怎樣載人去火星

劉安立

有科學(xué)家提出，要想在2039年之前載人登陸火星，就需要在2033年之前載人登陸火星的衛(wèi)星福波斯。

美國(guó)宇航局曾經(jīng)設(shè)想，最早能在21世紀(jì)20年代末載人登陸火星。雖然這一目標(biāo)現(xiàn)在看來難以實(shí)現(xiàn)，但一項(xiàng)新研究表明，在不遠(yuǎn)的將來載人登陸火星并非癡人說夢(mèng)。這項(xiàng)研究提出，要想在2039年之前載人登陸火星，就需要在2033年之前載人登陸火星的衛(wèi)星福波斯（火衛(wèi)一）。

美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家普萊斯說：“載人登陸火星在我們這代人的有生之年就可能實(shí)現(xiàn)，而且經(jīng)費(fèi)也不需要業(yè)界預(yù)計(jì)的載人火星任務(wù)最低花費(fèi)——萬億美元那么高昂。”載人登陸火星是美國(guó)宇航局載人航天長(zhǎng)期計(jì)劃的重頭戲。事實(shí)上，美國(guó)前總統(tǒng)奧巴馬希望宇航局能在2035年前后載人登陸火星?？茖W(xué)家認(rèn)為，要想載人登陸火星，需要先抵達(dá)火星附近。為此，不妨先前往火星的兩顆小小衛(wèi)星——福波斯和德莫斯（火衛(wèi)二）當(dāng)中的一顆，然后再登陸火星。普萊斯說，把載人火星之旅分成兩階段能降低風(fēng)險(xiǎn)和成本，更有助于一年一年實(shí)質(zhì)性地推動(dòng)載人登陸火星的最終實(shí)現(xiàn)。

普萊斯及其在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的兩位同事提出的載人火星任務(wù)架構(gòu)是：2033年之前載人去福波斯，2039年之前載人登陸火星。這一架構(gòu)只是一種設(shè)想，并非是美國(guó)宇航局的官方戰(zhàn)略，但普萊斯希望這個(gè)架構(gòu)能幫助大家從比較樂觀的角度來看待載人火星探索。就算在科學(xué)界，認(rèn)為載人火星之旅太困難的悲觀情緒也很普遍，認(rèn)為在近幾十年根本無法實(shí)現(xiàn)載人火星之旅的大有人在。還有人認(rèn)為，要想載人登陸火星，不花上萬億美元是不可能的。但普萊斯等人指出，這種極度悲觀是不必要的。

按照普萊斯等人設(shè)計(jì)的架構(gòu)，在載人登陸火星之前，有必要先在福波斯上建立一個(gè)基地。該計(jì)劃需要美國(guó)宇航局仍在研發(fā)和測(cè)試中的“太空發(fā)射系統(tǒng)”巨型火箭發(fā)射4次。其中首次發(fā)射在2029年進(jìn)行，發(fā)射一艘星際交通船和兩大化學(xué)推進(jìn)載荷（一艘福波斯轉(zhuǎn)移火箭和一艘地球轉(zhuǎn)移軌道射入火箭）。星際交通船將使用太陽能電力推進(jìn)，在不到4年時(shí)間里，把這兩艘火箭送入火星軌道。普萊斯說，這一架構(gòu)無需現(xiàn)有推進(jìn)技術(shù)有大突破便可實(shí)現(xiàn)。

巨型火箭的第二次發(fā)射將攜帶另一艘星際交通船和預(yù)制的福波斯小型基地，該基地能支持4人機(jī)組生存。星際交通船將把基地投送到福波斯表面科學(xué)家指定的位置，然后與基地居住艙待在一起，提供動(dòng)力。

巨型火箭的第三次發(fā)射可以在2032年前后進(jìn)行，將攜帶一個(gè)深空居住艙（與福波斯基地居住艙設(shè)計(jì)相同）和一艘火星軌道插入火箭到地球軌道。

巨型火箭第四次發(fā)射將把一艘“獵戶座號(hào)”飛船和一個(gè)4人機(jī)組送去與這套設(shè)備對(duì)接。這些設(shè)備將把宇航員們送入火星軌道，這段旅程將持續(xù)200～250天。在福波斯表面待命的轉(zhuǎn)移火箭將在2033年把4人機(jī)組送到福波斯表面的基地。宇航員們將在那里待大約300天，然后離開福波斯返回地球。福波斯居住艙將保留在福波斯表面，等待可能前來的另一批宇航員。普萊斯說，這一福波斯中轉(zhuǎn)架構(gòu)是是實(shí)現(xiàn)宇航員往返于地球—火星軌道的有效手段。

