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话说火星探索(下)
    时间:2017-10-17     点击率:237

话说火星探索(下)

余力

我们正在经历人类文明史中最好的探索时代。洛威尔的“运河说”虽然是个谬误,但他的确留下了宝贵的遗产:点燃了人们的想象力,激励了后来火箭技术的先驱者,其中就有美国火箭之父的罗伯特·戈达德。他们于是开始设计发明火箭,利用这些火箭使火星和太阳系变得触手可及。让人类不但能用眼睛观察,而且也有可能实际到达那里。二战期间,冯·布劳恩首开先河,第一个将戈达德设计发明的火箭开发为V-2导弹;20年后又第一个利用他主持开发的“土星5号”火箭将人送上月球。这里也别忘我国的火箭之父钱学森啊!他在美国加州理工学院教书时就有一个头衔:罗伯特·戈达德讲座教授。

现代科学技术的进步促进了人类对宇宙天空探索想象力的爆发。冯·布劳恩是美国火箭技术研发计划的带头人,1969年主持完成了把人送上月球的“阿波罗计划”。但他的兴趣并不限于在此,他最感兴趣的还是宇宙空间探索。早在他1948年写的《火星计划》一书中就详细描述了如何登上火星的计划和完整的方案,包括飞行轨道设计、计算公式、精确的测算和技术图纸。为了节省燃料,他甚至在那时就提出了可重复使用的火箭和飞船;一种可以在24小时重新注入燃料并发射的火箭。他还提出了利用火星绕太阳轨道的“霍曼转移轨道理论”,飞船以滑行的方式运行就可以不用燃料,直到飞船接近火星时再启动火箭减速进入火星。这个方法需要航行8个月而且需要等待一个合适的发射窗口。这本书至今仍是最具影响力的星际航行指南。他书中的设想十分宏伟:由70人组成一支包括10艘宇宙飞船的舰队大举向火星进发。几十年过去之后,现在又出现了新的火星登陆理论,如利用推力巨大的火箭做直线飞行,单程航行的时间有可能极大地缩短达90天以内。不管如何,冯·布劳恩70年前关于火星探索的全部设想和计划,我们不得不佩服他的远见卓识。

 

7 地球去火星的路径

载人火星探索重新提到日程,挑战空前。火星探索已走到需要人出场的时候。首先,人具有机器人探测器所不具备的优势:人有随机应变的能力,即使没适合的工具也能想办法解决;机器人探测器移动缓慢,做事的效率也与人无法相比。例如,“勇气号”“机遇号”5年的工作量,如果是由两个宇航员来做的话,一个星期就能完成。所以,与机器人探测器相比,人可以做得更好。当然如果人的优势和仪器的优势两者相加,也即载人火星探索,必将如虎添翼般开创宇宙探索的新局面。

人类早在1969年就登上月球,但它与登陆火星面临的困难犹如小巫见大巫,这主要是距离的巨大差别。到月球38万公里,6天就可以来回。由于地球和火星绕太阳的轨道不同步,到火星的航程从最近5500万公里变化到最远4亿公里。即使等到地球和火星运动到最近的距离点,依然有5500万公里的遥远航程,单程旅行需要6个月,而且必须等待最佳的发射窗口时机。如果错过则又要等26个月。往返则需要3年,这意味着旅行者須一次带足3年需要的一切物品。此外,信息来回传输的时间因距离遥远,最长达21分钟,从而造成不少麻烦和失误。总之,天文数字般的距离导致去火星的各种探测任务中有三分之二以失败告终,其中原因多种多样,包括火箭爆炸、坠毁、失去联系等。前苏联的火星探索计划尤其是尝尽苦头,上世纪70-80年代,他们发射的众多火星探测器中只有“火星5号”传回照片。所以,如果没有找到经济、可靠和有效的方式,载人火星探索只是纸上谈兵而已。载人火星探索包括往、返、和在火星上生存三阶段。光是第一阶段已经是无比困难,更别论第二和第三阶段遇到的更大挑战和困难。载人火星探索需要建立起一个维持整套火箭发射和回收的系统以及人类赖以生存的环境。如果哪天做到了,则人类将能到达任何太阳系他们想去的地方。

a)“猎鹰”火箭系列

b)“龙”太空飞船

8 新型火箭和飞船

 

