Daniel+Pendick

登陸火星要比你想象的難得多，但絕非不可能的任務(wù)……

月球只是前奏，把宇航員送上火星可能將會(huì)是人類歷史上更為精彩但也更為艱苦的篇章。旅途中4～6個(gè)人會(huì)在一個(gè)鋁罐子中住上6個(gè)月。在降落到火星表面之后，宇航員們又要在狹小的空間里住上600多天，直到地球再一次運(yùn)行到特定的位置他們才能啟程回家。最終，這些無(wú)畏的探險(xiǎn)者將從火星表面起飛，在另一個(gè)鋁罐子里再呆上6個(gè)月直至抵達(dá)地球。整個(gè)過(guò)程將歷時(shí)兩年半。

載人飛向火星可能將會(huì)是有史以來(lái)最危險(xiǎn)、最具有傳奇性質(zhì)的旅行。月球旅行在從發(fā)射到返航的全過(guò)程中都有放棄任務(wù)的機(jī)會(huì)。但火星之旅則不行。一旦離開(kāi)地球，機(jī)組成員就走上了一條不歸路。去往月球就好比從紐約向外劃船幾千米，而前往火星則是揚(yáng)帆橫穿大西洋。

火星路途之艱辛堪稱“不可能的任務(wù)”。但火星載人探測(cè)的熱衷者并不這么認(rèn)為。如果資金充裕并且有著那份“阿波羅”登月時(shí)的沖勁的話，一些人相信只要幾十年人類足跡就會(huì)出現(xiàn)在火星表面之上。

為什么要去火星？

對(duì)于很多極端熱衷于火星探測(cè)的人來(lái)說(shuō)，去火星根本不是“是否”“為什么”和“如何”的問(wèn)題，而是必需的。它將告訴我們火星上是否存在過(guò)或者仍然存在生命。它將大大地推進(jìn)航天技術(shù)，并且鼓舞下一代。當(dāng)然，它還會(huì)把人類送上另一顆行星。對(duì)于美國(guó)宇航局來(lái)說(shuō)，他們需要為火星探測(cè)制定一個(gè)目標(biāo)，那就是把人送上火星?；鹦鞘强茖W(xué)之所在、挑戰(zhàn)之所在、未來(lái)之所在。它是人類新的前線。

如何去火星？

當(dāng)然是坐太空飛船去。目前的行星際探險(xiǎn)家已經(jīng)有了多種飛往火星的可選途徑。在科幻小說(shuō)中充斥著在行星間呼嘯著往來(lái)穿梭的大型宇宙飛船，看上去就好像步行去便利店買一盒牛奶這么簡(jiǎn)單。但是在現(xiàn)實(shí)的行星際飛行中，根本就不是這么回事。

前往火星包括了三個(gè)步驟。第一，擺脫地球的引力場(chǎng)。第二，加速去火星。第三，進(jìn)入火星的引力場(chǎng)并安全著陸。這并不像看上去的那么簡(jiǎn)單。

火箭推進(jìn)劑是一大關(guān)鍵問(wèn)題。你必須要攜帶有足夠的燃料來(lái)發(fā)射升空飛往火星并且返回。因此推進(jìn)劑必將占據(jù)載荷的大頭。事實(shí)上，任何行星際飛船都可以被想象成一個(gè)巨大的氣罐。從地球到火星距離大約數(shù)億千米，需要巨大的燃料儲(chǔ)備。

解決這個(gè)問(wèn)題的一種辦法就是“分段進(jìn)行”。將整個(gè)過(guò)程劃分成多個(gè)階段，這樣也更容易管理。這一戰(zhàn)略最早源于1989年美國(guó)總統(tǒng)布什在美國(guó)國(guó)家航空航天博物館的一次演說(shuō)。

那一年的7月20日，也就是“阿波羅”11號(hào)登月20周年之際，布什公布了他的空間探測(cè)計(jì)劃，其中包括了建造國(guó)際空間站、重返月球和前往火星。

美國(guó)宇航局為此進(jìn)行了“90天研究”來(lái)充實(shí)這一構(gòu)想。其中火星探測(cè)將采取“天基”架構(gòu)。宇航員會(huì)在空間站上組裝一艘大型飛船。在抵達(dá)火星之后，這艘飛船會(huì)分解成一個(gè)用于把機(jī)組人員送回地球的返回飛船以及一個(gè)用于登陸火星并且重返火星軌道的著陸飛船。第一次任務(wù)將只在火星表面逗留30天。

直奔火星

布什這一計(jì)劃的成本預(yù)計(jì)是5千億美元，但到1990年就幾乎被拋棄了。不過(guò)這也激勵(lì)了一些科學(xué)家和工程師提出了更快捷、更廉價(jià)的火星探測(cè)計(jì)劃——“直接火星”。

