□ 展鵬飛

洛·馬的“火星營(yíng)地”計(jì)劃

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▲ “火星營(yíng)地”抵達(dá)火星軌道的想象圖

在2017年國(guó)際宇航大會(huì)上，美國(guó)人把載人火星探索的設(shè)想向前推進(jìn)了一大步。洛·馬公司和太空探索技術(shù)公司都拿出了自己的火星探索具體方案。不得不說(shuō)，這兩份方案是迄今為止最靠譜的。而且還可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象，無(wú)論洛·馬還是馬斯克，都認(rèn)為美國(guó)宇航局的火星探索進(jìn)度表太保守了。

洛·馬公司在重返月球上沒(méi)有發(fā)出太大的聲音，是因?yàn)樵摴镜墨C戶座飛船已經(jīng)欽定為下一代載人飛船的標(biāo)準(zhǔn)版，而且地月軌道空間站的研制也少不了洛·馬來(lái)分一杯羹。因此，在本屆宇航大會(huì)上，洛·馬的宣講重點(diǎn)就放在了火星。洛·馬這次提出了一個(gè)完整的早期火星載人探索方案，叫做“火星營(yíng)地”（MBC）。

基本概念

早在2016年，洛·馬就提出過(guò)“火星營(yíng)地”的概念，是一個(gè)以月球及環(huán)月空間為跳板，前往火星展開載人探索的體系。這次，洛·馬發(fā)表一份長(zhǎng)達(dá)14頁(yè)的論文，詳細(xì)闡述了“火星營(yíng)地”的框架，它由地球表面、地球軌道、地月空間、火星軌道、火星表面的一系列設(shè)施組成，規(guī)模相當(dāng)大。按照設(shè)想，有關(guān)航天器從地球表面用現(xiàn)有的德?tīng)査?、阿里安5和研制中的重型獵鷹、SLS等重型運(yùn)載火箭發(fā)射到地月空間軌道上。在這里，通過(guò)地月軌道空間站的中轉(zhuǎn)，飛向火星，抵達(dá)火星上空的軌道。然后再設(shè)法降落，在火星表面著陸。

“火星營(yíng)地”概念有幾個(gè)基本的設(shè)計(jì)原則：循序漸進(jìn)、可重復(fù)使用、技術(shù)繼承、乘員安全與可靠性、開放合作。洛·馬公司著重指出，“火星營(yíng)地”概念并不是像阿波羅計(jì)劃那樣的“到此一游”，而是要真正為人類長(zhǎng)期火星生存服務(wù)，建立長(zhǎng)期使用的火星基礎(chǔ)設(shè)施。

“火星營(yíng)地”的主體，是飛行在火星上空的“火星營(yíng)地”空間站，基本結(jié)構(gòu)和洛·馬設(shè)想中的地月軌道空間站很接近。它由兩個(gè)圓臺(tái)型的實(shí)驗(yàn)室艙段構(gòu)成核心，向兩端延展出兩個(gè)服務(wù)艙，用于提供太陽(yáng)能發(fā)電、熱控和水的存儲(chǔ)。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室艙段之間是一個(gè)節(jié)點(diǎn)艙，可以用來(lái)對(duì)接火星起降飛行器（MDAV）或者低溫推進(jìn)級(jí)。

“火星營(yíng)地”的建設(shè)不可能是一蹴而就的，人類長(zhǎng)期在深空生存、工作的很多技術(shù)都需要逐步成熟，包括遙控機(jī)器人、采樣返回和太陽(yáng)能電推進(jìn)等技術(shù)。而最合適的試驗(yàn)平臺(tái)就是美國(guó)宇航局新近提出的地月軌道空間站（DSG）。

▲ 火星起降飛行器和“火星營(yíng)地”空間站對(duì)接想象圖

▲ “火星營(yíng)地”進(jìn)度設(shè)想

不登陸的“火星營(yíng)地”-1考察

按照洛·馬的論文，第一代火星營(yíng)地“火星營(yíng)地”-1的設(shè)想，是運(yùn)送6名航天員前往火星軌道，實(shí)施為期1年的探索。不過(guò)這些航天員并不登上火星，而是遙控操作機(jī)器人降落到火星表面。但是在此期間，如果條件允許，可以考慮派航天員探訪火衛(wèi)一或火衛(wèi)二。

