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奔向火星的“特快专列”

发布日期: 2019-06-13
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奔向火星的“特快专列”




来源 | 太空梦想

作者 | 袁东




关于火星

火星是地球的近邻

直径约为地球直径的一半

很多方面和地球冥冥中类似

比如火星的昼夜是24小时37分钟

自转轴的倾角是25度

有和地球非常类似的四季

(火星的公转周期为686天,每个季节的长度是地球的两倍)

火星由此被认为是最适合人类移民的星球

这或许是人类真正走出地球摇篮的第一步



奔向火星的“特快专列”

哈勃望远镜拍摄的火星


目前比较可行的载人火星方案仍然是在低地球轨道交会组装载人火星飞船组合体方案。尽管从步骤上来讲和登月并没有本质区别,但载人火星任务无疑更加复杂,更具有挑战性。


对于载人火星任务,目前最大的瓶颈在于“近地轨道运输”和“往返于地球-火星转移轨道”两步。当然,一枚可靠而强劲的火箭是实现这两步的必要条件——当年,正是冯·布劳恩牵头研制的土星五号火箭成就了整个“阿波罗”登月计划。


易于实现的近地轨道运输


将上百吨体积庞大的飞行器首先送到低地球轨道(LEO),对火箭整流罩的尺寸、容积提出了更高要求。如果仅仅依靠小火箭“蚂蚁搬家”,近地空间组装任务将变得十分复杂,充满风险。不过,美苏太空竞赛时期涌现出了多款性能优异的火箭,比如一级装配了5台液氧煤油F1液体火箭发动机的土星五号,LEO的运送能力达到了惊人的140吨,而且从未有过失败的记录。


另外,Shuttle-C(C取自英文Cargo,运输的首字母)是NASA在1984年至1995年期间研究将航天飞机发射系统衍生为专用无人货运运载器的方案,该方案利用了航天飞机外部贮箱和固体火箭助推器(SRB)、SSME(航天飞机主发动机),以及外部贮箱与航天飞机的固定组件,不可复用,LEO最高运载能力也达到了71吨。


作为竞争对手,苏联研发了重型运载火箭能源号(Energia),能源号并非仅仅是为了暴风雪号,设计师瓦连京·格鲁什科(Valentin  Glushko)雄心勃勃地规划了重型和超重型火箭大家族。能源火箭基于模块化设计,通过在火箭周围捆绑4个天顶号助推火箭,载荷安置在侧面可将100吨载荷送入低地球轨道;配置8个天顶号助推火箭能源-B型,载荷放在顶部,则可以达到200吨的LEO运送能力。


如果说从旧的图纸堆里面复原曾经的辉煌,由于年代久远不甚可行,那么现在NASA正在研发的SLS和太空探索公司的BFR以及进度一直拖延的蓝色起源New Glenn也完全可以期待。而我国重型运载火箭——长征九号研制也已经取得阶段性成果,芯级箭体直径9.5米级、近地轨道运载能力50吨至140吨、奔月转移轨道运载能力15吨至50吨、奔火转移轨道运载能力12吨至44吨,预计将于2030年前后实现首飞。


奔向火星的“特快专列”

各种超大运载能力的巨型火箭


在低地球轨道的组合体已经整装待发

接下来往返火星的轨道飞行非常关键

地球绕太阳两圈的时间里

火星大约绕一圈多一点

这个过程中地球和火星在公转轨道同侧的

最近距离在5500万公里左右

此时路程最短

但由于地球公转有29.79公里/秒的速度

借这个力奔向火星的方案远比直接过去要明智

可以节省大量改变航向的推进剂



霍曼转移轨道:更适合的“货运线路”


1925年,德国物理学家奥尔特·霍曼博士推导出在两条同一平面上、半径相异的圆形轨道间转移卫星的最小能量方法,称之为霍曼转移。沿着地球公转的切线方向,利用地球公转的29.79千米/秒速度,只要额外给组合体2.95千米每秒的dV便可以完成从LEO到火星霍曼转移,在到达火星时,由于需要克服太阳引力,速度从一开始的32.73/秒降为21.48千米/秒,虽然赶不上火星24.13千米/秒的公转速度,不过2.65千米速度差低于火星5千米/秒的逃逸速度,可以在火星着陆。


霍曼转移轨道的最大优势在于到达此轨道所需的燃料较少,不过在这个轨道上将是“慢车”,去程达到259个日日夜夜,大概8个多月,而且由于不入绕火星轨道,任务风险大,实际执行的任务往往采用速度增量稍大的优化版转移轨道,更适合货运,好比是你在网上买了一个大件走物流,一般只要求价格公道能够安全送达即可。


