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奔向火星的“特快專列”

發布日期: 2019-06-13
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奔向火星的“特快專列”




來源 |?太空夢想

作者 | 袁東




關于火星

火星是地球的近鄰

直徑約為地球直徑的一半

很多方面和地球冥冥中類似

比如火星的晝夜是24小時37分鐘

自轉軸的傾角是25度

有和地球非常類似的四季

(火星的公轉周期為686天,每個季節的長度是地球的兩倍)

火星由此被認為是最適合人類移民的星球

這或許是人類真正走出地球搖籃的第一步



奔向火星的“特快專列”

哈勃望遠鏡拍攝的火星


目前比較可行的載人火星方案仍然是在低地球軌道交會組裝載人火星飛船組合體方案。盡管從步驟上來講和登月并沒有本質區別,但載人火星任務無疑更加復雜,更具有挑戰性。


對于載人火星任務,目前最大的瓶頸在于“近地軌道運輸”和“往返于地球-火星轉移軌道”兩步。當然,一枚可靠而強勁的火箭是實現這兩步的必要條件——當年,正是馮·布勞恩牽頭研制的土星五號火箭成就了整個“阿波羅”登月計劃。


易于實現的近地軌道運輸


將上百噸體積龐大的飛行器首先送到低地球軌道(LEO),對火箭整流罩的尺寸、容積提出了更高要求。如果僅僅依靠小火箭“螞蟻搬家”,近地空間組裝任務將變得十分復雜,充滿風險。不過,美蘇太空競賽時期涌現出了多款性能優異的火箭,比如一級裝配了5臺液氧煤油F1液體火箭發動機的土星五號,LEO的運送能力達到了驚人的140噸,而且從未有過失敗的記錄。


另外,Shuttle-C(C取自英文Cargo,運輸的首字母)是NASA在1984年至1995年期間研究將航天飛機發射系統衍生為專用無人貨運運載器的方案,該方案利用了航天飛機外部貯箱和固體火箭助推器(SRB)、SSME(航天飛機主發動機),以及外部貯箱與航天飛機的固定組件,不可復用,LEO最高運載能力也達到了71噸。


作為競爭對手,蘇聯研發了重型運載火箭能源號(Energia),能源號并非僅僅是為了暴風雪號,設計師瓦連京·格魯什科(Valentin ?Glushko)雄心勃勃地規劃了重型和超重型火箭大家族。能源火箭基于模塊化設計,通過在火箭周圍捆綁4個天頂號助推火箭,載荷安置在側面可將100噸載荷送入低地球軌道;配置8個天頂號助推火箭能源-B型,載荷放在頂部,則可以達到200噸的LEO運送能力。


如果說從舊的圖紙堆里面復原曾經的輝煌,由于年代久遠不甚可行,那么現在NASA正在研發的SLS和太空探索公司的BFR以及進度一直拖延的藍色起源New Glenn也完全可以期待。而我國重型運載火箭——長征九號研制也已經取得階段性成果,芯級箭體直徑9.5米級、近地軌道運載能力50噸至140噸、奔月轉移軌道運載能力15噸至50噸、奔火轉移軌道運載能力12噸至44噸,預計將于2030年前后實現首飛。


奔向火星的“特快專列”

各種超大運載能力的巨型火箭


在低地球軌道的組合體已經整裝待發

接下來往返火星的軌道飛行非常關鍵

地球繞太陽兩圈的時間里

火星大約繞一圈多一點

這個過程中地球和火星在公轉軌道同側的

最近距離在5500萬公里左右

此時路程最短

但由于地球公轉有29.79公里/秒的速度

借這個力奔向火星的方案遠比直接過去要明智

可以節省大量改變航向的推進劑



霍曼轉移軌道:更適合的“貨運線路”


1925年,德國物理學家奧爾特·霍曼博士推導出在兩條同一平面上、半徑相異的圓形軌道間轉移衛星的最小能量方法,稱之為霍曼轉移。沿著地球公轉的切線方向,利用地球公轉的29.79千米/秒速度,只要額外給組合體2.95千米每秒的dV便可以完成從LEO到火星霍曼轉移,在到達火星時,由于需要克服太陽引力,速度從一開始的32.73/秒降為21.48千米/秒,雖然趕不上火星24.13千米/秒的公轉速度,不過2.65千米速度差低于火星5千米/秒的逃逸速度,可以在火星著陸。


霍曼轉移軌道的最大優勢在于到達此軌道所需的燃料較少,不過在這個軌道上將是“慢車”,去程達到259個日日夜夜,大概8個多月,而且由于不入繞火星軌道,任務風險大,實際執行的任務往往采用速度增量稍大的優化版轉移軌道,更適合貨運,好比是你在網上買了一個大件走物流,一般只要求價格公道能夠安全送達即可。


