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        “熒惑之旅”載人火星研究

        2016-07-16 18:05:52李怡晨
        科教導(dǎo)刊·電子版 2016年17期
        關(guān)鍵詞:航天飛機(jī)推進(jìn)器航天員

        李怡晨

        摘 要 “熒惑之旅”作為載人火星探測計(jì)劃,設(shè)想將一款新型的地火航天飛機(jī)、一套基于全功率可變比沖磁等離子火箭的推動(dòng)器和一種多用途火星基地艙三者結(jié)合起來,構(gòu)成一個(gè)整體系統(tǒng)。它將在不到四十天的時(shí)間里,將航天員送到火星,并安全帶回。該計(jì)劃的目標(biāo)是:將至少3名宇航員送入太空,在最短時(shí)間內(nèi)運(yùn)往火星,登陸火星表面,并讓宇航員開展一段時(shí)間的科學(xué)探索工作,最后安全返回地球。因?yàn)榛鹦菬蔁扇缁?,位置、亮度時(shí)常變動(dòng)讓人無法捉摸,我國古書上將之稱為“熒惑”,也表征了人類對(duì)火星探索的渴求。為此,給這個(gè)計(jì)劃取名為“熒惑之旅”。

        關(guān)鍵詞 載人火星探測 地火航天飛機(jī) 可變比沖磁等離子火箭推動(dòng)器 多用途火星基地

        中圖分類號(hào):V412.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        0引言

        20世紀(jì),人類實(shí)現(xiàn)了載人登陸月球;21世紀(jì),人類最重要、最復(fù)雜的航天項(xiàng)目就是載人登陸火星。其主要目的有三:一是尋找地外生命,從而深入研究生命、地球乃至宇宙起源和演化;二是不少天文學(xué)家推斷,火星有可能是地球的未來。因此,載人探測或登陸火星可研究地球的演變,防止它變成人類難以生存的第二個(gè)火星;三是由于火星與地球最為相似,所以很多科學(xué)家認(rèn)為可先把火星改造成適合人類居住的第二個(gè)人類家園,在地球人口超過110億以上時(shí)向火星移民。

        但在當(dāng)今,不要說載人登陸火星了,就是進(jìn)行無人探測火星也充滿了風(fēng)險(xiǎn)。目前,全球一共發(fā)射了約43個(gè)火星探測器,只有26個(gè)獲得成功,成功率約60%,所以火星被稱為“航天器墳場”。因此,要進(jìn)行載人探測或登陸火星就更難了,需要克服千難萬險(xiǎn)。火星之旅不比月球登陸,就目前的技術(shù)水平而言,航天員到火星一個(gè)來回至少需要約520天。如此遙遠(yuǎn)的距離無論是對(duì)航天器還是對(duì)航天員都是一個(gè)極端的挑戰(zhàn)。因此,提高運(yùn)載飛行器的速度,縮短旅途周期將是整個(gè)登陸火星計(jì)劃的關(guān)鍵。為此,提出一款新型的航天飛機(jī)和一套基于全功率可變比沖磁等離子火箭的推動(dòng)器的設(shè)想。這兩件飛行器所組成的系統(tǒng),將在不到四十天的時(shí)間里,將航天員送到火星,并安全帶回。同時(shí),還必須為航天員設(shè)計(jì)一個(gè)安全可靠地基地,保障航天員在火星上的生活。

        1新型航天器描述

        1.1“火燕”號(hào)地火航天飛機(jī)

        該型號(hào)航天飛機(jī)是專為往返火星設(shè)計(jì)的新型航天飛機(jī),該航天器在現(xiàn)有航天飛機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),以應(yīng)對(duì)火星上殘酷的起降條件。

        幾大改進(jìn):