根據(jù)該架構(gòu)，可使用類似的多步驟方法（采用星際交通船和預(yù)制設(shè)備）讓宇航員在2039年登陸火星，但這需要巨型火箭發(fā)射6次，而非4次。為此，要把一艘23噸重的登陸器送入火星軌道，讓它在那里等待宇航員到來。登陸器包含一個(gè)居住艙及一艘火星上升飛船。在宇航員返回地球時(shí)，這艘飛船將把宇航員帶離火星表面。

與之前美國(guó)宇航局發(fā)射到火星表面的機(jī)器人飛船不同，這艘登陸器登陸火星不是借助降落傘，而是依賴制動(dòng)火箭。該火箭有可能是正在測(cè)試的“超音速可膨脹空氣動(dòng)力減速器”。普萊斯說，宇航員首次登陸火星將會(huì)是短暫的，登陸器只能支持一個(gè)2人機(jī)組在火星表面待28天，或者一個(gè)4人機(jī)組待6天。普萊斯設(shè)想，具有重要?dú)v史意義的載人火星任務(wù)將不同于美國(guó)20世紀(jì)60～70年代的載人登月，不會(huì)只是在外星表面走一走，插國(guó)旗，此后就不了了之，而是可能為更具雄心的跟進(jìn)任務(wù)鋪路。例如，每4年發(fā)射一次載人火星飛船，宇航員每次在火星表面待12個(gè)月，最終在火星表面建立大型人類基地。普萊斯設(shè)想，在火星就地取材，經(jīng)過50或100年，或許能在火星上建立起像現(xiàn)在地球南極基地那種大規(guī)模的永久性居住點(diǎn)。

普萊斯團(tuán)隊(duì)請(qǐng)美國(guó)非營(yíng)利機(jī)構(gòu)“航空航天公司”為這一載人火星任務(wù)架構(gòu)進(jìn)行成本評(píng)估，結(jié)果是這一架構(gòu)的預(yù)算在美國(guó)宇航局年度預(yù)算以內(nèi)。

其他載人去火星設(shè)想

“火星靈感” 美國(guó)非營(yíng)利機(jī)構(gòu)“火星靈感基金會(huì)”計(jì)劃在2018年2月發(fā)送兩人（最好是一對(duì)夫婦）飛近火星。這兩人不會(huì)登陸火星，而是將在距離火星表面160千米的地方近觀這顆紅色星球，然后返回地球。不過，該計(jì)劃就目前來看只能是放空炮?！盎鹦庆`感基金會(huì)”由美國(guó)億萬富翁蒂托牽頭，蒂托因造訪國(guó)際空間站而成為全球首位太空游客。

“火星一號(hào)” 荷蘭一家非營(yíng)利組織宣布，希望在火星建立永久性人類定居點(diǎn)。該組織希望在2023年讓4名宇航員登陸火星，花費(fèi)估計(jì)達(dá)60億美元，資金來源要靠該組織在全球范圍的媒體宣傳收入，例如首批火星宇航員選拔等超大型公關(guān)活動(dòng)。按照該組織設(shè)想，這4名宇航員將不會(huì)返回地球。他們登陸火星后，該組織每?jī)赡晗蚧鹦前l(fā)送一去不回的宇航員，這些宇航員共同營(yíng)造地球人的火星家園。全球已有超過20萬人競(jìng)爭(zhēng)該組織的火星宇航員職位。然而，“火星一號(hào)”的載人火星任務(wù)計(jì)劃被專家指責(zé)為純屬噱頭。

“火星移民” 艾龍·馬斯克是美國(guó)私立航天機(jī)構(gòu)“太空X”的創(chuàng)建者和電動(dòng)汽車公司特斯拉的首席執(zhí)行官。馬斯克說，他在2002年創(chuàng)建“太空X”的主要目的就是幫助地球人移民其他星球。早在2012年11月，他就宣布了載人登陸火星的構(gòu)想。他設(shè)想，使用一艘由液態(tài)氫和甲烷驅(qū)動(dòng)的巨型可重復(fù)使用的火箭，把地球移民送到火星。首批火星移民或許只有10人，但最終火星社區(qū)人數(shù)將可能達(dá)到8萬人。要想實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想，最關(guān)鍵的是研發(fā)可重復(fù)使用的巨型火箭，“太空X”正在進(jìn)行這方面努力。不過，雖然就連美國(guó)宇航局也與“太空X”有合作，但馬斯克的這一設(shè)想就目前來看還不著邊際。endprint

