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发表于 2010-01-20 11:10 | Tags 标签:,

Daniel Pendick 文 Shea 编译

登陆火星要比你想象得难得多,但绝非不可能的任务…

月亮只是前奏,把宇航员送上火星可能将会是人类历史上更为精彩但也更为艰苦的篇章。旅途中4~6个人会在一个铝罐子中住上6个月。在降落到火星表面之后,宇航员们又要在狭小的空间里住上600多天,直到地球再一次运行到特定的位置他们才能启程回家。最终,这些无畏的探险者将从火星表面起飞,在另一个铝罐子里再呆上6个月直至抵达地球。整个过程将历时两年半。

载人飞向火星可能将会是有史以来最危险、最具有传奇性质的旅行。月球旅行在从发射到返航的全过程中都有放弃任务的机会。但火星之旅则不行。一旦离开地球,机组成员就走上了一条不归路。去往月球就好比从纽约向外划船几千米,而前往火星则是扬帆横穿大西洋。

火星路途之艰辛堪称“不可能的任务”。但火星载人探测的热衷者并不这么认为。如果资金充裕并且有着那份“阿波罗”登月时的冲劲的话,一些人相信只要几十年人类足迹就会出现在火星表面之上。

为什么要去火星?

对于很多极端热衷于火星探测的人来说,去火星根本不是“是否”、“为什么”和“如何”的问题,而是必须的。它将告诉我们火星上是否存在过或者仍然存在生命。它将大大地推进航天技术,并且鼓舞下一代。当然,它还会把人类送上另一颗行星。对于美国宇航局来说,他们需要为火星探测制定一个目标,那就是把人送上火星。火星是科学之所在、挑战之所在、未来之所在。它是人类新的前线。

如何去火星?

当然是坐太空飞船去。目前的行星际探险家已经有了多种飞往火星的可选途径。在科幻小说中充斥着在行星间呼啸着往来穿梭的大型宇宙飞船,看上去就好像步行去便利点买一盒牛奶这么简单。但是在现实的行星际飞行中,根本就不是这么回事。

前往火星包括了三个步骤。第一,摆脱地球的引力场。第二,加速去火星。第三,进入火星的引力场并安全着陆。这并不像看上去的那么简单。

火箭推进剂是一大关键问题。你必须要携带有足够的燃料来发射升空飞往火星并且返回。因此推进剂必将占据载荷的大头。事实上,任何行星际飞船都可以被想象成一个巨大的气罐。从地球到火星距离大约数亿千米,需要巨大的燃料储备。

[图片说明]:美国宇航局构想中的用于执行载人火星探测的热核火箭。版权:NASA/Glenn Research Center。

解决这个问题的一种办法就是“分段进行”。将整个过程划分成多个阶段,这样也更容易管理。这一战略最早源于1989年美国总统布什在美国国家航空航天博物馆的一次演说。

那一年的7月20日,也就是“阿波罗”11号登月20周年之际,布什公布了他的空间探测计划,其中包括了建造国际空间站、重返月球和前往火星。

美国宇航局为此进行了“90天研究”来充实这一构想。其中火星探测将采取“天基”架构。宇航员会在空间站上组装一艘大型飞船。在抵达火星之后,这艘飞船会分解成一个用于把机组人员送回地球的返回飞船以及一个用于登陆火星并且重返火星轨道的着陆飞船。第一次任务将只在火星表面逗留30天。

直奔火星

布什这一计划的成本预计是5千亿美元,但到1990年就几乎被抛弃了。不过这也激励了一些科学家和工程师提出了更快捷、更廉价的火星探测计划——“直接火星”。

“直接火星”和先前的“天基”方案有了显著的不同。首先,一个货运飞船会使用类似“阿波罗”计划中的“土星”Ⅴ型火箭发射升空。它将携带一个最终把宇航员送回地球的返航飞船,并且它将不在近地轨道上进行组装或者补给而是直接飞向火星。这正是“直接火星”中“直接”的部分。

返航飞船会在不加注燃料的情况下降落到火星表面。同时,它还会携带一个资源就地利用设施。其中包括了一个自动化学处理厂、一个核电发生器和液氢“原料”。随后资源就地利用设施会混合液氢原料和火星大气中的二氧化碳由此来制造可做为火箭燃料的甲烷和氧。