        (1)可拓展翼展設(shè)計(jì):火星的引力只有地球的三分之一,大氣密度只有地球的百分之一左右。極其稀薄的密度,決定了在地球上輕松飛行的飛機(jī)在火星上卻飛不起來。為給航天飛機(jī)在火星和地球表面更好的起降,“火燕”號(hào)航天飛機(jī),采用可伸展的翼展設(shè)計(jì)。

        (2)軟著陸設(shè)計(jì):火星的糟糕的地表?xiàng)l件和殘酷的大氣條件,使得軟著陸成了最佳選擇。

        (3)可變動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)置:航天飛機(jī)內(nèi)倉采用模塊化設(shè)計(jì),便于維修與替換。比較靠近航天飛機(jī)自身發(fā)動(dòng)機(jī)的為液體燃料艙室,是脫離地球與脫離火星表面的主動(dòng)力;而另一個(gè)為核燃料儲(chǔ)備倉,通過一根輸送管,向外部的推進(jìn)器輸送燃料。

        1.2“太空巴士”可變比沖磁等離子推進(jìn)器

        該推進(jìn)器是整個(gè)探測火星計(jì)劃的核心。

        可變比沖磁等離子推進(jìn)器主要由三部分組成:

        (1)核反應(yīng)倉。推進(jìn)器的主能量供給系統(tǒng),但是該倉只能攜帶少量的核燃料,為完成整個(gè)地火之旅,必須通過頂部的接口提供外部的燃料。

        (2)太陽能電池帆板。推進(jìn)器的輔助能量供給裝置,能夠在無任何外部能量供給的情況下,保證推進(jìn)器的正常負(fù)載運(yùn)行。

        (3)可變比沖磁等離子火箭(VASIMR)。推進(jìn)器的動(dòng)力系統(tǒng),推進(jìn)器的核心。單臺(tái)VASIMR功率為60MW,“太空巴士”總共裝有四臺(tái),因此總功率為240MW。

        1.2.1 VASIMR的基本原理

        將等離子體溫度加熱到高達(dá)一千萬度甚至更高,但采用磁鏡約束場,使熾熱的等離子體與附近的材料表面隔開。合適的磁噴嘴,可以把等離子體的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榛鸺耐屏?,理論上估算,離子的運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)到300 000m/s,相當(dāng)于目前最好化學(xué)火箭的60倍。不僅如此,系統(tǒng)還能使比沖根據(jù)飛行條件進(jìn)行必要的調(diào)整。從而節(jié)省飛行時(shí)間和燃料。

        1.2.2 VASIMR的性能特點(diǎn)

        VASIMR獨(dú)特之處是可以改變比沖。對(duì)于電推進(jìn)系統(tǒng),在輸人功率一定的情況下,比沖與推力成反比。對(duì)于給定的飛行任務(wù),通過調(diào)節(jié)比沖,可以改變推力。在低比沖/高推力模式下可以提高航天器飛行加速度,使其飛行時(shí)間縮短;而在高比沖/低推力模式下,可減少推進(jìn)劑的消耗量。因此,通過比沖和推力的優(yōu)化,可以實(shí)現(xiàn)飛行器飛行軌跡的優(yōu)化。

        1.3“探路者”火星基地艙

        設(shè)計(jì)特點(diǎn):

        (1)多用途:該基地艙既可以作為滿足航天員生活需求的基地,也可以左右放置專門的航天飛機(jī)燃料補(bǔ)給倉,同時(shí)也是一個(gè)通信基站。

        (2)模塊分離:獨(dú)特的變形設(shè)計(jì),將整個(gè)基地艙分為了三個(gè)部分,中間為核反應(yīng)倉,為整個(gè)系統(tǒng)提供能量;左邊為航天員生活艙;右邊為實(shí)驗(yàn)艙。

        (3)核電源:因?yàn)榛鹦潜鹊厍螂x太陽遠(yuǎn)得多,靠太陽電池供電難以滿足需求,而且火星的沙塵暴是地球12級(jí)臺(tái)風(fēng)的幾倍,持續(xù)時(shí)間達(dá)幾個(gè)月,容易覆蓋太陽電池而嚴(yán)重影響其工作,所以要考慮使用核電源。