奔向火星的“特快專列”

最省力但是旅途漫長的霍曼轉移軌道


但對于載人火星任務,我們不得不考慮另外一個現實的問題——返回地球!由于火星和地球一直處在運動過程中,相對位置總在變化,必須在火星上等待火星和地球處于特定的相對位置,才能讓返程花費的能量相對合理。如果繼續按照最少能量消耗路線,航天員得在火星上待550天左右,等待返回地球窗口的打開,這一趟火星之旅,時間會長達2~3年。


航行時間的長短,牽涉到生活必需品的消耗,也牽涉到航天員心理、生理和太空輻射等一系列問題。我們必須創造條件以減少星際旅行時間,最大程度保護航天員免受輻射,同時最大限度地減少需要攜帶的物資。


此外,也有很多科學家致力于研究更短的火星之旅,比如登月功臣馮·布勞恩1969年描述了一個火星飛行任務,采用三個NERVA核熱動力發動機,在火星地表進行80天科研,并利用金星引力加速回程之旅,但整個行程依舊長達640天。


當代也出現了高效的電推發動機,比沖達到了3000秒,但其推力極低,在幾百毫牛量級,只能“用時間換空間”去火星,這意味著會給航天員帶來更大的輻射劑量,因此更不適合載人火星之旅。


是不是可以用“大力出奇跡”的辦法,在低地球軌道“大腳踩油門”,把速度增加到極限?在LEO給予組合體12.34千米/秒的速度,疊加地球公轉速度合計達到42.12千米/秒的超高速,測算可以將到達火星的時間縮短到70天。然而,在到達前需要“大腳剎車”,需要大約20.31千米/秒的速度增量,才能把組合體的速度從34.13千米/秒下降和偏轉到與火星公轉同步的線速度和方向。這無疑對于現有的化學火箭來說是一項特別艱難的任務——要知道突破海拔100千米高度的卡門線后,僅僅是1.4千米/秒的速度增量已經把很多國家和企業拒之航天門外。



人貨分離、裝備先行:NASA火星任務架構


限于這些骨感的現實,目前NASA最新的火星任務設計參考架構(2009年出的5.0版本,后續暫無更新)論證了前述馮·布勞恩利用金星引力加速回程的短途沖點航線方案,雖然方案只有600多天,但對于發射窗口要求很高,整體速度增量大,對航天員的輻射量相對較高,而且在火星地面考察時間較短。


經過反復論證、權衡利弊,采納的合點航行方案中規中矩,航天員將在火星上等待火星和地球特定的相對位置,科學考察550天后回家,任務總時長為914天。推進方面,則拿出了核熱動力火箭、化學火箭兩個方案。該擬定的火星任務選擇在2030年到2046年階段實施,分三批勘測火星三個有代表性的區域。


任務的第一階段,將通過至少7次大型運載火箭的密集發射,把載人火星任務的各個構件先送到低地球軌道,前兩個最重要的任務構件——登陸火星飛船的下降艙/上升艙和火星地面棲息艙將首先發射,并在低地球軌道通過交會和對接完成與地火轉移推進艙的組裝。整個組合體在檢查確認無誤之后,將在低地球軌道上耐心等待發射窗口打開,先于航天員發射兩年,選擇速度增量較小的地球-火星轉移軌道,耗時202天抵達火星后,組合體將進入一個高度橢圓形的火星軌道(250×33793千米)上。


由于不攜帶輜重,航天員的火星之旅可以選擇更快的地火轉移軌道,將深空行星際旅行相關的危害降到最低。如果選擇在2037年執行載人火星探測任務,速度增量達到5千米/秒左右,6名航天員到達火星的旅程為174天,下降并著陸在火星的指定區域,利用火星大氣制造航天員返回上升級的推進劑。在火星地表,航天員的停留時間為539天,返回地球的時間為201天,總任務持續時間為914天。整個任務涉及到發射800~1200噸低地球軌道載荷,從低地球軌道出發至返回的整個速度增量需要12~14千米/秒。


奔向火星的“特快專列”

如果任務設定在2037年,載人火星任務方案圖



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更快的火星之旅——VASIMR發動機構想


VASIMR發動機全稱是可變比沖磁等離子體發動機,由前NASA華裔航天員張福林于1979年提出,其基本原理是將等離子體溫度加熱到高達一千萬度甚至更高,借鑒核聚變技術研究的衍生技術,利用磁鏡約束場使熾熱的等離子體與附近的材料表面隔開,再加上一個合適的磁噴嘴, 便可以把等離子體的能量轉變為火箭的推力。根據理論估算,等離子體的比沖能達到3000-50000秒(出口速度達到30-500千米/秒), 相當于目前最好的化學火箭的60倍。