[图片说明]:欧洲空间局科学家设计的载人火星基地。版权:ESA。

在下一次火星处于有利发射窗口的时候——货运飞船发射之后26个月,火星考察队员便会从地球启程。但前提条件是资源就地利用设施必须已经完成了对返航飞船的燃料加注。宇航员所乘坐的飞船会运送四名宇航员、一辆以甲烷为燃料的火星车以及在未来三年中他们所需的一切。

“直接火星”所采用的轨道都是为了把对推进剂的需求控制在最小的程度,但代价是宇航员必须在星火上停留相当长的时间。在6个月的飞行之后,宇航员还必须在火星上呆大约600天来等待火星再一次运行到对返航燃料需求最少的发射位置。

当宇航员离开火星的时候,第二艘从地球发射的返航飞船会进入火星轨道。这将为宇航员提供一个安全保证。如果早先发射的返航飞船失灵,宇航员还可以用第二艘返航。如果宇航员最终没有使用备用返航飞船,那么它还可以留给下一批的火星考察队员使用。

“直接火星”的成本正是它的关键卖点。据估计它将花200-300亿美元和10年时间来进行硬件研发,以及另外的10-20亿美元来用于随后的飞行和火星前哨站的开销。目前它的总成本大约是300-400亿美元,之后每次载人火星探测的费用大约为20-30亿美元。

20世纪90年代美国宇航局采纳了这一战略思想,但不同的是宇航员将乘坐火星上升飞船离开火星表面,然后换乘火星轨道上先前由货运飞船送来的行星际飞行器返航。到1998年美国宇航局抛弃了“直接火星”转向了“间接火星”方案。使用这一方案可以省去向火星发射200吨的额外载荷。一枚80吨的火箭将会把载荷和推进段送入近地轨道,在那里它们会对接并且前往火星。对于第一批前往火星的探险队而言,至少需要六次发射。

虽然美国宇航局的火星探测涉及到比“直接火星”更多更重的硬件,但基本步骤还是类似的。其预算要求是小于5千亿美元。


[图片说明]:美国宇航局的火星基地构想。版权:NASA。

着陆火星

目前的火星计划更多的还只是大的框架,许多细节还有待进一步深入。其中最关键的细节之一就是如何把沉重的载荷整体降落到火星表面。宇航工程师把这一过程称为“进入、下降、着陆”。

目前美国宇航局还没有官方资助任何的火星载人飞行研究。但是美国宇航局内外的科学家和工程师一直在探索在火星上实施“进入、下降、着陆”的办法。对于学生来说这是一个非常好的研究案例,同时研究结果也会有助于未来机器人火星探测任务。对于“进入、下降、着陆”来说其最大的挑战是如何在不到10分钟的时间里把速度从超高音速降到零。一旦失败,那么载荷就会在火星表面砸出一个新的环形山。

这个过程中最困难的部分是中间的“下降”阶段。在这之前载荷具有相当大的轨道能量,而在接近地表前则要把这一能量削减到不足原来的1%。

2008年5月成功着陆火星的“凤凰”号探测器则体现了目前火星着陆的最高水准。其“恐怖7分钟”始于火星大气的顶端,距离地面大约125千米。“凤凰”号以每小时20,000千米的速度进入火星大气。火星大气对其绝热罩的阻尼使得它的速度降到了每小时1,400千米。然后降落伞会把速度进一步降到每小时400千米。在短暂的自由下落之后,“凤凰”号会在距离面975米的时候启动减速火箭并最终触地——整个过程历时大约7分钟。

到2018年当“好奇”号(原“火星科学实验室”)抵达火星的时候,目前的“进入、下降、着陆”技术就会达到它的极限。“好奇”号的质量为900千克,这差不多正是传统的绝热罩、降落伞、反推火箭所能做到的极限。

但未来的载人火星探测载荷将达到30-60吨。而目前的“进入、下降、着陆”技术甚至都不能把一辆迷你库珀车降落到火星上。迷你库珀的重量约为1,145千克,体积也要比未来的着陆舱小得多。

为此必须要采用新的技术。“直接火星”和其他计划的方案都是在下降阶段采用降落伞。但是火星稀薄的大气意味着降落伞必须非常得大,而且还要能在超高音速的情况下快速打开而不会缠绕在一起。这样一个降落伞摊开之后足可以覆盖一个足球场。