        (4)磁屏蔽:在行星際空間飛行的載人火星飛船要受到大劑量宇宙輻射,宇宙射線中的高能質(zhì)子可穿透宇宙飛船擊中人體,引起人體組織器官的嚴(yán)重?fù)p傷,改變?nèi)梭w內(nèi)的DNA,降低人的免疫能力,增加癌癥的發(fā)病率。為解決這個(gè)問題,該基地艙的艙壁專門配備了超導(dǎo)磁體,在四周人工強(qiáng)磁場,使射向火星飛船的輻射粒子偏離,從而使航天員得到保護(hù)。與加厚火星飛船的艙壁的方案相比,這種主動(dòng)的屏蔽方式,能大大減輕基地艙的質(zhì)量。

        幾大任務(wù):作為探測火星的先遣探測器,在計(jì)劃的前期,該基地在火星著陸,對(duì)火星的環(huán)境(包括火星磁層、電離層和大氣)進(jìn)行充分的研究,并且永久留在火星,作為地面基站;作為燃料儲(chǔ)備倉為航天飛機(jī)返航補(bǔ)充燃料;作為宇航員的基地為宇航員提供必備的生活保障。

        2七個(gè)階段描述

        “熒惑之旅”計(jì)劃共分為七個(gè)階段,七個(gè)階段前后銜接,共同構(gòu)成整個(gè)計(jì)劃。

        2.1前期探索與準(zhǔn)備階段

        前期主要是發(fā)射環(huán)繞火星的衛(wèi)星,探測火星的環(huán)境(包括火星磁層、電離層和大氣),遙測火星表面的物理化學(xué)特性,為軟著陸作準(zhǔn)備。然后是發(fā)射火星軟著陸登陸器,試驗(yàn)著陸技術(shù);發(fā)展火星漫游車、火星機(jī)器人,探測火星地理環(huán)境和氣象條件,為在火星上建立觀測站作準(zhǔn)備。接下來是在火星上建立觀測站,探測火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)與礦物特性;用機(jī)械手采集火星巖石樣品;發(fā)展地球-火星往返式飛船,建立由機(jī)器人照料的火星基地,為以后載人火星飛行和有人觀測基地的建立奠定基礎(chǔ)。

        2.2脫離地球

        雖然VASIMR在比沖上具有傳統(tǒng)化學(xué)燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)無法比擬的優(yōu)勢,但是在推力上,較傳統(tǒng)火箭仍相距甚大。因此,為擺脫地球引力,在飛行器發(fā)射的第一階段,仍需傳統(tǒng)的發(fā)射方式,將航天飛機(jī)和基地艙送入近地軌道。

        2.3近地軌道階段

        在該階段航天器(航天飛機(jī)、基地艙)將和“太空巴士”推進(jìn)器進(jìn)行對(duì)接,轉(zhuǎn)換動(dòng)力系統(tǒng),在近地軌道進(jìn)行加速。

        (1)基地艙與推進(jìn)器完成對(duì)接:燃料由基地艙進(jìn)入推進(jìn)器核反應(yīng)倉。

        (2)“火燕”號(hào)與推進(jìn)器完成對(duì)接:核燃料由輸送管送入推進(jìn)器和反應(yīng)倉。

        (3)進(jìn)行為期8天的繞地飛行,進(jìn)行加速。此時(shí),推進(jìn)器的推力調(diào)整到較大,比沖調(diào)整到較低。

        作為整個(gè)火星計(jì)劃的關(guān)鍵環(huán)節(jié),“太空巴士”推進(jìn)器所起到的是一個(gè)太空接送的角色,在由火箭送入太空之后,它將以國際空間站為母港,永久留在太空,直至完成它的使命。

