萬險?；鹦侵貌槐仍虑虻顷?，就目前的技術水平而言，航天員到火星一個來回至少需要約520天。如此遙遠的距離無論是對航天器還是對航天員都是一個極端的挑戰(zhàn)。因此，提高運載飛行器的速度，縮短旅途周期將是整個登陸火星計劃的關鍵。為此，提出一款新型的航天飛機和一套基于全功率可變比沖磁等離子火箭的推動器的設想。這兩件飛行器所組成的系統(tǒng)，將在不到四十天的時間里，將航天員送到火星，并安全帶回。同時，還必須為航天員設計一個安全可靠地基地，保障航天員在火星上的生活。

1新型航天器描述

1.1“火燕”號地火航天飛機

該型號航天飛機是專為往返火星設計的新型航天飛機，該航天器在現(xiàn)有航天飛機的基礎上進行改進，以應對火星上殘酷的起降條件。

幾大改進：

（1）可拓展翼展設計：火星的引力只有地球的三分之一，大氣密度只有地球的百分之一左右。極其稀薄的密度，決定了在地球上輕松飛行的飛機在火星上卻飛不起來。為給航天飛機在火星和地球表面更好的起降，“火燕”號航天飛機，采用可伸展的翼展設計。

（2）軟著陸設計：火星的糟糕的地表條件和殘酷的大氣條件，使得軟著陸成了最佳選擇。

（3）可變動力系統(tǒng)設置：航天飛機內倉采用模塊化設計，便于維修與替換。比較靠近航天飛機自身發(fā)動機的為液體燃料艙室，是脫離地球與脫離火星表面的主動力；而另一個為核燃料儲備倉，通過一根輸送管，向外部的推進器輸送燃料。

1.2“太空巴士”可變比沖磁等離子推進器

該推進器是整個探測火星計劃的核心。

可變比沖磁等離子推進器主要由三部分組成：

（1）核反應倉。推進器的主能量供給系統(tǒng)，但是該倉只能攜帶少量的核燃料，為完成整個地火之旅，必須通過頂部的接口提供外部的燃料。

（2）太陽能電池帆板。推進器的輔助能量供給裝置，能夠在無任何外部能量供給的情況下，保證推進器的正常負載運行。

（3）可變比沖磁等離子火箭（VASIMR）。推進器的動力系統(tǒng)，推進器的核心。單臺VASIMR功率為60MW，“太空巴士”總共裝有四臺，因此總功率為240MW。

1.2.1 VASIMR的基本原理

將等離子體溫度加熱到高達一千萬度甚至更高，但采用磁鏡約束場，使熾熱的等離子體與附近的材料表面隔開。合適的磁噴嘴，可以把等離子體的能量轉變?yōu)榛鸺耐屏?，理論上估算，離子的運動速度可達到300 000m/s，相當于目前最好化學火箭的60倍。不僅如此，系統(tǒng)還能使比沖根據(jù)飛行條件進行必要的調整。從而節(jié)省飛行時間和燃料。

1.2.2 VASIMR的性能特點

VASIMR獨特之處是可以改變比沖。對于電推進系統(tǒng)，在輸人功率一定的情況下，比沖與推力成反比。對于給定的飛行任務，通過調節(jié)比沖，可以改變推力。在低比沖/高推力模式下可以提高航天器飛行加速度，使其飛行時間縮短；而在高比沖/低推力模式下，可減少推進劑的消耗量。因此，通過比沖和推力的優(yōu)化，可以實現(xiàn)飛行器飛行軌跡的優(yōu)化。

1.3“探路者”火星基地艙

設計特點：

（1）多用途：該基地艙既可以作為滿足航天員生活需求的基地，也可以左右放置專門的航天飛機燃料補給倉，同時也是一個通信基站。

（2）模塊分離：獨特的變形設計，將整個基地艙分為了三個部分，中間為核反應倉，為整個系統(tǒng)提供能量；左邊為航天員生活艙；右邊為實驗艙。

（3）核電源：因為火星比地球離太陽遠得多，靠太陽電池供電難以滿足需求，而且火星的沙塵暴是地球12級臺風的幾倍，持續(xù)時間達幾個月，容易覆蓋太陽電池而嚴重影響其工作，所以要考慮使用核電源。

（4）磁屏蔽：在行星際空間飛行的載人火星飛船要受到大劑量宇宙輻射，宇宙射線中的高能質子可穿透宇宙飛船擊中人體，引起人體組織器官的嚴重損傷，改變人體內的DNA，降低人的免疫能力，增加癌癥的發(fā)病率。為解決這個問題，該基地艙的艙壁專門配備了超導磁體，在四周人工強磁場，使射向火星飛船的輻射粒子偏離，從而使航天員得到保護。與加厚火星飛船的艙壁的方案相比，這種主動的屏蔽方式，能大大減輕基地艙的質量。