VASIMR發動機燃料消耗極少,在恒定功率下還可以改變推力和比沖,有更大的靈活性,有更多的機會改變飛行路線或者返回地球。另外,在整個推進過程中,等離子體被磁鏡約束在發動機內部的磁場里面,大幅降低了發動機的耗損。張福林博士在《VASIMR Human Mission to Mars》論文中進行了測算,如果給予20萬千瓦的電能,供電設備的質量功率比(設備質量與發電功率的比值)優化到1千克/千瓦,VASIMR最快可以讓航天員在39天內到達火星,他甚至設計了一個在2033年的火星之旅,包括在火星36天的考察,往返僅需要150天。


此外,VASIMR如果使用氫作為推進劑,還可以對宇宙射線產生良好的隔離作用。同時,氫也是宇宙中最豐富的元素,隨著技術的不斷發展,將來可以在太空中隨時攝取氫,為VASIMR補給燃料,實現長途飛行。


奔向火星的“特快專列”

VASIMR實驗原型結構圖


盡管VASIMR發動機在理論上可能實現航天器39天抵達火星,但凡事均有兩面性——VASIMR需要大量的電能用來加速推進劑?;诋斍凹夹g,大型且可控的太陽能電池陣列可為電推進提供高達1000千瓦的功率,但過大的電池陣對航天器的構型、軌道保持和姿態控制設計等產生巨大挑戰。目前國際空間站的太陽能電池也只能提供100KW的功率,而且這一結果是在地日距離下,太陽能在火星等以外區域將大幅衰減。


展望未來,載人探索需要更高效和更快速的推進技術,筆者認為,推進電能的提供非空間核反應堆電源莫屬。與太陽能電池相比較,空間核反應堆電源的根本優點在于其為自主電源,不依賴于陽光且儲能極高;適用功率范圍廣,可以覆蓋千瓦至兆瓦及以上功率輸出,質量功率比隨功率增長而降低,可以有效滿足航天任務日益增長的能源需求。


此前,美俄已成功將0.5~5 kWe的核反應堆電源送入了太空,目前正在研發千瓦至兆瓦、壽命超過10年的新型空間核反應堆電源。不過要指出的是,空間堆發電都存在轉換效能問題,目前轉換效率在23%~35%左右,未來可能超過40%,但效能問題必然牽涉到空間散熱問題。


太空是高真空環境,沒有對流,散熱系統只能以熱輻射的方式向深空進行熱傳遞。因此,散熱系統一方面需通過換熱器將熱量從核反應堆的循環系統中帶走,另一方面需將熱量傳輸擴展到大型輻射器上進行排散。隨著核反應堆功率的增加,需要體積巨大且笨重的熱管輻射散熱器。據估算,散熱系統的質量將達到反應堆質量的1~2倍之多,這需要更多給力的運載火箭運送到低地球軌道。


祖布林在《趕往火星》一書里面還提出了原位利用的概念?;鹦谴髿鈱拥闹饕煞质嵌趸?,利用太陽能或者核能電解水產生氫(氧可以提供航天員呼吸),與二氧化碳反應就可以生成甲烷用于返回低火星軌道的推進劑。因此,完成飛行任務的空間堆送到火星地表的可以“發揮余熱”,一物兩用,較太陽能能夠更穩定的提供電能,滿足各種任務需要。


奔向火星的“特快專列”

化學推進劑方案的火星任務,需要兩艘貨運飛船和一艘載人飛船組合完成


2005年,張福林創辦了阿德斯特拉火箭公司(Ad Astra Rocket Company),在NASA的支持下研發VASIMR發動機。從10千瓦的VX-10樣機起步到功率為30千瓦的VX-30樣機研制的進展,讓NASA認識到,VASIMR能夠比現代化學動力火箭更快地前往火星。


2015年,NASA授予其為期三年、價值900萬美元的合同,要求該發動機能在100千瓦下持續點火10秒或在50千瓦下持續點火1分鐘,在2018年年中使發動機在100千瓦功率水平下持續點火100小時。目前最新的消息是在2017年底,該公司成功地積累了100小時的非連續大功率測試,氬氣工質被加熱到超過200萬度。2018年5月,加拿大航天局宣布為該公司提供150萬美元的資金,支持VX-200SSTM發動機2018年四季度進行的100小時連續高功率點火測試。


目前的高溫超導材料技術日新月異,為整個VASIMR系統提升效能鋪平了道路。筆者認為,VASIMR目前面臨的難題不僅僅是耐久性,未來在提高推力和效率上還有很多工作可以做,但VASIMR的研制方向無疑是正確的。


齊奧爾科夫斯基是現代宇宙航行學的奠基人,他有一句名言:“地球是人類的搖籃,但人類不可能永遠被束縛在搖籃里”,隨著技術的進步,人類終將自信地走出地球,踏上夢想已久的火星征途!



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