考慮到火星和地球之間的飛行窗口，無(wú)論是不是登上火星表面，探索隊(duì)都要在火星及火星軌道上待11個(gè)月左右。

尤其是對(duì)遙控機(jī)器人技術(shù)來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在工作在火星上的探測(cè)器，其實(shí)都屬于遙控機(jī)器人。但是由于地球和火星之間的距離遙遠(yuǎn)，無(wú)線電波飛行需要380秒～2670秒。加上探測(cè)器的功率有限，它們與地球之間的通信帶寬也很窄。因此，人們能在“好奇號(hào)”上實(shí)現(xiàn)的功能受到了很大制約，有些需要迅速?zèng)Q策的復(fù)雜操作就無(wú)法實(shí)現(xiàn)，例如鉆探、精確駕駛和取樣。但是，如果從“火星營(yíng)地”上操作就不同了。火星軌道到火星表面的時(shí)延很短，帶寬幾乎是要多少有多少。這樣，火星表面的機(jī)器人就可以自由選擇遙控、全自主、人工干預(yù)下的自主和任務(wù)級(jí)自主等模式?！盎鹦菭I(yíng)地”里的航天員還可以對(duì)采樣返回的樣品進(jìn)行初步分析，迅速做出判斷，并且制定下一輪采樣計(jì)劃。比之于采樣返回地球，這樣的模式顯然要快捷得多。

“火星營(yíng)地”還可以攜帶大型3D打印機(jī)，制造和修復(fù)重要的零件。在1年乃至1000天的任務(wù)中，在軌維修幾乎是不可避免的，但是要帶上足夠多的、能夠支撐這么久空間飛行的備件，幾乎是不可能的。所以，在軌3D打印是必由之路。

登陸的“火星營(yíng)地”-S考察

當(dāng)“火星營(yíng)地”-1任務(wù)取得成功，就可以啟動(dòng)人類登陸火星的“火星營(yíng)地”-S任務(wù)（S就是表面的首字母）?！盎鹦菭I(yíng)地”-1任務(wù)的居住艙、實(shí)驗(yàn)室、低溫推進(jìn)級(jí)、考察組負(fù)責(zé)人、液氫液氧儲(chǔ)箱、太陽(yáng)能推進(jìn)級(jí)保留在軌道上，繼續(xù)擔(dān)當(dāng)?shù)鼗鹜ㄐ胖欣^工作，并持續(xù)接收地球送來(lái)的補(bǔ)給品。

“火星營(yíng)地”-S的流程大致是這樣的：先發(fā)射稱為“火星營(yíng)地”-1轉(zhuǎn)移飛行器的空間組合，包括實(shí)驗(yàn)室艙段、太陽(yáng)能推進(jìn)艙段、燃料存儲(chǔ)艙段，然后在空間為它們加滿燃料；發(fā)射火星起降飛行器，它需要用SLS火箭從地球上發(fā)射，然后抵達(dá)火星軌道，與“火星營(yíng)地”-1任務(wù)飛行器對(duì)接；發(fā)射燃料補(bǔ)加預(yù)置艙，進(jìn)入“火星營(yíng)地”-1軌道；航天員進(jìn)入“火星營(yíng)地”-1轉(zhuǎn)移飛行器，然后飛向火星；“火星營(yíng)地”-1轉(zhuǎn)移飛行器與“火星營(yíng)地”-1、火星起降飛行器、燃料補(bǔ)加預(yù)置艙等交會(huì)對(duì)接，航天員乘火星起降飛行器登陸火星，考察后返回；航天員乘轉(zhuǎn)移飛行器回到地月軌道空間站；航天員乘獵戶座飛船從地月軌道空間站回到地球。

▲ “火星營(yíng)地”探測(cè)火衛(wèi)二想象圖

火星表面探索

人們最關(guān)心的，還是如何把人類考察隊(duì)送到火星表面去?？紤]到地火轉(zhuǎn)移軌道的時(shí)間窗口，考察隊(duì)要在火星上待11個(gè)月。不過(guò)在“火星營(yíng)地”框架下，考察隊(duì)不需要長(zhǎng)時(shí)間呆在火星表面。