幾大任務：作為探測火星的先遣探測器，在計劃的前期，該基地在火星著陸，對火星的環(huán)境（包括火星磁層、電離層和大氣）進行充分的研究，并且永久留在火星，作為地面基站；作為燃料儲備倉為航天飛機返航補充燃料；作為宇航員的基地為宇航員提供必備的生活保障。

2七個階段描述

“熒惑之旅”計劃共分為七個階段，七個階段前后銜接，共同構成整個計劃。

2.1前期探索與準備階段

前期主要是發(fā)射環(huán)繞火星的衛(wèi)星，探測火星的環(huán)境（包括火星磁層、電離層和大氣），遙測火星表面的物理化學特性，為軟著陸作準備。然后是發(fā)射火星軟著陸登陸器，試驗著陸技術；發(fā)展火星漫游車、火星機器人，探測火星地理環(huán)境和氣象條件，為在火星上建立觀測站作準備。接下來是在火星上建立觀測站，探測火星內部結構與礦物特性；用機械手采集火星巖石樣品；發(fā)展地球-火星往返式飛船，建立由機器人照料的火星基地，為以后載人火星飛行和有人觀測基地的建立奠定基礎。

2.2脫離地球

雖然VASIMR在比沖上具有傳統(tǒng)化學燃料火箭發(fā)動機無法比擬的優(yōu)勢，但是在推力上，較傳統(tǒng)火箭仍相距甚大。因此，為擺脫地球引力，在飛行器發(fā)射的第一階段，仍需傳統(tǒng)的發(fā)射方式，將航天飛機和基地艙送入近地軌道。

2.3近地軌道階段

在該階段航天器（航天飛機、基地艙）將和“太空巴士”推進器進行對接，轉換動力系統(tǒng)，在近地軌道進行加速。

（1）基地艙與推進器完成對接：燃料由基地艙進入推進器核反應倉。

（2）“火燕”號與推進器完成對接：核燃料由輸送管送入推進器和反應倉。

（3）進行為期8天的繞地飛行，進行加速。此時，推進器的推力調整到較大，比沖調整到較低。

作為整個火星計劃的關鍵環(huán)節(jié)，“太空巴士”推進器所起到的是一個太空接送的角色，在由火箭送入太空之后，它將以國際空間站為母港，永久留在太空，直至完成它的使命。

2.4飛向火星

在近地軌道進行加速后的飛行器將擺脫地球的引力，開始飛向火星。此時推進器的狀態(tài)是低推力、高比沖。

2.5火星表面登陸

飛行器脫離“太空巴士”推進器，準備進行著陸，推進器將依靠太陽帆供給的能量，進行繞火飛行，等待“火燕”號的返航；同時，它將與火星表面的基站一起為航天飛機提供空中與地面一體的導航服務。

由于火星表面崎嶇不平，因此，對航天飛機的著陸提出了更高的要求?！盎鹧唷碧枌榇硕O計的可伸展的翼展及排列在飛機底部的著陸裝置將保障其安全著陸。

2.6返回階段

宇航員將搭乘航天飛機返回地球。

該階段最為關鍵的環(huán)節(jié)就是如何回到近火軌道。由于條件的限制，因此不可能再像在地球上進行火箭的輔助發(fā)射，也不可能進行滑行發(fā)射。

受飛機的垂直起降技術的啟發(fā)，“火燕”號將采用類似垂直起降的發(fā)射方式?；鹦堑囊l件（只有地球的三分之一）為這種方式提供了極大的可能性。

（1）位于飛機底部的小型推進器發(fā)動，飛機脫離地面，翼展完全展開；

（2）主發(fā)動機點火，飛機向前推進；

（3）開始繞火飛行，逐步脫離火星束縛，進入近火軌道；

（4）翼展縮回，與等待的推進器進行對接；

（5）轉換動力系統(tǒng)，進行為期7天的繞火加速飛行；

（6）脫離火星軌道，馳往地球。

2.7登陸地球

翼展完全展開，滑行著陸。

3總結與展望

21世紀將是科技突飛猛進的新時代，人類認識和征服宇宙的能力將有新的飛躍。行星探索及開發(fā)利用的目標將集中在火星?？臻g探測及對空間的開發(fā)和利用，是反映一個國家高新科技水平和經濟實力的重要標志。目前世界上各空間大國，都在積極制訂探測火星的宏偉計劃。因此開展火星探測研究，對于我國的科學、社會、經濟的發(fā)展和提高我國的國際地位具有重大的意義。

“熒惑之旅”提供出一個較完善的計劃，它的實現(xiàn)還需克服諸多的技術難關，包括如何提高VASIMR的功率、超導磁場的實現(xiàn)等等，可能至少在未來十年內，該類技術還無大幅提高的可能。但科學的進步將會是無止境的，希望在未來的二三十年內，航天技術將會有飛躍式的發(fā)展，讓“熒惑之旅”早日成為現(xiàn)實。

參考文獻

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