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编译 刘安立  美国'太空X'机构设想的火星载人飞船 有科学家提出，要想在2039年之前载人登陆火星，就需要在2033年之前载人登陆火星的卫星福波斯。 美国宇航局曾经设想，最早能在21世纪20年代末载人登陆火星。虽然这一目标现在看来难以实现，但一项新研究表明，在不远的将来载人登陆火星并非痴人说梦。这项研究提出，要想在2039年之前载人登陆火星，就需要在2033年之前载人登陆火星的卫星福波斯（火卫一）。 美国宇航局喷气推进实验室科学家普莱斯说：“载人登陆火星在我们这代人的有生之年就可能实现，而且经费也不需要业界预计的载人火星任务最低花费——万亿美元那么高昂。”载人登陆火星是美国宇航局载人航天长期计划的重头戏。事实上，美国前总统奥巴马希望宇航局能在2035年前后载人登陆火星。科学家认为，要想载人登陆火星，需要先抵达火星附近。为此，不妨先前往火星的两颗小小卫星——福波斯和德莫斯（火卫二）当中的一颗，然后再登陆火星。普莱斯说，把载人火星之旅分成两阶段能降低风险和成本，更有助于一年一年实质性地推动载人登陆火星的最终实现。  宇航员在火卫一福波斯表面工作（想象图） 普莱斯及其在喷气推进实验室的两位同事提出的载人火星任务架构是：2033年之前载人去福波斯，2039年之前载人登陆火星。这一架构只是一种设想，并非是美国宇航局的官方战略，但普莱斯希望这个架构能帮助大家从比较乐观的角度来看待载人火星探索。就算在科学界，认为载人火星之旅太困难的悲观情绪也很普遍，认为在近几十年根本无法实现载人火星之旅的大有人在。还有人认为，要想载人登陆火星，不花上万亿美元是不可能的。但普莱斯等人指出，这种极度悲观是不必要的。 按照普莱斯等人设计的架构，在载人登陆火星之前，有必要先在福波斯上建立一个基地。该计划需要美国宇航局仍在研发和测试中的“太空发射系统”巨型火箭发射4次。其中首次发射在2029年进行，发射一艘星际交通船和两大化学推进载荷（一艘福波斯转移火箭和一艘地球转移轨道射入火箭）。星际交通船将使用太阳能电力推进，在不到4年时间里，把这两艘火箭送入火星轨道。普莱斯说，这一架构无需现有推进技术有大突破便可实现。 巨型火箭的第二次发射将携带另一艘星际交通船和预制的福波斯小型基地，该基地能支持4人机组生存。星际交通船将把基地投送到福波斯表面科学家指定的位置，然后与基地居住舱待在一起，提供动力。 巨型火箭的第三次发射可以在2032年前后进行，将携带一个深空居住舱（与福波斯基地居住舱设计相同）和一艘火星轨道插入火箭到地球轨道。 巨型火箭第四次发射将把一艘“猎户座号”飞船和一个4人机组送去与这套设备对接。这些设备将把宇航员们送入火星轨道，这段旅程将持续200～250天。在福波斯表面待命的转移火箭将在2033年把4人机组送到福波斯表面的基地。宇航员们将在那里待大约300天，然后离开福波斯返回地球。福波斯居住舱将保留在福波斯表面，等待可能前来的另一批宇航员。普莱斯说，这一福波斯中转架构是是实现宇航员往返于地球—火星轨道的有效手段。  星际交通船（想象图）  正在研发中的深空居住舱  宇航员在火星表面工作（想象图） 根据该架构，可使用类似的多步骤方法（采用星际交通船和预制设备）让宇航员在2039年登陆火星，但这需要巨型火箭发射6次，而非4次。为此，要把一艘23吨重的登陆器送入火星轨道，让它在那里等待宇航员到来。