9“重猎鹰”火箭待发射(左),猎鹰火箭在海上垂直反推降落软着陆回收(中),

海上回收的“龙”太空飞船(右)

重复使用是实现载人火星探索的关键,一份漂亮的成绩单。太空探索技术公司伊隆·马斯克开发的“猎鹰”系列火箭,单次发射的费用大大低于美国同类的发射公司,甚至低于相对廉价的中国长城长3乙。他成功的关键是他采用的技术路线,即开发可以重复使用的发射系统。他作了一个简单的估算:他的“猎鹰9号”火箭单次发射的总费用是6000万美元,其中推进剂的费用只占0.3%,少得几乎可以忽略。如果能重复使用10次或100次,其发射费用就会有数量级的缩减。所以他断言:“除非有人发明了一种可以重复使用的火箭,否则人类将永远局限在地球上”。最近几年来,他以令人眼花缭乱的速度回收了一枚枚从轨道返回的“猎鹰9号”火箭。不仅是从陆地上利用垂直反推降落软着陆回收,还从未来实用考虑,提高技术难度,在海上软着陆回收垂直反推降落的火箭。201656日,SpaceX在大西洋上成功回收时,距离48SpaceX实现首次海上火箭回收还不到一个月。 这是全世界首次在地球同步转移轨道(GTO)发射任务中实现火箭垂直反推软着陆回收。不仅如此,SpaceX公司还成功地实现了将他们研制的“龙”飞船发射到近地轨道,和国际空间站对接后返回地面。201763日,又首次将回收的“龙”飞船再次发射,2天后成功到达国际空间站后返回。应该说,取得成功的“龙”飞船是SpaceX向更远火星迈进的重要里程碑。此时的SpaceX已经向世人证明,在载人火星探索的事业上,他们有能力担当主角。迄今SpaceX公司成功回收“猎鹰9”火箭已达9次,而且20143月以来开始用回收的火箭再次发射。“猎鹰”和“龙”已共同完成了6次往返国际空间站的任务。可以说:伊隆·马斯2002年创建 Spaxe X以来交了一份漂亮的成绩单,令人不得不对他刮目相看,有评论称“技术发展在10年间以光速推进”。太空探索技术公司的成功说明,民间做事的效率和革新精神远高于政府。没有官僚架构、也不需要一致通过,需要的是一个决不放弃的创造者和一个愿意抓住机会的投资者。

10伊隆·马斯克(左),“猛禽”火箭首次试车成功(右)

箭在弦上,8个大胆的创举。伊隆·马斯克深受火星协会主席罗伯特•祖布林的“火星直击”构想的影响,他提出的星际运输系统计划在经济上和技术上被认为更加具体可行,扬言在10年内最早2025年把人类带往火星。从2018年开始,就要不断地将货物设备通过“龙”飞船送上火星。以便在人员大批到达以前准备好生活、工作、以及返回地球的一切设施。他设想中的火星发射系统只有两级:火箭的第一级是助推部分,起摆脱地球重力的作用,直接进入地球轨道;第二级,是火箭的上面级与宇宙飞船的结合,完成剩下到火星的航程。在地球轨道上有推进剂补充站。在实现此目标之前,必须跨越一系列的障碍:不断完善发射系统的可重使用性,降低开发费用,为人类长期太空飞行建立基础。为达到目的他提出了8个具体而十分大胆的创举,这里仅列举其中4点作为说明:

1) 开发世界上最强大的火箭“猛禽”(Raptor)。为了替代现在运行的重型“猎9”,2009年开始研发的标准重型“猎鹰9”仍采用传统的液氧/煤油推进剂。作为星际运输系统的第一级,“猛禽”采用比冲更大的液氧/甲烷推进剂,火箭137米,助推由42台发动机组成,只有中央的7台发动机具有摆动(矢量)机构,能够调节方向,其余35台都是固定的总推力达2250吨,推重比高达180,是全世界第一款实用化的“全流量分级燃烧循环”的发动机,超过现在世界上推力最大的火箭“土星”5号,具备发射到月球和火星的能力。火箭第二级,也就是星际飞船,可以携带多达100名殖民者以及上百吨货物。它将由六个真空版的“猛禽”发动机推动,并具有用于大气再入的热防护盾,在飞船着陆地球和火星时,飞船通过三台“猛禽”发动机和三个可伸缩的着陆腿垂直着陆。