[图片说明]:未来使用超音速膨胀气动力学减速器着陆火星的构想图。版权:Astronomy/Roen Kelly。

而“阿波罗”式的仅靠反推火箭的着陆方式也有问题。使用火箭从火星轨道减速着陆会消耗巨量的推进剂。同时在超高音速下在火星大气中使用火箭会造成空气动力学阻尼以及难以预测的不稳定性。

美国宇航局和空气动力学研究中“进入、下降、着陆”技术领域的专家也想出了一些新办法。其中最有希望的是超音速膨胀气动力学减速器,它是一个形状类似羽毛球的巨大气囊。这种气动减速器直径大约50米,可以使得飞船减速到大约每小时720千米,在这个速度下就可以使用火箭引擎制动并且完成最终的软着陆。不过一次性完成30-60吨载荷的着陆可能还是会有问题,如果分批进行(例如以15吨为一个批次)可能会更实际。

插入奇迹

解决大质量载荷的着陆问题只是攻克载人火星探测诸多挑战中的一步,还需要有更多的“奇迹”发生。大小可以达到波音747客机翼展的超音速膨胀气动力学减速器虽然是一大挑战,但并非不可能。

在载人火星探测问题上,虽然有些人的目光可以看穿技术上的这些沙漠,但是最终还是要老老实实地穿过它。连续30年每年投入100亿美元也许可以实现登陆火星。但是考虑到美国宇航局重返月球计划的推迟以及所有尚未解决的挑战,美国宇航局真正要驻足火星可能要等到2080年。

当然也有人对此相当乐观。他们认为,今天的载人火星探测所遇到的挑战要比1961年载人登月时所遇到的小得多。与其说这些技术困难无法解决,倒不如说为此投入的人力、物力远不如以前。也许还是要提及美国总统肯尼迪的那句话(当然要做一点修改)——我们去火星不是因为它容易,而是因为它难。

[Astronomy 2009年08月]

(本文删减版已刊载于《科学画报》杂志2009年第10期)

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27 Responses to “下一站火星?”

  1. Mike说道:

    but if we take account of relativity then it will take a little shorter than it should've.

    just a thought. :]

  2. 眉毛说道:

    2080年.....希望还活着

  3. HelloBeauty说道:

    2080年我九十四岁。。。。。。

  4. subey说道:

    令人感慨~~

  5. 喜羊羊和一休哥说道:

    去吧,希望我还能看到。登月那次中国有关注过吗?

  6. 淡然说道:

    地球上火星人的希望啊!你们可以回家咯!

  7. 干羊肉说道:

    2080年可能活不到,但这篇文章让我岂码感觉今天没白活。

  8. Metaverse说道:

    先建中转站的方案估计比较稳阵。。。

  9. Big_ken说道:

    2080年,我106岁,只能飘过了。

  10. 天边的云说道:

    我终于看到回火星的希望了,地球太危险了。

  11. Flyhigh说道:

    会不会因为火星大气里的气泡而不能着陆~?

  12. 白蟒说道:

    下降的时候为什么不考虑使用滑翔阿?

  13. c.k.说道:

    美国2080年,没准我们比他们快点~

  14. 蚊子说道:

    能不能用气囊包起来下降呢,可以做许多层啊, 一层破了还有一层。但是中心的载人部分不会受到很大冲击。等落稳了再破壳而出!

    • 蚊子说道:

      不过30-60吨的荷载,确实很难选做气囊材料啊~~~

  15. doc_weiwang说道:

    又是个费钱的玩意儿,投资回报比太低了。只有在镇府强势的国家才可能干得出来。

  16. 猫王说道:

    i旅游吗,就是要花钱的

  17. 夏空说道:

    2080
    我刚好百岁……

  18. wzx说道:

    去火星……

  19. xjusu说道:

    唉——好难哦!

  20. 自在天说道:

    2080 ,看来将活100岁作为人生重大目标之一是必须的 了

  21. LED植物灯说道:

    2080 我可能还过的去

  22. kk说道:

    擦 就是为了省钱呗 换我天朝来 几千亿美元什么也就差不多我们三公消费4.5年而已,按照目前9000亿一年的三公消费来算的话。

  23. versugw www.kuaipu.com.cn说道:

    快普企业管理软件