登陆器包含一个居住舱及一艘火星上升飞船。在宇航员返回地球时，这艘飞船将把宇航员带离火星表面。 与之前美国宇航局发射到火星表面的机器人飞船不同，这艘登陆器登陆火星不是借助降落伞，而是依赖制动火箭。该火箭有可能是正在测试的“超音速可膨胀空气动力减速器”。普莱斯说，宇航员首次登陆火星将会是短暂的，登陆器只能支持一个2人机组在火星表面待28天，或者一个4人机组待6天。普莱斯设想，具有重要历史意义的载人火星任务将不同于美国20世纪60～70年代的载人登月，不会只是在外星表面走一走，插国旗，此后就不了了之，而是可能为更具雄心的跟进任务铺路。例如，每4年发射一次载人火星飞船，宇航员每次在火星表面待12个月，最终在火星表面建立大型人类基地。普莱斯设想，在火星就地取材，经过50或100年，或许能在火星上建立起像现在地球南极基地那种大规模的永久性居住点。 普莱斯团队请美国非营利机构“航空航天公司”为这一载人火星任务架构进行成本评估，结果是这一架构的预算在美国宇航局年度预算以内。  未来人类火星定居点（想象图） 其他载人去火星设想“火星灵感” 美国非营利机构“火星灵感基金会”计划在2018年2月发送两人（最好是一对夫妇）飞近火星。这两人不会登陆火星，而是将在距离火星表面160千米的地方近观这颗红色星球，然后返回地球。不过，该计划就目前来看只能是放空炮。“火星灵感基金会”由美国亿万富翁蒂托牵头，蒂托因造访国际空间站而成为全球首位太空游客。 “火星一号” 荷兰一家非营利组织宣布，希望在火星建立永久性人类定居点。该组织希望在2023年让4名宇航员登陆火星，花费估计达60亿美元，资金来源要靠该组织在全球范围的媒体宣传收入，例如首批火星宇航员选拔等超大型公关活动。按照该组织设想，这4名宇航员将不会返回地球。他们登陆火星后，该组织每两年向火星发送一去不回的宇航员，这些宇航员共同营造地球人的火星家园。全球已有超过20万人竞争该组织的火星宇航员职位。然而，“火星一号”的载人火星任务计划被专家指责为纯属噱头。  “火星一号”组织发布的载人火星任务宣传画 “火星移民” 艾龙·马斯克是美国私立航天机构“太空X”的创建者和电动汽车公司特斯拉的首席执行官。马斯克说，他在2002年创建“太空X”的主要目的就是帮助地球人移民其他星球。早在2012年11月，他就宣布了载人登陆火星的构想。他设想，使用一艘由液态氢和甲烷驱动的巨型可重复使用的火箭，把地球移民送到火星。首批火星移民或许只有10人，但最终火星社区人数将可能达到8万人。要想实现这一设想，最关键的是研发可重复使用的巨型火箭，“太空X”正在进行这方面努力。不过，虽然就连美国宇航局也与“太空X”有合作，但马斯克的这一设想就目前来看还不着边际。 “火星为本” 这一计划在20世纪90年代由美国“火星学会”带头人祖布林提出，其核心是采用就地取材策略，让人类定居火星的成本尽量低。按照祖布林的设想，运用现有技术把宇航员送到火星，然后宇航员利用火星大气来制造氧和火箭燃料，用火星土壤提取水和建筑材料，用一座核反应堆提供动力。随着时间推移，该定居点将变得越来越能自给自足，对来自地球的昂贵的物资供给的依赖会越来越少。当然，这一设想的实现目前没有时间表。  “火星一号”组织发布的火星基地剖视图  “太空X”公司的载人舱登陆火星（想象图）  火星表面，新来的宇航员与即将回归地球的宇航员握手。他们身后的上升飞船将送宇航员回地球（想象图） “火星为本”架构介绍在传统火箭发射中，火箭的所有级在燃尽后都被抛弃。