2100亿美元用于开发星际运输系统的多次重复使用性能,包括飞船和助推火箭都能100%快速重复使用,火箭回收后要求24小时重启发射。火箭推进剂使用更适合重复使用的液氧-甲烷,助推火箭将飞船送进轨道后返回地面,然后装载推进剂罐再飞往地球轨道作为加油站为飞船补充推进剂。因为重复使用预计发射成本可以降低至目前的百分之一以下,去火星的票价$10-$20/人。

3)开发新的载人“龙”太空飞船。发动机用3-D打印技术可以搭载7名宇航员。他嘲讽美国航空航天局的“猎户座”太空飞船不过是阿波罗计划的加强版,缺乏创新。

4)建立通往火星的定期航线,将生活和工作物资持续不断地送往火星,为星际运输系统奠定基础。

11 星际运输系统

12火星居民点示意图

在火星上建一个可以自我维持和发展的火星移民社会。SpaceX诞生的初衷是推动人类成为一个多星球物种,也就是说离开地球要像科幻电影中一样成为常态,火星则是他们设想中最靠谱的第一站,终极目标是殖民火星。因此,伊隆·马斯克出手必定不凡。他说他不会设计只能运送几个人的星际运输系统,而是创建一项浩大的系统工程,第一代系统希望在2030-2050年间。20年有10次轨道同步机会,意味着20年后火星上就可能会有四、五万地球移民。他野心勃勃的计划远比冯·布劳恩当初建10艘太空飞船的计划要疯狂:要打造上千条太空飞船,每条船100人,犹如搭乘太空堡垒,集中离开地球驶向火星,并从最初的居民点逐渐扩展成为城市。他计算过建造1000条船、迁移100万人需要的时间期限,从第一条船开始可能要经历20-50个火星交会点,如果从2025年开始将需要43-103年。按太空探索技术公司的计划,在2020年就要发射两次不载人的“龙”飞船去火星,允许一条失败。首次载人火星的飞船最早定于2025年发射。与之相比,NASA的火星计划时间表要等到2030年代才考虑载人火星登陆。

美国疯子科技狂人-伊隆·马斯克冯·布劳恩一样,伊隆·马斯克也是来自南非和加拿大的移民。他博士学业未完就开始创业,具有极为传奇的经历,30岁以前便已经名声大震。他是一个虔诚的环保主义者,卖掉为他赚了3亿多美元的Paypal互联网公司后华丽转身,改行创建了电动汽车特斯拉公司和太空探索技术公司SpaceX。后者在2002年成立,专注于降低发射成本开发重复使用的“猎鹰”系列火箭。2008年,由于“猎鹰1号”的前三次失败加上电动汽车特斯拉成本过高,走到了濒临破产的边缘,加上老婆又闹离婚。在可能丢掉公司和婚姻的双重打击下,他仍孤注一掷拼下了最后身家性命的300万美金,终于峰回路转。然而,火箭回收之路也绝不平坦。20151月,太空探索技术公司的“猎鹰9”火箭成功将“龙”飞船送入预定轨道,并准备在海上对火箭进行回收。当火箭返回海上浮动平台时,发生硬着陆并爆炸,让回收成为泡影。20154月,同样的悲剧再次重演。2015628号,“猎鹰9”火箭再度启航,搭载“龙”飞船从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地升空,发射仅数分钟之后,火箭就在空中爆炸,残骸落入大西洋。统计下来SpaceX先后经历了5次失败,才成功地从陆上回收了已经入轨的“猎鹰9号”;经历3次失败成功从海上回收“猎鹰9号”。

人们虽然认为马斯克巨大的火星移民设想计划不着边际,甚至对他那近乎痴人说梦的目标,但还是愿意相信他可以实现。因为他具有与众不同的独特眼光,特别是他可以把不可能变为可能。有人说,埃隆·马斯克是那个一直致力于火星移民,并扬言“我要在火星上退休”的家伙。在2002年砸下1亿美元创立Space X的时候,一部分人骂他丧心病狂,更大一部分人在等着看好戏:做火箭发射简直是异想天开!岂止是可笑,简直是疯子!事实却是十几年的路程虽然很不平坦,但是没有被人看笑话,而是在众目睽睽之下大获成功。他的成功不是偶然侥幸,说他是疯子、科技狂人、天才不为过,他的特质是敢于创新并坚持不渝。以后的结果究竟如何让我们拭目以待吧!还特别值得一提的是:一种名为“超级高铁”的交通运输系统也是他的主意。这个系统是通过让车厢在真空管道里以磁悬浮方式运行,从而大大缩短运行时间,超级高铁列车可以将洛杉矶和旧金山之间的旅行时间缩短至30分钟。