“直接火星”和先前的“天基”方案有了顯著的不同。首先，一個(gè)貨運(yùn)飛船會(huì)使用類似“阿波羅”計(jì)劃中的“土星”Ⅴ型火箭發(fā)射升空。它將攜帶一個(gè)最終把宇航員送回地球的返航飛船，并且它將不在近地軌道上進(jìn)行組裝或者補(bǔ)給而是直接飛向火星。這正是“直接火星”中“直接”的部分。

返航飛船會(huì)在不加注燃料的情況下降落到火星表面。同時(shí)，它還會(huì)攜帶一個(gè)資源就地利用設(shè)施。其中包括了一個(gè)自動(dòng)化學(xué)處理廠、一個(gè)核電發(fā)生器和液氫“原料”。隨后資源就地利用設(shè)施會(huì)混合液氫原料和火星大氣中的二氧化碳由此來(lái)制造可作為火箭燃料的甲烷和氧。

在下一次火星處于有利發(fā)射窗口的時(shí)候——貨運(yùn)飛船發(fā)射之后26個(gè)月，火星考察隊(duì)員便會(huì)從地球啟程。但前提條件是資源就地利用設(shè)施必須已經(jīng)完成了對(duì)返航飛船的燃料加注。宇航員所乘坐的飛船會(huì)運(yùn)送四名宇航員、一輛以甲烷為燃料的火星車以及在未來(lái)三年中他們所需的一切。

“直接火星”所采用的軌道都是為了把對(duì)推進(jìn)劑的需求控制在最小的程度，但代價(jià)是宇航員必須在星火上停留相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。在6個(gè)月的飛行之后，宇航員還必須在火星上呆大約600天來(lái)等待火星再一次運(yùn)行到對(duì)返航燃料需求最少的發(fā)射位置。

當(dāng)宇航員離開(kāi)火星的時(shí)候，第二艘從地球發(fā)射的返航飛船會(huì)進(jìn)入火星軌道。這將為宇航員提供一個(gè)安全保證。如果早先發(fā)射的返航飛船失靈，宇航員還可以用第二艘返航。如果宇航員最終沒(méi)有使用備用返航飛船，那么它還可以留給下一批的火星考察隊(duì)員使用。

“直接火星”的成本正是它的關(guān)鍵賣點(diǎn)。據(jù)估計(jì)它將花200億～300億美元和10年時(shí)間來(lái)進(jìn)行硬件研發(fā)以及另外的10億～20億美元來(lái)用于隨后的飛行和火星前哨站的開(kāi)銷。目前它的總成本是300億～400億美元，之后每次載人火星探測(cè)的費(fèi)用為20億～30億美元。

20世紀(jì)90年代美國(guó)宇航局采納了這一戰(zhàn)略思想，但不同的是宇航員將乘坐火星上升飛船離開(kāi)火星表面，然后換乘火星軌道上先前由貨運(yùn)飛船送來(lái)的行星際飛行器返航。到1998年美國(guó)宇航局拋棄了“直接火星”轉(zhuǎn)向了“間接火星”方案。使用這一方案可以省去向火星發(fā)射200噸的額外載荷。一枚80噸的火箭將會(huì)把載荷和推進(jìn)段送入近地軌道，在那里它們會(huì)對(duì)接并且前往火星。對(duì)于第一批前往火星的探險(xiǎn)隊(duì)而言，至少需要六次發(fā)射。

雖然美國(guó)宇航局的火星探測(cè)涉及比“直接火星”更多更重的硬件，但基本步驟還是類似的。其預(yù)算要求是小于5千億美元。

著陸火星

目前的火星計(jì)劃更多的還只是大的框架，許多細(xì)節(jié)還有待進(jìn)一步深入。其中最關(guān)鍵的細(xì)節(jié)之一就是如何把沉重的載荷整體降落到火星表面。宇航工程師把這一過(guò)程稱為“進(jìn)入、下降、著陸”。endprint

目前美國(guó)宇航局還沒(méi)有官方資助任何的火星載人飛行研究。但是美國(guó)宇航局內(nèi)外的科學(xué)家和工程師一直在探索在火星上實(shí)施“進(jìn)入、下降、著陸”的辦法。對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)這是一個(gè)非常好的研究案例，同時(shí)研究結(jié)果也會(huì)有助于未來(lái)機(jī)器人火星探測(cè)任務(wù)。對(duì)于“進(jìn)入、下降、著陸”來(lái)說(shuō)其最大的挑戰(zhàn)是如何在不到10分鐘的時(shí)間里把速度從超高音速降到零。一旦失敗，那么載荷就會(huì)在火星表面砸出一個(gè)新的環(huán)形山。