奔向火星的“特快专列”

最省力但是旅途漫长的霍曼转移轨道


但对于载人火星任务,我们不得不考虑另外一个现实的问题——返回地球!由于火星和地球一直处在运动过程中,相对位置总在变化,必须在火星上等待火星和地球处于特定的相对位置,才能让返程花费的能量相对合理。如果继续按照最少能量消耗路线,航天员得在火星上待550天左右,等待返回地球窗口的打开,这一趟火星之旅,时间会长达2~3年。


航行时间的长短,牵涉到生活必需品的消耗,也牵涉到航天员心理、生理和太空辐射等一系列问题。我们必须创造条件以减少星际旅行时间,最大程度保护航天员免受辐射,同时最大限度地减少需要携带的物资。


此外,也有很多科学家致力于研究更短的火星之旅,比如登月功臣冯·布劳恩1969年描述了一个火星飞行任务,采用三个NERVA核热动力发动机,在火星地表进行80天科研,并利用金星引力加速回程之旅,但整个行程依旧长达640天。


当代也出现了高效的电推发动机,比冲达到了3000秒,但其推力极低,在几百毫牛量级,只能“用时间换空间”去火星,这意味着会给航天员带来更大的辐射剂量,因此更不适合载人火星之旅。


是不是可以用“大力出奇迹”的办法,在低地球轨道“大脚踩油门”,把速度增加到极限?在LEO给予组合体12.34千米/秒的速度,叠加地球公转速度合计达到42.12千米/秒的超高速,测算可以将到达火星的时间缩短到70天。然而,在到达前需要“大脚刹车”,需要大约20.31千米/秒的速度增量,才能把组合体的速度从34.13千米/秒下降和偏转到与火星公转同步的线速度和方向。这无疑对于现有的化学火箭来说是一项特别艰难的任务——要知道突破海拔100千米高度的卡门线后,仅仅是1.4千米/秒的速度增量已经把很多国家和企业拒之航天门外。



人货分离、装备先行:NASA火星任务架构


限于这些骨感的现实,目前NASA最新的火星任务设计参考架构(2009年出的5.0版本,后续暂无更新)论证了前述冯·布劳恩利用金星引力加速回程的短途冲点航线方案,虽然方案只有600多天,但对于发射窗口要求很高,整体速度增量大,对航天员的辐射量相对较高,而且在火星地面考察时间较短。


经过反复论证、权衡利弊,采纳的合点航行方案中规中矩,航天员将在火星上等待火星和地球特定的相对位置,科学考察550天后回家,任务总时长为914天。推进方面,则拿出了核热动力火箭、化学火箭两个方案。该拟定的火星任务选择在2030年到2046年阶段实施,分三批勘测火星三个有代表性的区域。


任务的第一阶段,将通过至少7次大型运载火箭的密集发射,把载人火星任务的各个构件先送到低地球轨道,前两个最重要的任务构件——登陆火星飞船的下降舱/上升舱和火星地面栖息舱将首先发射,并在低地球轨道通过交会和对接完成与地火转移推进舱的组装。整个组合体在检查确认无误之后,将在低地球轨道上耐心等待发射窗口打开,先于航天员发射两年,选择速度增量较小的地球-火星转移轨道,耗时202天抵达火星后,组合体将进入一个高度椭圆形的火星轨道(250×33793千米)上。


由于不携带辎重,航天员的火星之旅可以选择更快的地火转移轨道,将深空行星际旅行相关的危害降到最低。如果选择在2037年执行载人火星探测任务,速度增量达到5千米/秒左右,6名航天员到达火星的旅程为174天,下降并着陆在火星的指定区域,利用火星大气制造航天员返回上升级的推进剂。在火星地表,航天员的停留时间为539天,返回地球的时间为201天,总任务持续时间为914天。整个任务涉及到发射800~1200吨低地球轨道载荷,从低地球轨道出发至返回的整个速度增量需要12~14千米/秒。


奔向火星的“特快专列”

如果任务设定在2037年,载人火星任务方案图



4


更快的火星之旅——VASIMR发动机构想


VASIMR发动机全称是可变比冲磁等离子体发动机,由前NASA华裔航天员张福林于1979年提出,其基本原理是将等离子体温度加热到高达一千万度甚至更高,借鉴核聚变技术研究的衍生技术,利用磁镜约束场使炽热的等离子体与附近的材料表面隔开,再加上一个合适的磁喷嘴, 便可以把等离子体的能量转变为火箭的推力。根据理论估算,等离子体的比冲能达到3000-50000秒(出口速度达到30-500千米/秒), 相当于目前最好的化学火箭的60倍。


