一 林
在21世紀(jì)的頭20年里,人類將完成2項世界性的大型航天工程——重返月球和實現(xiàn)載人火星航行。早在30多年前,人類就已經(jīng)多次成功地登上月球,所以重返月球從技術(shù)上來說,已經(jīng)沒有任何障礙。而要實現(xiàn)載人火星航行卻還有一段艱難的路。
火星是太陽系中與地球最相似的一顆行星。火星上的一年也有四季之分,共有687天,幾乎是地球上一年時間的兩倍?;鹦巧系囊惶熘槐鹊厍蛏系囊惶扉L37分鐘。
火星被一個大氣層包圍著,其主要成分是二氧化碳,約占95%。大氣密度極其稀薄,相當(dāng)于地球海拔高度35公里處的大氣密度?;鹦堑奶炜瞻滋斐史奂t色,朝日初升和夕陽落山時呈藍(lán)色?;鹦潜砻骘L(fēng)速每小時可達(dá)幾百公里,雖風(fēng)力很小,但揚起的塵暴可持續(xù)數(shù)星期之久?;鹦潜砻娴臏囟仍跀z氏-140度至+27度之間變化,巖石會因天空光線的變化,在一天里呈現(xiàn)不同的顏色。
由于載人火星航行是人類歷史上破天荒第一次,還需要解決因長期太空飛行產(chǎn)生的若干難題,為此必須進(jìn)行多次無人火星探測,以便為人類登上火星提供更多的依據(jù)和經(jīng)驗。怎樣才能安全可靠地把人送上火星并返回,實現(xiàn)載人火星航行的偉大理想呢?讓我們從太空航行的基本問題——速度說起。
需要大于11.6公里/秒的速度
載人飛船要飛往火星,首先必須擺脫地球的引力束縛。我們知道,一個物體要想脫離地球引力,必須獲得等于或大于11.2公里/秒的第二宇宙速度。當(dāng)飛船以11.2公里/秒的速度飛離地球,到達(dá)距地球大約100萬公里處,可以認(rèn)為已經(jīng)擺脫了地球引力。此時,飛船相對于地球的速度已減小到接近于零。但是,飛船仍具有地球給它的29.8公里/秒的相對于太陽的速度。于是,飛船就像地球的一個微不足道的小伙伴,伴隨地球一道,在半徑為1.5億公里的地球軌道上,繞太陽運行。
要使飛船脫離地球引力飛往火星,就要使它在擺脫地球引力以后,還有3公里/秒的剩余速度,加上地球給它的29.8公里/秒,它就獲得了相對于太陽32.8公里/秒的速度。這樣,飛船就會離開地球軌道,沿著一條以太陽為焦點,近日點在地球軌道上,遠(yuǎn)日點在火星軌道上的橢圓航線,飛向火星。這條航線稱為“雙切軌道”航線。而要使飛船具有3公里/秒的剩余速度,就需要使飛船從地面起飛后,獲得一個11.6公里/秒的朝東方向的初始速度。
飛船飛往火星走什么樣的航線和行時間的長短,取決于它相對太陽的速度。速度越大,飛往火星的航程越短。雙切軌道航線要求飛船的初始速度最小為11.6公里/秒,是最省能量的航線,但是它的航程長,航行時間也長。沿雙切軌道航線飛抵火星需要259天。
發(fā)射窗口
飛船經(jīng)過259天漫長的航行,抵達(dá)火星軌道時,并不見得能與火星相遇,因為火星也在自己的軌道上運行。只有當(dāng)飛船達(dá)到遠(yuǎn)日點,即與火星軌道相切點時,火星也正好運行到那里,飛船才能與火星交會。這就要求:飛船從地球發(fā)射起飛時,火星必須位于地球前方44度的位置。這個特定的發(fā)射時機(jī)叫做“發(fā)射窗口”。
象這種特定的位置,是不常有的,每隔26個月才出現(xiàn)一次。這段時間,天文學(xué)上稱為“會合周期”。因此,如果錯過一次發(fā)射窗口,或者發(fā)射失敗,下一次發(fā)射就只能等到兩年零兩個月以后了。
雙切軌道航線雖然最省能量,但是航行時間最長。在能量允許的情況下,一般寧可讓飛船的初始速度略大于11.6公里/秒。這樣,飛船將沿著一條比雙切軌道大的橢圓軌道航線飛行,沿這條航線到達(dá)火星軌道的航程短,航行時間也會相應(yīng)縮短。初始速度越大,航線越短。所以,在設(shè)計火星航行方案時,往往考慮將初始速度定為12公里/秒左右,這樣可使航行時間縮短到大約200天。
從火星返回地球也不是隨時可以啟程的。如果沿雙切軌道航線返回,飛船是在軌道的遠(yuǎn)日點離開火星軌道,到近日點與地球軌道相切。為使地球同時走到這一位置與飛船交會,就要求在飛船從火星出發(fā)時,地球應(yīng)位于火星后面75度的位置上。這樣的相對位置(發(fā)射窗口),自飛船到達(dá)火星之日起450天才第一次出現(xiàn)。此后,按照地球與火星的會合周期,每隔26個月出現(xiàn)一次。
所以,每次載人火星航行任務(wù),航天員不得不在火星上呆450或500天(500天是選擇途中為200天航線時,需要在火星上等待的時間),多也不行,少也不行。由此可見,載人火星航行,如走雙切軌道航線,來回需要2×259+450=968天;如走較短航線,需要2×200+500=900天。往返一次要花900個日日夜夜,也真夠長的!