首次人類登陸任務(wù)，可以派出一個(gè)4人考察組，乘坐火星起降飛行器降落到火星表面，然后其中2人留守、2人出艙考察。外出考察的兩人不需要離開太遠(yuǎn)，可以定時(shí)回火星起降飛行器休整輪換。經(jīng)過(guò)兩周考察活動(dòng)后，考察組乘火星起降飛行器回到“火星營(yíng)地”，實(shí)施人員休整、樣品分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、報(bào)告撰寫等工作，并為火星起降飛行器補(bǔ)充燃料。然后，考察組可以再次出發(fā)，前往火星上的另外某個(gè)地點(diǎn)著陸。

與航天員全程待在火星上相比，這種方式有幾個(gè)好處：

費(fèi)用比較低。如果要在火星上待一年，就必須送去完整的生活設(shè)施，包括居住艙、發(fā)電機(jī)、漫游車、供給物資、工具等等。美國(guó)宇航局曾經(jīng)考慮過(guò)，在人員出發(fā)之前，先用SLS火箭把這些東西發(fā)射到火星上去。而“火星營(yíng)地”框架中，人員在火星表面停留時(shí)間比較短，因此不需要上述物質(zhì)條件。

安全性較高。短期火星表面任務(wù)可以減少考察隊(duì)遭遇危險(xiǎn)的概率，這是因?yàn)槿藗儗?duì)火星的了解還比較少，在短期內(nèi)無(wú)法建立起完善的火星設(shè)施，空間站里更安全。這具體體現(xiàn)在幾個(gè)方面。首先是對(duì)著陸精度要求低。如果要在火星上待一年，就必須精確地降落在預(yù)定位置；在“火星營(yíng)地”模式下，這種精度要求就低一些，只要著陸場(chǎng)是平原就可以了。

具備隨時(shí)撤退能力。前面所說(shuō)的兩周登陸任務(wù)，包括了往返飛行與降落前后的準(zhǔn)備工作，實(shí)際在火星表面活動(dòng)的時(shí)間大約是一周多。這樣短的時(shí)間里，考察隊(duì)不會(huì)離開火星起降飛行器太遠(yuǎn)，如果發(fā)生設(shè)備重大故障或者人員傷病，可以立刻返回“火星營(yíng)地”。如果降落失敗，也可以暫時(shí)回撤到“火星營(yíng)地”。

具備自救能力。任務(wù)攜帶兩艘火星起降飛行器，如果降落到火星上的火星起降飛行器發(fā)生故障，可以派遣另一艘去救援他們。

靈活性強(qiáng)?？疾礻?duì)可以抵達(dá)火星軌道之后再確認(rèn)著陸場(chǎng)，這給考察計(jì)劃帶來(lái)了很大方便。此前的無(wú)人著陸器都是通過(guò)環(huán)繞火星的探測(cè)器先行測(cè)繪地形，然后在地球上預(yù)先確認(rèn)好著陸場(chǎng)，再直接投送過(guò)去。由于人們對(duì)火星的了解并不多，火星起降飛行器的各種推力系統(tǒng)，以及姿態(tài)控制和發(fā)電系統(tǒng)，都采用液氫液氧燃料。低溫燃料的汽化損耗部分用來(lái)發(fā)電，反應(yīng)生成的水供考察隊(duì)生活使用，因此液氫液氧幾乎是唯一的消耗品。而一次“火星營(yíng)地”任務(wù)當(dāng)中能實(shí)施多少次火星表面探索任務(wù)，也只取決于液氫液氧的儲(chǔ)備量。

按照洛·馬公司提出的設(shè)計(jì)，“火星營(yíng)地”上的低溫燃料儲(chǔ)箱可以支持往返地球和火星一次，以及往返火星表面兩次的任務(wù)，以及“獵戶座”前往火衛(wèi)二、火衛(wèi)一的任務(wù)。前往火衛(wèi)二、火衛(wèi)一的推進(jìn)任務(wù)由低溫推進(jìn)級(jí)和短途旅行系統(tǒng)承擔(dān)。如果不前往火衛(wèi)二、火衛(wèi)一，那么“火星營(yíng)地”不需要地球送來(lái)補(bǔ)給，靠從地球出發(fā)時(shí)攜帶的水，就可以支持一次火星起降飛行器登陸火星的任務(wù)，然后返回地球。

