□ 張雪松

紅色的火星是太陽系內(nèi)最可能存在生命的星球之一，具有很高的科研價值，它還擁有水資源和碳氮等重要元素，是未來人類星際殖民的最佳選擇。正因為如此，火星探測是當今人類航天的熱門，載人火星探測是幾十年來也是未來幾十年內(nèi)人類航天的圣杯。

載人火星探測對人類航天技術(shù)提出了很高的要求，早期方案都由于規(guī)模太大和耗資巨大胎死腹中，今天美國航宇局噴氣推進實驗室的科學家們，使用航天技術(shù)的最新發(fā)展成果，為我們勾畫了一幅經(jīng)濟可承受的載人火星探測方案。

不堪回首的過去

載人火星探測，早在人類登上月球前就是討論的熱門話題。20世紀60年代美國航宇局就曾論證過使用更大的“新星”火箭進行載人火星探測的方案，但“阿波羅”登月計劃龐大的開銷和美國國力的下滑，再加上蘇聯(lián)無力繼續(xù)進行航天競賽，讓一切都化為泡影。盡管如此，美國對火星探測一直有著深厚的感情，20世紀70年代發(fā)射的“海盜”系列火星著陸器，現(xiàn)在看也是令人驚艷的設(shè)計。

20世紀80年代航天飛機服役后，美國再次開始將目光投向火星，不過此時的美國航宇局早已不復當年的干練高效，已經(jīng)陷于嚴重的官僚主義，更像一個風燭殘年的老人。經(jīng)過多番討論論證，1989年美國航宇局響應時任總統(tǒng)布什的號召，在《90天報告》里提出了基于“自由號”空間站的龐大載人火星探測計劃。根據(jù)該方案，美國要建造巨大的“自由號”空間站，利用這個空間站在軌道上組建奔向火星的飛船，這個方案架構(gòu)復雜不說，光是高達4500億美元的預算，就嚇壞了絕大部分人。載人火星飛行探測任務，也在很長時間里成為一個不值得認真考慮的高不可攀的目標。

美國航宇局此后又進行了大量研究和論證，先后提出了多個載人火星探測方案，最后一個官方發(fā)布的方案是2009年的DRA5，它吸收了最近20年來技術(shù)發(fā)展的成果，尤其是火星學會創(chuàng)辦者祖布林提出的“火星原位資源利用”（ISRU）的大膽想法，同時用高比沖的核熱推進（NTR）方式減少發(fā)射量，但即使如此DRA5方案中一次火星載人探測任務仍然需要7枚“戰(zhàn)神”5號重型運載火箭和一枚“戰(zhàn)神”1號運載火箭，發(fā)射到地球低軌道的貨物量高達900噸以上。毫無疑問，這樣的技術(shù)方案下載人火星探測仍然技術(shù)復雜、耗資巨大，不過美國始終沒有放棄登陸火星的目標，即使“戰(zhàn)神”5號火箭隨著星座計劃的取消而走向終結(jié)，美國仍然在研制新的重型火箭“空間發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）繼續(xù)進行載人深空探索，只不過目前路線更為靈活，計劃先登陸小行星，繼而環(huán)繞火星，最后實現(xiàn)登陸火星的偉業(yè)。

新時代的方案

2010年4月，奧巴馬總統(tǒng)取消了重返月球的星座計劃，但演說中也提到美國將繼續(xù)進行載人深空探索，并計劃在本世紀二十年代中期登陸小行星，三十年代中期環(huán)繞火星，最終實現(xiàn)登陸火星。為了實現(xiàn)這一宏偉的遠大目標，美國航宇局及各相關(guān)機構(gòu)進行了大量的研究，提出了各種五花八門的設(shè)計，力求在預算和時間壓力下，多快好省地完成載人火星探測的最終目標。