需要解決的難題
20世紀(jì)60年代以來,無人火星探測的實現(xiàn)及載人登月的成功,為載人火星航行所需的基本技術(shù)和功能系統(tǒng)奠定了良好的基礎(chǔ),例如,載人火星飛船的研制、火星航行的導(dǎo)航與控制、通信與測控、捕獲火星、從火星著陸與返回、火星車及儀器設(shè)備在火星表面的自主或遙控工作等。
為了實現(xiàn)載人火星航行,尚需要進(jìn)一步完善這些技術(shù)和系統(tǒng),特別是提高它們的可靠性與安全性。同時,載人火星航行還必須解決因長達(dá)兩年半的航行給航天員帶來的一些特殊難題。
為減少旅途中航天員的孤獨,執(zhí)行任務(wù)有人商量,每次載人火星航行的航天員人數(shù)不能太少,一兩人不合適,也不能太多,初期以4至6人為宜。
航天員在兩年半中所需要的食物、水、氧氣、能源以及其他生活和工作消耗品,重量將達(dá)到數(shù)十噸,都需要從地球運去。向火星每發(fā)送1噸有效載荷,需要消耗大約100噸重的運載器。尤其麻煩的是,航天員從火星返回地球用的返航運載器也必須從地球運去。這個運載器裝滿推進(jìn)劑后,將重達(dá)100多噸。為此,需要研制一種不亞于發(fā)射“阿波羅”登月飛船的“土星5號”的重型運載器,以便能把數(shù)十至一百多噸重的有效載荷送入飛往火星的軌道。
為了解決上述難題,航天專家們提出了3條途徑:
利用火星大氣生產(chǎn)推進(jìn)劑、水和氧氣,盡可能減少需從地球運往火星的載荷。由于火星大氣中95%是二氧化碳,利用從地球上帶去的氫,與火星大氣中的二氧化碳進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),可生成甲烷和水,再將水電解又可得到氫和氧。甲烷和氧是推進(jìn)劑,不僅可供返航運載器用,還可供火星車及可移動儀器設(shè)備用。氫可以循球使用,不斷生產(chǎn)甲烷、氧氣和水。生產(chǎn)推進(jìn)劑所需電能由從地球帶去的核電站供給。
分批運送,“糧草先行”。先將返航運載器、推進(jìn)劑生產(chǎn)設(shè)備、液氫、核電站及航天員生活、工作必需品等分批運送,最后運送航天員,以減輕每次發(fā)射的有效載荷重量,降低對運載能力的要求。
開發(fā)新的重型運載器。美國國家航空航天局的馬歇爾航天中心設(shè)想了一種名叫“馬格努姆”(Magnum)的火箭,近地軌道的運載能力可達(dá)80噸。由飛船(或其他有效載荷)和推進(jìn)級組成、重量為100至200噸的航天器,可以用該火箭分2至3次送入近地軌道,在軌道上組裝,然后點燃推進(jìn)級,將速度由7.6公里/秒左右提高到12公里/秒,飛向火星。
美國前洛克希德·馬丁公司的工程師祖伯林(Zubrin)提出了研制名叫“阿勒斯”(Ares)的重型運載器。它能從地面將數(shù)十噸的飛船或其他有效載荷直接加速到12公里/秒,進(jìn)入飛向火星的軌道。
基于上述解困途徑,馬歇爾航天中心和祖伯林提出了各自的載人火星航行方案,即基準(zhǔn)航行方案和火星直航方案。
基準(zhǔn)航行方案
這是馬歇爾中心提出的方案,主要特點是:每次任務(wù)有6名航天員參加,進(jìn)行3次發(fā)射??偼顿Y約需500億美元。
第一次發(fā)射用“馬格努姆”火箭把裝滿推進(jìn)劑的返航運載器送往火星,停泊在環(huán)繞火星的軌道上,待3年零3個月以后,供航天員從火星返回地球用。
第二次發(fā)射在第一次發(fā)射后不久(在同一個發(fā)射窗口內(nèi))進(jìn)行,發(fā)射一艘運貨飛船。它攜帶有充氣式居住艙、未裝推進(jìn)劑的上升船、推進(jìn)劑生產(chǎn)設(shè)備、核電站、液氫、科學(xué)儀器和航天員在火星期間及返回途中的食物等必需品。