VASIMR发动机燃料消耗极少,在恒定功率下还可以改变推力和比冲,有更大的灵活性,有更多的机会改变飞行路线或者返回地球。另外,在整个推进过程中,等离子体被磁镜约束在发动机内部的磁场里面,大幅降低了发动机的耗损。张福林博士在《VASIMR Human Mission to Mars》论文中进行了测算,如果给予20万千瓦的电能,供电设备的质量功率比(设备质量与发电功率的比值)优化到1千克/千瓦,VASIMR最快可以让航天员在39天内到达火星,他甚至设计了一个在2033年的火星之旅,包括在火星36天的考察,往返仅需要150天。


此外,VASIMR如果使用氢作为推进剂,还可以对宇宙射线产生良好的隔离作用。同时,氢也是宇宙中最丰富的元素,随着技术的不断发展,将来可以在太空中随时摄取氢,为VASIMR补给燃料,实现长途飞行。


奔向火星的“特快专列”

VASIMR实验原型结构图


尽管VASIMR发动机在理论上可能实现航天器39天抵达火星,但凡事均有两面性——VASIMR需要大量的电能用来加速推进剂。基于当前技术,大型且可控的太阳能电池阵列可为电推进提供高达1000千瓦的功率,但过大的电池阵对航天器的构型、轨道保持和姿态控制设计等产生巨大挑战。目前国际空间站的太阳能电池也只能提供100KW的功率,而且这一结果是在地日距离下,太阳能在火星等以外区域将大幅衰减。


展望未来,载人探索需要更高效和更快速的推进技术,笔者认为,推进电能的提供非空间核反应堆电源莫属。与太阳能电池相比较,空间核反应堆电源的根本优点在于其为自主电源,不依赖于阳光且储能极高;适用功率范围广,可以覆盖千瓦至兆瓦及以上功率输出,质量功率比随功率增长而降低,可以有效满足航天任务日益增长的能源需求。


此前,美俄已成功将0.5~5 kWe的核反应堆电源送入了太空,目前正在研发千瓦至兆瓦、寿命超过10年的新型空间核反应堆电源。不过要指出的是,空间堆发电都存在转换效能问题,目前转换效率在23%~35%左右,未来可能超过40%,但效能问题必然牵涉到空间散热问题。


太空是高真空环境,没有对流,散热系统只能以热辐射的方式向深空进行热传递。因此,散热系统一方面需通过换热器将热量从核反应堆的循环系统中带走,另一方面需将热量传输扩展到大型辐射器上进行排散。随着核反应堆功率的增加,需要体积巨大且笨重的热管辐射散热器。据估算,散热系统的质量将达到反应堆质量的1~2倍之多,这需要更多给力的运载火箭运送到低地球轨道。


祖布林在《赶往火星》一书里面还提出了原位利用的概念。火星大气层的主要成分是二氧化碳,利用太阳能或者核能电解水产生氢(氧可以提供航天员呼吸),与二氧化碳反应就可以生成甲烷用于返回低火星轨道的推进剂。因此,完成飞行任务的空间堆送到火星地表的可以“发挥余热”,一物两用,较太阳能能够更稳定的提供电能,满足各种任务需要。


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化学推进剂方案的火星任务,需要两艘货运飞船和一艘载人飞船组合完成


2005年,张福林创办了阿德斯特拉火箭公司(Ad Astra Rocket Company),在NASA的支持下研发VASIMR发动机。从10千瓦的VX-10样机起步到功率为30千瓦的VX-30样机研制的进展,让NASA认识到,VASIMR能够比现代化学动力火箭更快地前往火星。


2015年,NASA授予其为期三年、价值900万美元的合同,要求该发动机能在100千瓦下持续点火10秒或在50千瓦下持续点火1分钟,在2018年年中使发动机在100千瓦功率水平下持续点火100小时。目前最新的消息是在2017年底,该公司成功地积累了100小时的非连续大功率测试,氩气工质被加热到超过200万度。2018年5月,加拿大航天局宣布为该公司提供150万美元的资金,支持VX-200SSTM发动机2018年四季度进行的100小时连续高功率点火测试。


目前的高温超导材料技术日新月异,为整个VASIMR系统提升效能铺平了道路。笔者认为,VASIMR目前面临的难题不仅仅是耐久性,未来在提高推力和效率上还有很多工作可以做,但VASIMR的研制方向无疑是正确的。


齐奥尔科夫斯基是现代宇宙航行学的奠基人,他有一句名言:“地球是人类的摇篮,但人类不可能永远被束缚在摇篮里”,随着技术的进步,人类终将自信地走出地球,踏上梦想已久的火星征途!



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