如果要執(zhí)行兩次登陸任務(wù)，就需要更多的液氫液氧。這些液氫液氧可以靠“火星營(yíng)地”電解水來(lái)制備，也可以從地球送水前去。為此，洛·馬還提出了一種叫做WDV的飛行器，直譯過(guò)來(lái)就是“送水飛船”。理論上說(shuō)，WDV的尺寸可大可小，洛·馬設(shè)定了一種可以攜帶52噸水的WDV，兩艘WDV攜帶的水可以支撐一次火星起降飛行器的任務(wù)，同時(shí)還要攜帶一個(gè)功率為375千瓦的太陽(yáng)能發(fā)電艙。另外，還要攜帶一組容量為40噸的液氫液氧儲(chǔ)箱，但發(fā)射時(shí)是空的。

這樣大的航天器需要用SLS火箭來(lái)發(fā)射。如果有朝一日，人們?cè)谠虑?、小行星或者火星上發(fā)現(xiàn)了有開發(fā)價(jià)值的水資源，就不需要再?gòu)牡厍蜓a(bǔ)給了。

▲ 洛·馬公司的火星起降飛行器示意圖

運(yùn)水的方式有很多好處。首先是避免了氫氧燃料的汽化損耗，這樣太陽(yáng)電池產(chǎn)生的電力不需要用來(lái)為燃料保持低溫，可以全部用于推進(jìn)。進(jìn)入火星軌道后，WDV和“火星營(yíng)地”交會(huì)，“火星營(yíng)地”伸出機(jī)械臂捕獲WDV。然后將其攜帶的水電解成液氫液氧。兩艘WDV如果同時(shí)工作，用兩個(gè)半月時(shí)間可以為一艘火星起降飛行器準(zhǔn)備好燃料。

如果財(cái)力足夠，可以派遣多艘裝滿水的WDV在火星軌道上待命，也就是前文所說(shuō)的燃料補(bǔ)加預(yù)置艙。它們與“火星營(yíng)地”處在同一軌道上，保持一定的相位差?；鹦瞧鸾碉w行器可以脫離“火星營(yíng)地”，與這些WDV直接對(duì)接，補(bǔ)充燃料，然后回到“火星營(yíng)地”接上航天員，再前往火星表面。

火星起降飛行器離開“火星營(yíng)地”后，啟動(dòng)反推發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)入火星大氣層，預(yù)計(jì)再入速度為每秒4.7千米。然后火星起降飛行器進(jìn)入受控的氣動(dòng)減速狀態(tài)，在減速到大約馬赫數(shù)2的時(shí)候調(diào)姿，進(jìn)入超音速火箭制動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)速度基本為零的時(shí)候，放出起落架，降落在火星上。

火星起降飛行器采用了無(wú)翼的升力體結(jié)構(gòu)，沒(méi)有氣動(dòng)減速面或其他可收放的氣動(dòng)設(shè)備。這樣不但可以節(jié)省一些燃料，也可以省去重新起飛前的檢修工作。火星起降飛行器不采用降落傘，因?yàn)榛鹦强諝庀”?，這種超過(guò)100噸的飛船所需要的降落傘面積實(shí)在是太大了。

降落之后，4人考察組將執(zhí)行大約10天的考察任務(wù)。按照50%的冗余來(lái)考慮，就要準(zhǔn)備15天的物資。用于艙外活動(dòng)的設(shè)備大約重2500千克，加上兩名航天員，要用吊車放到火星表面。火星起降飛行器可以支持每天多次火星表面行走，但每次只能去兩個(gè)人。

除了與“火星營(yíng)地”進(jìn)行高速通信外，火星起降飛行器也可以和地球進(jìn)行低速率直接通信。

火星表面考察任務(wù)結(jié)束后，火星起降飛行器可以按照單級(jí)入軌的方式返回火星軌道。如果“火星營(yíng)地”部署在500千米高圓軌道上，降落到火星上需要消耗的速度增量為每秒1270千米，返回軌道需要每秒4200千米，這樣總共需要消耗火星起降飛行器燃料攜帶量的71%。如果“火星營(yíng)地”部署在火星的同步軌道上，火星起降飛行器往返一次需要每秒6000米的速度增量，消耗燃料攜帶量的74%。這個(gè)數(shù)字有很重要的意義，因?yàn)楹教祜w機(jī)每次發(fā)射，需要消耗掉外置儲(chǔ)箱總?cè)剂蠑y帶量的85%才能入軌。這意味著美國(guó)航天界靠現(xiàn)有的技術(shù)就能把火星起降飛行器造出來(lái)。

