通向火星之路
2014-01-06 01:54:02尹懷勤
太空探索 2014年9期
□ 尹懷勤
英國《每日郵報》網(wǎng)站5月30日報道，美國航宇局宣布，根據(jù)對人類航天計劃的考量，決定在2035年把人送上火星。但報道稱，美國無法獨立完成這個任務(wù)，需要各國航天部門共同合作來完成，而中國有可能成為重要的合作對象。
美國航宇局首席科學(xué)家埃倫·斯托凡在英國各地的一系列訪談和講話中，簡要介紹了在未來20年實施火星登陸計劃的情況。她表示，將人類送上火星是美國航宇局的“首要任務(wù)”，雖然完善所有相關(guān)技術(shù)還有很長的路要走，但2035年將實現(xiàn)他們的最終目標(biāo)。
火星宜居嗎？
近年來，美國航宇局一直在以最終實現(xiàn)載人登陸火星為目標(biāo)，推進(jìn)相關(guān)項目的進(jìn)展。斯托凡在位于倫敦的英國自然歷史博物館發(fā)表講話說：“科學(xué)家只有登上火星表面，才能確定無疑地解答有關(guān)火星上是否存在生命的疑問。”
火星是人類進(jìn)行深空探測發(fā)射航天器的數(shù)量僅次于月球的天體。盡管已有多個航天器在火星表面或近空進(jìn)行了探測，有的至今仍在工作，并都發(fā)回了大量數(shù)據(jù)資料，發(fā)現(xiàn)火星表面下一定深度處仍有流動水和極部附近地區(qū)存有冰凍水，但是迄今還未能最終回答火星上是否存活著生命的問題。人們不難理解，經(jīng)過航天員登陸這顆紅色星球進(jìn)行實地考察知道火星如果存在生命或其環(huán)境條件能夠適合生命存活的話，這對于人類長期生存也是至關(guān)重要的，因為它不僅可以充當(dāng)?shù)厍虬l(fā)生災(zāi)難時人類的逃生繩索和安身之地，而且還可以作為飛向更遠(yuǎn)天體的中轉(zhuǎn)站。樹立這樣一個鼓舞人心的向火星移民的目標(biāo)，將是堅持技術(shù)攻關(guān)和不斷創(chuàng)新關(guān)鍵的一步。
打造火星之梯
為了送人登陸火星，美國正在進(jìn)行各項技術(shù)準(zhǔn)備工作，包括研制“太空發(fā)射系統(tǒng)”重型運載火箭和“獵戶座”載人飛船。這兩個項目都是人類未來登陸火星表面并重返地球的必備條件。
2011年9月14日，美國航宇局確定新一代“太空發(fā)射系統(tǒng)”的設(shè)計。初期的“太空發(fā)射系統(tǒng)”全長97.5米，起飛質(zhì)量2495噸，3臺液氫液氧發(fā)動機(jī)外加2臺固體助推器，提供了高達(dá)3810噸的起飛推力，比發(fā)射阿波羅載人登月飛船的土星五號火箭的起飛推力還高了10%。不過“太空發(fā)射系統(tǒng)”初期使用的低溫上面級發(fā)動機(jī)推力太小，只具備將70噸的有效載荷發(fā)射進(jìn)入軌道。最終版本的“太空發(fā)射系統(tǒng)”全長122米，起飛質(zhì)量增加到2948噸，第一級將改用5臺液氫液氧發(fā)動機(jī)，上面級直徑也增加到和芯級一樣的8.4米，發(fā)動機(jī)為1臺～3臺大推力的J-2X低溫發(fā)動機(jī)，能夠?qū)?30噸的有效載荷送入太空預(yù)定軌道。2024年首次發(fā)射不載人飛行的“獵戶座”飛船，次年即發(fā)射載人飛船?！矮C戶座”多用途太空飛船可以搭載6名航天員。
“太空發(fā)射系統(tǒng)”運載火箭發(fā)射想象圖
“太空發(fā)射系統(tǒng)”運載火箭發(fā)射場想象圖
“太空發(fā)射系統(tǒng)”運載火箭載人型（左）和貨運型（右）對比
“太空發(fā)射系統(tǒng)”預(yù)計花費180億美元開發(fā)，2012年至2017年間，每年將編列30億美元的預(yù)算；其中100億美元用于“太空發(fā)射系統(tǒng)”本身：20億美元改建發(fā)射臺及肯尼迪航天中心：60億美元用于“獵戶座”載人飛船的研制。由于“太空發(fā)射系統(tǒng)”這種火箭只能一次性使用，美國航宇局官員透露，本世紀(jì)20年代到30年代中期，美國將連續(xù)15年每年建造和發(fā)射一枚新的運載火箭。2025年航天員向附近的小行星進(jìn)軍，最后目標(biāo)是2035年載人環(huán)繞火星飛行，并在火星著陸。