“火星為本” 這一計(jì)劃在20世紀(jì)90年代由美國(guó)“火星學(xué)會(huì)”帶頭人祖布林提出，其核心是采用就地取材策略，讓人類定居火星的成本盡量低。按照祖布林的設(shè)想，運(yùn)用現(xiàn)有技術(shù)把宇航員送到火星，然后宇航員利用火星大氣來制造氧和火箭燃料，用火星土壤提取水和建筑材料，用一座核反應(yīng)堆提供動(dòng)力。隨著時(shí)間推移，該定居點(diǎn)將變得越來越能自給自足，對(duì)來自地球的昂貴的物資供給的依賴會(huì)越來越少。當(dāng)然，這一設(shè)想的實(shí)現(xiàn)目前沒有時(shí)間表。

“火星為本”架構(gòu)介紹

在傳統(tǒng)火箭發(fā)射中，火箭的所有級(jí)在燃盡后都被拋棄。而在“火星為本”架構(gòu)中，火箭的最后一級(jí)通過長(zhǎng)系繩與機(jī)組艙連接。當(dāng)這一級(jí)的燃料耗盡后，系繩打開，產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)量中心沿著系繩的兩體系統(tǒng)。接著，該系統(tǒng)沿著質(zhì)量中心旋轉(zhuǎn)，燃盡后的火箭級(jí)充當(dāng)機(jī)組艙的抗衡，由此產(chǎn)生重力（太空真空只有微重力，而人類適應(yīng)的是重力，所以必須在太空中為宇航員制造重力）。

火星飛船發(fā)射窗口大約每?jī)赡甏蜷_一次，就是在地球和火星相互定向合適之時(shí)?！盎鹦菫楸尽奔軜?gòu)包含頭一年的一次發(fā)射，之后兩個(gè)發(fā)射窗口各發(fā)射一次。

第一年 從地球發(fā)射第一艘返程飛船，它裝備制造推進(jìn)劑的一座反應(yīng)堆進(jìn)入低能量軌道。它將在火星著陸，為宇航員返程生產(chǎn)燃料。

第三年 從地球發(fā)射第二艘返程飛船。發(fā)射一個(gè)載人艙（居住艙）進(jìn)入快速軌道，搭載機(jī)組到第一艘不載人返程飛船著陸地點(diǎn)，該返程飛船將搭載機(jī)組回地球。

第五年 從地球發(fā)射第三艘返程飛船，替換上一個(gè)機(jī)組搭載而返回地球的返程飛船。發(fā)射第二個(gè)居住艙，搭載一個(gè)機(jī)組去替換第一個(gè)機(jī)組。

“火星為本”架構(gòu)設(shè)想的前往火星的單程旅途時(shí)間為150天，宇航員在火星表面待550天，直到返程時(shí)間窗口打開。其他載人火星任務(wù)時(shí)間表中，在行星際空間旅行時(shí)間太多，從而減少了宇航員待在火星表面的時(shí)間。

“火星為本”架構(gòu)中有許多內(nèi)置安全系統(tǒng)。機(jī)組登陸火星后，如果發(fā)現(xiàn)返程飛船并未生產(chǎn)返程燃料，怎么辦？返程飛船在機(jī)組登陸火星之前兩年發(fā)射，按計(jì)劃它一到火星就立即開始生產(chǎn)燃料。當(dāng)生產(chǎn)過程結(jié)束后，飛船要向地球發(fā)信號(hào)，表明自己已準(zhǔn)備好。如果燃料生產(chǎn)失敗，飛船就不會(huì)發(fā)信號(hào)，所以飛船機(jī)組就可以在離開地球之前知道這一點(diǎn)，那么就不會(huì)發(fā)射機(jī)組到火星了。就算出差錯(cuò)，不知道返程飛船制造燃料失敗，機(jī)組也只需使用與他們?cè)谕话l(fā)射窗口發(fā)射的第二艘返程飛船來返回地球。如果飛行過程中出錯(cuò)，機(jī)組需要在登陸火星之前返回地球，怎么辦？他們是否需要等待下一個(gè)發(fā)射窗口才能回地球？不是的，地球與火星之間的一些自由回歸軌道能讓機(jī)組放棄火星登陸，改為回歸地球，而無需耗費(fèi)更多燃料?！盎鹦菫楸尽奔軜?gòu)建議使用一條周期為兩年的自由回歸軌道，這意味著如果機(jī)組不能登陸火星，那么他們將在離開地球后兩年返回地球。