民间火星探索活动。美国火星探索的“正规军”主要是NASA的加州理工学院的喷气推进实验室等单位。阿波罗”登月计划停止后,美国有一些火星狂热爱好者自发组织进行各种学术讨论活动,科罗拉多大学是一个据点,以青年的学生为主。他们写文章去发表,甚至到NASA的研究中心和总部做演讲。1981年,他们主办了第一次有100多人参加的火星专题会议。以后每3年一次,持续举办了15年,每次都领先反映时代的特征。他们的积极活动影响了一些“大人物”,促成了布什总统1989年站在航空航天博物馆的门口,宣布“火星探索是人类的必要目标1998年成立火星学会时,在科罗拉多的成立大会上吸引了来自40个国家的700位参与者。现在,火星学会有会员7000名,全世界有80个分部。其中50个在美国本土。每年8月火星学会都会举办国际性的大会。此外,在加拿大的德文岛和美国的犹他州,他们建立了两个模拟火星任务的实验营地。由于宇航员长期幽闭在狭小的封闭空间,可能会产生心理障碍,所以他们建设了这样的训练基地。在俄罗斯,也有类似的活动,例如2009年有6个人走进莫斯科郊外的一间仓库,带了3个月的食物和循环饮用水,与外界的唯一联系是一台延迟20分钟的电子设备。201063日,俄罗斯开始在莫斯科进行世界首个模拟火星之旅实验,6名来自俄罗斯、中国、法国等国的志愿者将在狭小的模拟密封舱内生活520个日夜。

13火星500实验

结束语:现实的火星是一块贫瘠、寒冷、荒凉的不毛之地。到火星是一回事,在火星上立足、生存并实施火星地球化的改造是另一回事。这个题目太大,简直可以说大得无边!绝不是一个国家能承受得起,必须国际合作。如果现在地球上的人能摒弃一切前嫌,消除恐怖主义战争,在火星探索这面旗帜下团结合作,未尝不是为人类造福的极大善事!

 

参考资料

1, 我们为什么要去火星,Stephen.Petrane著,赵敏译,中信经营出版社

2, 赶往火星,Robert.Zubrin;Richard.Wagne著,阳曦 徐酝芸译, 科学出版社

3,星际旅行指南, CCTV2010

4Aviation Week & Space Technology

5,百度和AIAA Daily Launch

    

 

NASA独领风骚不再,鼓励商业航天,私人公司异军突起。航天事业因为经费、人才以及资源等问题一直是各国政府的行为。空间探索更是美国和前苏联这两个空间科技大国,为争夺霸权不遗余力互相竞争的场所。美国从上世纪60年代的“阿波罗”登月计划开始(1961-1972),政府的航空航天局NASA凭其雄厚的实力和辉煌的成就,在全世界的宇宙探索事业上一直处于独领风骚的地位。但执行了30年(1981-2011)的航天飞机计划引起的内部诸多争议和批评。如航天飞机退役后竟没有一个天地往返运输系统,能够为国际空间站服务,不得不利用俄罗斯的火箭和飞船。虽然美国多年来对火星探索一直情有独钟,但心有余而力不足,资金短缺尤为突出。但是美国政府推出航天活动商业化的新政策为窘境解了围。按新政策未来美国将致力于航天活动商业化,鼓励私人企业参与航天活动,明确与政府部门是合作的关系。这种从政府主导开始向政府和市场相结合的体制的转变,应该是顺应形势变化的大势所趋。这正好与私人企业的愿望不谋而合,是他们得以崛起的极好机会。其中备受瞩目的是伊隆·马斯克为CEO和技术总监的太空探索技术公司(Space X)和著名的亚马逊公司的总裁杰夫·贝佐斯的蓝色起源公司(Blue Origin),他们都是亿万富翁,都有能力来参加这场史无前例私人太空探索的竟赛。现在看来,NASA和私营航天企业的合作,将为宇宙探索提供了一条加快进度、降低成本、分担风险的有效途径。两家公司中伊隆·马斯克的太空探索公司更胜一筹,已远远走在了前面。