先去小行星練兵
在登陸火星之前，美國航宇局首先要把一顆小行星轉(zhuǎn)移到月球與地球之間的軌道，航天員隨后會登上這顆小行星。此舉被看成是檢驗火星項目相關(guān)技術(shù)的一塊重要跳板。
早在2012年12月23日就有媒體報道，美國航宇局的科學(xué)家們打算捕捉一枚500噸重的小行星，調(diào)整它的位置，把它變成航天員前往火星途中的空間站。為了實現(xiàn)最終載人登陸火星的目標(biāo)，美國航宇局正在籌劃2025年發(fā)射“獵戶座”飛船載人先登陸小行星。這種飛船的制造商洛克希德·馬丁公司已經(jīng)拿出一項派遣兩位航天員持續(xù)半年時間探索小行星的代號為“移民石”的計劃?！矮C戶座”飛船現(xiàn)已具備登陸小行星所需的絕大多數(shù)要求。派遣載人航天器造訪小行星,將是美國登陸火星任務(wù)的一項寶貴技術(shù)測試及演習(xí)。航天員成功著陸小行星,可以直接了解對方的實際情況,幫助科學(xué)家們加深對該類天體的認(rèn)識,并為登陸火星進(jìn)行探路和儲備技術(shù)。
美國航宇局和加州理工學(xué)院科學(xué)家撰寫的可行性報告闡述了他們將如何捕捉小行星。當(dāng)選定的小行星運行到距離地球較近位置時，先用火箭發(fā)射到它身邊的袋子將其包裹起來，后用袋子攜帶的助推器產(chǎn)生的推力使其停止旋轉(zhuǎn)，并把它拖運到地-月系統(tǒng)第一拉格朗日點L1穩(wěn)定下來，再將其建設(shè)成為可以住人的空間站。航天員將以這里為固定基地乘坐載人飛船奔馳并登陸火星或火星的衛(wèi)星，也可以由此飛向太空其他小行星。不言而喻，要將捕捉到的小行星建成空間站，猶如蓋房子，它僅是一塊地基，需要多次向它發(fā)射載人飛船和貨運飛船，航天員必須多次進(jìn)行太空行走與操作，充分利用它的體積和結(jié)構(gòu)特征，安裝和構(gòu)建必不可少的居人和存貨以及科學(xué)實驗艙段，包括生命支持系統(tǒng)、必要的科學(xué)儀器、操作工具、通訊設(shè)備和姿態(tài)控制火箭等，還要裝置航天器空間交會對接機(jī)構(gòu)。在此過程中，仍需解決一些意想不到的技術(shù)難題。從目前情況看來，美國航宇局只是計劃讓“獵戶座”飛船載人登上位于L1點的小行星以取得飛行技術(shù)經(jīng)驗，并不打算從小行星上發(fā)射載人航天器奔赴火星，將來仍然從地球上直接進(jìn)行這種發(fā)射，開始航天員往返火星之旅。
“獵戶座”飛船飛向火星
美國億萬富翁丹尼斯·蒂托提出的“靈感火星”計劃中的雙人環(huán)繞火星飛行飛船
美國三代火星車對比：1997年的“索杰納”號（?。?、2004年的“勇氣”號/“機(jī)遇”號（中）、2012年的“好奇”號（大）
呼喚國際合作
斯托凡在英國皇家學(xué)會表示，美國航宇局并不打算獨自推動火星登陸計劃，他們需要和其他國家進(jìn)行國際層面的合作。斯托凡還表示，首次行動將是一場歷時3年的火星往返之旅，這將拉開人類最終定居火星的序幕。
她說：“我不覺得首批登陸人員有必要留在那里，但我們應(yīng)該把他們的行動看成是在打前哨。雖然我們希望為他們創(chuàng)造出返回地球的條件，但這確實標(biāo)志著人類長期滯留火星的開始?！彪m然這項計劃恐怕會成為人類最偉大的成就，但斯托凡還是強(qiáng)調(diào)說一定要保持謹(jǐn)慎。向火星發(fā)射航天器可選用多種飛行路線。
為了節(jié)省能量,通常采用外切于地球公轉(zhuǎn)軌道、內(nèi)切于火星公轉(zhuǎn)軌道的霍曼軌道?！矮C戶座”載人飛船沿該軌道飛行所需速度最小,從地球奔馳到火星需用時259天，環(huán)繞火星飛行和航天員登陸星面進(jìn)行考察勘探和安裝儀器完成科學(xué)實驗，還需要一定的時間。這就是載人往返火星一次需要3年時間的原因。由于太陽、地球、火星處于同一條直線的間隔時間即會合周期為780天,故而每26個月才有一次沿霍曼軌道發(fā)射航天器的窗口。
包括私營企業(yè)荷蘭“火星一號”太空發(fā)射公司在內(nèi)的一些機(jī)構(gòu)已經(jīng)宣稱將在2025年以前實現(xiàn)載人登陸火星，但這些機(jī)構(gòu)尚未公布任何具有可行性的研發(fā)成果。