▲ BFR與未來(lái)火星基地形成規(guī)模后的想象圖

相關(guān)鏈接：

馬斯克的“大型獵鷹火箭”

在2017年國(guó)際宇航大會(huì)上，SpaceX公司拿出來(lái)的方案雖然沒(méi)有那么完整，但是也引起了人們的足夠興趣。它的名字叫做BFR，也就是“大型獵鷹火箭”?？雌饋?lái)馬斯克對(duì)“獵鷹”這個(gè)單詞感情很深厚。BFR沒(méi)有像洛·馬公司一樣考慮完整的火星往返考察流程，它更多地關(guān)注如何設(shè)計(jì)一種新的火箭。

BFR比馬斯克在2016年介紹的ITS火箭要小得多，直徑從12米降低到了9米?？磥?lái)鋼鐵俠也發(fā)現(xiàn)自己曾經(jīng)的夢(mèng)想太龐大了一點(diǎn)。而且BFR并不是專用的火星火箭，而是一種通用性運(yùn)載工具，地球軌道、月球軌道和星際飛行都用它來(lái)作為解決方案。

BFR的發(fā)動(dòng)機(jī)依然是獵鷹9號(hào)火箭所使用的猛禽系列，一級(jí)火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量達(dá)到了31臺(tái)之多。

BFR的框架要比洛·馬的“火星營(yíng)地”簡(jiǎn)單很多，沒(méi)有考慮復(fù)雜的過(guò)渡飛行問(wèn)題。火箭的第二級(jí)（也就是飛船部分）尾部有一組小翼，可以用來(lái)在火星上著陸。BFR有三種構(gòu)型：載人型、貨運(yùn)型和液罐型。前兩種構(gòu)型可以飛往火星，貨運(yùn)型也可以用于地球軌道發(fā)射。液罐型主要用于在軌燃料補(bǔ)加。如果要飛往深空，可以發(fā)射一枚載人型或者貨運(yùn)型BFR，同時(shí)發(fā)射一枚液罐型。抵達(dá)高軌道后，由后者為前者補(bǔ)充燃料。然后前者繼續(xù)飛往深空，后者返回地球著陸。

至于BFR如何從火星返回地球，在火星上如何運(yùn)行，馬斯克沒(méi)有做太多解釋。或許他還堅(jiān)持采用以前的理念，用一群載人型“龍”飛船構(gòu)成火星村，供移民居住。

BFR最有意思的構(gòu)型之一，是地球上的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)輸，也就是當(dāng)個(gè)民航機(jī)來(lái)用。這簡(jiǎn)直就是在搶亞軌道太空旅游企業(yè)的生意了。

按照美國(guó)媒體的說(shuō)法，馬斯克似乎很喜歡去上海吃個(gè)面，所以他打算坐BFR從紐約直接飛到上海。至于票價(jià)，據(jù)說(shuō)和民航機(jī)的經(jīng)濟(jì)艙全價(jià)一樣。而且它每次飛行可以搭載850名乘客！目前最大的民航機(jī)A380要賣出滿座才能搭載這么多人。此言一出，美國(guó)媒體陷入了狂熱之中，根據(jù)一些人的計(jì)算，BFR可以在39分鐘內(nèi)從紐約抵達(dá)上海，29分鐘就可以從紐約抵達(dá)倫敦，隨便去世界什么地方吃個(gè)飯?jiān)倩丶乙呀?jīng)不是夢(mèng)想了。據(jù)說(shuō)BFR飛行中的過(guò)載也就是2～3g，和公園里的游樂(lè)機(jī)差不多，身體健康的人都能坐。所以有人驚呼，馬斯克又要干掉傳統(tǒng)航空公司了。

責(zé)任編輯：陳彩連