美國航宇局正式提出了“小行星重定向項目”（ARM），不過這個方案最早是凱克空間研究所的提案。ARM項目中美國將發(fā)射一個使用太陽能電推進的小行星“捕獲飛行器”，飛近一個近地小行星將其捕獲，并將其運到月球軌道附近，然后再使用SLS火箭發(fā)射“多用途載人飛船”（MPCV），航天員爬過“捕獲飛行器”登陸被捕獲的小行星。根據(jù)今年的最新消息，由于找到大小、質(zhì)量和姿態(tài)合適的小行星比較困難，該項目已經(jīng)選擇在小行星表面采集大塊巖石運到繞月軌道的B方案，而原來捕獲整個小行星并運輸?shù)姆桨冈獾教蕴?。這個項目最大的亮點就是它的太陽能電推方案，這個先進的推進系統(tǒng)賦予了它交會、捕獲并攜帶大塊巖石返回地月系統(tǒng)的可能。

響應載人深空探索最積極的公司當屬波音，這與它是SLS的總承包商有很大關(guān)系。波音公司提出了以最近十多年來蓬勃發(fā)展的電推進系統(tǒng)為核心，利用成熟的太陽翼設(shè)計，構(gòu)成太陽能電推（SEP）方案。為了提高性能，波音公司還在此基礎(chǔ)上提出了增加大推力的傳統(tǒng)化學火箭在軌道插入和脫離時加速的方案，這也是目前最有前途和最被看好的方案之一。

除了政府機構(gòu)和相關(guān)的商業(yè)公司，以“靈感火星”為代表，一些私人也開始涉足載人火星任務領(lǐng)域。自費上空間站的蒂托提出的“靈感火星”方案，在概念上可謂別具一格：一艘載人飛船被射入自由返回軌道，這艘載兩人的飛船將在火星表面100千米上空飛過，然后自由返回地球，航程約500天。這個方案最大的特點就是高風險和高費效比并存，一方面一旦發(fā)生意外航天員生還可能很低，另一方面只需要一艘重型“獵鷹”火箭發(fā)射，發(fā)射成本要比DRA5方案低得多。膽大包天的蒂托，為人們提供了一個飛向火星的新思路。

循序漸進的JPL方案

蒂托的“靈感火星”方案為人們開拓了思路，但他并非最早的先行者，祖布林1990年提出了“火星直擊”方案，在一定風險下可以實現(xiàn)火星登陸。不過對于政府投資的航天探索項目來說這些方案的風險還是太高了，美國航宇局傾向于較為保守的方案，美國噴氣推進實驗室（JPL）的科學家們就此設(shè)計了一個循序漸進而且較為廉價的載人火星任務方案。

JPL的提案首先指出較早的DRA方案所需的資金遠遠超出了美國航宇局所能得到的預算，接下來他們指出，要做到一個經(jīng)濟上可承受的載人火星任務，首先要盡可能使用已有的硬件，其次要減小任務規(guī)模，這兩點是噴氣推進實驗室方案的精髓。

1.火衛(wèi)一“福波斯”任務

噴氣推進實驗室的方案將在目前的ARM任務基礎(chǔ)上，首先訪問火衛(wèi)一——“福波斯”，任務時間定在2033年。載人登陸火衛(wèi)一任務將是火星登陸的前哨戰(zhàn)，它的核心技術(shù)之一是“太陽能電推拖船”，拖船將在載人任務發(fā)射前將必要的資產(chǎn)運送到火星軌道上，從而降低總的發(fā)射量和任務時間。福波斯載人登陸任務只需要4枚SLS火箭，其中第一枚火箭發(fā)射一個100千瓦電功率的“太陽能電推拖船”、“地球轉(zhuǎn)移插入段”（TEI）和“福波斯轉(zhuǎn)移段”（PTS），第二枚火箭發(fā)射“太陽能電推拖船”外加“福波斯生活艙”（Habitat），第三枚火箭發(fā)射“火星軌道插入段”（MOI）和“深空生活艙”（DSH），第四枚火箭發(fā)射4人乘組的“獵戶座”飛船。