無人貨船到達(dá)火星表面后,推進(jìn)劑生產(chǎn)設(shè)備即開始調(diào)試運行,利用帶來的液氫和火星大氣中的二氧化碳生產(chǎn)甲烷、氧和水。甲烷和氧是上升船需要的推進(jìn)劑,返回時用。氧和水供航天員用。在此期間,充氣式居住艙在火星表面自動充氣展開成形,準(zhǔn)備迎接航天員到來。
第三次發(fā)射在第一次發(fā)射以后2年零2個月(即下一個發(fā)射窗口到來之際)進(jìn)行,發(fā)射乘有6名航天員的飛船。但在這之前,必須經(jīng)過地面遙控、測試,證明已送到火星上的所有設(shè)備和儀器均工作正常,甲烷、水和氧產(chǎn)量已能滿足上升船和航天員的需求。
航天員在火星表面期間,可以乘坐火星車或用可移動的儀器設(shè)備進(jìn)行巡視探測。500天以后,當(dāng)返回窗口來臨時,航天員乘坐上升船離開火星表面,到環(huán)繞火星軌道上,與等在那里的返航運載器交會對接,6名航天員即可乘坐返航運載器返回地球。
此后,每隔26個月發(fā)射一個返航運載器,一艘運貨飛船;再隔26個月發(fā)射載人飛船。照此辦理,就可為在火星上建立起可供人類長期居住的火星基地創(chuàng)造條件。
火星直航方案
美國工程師祖伯林提出的這個直航方案特點是:每次任務(wù)派4名航天員;從地球運去的返航運載器不帶推進(jìn)劑,推進(jìn)劑在火星上生產(chǎn)。與基準(zhǔn)航行方案相比,直航方案需要從地球運往火星的物資大大減少。每次任務(wù)只需發(fā)射2次,比基準(zhǔn)方案少1次;所需投資也少一半,為250億美元。
所謂“直航”,是指飛船和返航運載器都從地球直接送到火星表面,既不需要在環(huán)繞地球軌道上組裝,也不需要停泊在環(huán)繞火星的軌道上。航天員返回時,乘坐返航運載器從火星表面直接返回地球即可。
第一次發(fā)射時,用“阿勒斯”重型運載器將未裝推進(jìn)劑的空的返航運載器、6噸液氫、推進(jìn)劑生產(chǎn)設(shè)備和100千瓦的核電站送到火星表面。
這些設(shè)備到達(dá)火星后,就展開運行,利用帶來的液氫和火星大氣中的二氧化碳生產(chǎn)甲烷、氧和水??偣残枰a(chǎn)108噸由甲烷與氧組成的推進(jìn)劑,其中,96噸供返航運載器用,其余12噸供火星車和可移動設(shè)備用。另外,還需生產(chǎn)一些供航天員用的水和氧氣。
第二次發(fā)射在第一次發(fā)射后26個月進(jìn)行,發(fā)射乘有4名航天員的載人飛船。飛船中還裝有航天員在900天任務(wù)中所需的食物和其他消耗品(水和氧氣除外)。在航行途中,載人飛船和熄火的運載器末級之間用一根長1500米的系繩連接。整個系統(tǒng)以每分鐘1轉(zhuǎn)的速度繞質(zhì)心旋轉(zhuǎn),使飛船內(nèi)產(chǎn)生與火星表面重力大小(0.41g)相等的人工重力。在快到火星表面的時候,飛船與運載器末級分離,并使飛船減速,然后利用火星大氣制動,最后降落到火星表面。
4名航天員在火星表面生活、工作500天后,返回窗口來臨,他們便乘返航運載器離開火星表面直接返回地球。
在直航方案中,前后兩次航行任務(wù)是交叉進(jìn)行的:后面一次的首次發(fā)射(發(fā)射返航運載器及推進(jìn)劑生產(chǎn)設(shè)備等)安排在前一次任務(wù)的第二次發(fā)射之前幾個星期進(jìn)行。這是為了使后一次任務(wù)的返航運載器可以兼作前一次返航運載器的備份,萬一返航運載器發(fā)生故障,航天員可以乘坐后一次任務(wù)的返航運載器返回。
無論是基準(zhǔn)航行方案,還是直航方案,現(xiàn)在還都處于方案設(shè)想階段。方案中所提出的技術(shù)途徑,如重型運載火箭或重型運載器的研制、返航運載器的火星著陸和返回、自動生產(chǎn)推進(jìn)劑以及充氣式居住艙自動展開等,都還需要通過無人火星航行,進(jìn)行幾次飛行驗證試驗。首次載人火星航行的日期,要根據(jù)這些飛行驗證試驗結(jié)果而定,估計不會早于2010年。