        2.4飛向火星

        在近地軌道進(jìn)行加速后的飛行器將擺脫地球的引力,開始飛向火星。此時(shí)推進(jìn)器的狀態(tài)是低推力、高比沖。

        2.5火星表面登陸

        飛行器脫離“太空巴士”推進(jìn)器,準(zhǔn)備進(jìn)行著陸,推進(jìn)器將依靠太陽帆供給的能量,進(jìn)行繞火飛行,等待“火燕”號(hào)的返航;同時(shí),它將與火星表面的基站一起為航天飛機(jī)提供空中與地面一體的導(dǎo)航服務(wù)。

        由于火星表面崎嶇不平,因此,對(duì)航天飛機(jī)的著陸提出了更高的要求?!盎鹧唷碧?hào)專為此而設(shè)計(jì)的可伸展的翼展及排列在飛機(jī)底部的著陸裝置將保障其安全著陸。

        2.6返回階段

        宇航員將搭乘航天飛機(jī)返回地球。

        該階段最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是如何回到近火軌道。由于條件的限制,因此不可能再像在地球上進(jìn)行火箭的輔助發(fā)射,也不可能進(jìn)行滑行發(fā)射。

        受飛機(jī)的垂直起降技術(shù)的啟發(fā),“火燕”號(hào)將采用類似垂直起降的發(fā)射方式?;鹦堑囊l件(只有地球的三分之一)為這種方式提供了極大的可能性。

        (1)位于飛機(jī)底部的小型推進(jìn)器發(fā)動(dòng),飛機(jī)脫離地面,翼展完全展開;

        (2)主發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火,飛機(jī)向前推進(jìn);

        (3)開始繞火飛行,逐步脫離火星束縛,進(jìn)入近火軌道;

        (4)翼展縮回,與等待的推進(jìn)器進(jìn)行對(duì)接;

        (5)轉(zhuǎn)換動(dòng)力系統(tǒng),進(jìn)行為期7天的繞火加速飛行;

        (6)脫離火星軌道,馳往地球。

        2.7登陸地球

        翼展完全展開,滑行著陸。

        3總結(jié)與展望

        21世紀(jì)將是科技突飛猛進(jìn)的新時(shí)代,人類認(rèn)識(shí)和征服宇宙的能力將有新的飛躍。行星探索及開發(fā)利用的目標(biāo)將集中在火星??臻g探測及對(duì)空間的開發(fā)和利用,是反映一個(gè)國家高新科技水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的重要標(biāo)志。目前世界上各空間大國,都在積極制訂探測火星的宏偉計(jì)劃。因此開展火星探測研究,對(duì)于我國的科學(xué)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和提高我國的國際地位具有重大的意義。

        “熒惑之旅”提供出一個(gè)較完善的計(jì)劃,它的實(shí)現(xiàn)還需克服諸多的技術(shù)難關(guān),包括如何提高VASIMR的功率、超導(dǎo)磁場的實(shí)現(xiàn)等等,可能至少在未來十年內(nèi),該類技術(shù)還無大幅提高的可能。但科學(xué)的進(jìn)步將會(huì)是無止境的,希望在未來的二三十年內(nèi),航天技術(shù)將會(huì)有飛躍式的發(fā)展,讓“熒惑之旅”早日成為現(xiàn)實(shí)。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 任軍學(xué),劉宇,王一白.可變比沖磁等離子體火箭原理與研究進(jìn)展[J].火箭推進(jìn),2007.

        [2] Andrew Petro,Advanced Space Propulsion Laboratory,NASA JSC Houston, Texas,VASIMR Plasma RocketTechnology,May 2002.

        [3] 吳季,朱光武,趙華.螢火一號(hào)火星探測計(jì)劃的科學(xué)目標(biāo)[J].空間科學(xué)學(xué)報(bào),2011.

        [4] 李楨.載人火星探測任務(wù)軌道和總體方案研究[D].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2011.

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