前兩枚火箭發(fā)射的載荷在“太陽能電推拖船”推動下花費3.5年～3.8年時間到達火星軌道，其中福波斯轉(zhuǎn)移段將等待載人的獵戶座飛船，而福波斯生活艙將預置到火衛(wèi)一上等待航天員登陸工作。后兩枚火箭發(fā)射的火星軌道插入段、深空生活艙和獵戶座飛船在高地球軌道對接，在第四枚火箭的“探索上面級”（EUS）的推動下進入奔向火星的軌道。經(jīng)200天～250天的載人飛行抵達火星軌道附近后，“火星軌道插入段”點火工作，讓組合體減速進入高火星軌道?；鹦擒壍郎稀矮C戶座”飛船與“福波斯轉(zhuǎn)移段”對接，轉(zhuǎn)移到火衛(wèi)一的軌道上并著陸，與原有的“福波斯生活艙”構(gòu)成了一個火衛(wèi)一表面的前哨基地。經(jīng)過約300天的長期考察任務后，“獵戶座”飛船返回火星高軌道并與待命的深空生活艙和地球轉(zhuǎn)移插入段對接，由地球轉(zhuǎn)移插入段點火工作將組合體送入地球轉(zhuǎn)移軌道，并在200天～250天后回到地球。

噴氣推進實驗室的載人福波斯任務方案中，充分發(fā)揮了電推高比沖的優(yōu)勢，用時間換比沖將更重的純貨運載荷提前預置到火星軌道和火衛(wèi)一上?！半娡七M拖船”將是目前ARM捕獲飛行器的放大版，甚至可以簡化到只將功率放大一倍到100千瓦、工質(zhì)氙增加一倍到16噸，霍爾推進器數(shù)量增加一倍到8臺。載人任務中無論是使用EUS奔向火星，使用PTS進行火衛(wèi)一的往返，還是使用TEI完成返回地球的加速，都使用大推力的化學火箭盡量壓縮任務時間。EUS是SLS Block IB火箭的上面級，而PTS或是TEI可以選用類似大力神II火箭第二級的成熟設(shè)計。根據(jù)說明，“福波斯生活艙”和“深空生活艙”將使用通用化的設(shè)計降低研制預算，質(zhì)量約30噸，具備支持4人生活500天的能力，為了簡化設(shè)計甚至沒有獨立的姿態(tài)控制系統(tǒng)。火衛(wèi)一基地不僅可以支持4名航天員的長期工作，還可以收起著陸腿重新定位到其他地點，并在未來的火衛(wèi)一探索任務中重復使用。

簡而言之，這個方案不僅使用了更為合理的人貨分運設(shè)計，并使用電推進降低任務規(guī)模，而且讓電推進和化學火箭在合適的領(lǐng)域大顯身手，同時電推進和化學推進都盡量在已有的成熟硬件上發(fā)展而來。噴氣推進實驗室的方案看起來復雜，但其實要比波音過于依賴電推進的方案更為合理。

2.火星短期駐留任務

噴氣推進實驗室的載人火星登陸方案，同樣繼承了火衛(wèi)一任務設(shè)計特色，當然為了實現(xiàn)兩人24天的火星表面短期駐留，需要的SLS火箭數(shù)量就要增加到6枚，而登陸火星的時間就要等到2039年。

載人登陸火星方案中，前兩枚SLS同樣用于發(fā)射“電推進拖船”、“地球轉(zhuǎn)移插入段”、“深空生活艙”和“軌道轉(zhuǎn)移段”，最后兩枚SLS也仍然發(fā)射“深空生活艙”、“獵戶座”飛船，中間兩枚SLS火箭則用于發(fā)射大型 “火星著陸上升器”。所有貨物和人員分別抵達火星軌道后，兩名航天員從“獵戶座”飛船轉(zhuǎn)移到“著陸上升器”上，并著陸進行24天短期考察任務。航天員完成火星表面考察任務后，使用著陸器上的“火星上升飛行器”（MAV）回到火星低軌道，在這里“火星上升飛行器”與第二枚SLS火箭送來的“軌道轉(zhuǎn)移段”對接后被送入火星高軌道，并與“深空生活艙”組合體對接，人員返回組合體。最后在地球轉(zhuǎn)移插入段的推動下，4名航天員在“深空生活艙”中踏上回家的旅程。