“火星為本”架構(gòu)指出，只需使用當(dāng)初把宇航員送上月球的“土星5號(hào)”火箭，就足以發(fā)射載人火星任務(wù)的必需裝備到火星。總之，只需利用現(xiàn)有技術(shù)，載人火星之旅的一些技術(shù)問題（不包括長(zhǎng)時(shí)間太空飛行和與地球隔絕造成的宇航員心理問題等）是不難解決的。不過，“火星為本”架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)依然有很大難度，有很多問題懸而未決。

火衛(wèi)福波斯和德莫斯

火衛(wèi)一福波斯是最靠近火星的兩顆天然火衛(wèi)之一，另一顆就是火衛(wèi)二德莫斯。這兩顆火衛(wèi)都是由美國(guó)天文學(xué)家霍爾在1877年發(fā)現(xiàn)的。福波斯個(gè)頭不大，形狀不規(guī)則，平均半徑11千米，質(zhì)量是更遠(yuǎn)離火星的德莫斯的7倍。德莫斯的平均半徑為6.2千米。它距離火星2.25萬千米，每30.3小時(shí)環(huán)繞火星一圈。在希臘神話中，德莫斯是福波斯的孿生弟弟，也是恐怖的化身。

福波斯的軌道距離火星表面6000千米，比其他已知的任何衛(wèi)星都更靠近母行星。正因?yàn)楦２ㄋ固拷鹦牵运h(huán)繞火星的速度比火星自轉(zhuǎn)速度快得多。福波斯每7小時(shí)39分就環(huán)繞火星一圈。因此，從火星表面看去，福波斯看起來從西邊升起，大約用4小時(shí)15分鐘劃過火星天空，然后在東邊落下。每個(gè)火星日，這樣的情況出現(xiàn)兩次。

福波斯是太陽系中反射率最低的天體之一。福波斯的表面溫度從其被光照一面的大約-4℃變到背光面的-112℃。福波斯最顯著的表面地貌是巨大的隕擊坑斯蒂克尼，它占據(jù)了福波斯表面很大一部分。探測(cè)器拍攝的圖像和理論模型表明，福波斯可能是由一層薄地殼包裹的一個(gè)石堆，而且它正在被潮汐互動(dòng)撕裂。福波斯正以每100年大約2米的速度接近火星，因此，在3000萬～5000萬年后，福波斯將與火星碰撞，或者碎裂成一條行星環(huán)。

科學(xué)家認(rèn)為，福波斯或許將成為載人火星任務(wù)的初期目標(biāo)。如果宇航員在福波斯表面遙控火星表面的機(jī)器人，不會(huì)出現(xiàn)明顯滯后。早期載人火星探索應(yīng)該注意保護(hù)火星環(huán)境，所以科學(xué)家考慮讓宇航員在福波斯上遙控火星表面機(jī)器人，而不是直接登陸火星。另外，登陸福波斯也比登陸火星的難度低、成本小，更易實(shí)現(xiàn)?；鹦堑顷懫鞅仨氁芡瓿纱髿鈱舆M(jìn)入和后來的返回，而且是在沒有支持設(shè)備的情況下完成（這種支持設(shè)備能力在載人航天中從未嘗試過），或者要求在火星上就地創(chuàng)建支持設(shè)施（這種火星移民任務(wù)更復(fù)雜）。福波斯登陸器可參照月球和小行星登陸器的設(shè)計(jì)。登陸和離開福波斯的變速要求，只有登陸和離開月球的80%，部分原因是福波斯的引力弱。

科學(xué)家最近提出，福波斯的沙土可在火星載人飛船的制動(dòng)中充當(dāng)一種寶貴的材料。因?yàn)轱w船在福波斯的變速成本小，所以只需使用從地球上帶去的少量化學(xué)燃料就可以把福波斯表面大量的沙土（來自于一個(gè)永久性前哨站）送進(jìn)轉(zhuǎn)移軌道。在載人飛船向火星表面降落的過程中，在飛船前方釋放這些沙土，使飛船前方的大氣密度增加，就有助于飛船減速。endprint