這個(gè)過(guò)程中最困難的部分是中間的“下降”階段。在這之前載荷具有相當(dāng)大的軌道能量，而在接近地表前則要把這一能量削減到不足原來(lái)的1%。

2008年5月成功著陸火星的“鳳凰”號(hào)探測(cè)器則體現(xiàn)了目前火星著陸的最高水準(zhǔn)。其“恐怖7分鐘”始于火星大氣的頂端，距離地面大約125千米。“鳳凰”號(hào)以每小時(shí)20000千米的速度進(jìn)入火星大氣。火星大氣對(duì)其絕熱罩的阻尼使得它的速度降到了每小時(shí)1400千米。然后降落傘會(huì)把速度進(jìn)一步降到每小時(shí)400千米。在短暫的自由下落之后，“鳳凰”號(hào)會(huì)在距離面975米的時(shí)候啟動(dòng)減速火箭并最終觸地——整個(gè)過(guò)程歷時(shí)大約7分鐘。

到2018年當(dāng)“好奇”號(hào)（原“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”）抵達(dá)火星的時(shí)候，目前的“進(jìn)入、下降、著陸”技術(shù)就會(huì)達(dá)到它的極限。“好奇”號(hào)的質(zhì)量為900千克，這差不多正是傳統(tǒng)的絕熱罩、降落傘、反推火箭所能做到的極限。

但未來(lái)的載人火星探測(cè)載荷將達(dá)到30～60噸。而目前的“進(jìn)入、下降、著陸”技術(shù)甚至都不能把一輛迷你庫(kù)珀車降落到火星上。迷你庫(kù)珀的重量約為1145千克，體積也要比未來(lái)的著陸艙小得多。

為此必須要采用新的技術(shù)?！爸苯踊鹦恰焙推渌?jì)劃的方案都是在下降階段采用降落傘。但是火星稀薄的大氣意味著降落傘必須非常的大，而且還要能在超高音速的情況下快速打開(kāi)而不會(huì)纏繞在一起。這樣一個(gè)降落傘攤開(kāi)之后足可以覆蓋一個(gè)足球場(chǎng)。

而“阿波羅”式的僅靠反推火箭的著陸方式也有問(wèn)題。使用火箭從火星軌道減速著陸會(huì)消耗巨量的推進(jìn)劑。同時(shí)在超高音速下在火星大氣中使用火箭會(huì)造成空氣動(dòng)力學(xué)阻尼以及難以預(yù)測(cè)的不穩(wěn)定性。

美國(guó)宇航局和空氣動(dòng)力學(xué)研究中“進(jìn)入、下降、著陸”技術(shù)領(lǐng)域的專家也想出了一些新辦法。其中最有希望的是超音速膨脹氣動(dòng)力學(xué)減速器，它是一個(gè)形狀類似羽毛球的巨大氣囊。這種氣動(dòng)減速器直徑大約50米，可以使得飛船減速到大約每小時(shí)720千米，在這個(gè)速度下就可以使用火箭引擎制動(dòng)并且完成最終的軟著陸。不過(guò)一次性完成30～60噸載荷的著陸可能還是會(huì)有問(wèn)題，如果分批進(jìn)行（例如以15噸為一個(gè)批次）可能會(huì)更實(shí)際。

插入奇跡

解決大質(zhì)量載荷的著陸問(wèn)題只是攻克載人火星探測(cè)諸多挑戰(zhàn)中的一步，還需要有更多的“奇跡”發(fā)生。大小可以達(dá)到波音747客機(jī)翼展的超音速膨脹氣動(dòng)力學(xué)減速器雖然是一大挑戰(zhàn)，但并非不可能。

在載人火星探測(cè)問(wèn)題上，雖然有些人的目光可以看穿技術(shù)上的這些沙漠，但是最終還是要老老實(shí)實(shí)地穿過(guò)它。連續(xù)30年每年投入100億美元也許可以實(shí)現(xiàn)登陸火星。但是考慮到美國(guó)宇航局重返月球計(jì)劃的推遲以及所有尚未解決的挑戰(zhàn)，美國(guó)宇航局真正要駐足火星可能要等到2080年。

當(dāng)然也有人對(duì)此相當(dāng)樂(lè)觀。他們認(rèn)為，今天的載人火星探測(cè)所遇到的挑戰(zhàn)要比1961年載人登月時(shí)所遇到的小得多。與其說(shuō)這些技術(shù)困難無(wú)法解決，倒不如說(shuō)為此投入的人力、物力遠(yuǎn)不如以前。也許還是要提及前美國(guó)總統(tǒng)肯尼迪的那句話（當(dāng)然要做一點(diǎn)修改）——我們?nèi)セ鹦遣皇且驗(yàn)樗菀?，而是因?yàn)樗y。（來(lái)源：科學(xué)松鼠會(huì)，2010-01-20）endprint