這個方案中，“地球轉(zhuǎn)移插入段”、“軌道轉(zhuǎn)移段”、“火星軌道插入段”、“深空生活艙”和“探索上面級”都是已經(jīng)得到檢驗的成熟硬件，真正的新硬件僅有“火星著陸器”和“著陸上升器”?！爸懮仙鳌钡馁|(zhì)量約為23噸,可以支持兩人生活28天或是4人生活6天，它很大程度上借鑒了“鳳凰號”著陸器的設(shè)計，當然23噸的巨大質(zhì)量使它無法使用降落傘及時減速，只能使用超音速反推減速的概念，這是太空探索技術(shù)公司的“獵鷹”9號火箭曾進行過驗證，美國航宇局也打算進一步研究的技術(shù)。

載人登陸火星任務的新硬件不多，但難度仍然增加了一些。主要是“著陸上升器”和“軌道轉(zhuǎn)移段”都為了減重，使用火星大氣進行氣動剎車直接進入火星低軌道，尤其是23噸重的“著陸上升器”的氣動剎車，未來也仍是一個不小的挑戰(zhàn)。為了盡可能降低“著陸上升器”的質(zhì)量和體積，使用原來的“福波斯轉(zhuǎn)移段”做火星低軌道到高軌道的轉(zhuǎn)移段，也需要增加一次對接，同樣增加了任務風險。由于“火星生活艙”設(shè)計上只支持4人500天長期飛行，使用第二枚火箭發(fā)射的生活艙補給模塊進行對接補給，也增加了任務的復雜度。不過對比整個載人火星任務規(guī)模的縮小和研制成本的降低，這些取舍是值得的。

3.火星長期駐留任務

為了進行長時間的火星表面科研考察，以及更遙遠的建立火星基地，“地球轉(zhuǎn)移插入段”載人火星探測方案也規(guī)劃了火星長期駐留任務，火星表面的任務周期要達到1年左右，首次任務開始時間大致是在2043年?；鹦潜砻骈L期駐留任務再次展示了“地球轉(zhuǎn)移插入段”方案使用成熟硬件的特色，它的總體方案和短期駐留變化不大，最大的不同是增加了一個由原來的著陸器攜帶的火星表面生活艙，從而支持4人火星乘組的長期居住。著陸器模塊還可用于運送其他的物資，如時髦的原位資源利用設(shè)備。

更遙遠的未來，在火星表面的原位資源利用設(shè)備的支持下，未來航天員可以在火星表面制造推進劑、水和食物，甚至是用火星表面的材料制造“房屋”增加居住容積，從而建成一個南極洲科考站級別的火星科研基地。

美國噴氣推進實驗室的載人火星探測方案，無論是技術(shù)的先進性上，還是在費效比上都不是最好的方案，但綜合而言卻是基于現(xiàn)實的選擇。波音方案中全電推進系統(tǒng)和大型充氣式生活艙的設(shè)計光彩奪目，“火星直擊”方案中兩枚SLS級別火箭實現(xiàn)4人火星表面長期考察的設(shè)計簡潔高效，美國航宇局原來的DRA5方案中使用了諸如大直徑生活艙、低溫推進劑長期在軌儲存、大推力核熱發(fā)動機等先進技術(shù)也令人心動不已，但它們的缺陷在于不是技術(shù)尚在紙面上，就是風險實在太高。

噴氣推進實驗室的方案使用的幾乎都是現(xiàn)有技術(shù)，最大限度地降低了研發(fā)階段的開支和風險，同時又以電推進和化學推進的混合使用盡量降低了整個任務的規(guī)模，再加上方案設(shè)計中考慮了美國航宇局未來的預算情況，只要美國航宇局預算能隨著通脹同步增長，就可以保證載人火星探測任務的順利進行。方案最大的價值所在市告訴人們：通過這個精心設(shè)計的方案，人們不需要研制高不可攀的新技術(shù)，不需要冒全軍覆沒的巨大風險，只要使用現(xiàn)有和即將實現(xiàn)的技術(shù)，人類是可以一步步踏上火星表面的。