與之相比，美國航宇局采取了更為謹(jǐn)慎的做法。斯托凡說道：“我們希望確保航天員活著到達(dá)火星表面。對我們來講，這一立場絕對不會動搖。需要完成的工作還有許多，所以我們需要全世界所有太空機(jī)構(gòu)都攜起手來開展合作?！?/p>
麻煩在于，該局將會發(fā)現(xiàn)自己難以承擔(dān)旅行費用。
英國《新科學(xué)家》周刊網(wǎng)站6月4日報道稱，這就是美國科學(xué)院當(dāng)天發(fā)表的對于美國載人航天飛行計劃價值的全面評估的結(jié)論。建議的解決方案包括，實施前往小行星的旅行以測試火星飛行技術(shù)，以及加強(qiáng)與國際合作伙伴——最重要的是與中國的協(xié)作。
問題在于，出于對國家安全的擔(dān)憂，眼下美國禁止航宇局與中國開展聯(lián)合項目。該報告指出，考慮到中國在航天領(lǐng)域的迅速進(jìn)步，美國正在錯失集中資源開展?jié)撛诨鹦秋w行的機(jī)會。
報道稱，國際協(xié)作可以幫助分擔(dān)費用，但問題之一是，美國的大多數(shù)傳統(tǒng)合作伙伴如俄羅斯或歐洲空間局眼下只把目光停留在月球上。如果美國想與潛在合作伙伴聯(lián)手實現(xiàn)自己的短期目標(biāo)，那么另一個可能的途徑是建立月球基地，作為前往火星的過渡。同時，美國還應(yīng)與其私營部門的合作伙伴如太空探索技術(shù)公司和軌道科學(xué)公司保持合作。但是專家小組并不確信太空探索技術(shù)公司的“獵鷹”重型運載火箭將具有足夠的動力把人類送上火星。
“棄月奔火”戰(zhàn)略注定失?。?/h2>
據(jù)法國《世界報》網(wǎng)站6月8日報道，一份指向美國航宇局太空開發(fā)計劃的報告認(rèn)為，靠美國目前的太空預(yù)算前往火星是不可能的，該計劃注定失敗并且美國將失去在太空的主導(dǎo)地位，從而呼吁航宇局在征服火星前先重返月球。這份由美國全國研究委員會撰寫、美國國家研究院發(fā)布的文件寫道：“航宇局開發(fā)發(fā)射系統(tǒng)和飛船以在外太空飛行，同時繼續(xù)幾乎單憑一己之力開發(fā)太空空間站。繼續(xù)目前的方式和預(yù)算帶來的將是失敗和失望。”
全國研究委員會主席之一、康奈爾大學(xué)太空研究中心主任喬納森·盧寧強(qiáng)調(diào)說：“超過50年來，美國一直是人類探索太空的領(lǐng)軍者。隨著國際空間站計劃結(jié)束，我們的成員伙伴在地心軌道上的活動也將完結(jié)。我們必須現(xiàn)在決定如何以可持續(xù)的方式進(jìn)行外太空載人航天開發(fā)?！薄霸诤苌俚膸讉€有可能的目的地中，最遙遠(yuǎn)、最困難的是將人類送上火星。這應(yīng)是我們的終極目的?！?/p>
未來的火星基地
乘坐火星載人飛船飛向火星
但是，報告認(rèn)為，推動在遙遠(yuǎn)空間的載人探索需要數(shù)十年時間以及數(shù)千億美元。盡管報告作者沒有提出特別的預(yù)算數(shù)字，但他們認(rèn)為靠目前美國在太空方面的預(yù)算前往火星是沒有任何可能的。全國研究委員會主席之一、珀杜大學(xué)校長米切爾·丹尼爾斯在一篇對奧巴馬和美國國會的評論中說：“本委員會得出的結(jié)論是，一切載人航天計劃不僅需要適合的預(yù)算，還要有國家領(lǐng)導(dǎo)人的支持?！眻蟾嬲J(rèn)為，這樣一個計劃的成功需要全國共識以及國際合作，包括與中國的合作。
報告作者還提出了征服火星的三個可能方法，其中兩個都要求美國要首先返回月球。他們認(rèn)為，重回月球?qū)⒂兄趪H合作，能激發(fā)其他國家的興趣。此外，這還有助于為未來的火星任務(wù)改進(jìn)登陸技術(shù)和載人登陸艙。專家們認(rèn)為捕獲小行星需要很多技術(shù)，而且對前往火星沒有用處。
針對這一報告，美國航宇局保證說：“前往火星已取得重要進(jìn)展并將繼續(xù)朝這一方向發(fā)展?！比A盛頓太空政策研究所前所長約翰·洛格斯登承認(rèn)說：“我們沒有在載人航天計劃中清楚地說明目標(biāo)，這份報告很可能是最坦率的。但我不認(rèn)為這一報告能改變什么?！鼻闆r究竟怎樣，人們只能拭目以待。
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