而在“火星为本”架构中，火箭的最后一级通过长系绳与机组舱连接。当这一级的燃料耗尽后，系绳打开，产生一个质量中心沿着系绳的两体系统。接着，该系统沿着质量中心旋转，燃尽后的火箭级充当机组舱的抗衡，由此产生重力（太空真空只有微重力，而人类适应的是重力，所以必须在太空中为宇航员制造重力）。 火星飞船发射窗口大约每两年打开一次，就是在地球和火星相互定向合适之时。“火星为本”架构包含头一年的一次发射，之后两个发射窗口各发射一次。 第一年 从地球发射第一艘返程飞船，它装备制造推进剂的一座反应堆进入低能量轨道。它将在火星着陆，为宇航员返程生产燃料。 第三年 从地球发射第二艘返程飞船。发射一个载人舱（居住舱）进入快速轨道，搭载机组到第一艘不载人返程飞船着陆地点，该返程飞船将搭载机组回地球。 第五年 从地球发射第三艘返程飞船，替换上一个机组搭载而返回地球的返程飞船。发射第二个居住舱，搭载一个机组去替换第一个机组。  火星表面居住单元及地球返回飞船（想象图） “火星为本”架构设想的前往火星的单程旅途时间为150天，宇航员在火星表面待550天，直到返程时间窗口打开。其他载人火星任务时间表中，在行星际空间旅行时间太多，从而减少了宇航员待在火星表面的时间。 “火星为本”架构中有许多内置安全系统。机组登陆火星后，如果发现返程飞船并未生产返程燃料，怎么办？返程飞船在机组登陆火星之前两年发射，按计划它一到火星就立即开始生产燃料。当生产过程结束后，飞船要向地球发信号，表明自己已准备好。如果燃料生产失败，飞船就不会发信号，所以飞船机组就可以在离开地球之前知道这一点，那么就不会发射机组到火星了。就算出差错，不知道返程飞船制造燃料失败，机组也只需使用与他们在同一发射窗口发射的第二艘返程飞船来返回地球。如果飞行过程中出错，机组需要在登陆火星之前返回地球，怎么办？他们是否需要等待下一个发射窗口才能回地球？不是的，地球与火星之间的一些自由回归轨道能让机组放弃火星登陆，改为回归地球，而无需耗费更多燃料。“火星为本”架构建议使用一条周期为两年的自由回归轨道，这意味着如果机组不能登陆火星，那么他们将在离开地球后两年返回地球。 “火星为本”架构指出，只需使用当初把宇航员送上月球的“土星5号”火箭，就足以发射载人火星任务的必需装备到火星。总之，只需利用现有技术，载人火星之旅的一些技术问题（不包括长时间太空飞行和与地球隔绝造成的宇航员心理问题等）是不难解决的。不过，“火星为本”架构的实现依然有很大难度，有很多问题悬而未决。 “火星为本”架构示意图。从左至右：居住舱登陆器、火星车、温室和燃料厂 火星前哨站（想象图），图中包括机组的双层登陆舱、膨胀式实验室和非承压火星车 火卫福波斯和德莫斯火卫一福波斯是最靠近火星的两颗天然火卫之一，另一颗就是火卫二德莫斯。这两颗火卫都是由美国天文学家霍尔在1877年发现的。福波斯个头不大，形状不规则，平均半径11千米，质量是更远离火星的德莫斯的7倍。德莫斯的平均半径为6.2千米。它距离火星2.25万千米，每30.3小时环绕火星一圈。在希腊神话中，德莫斯是福波斯的孪生弟弟，也是恐怖的化身。 福波斯（火卫一） 德莫斯（火卫二） 美国宇航局火星宇航员海报中，英文意为“在火卫上值夜班” 本文图片主要引自美国宇航局 福波斯的轨道距离火星表面6000千米，比其他已知的任何卫星都更靠近母行星。正因为福波斯太靠近火星，所以它环绕火星的速度比火星自转速度快得多。福波斯每7小时39分就环绕火星一圈。因此，从火星表面看去，福波斯看起来从西边升起，大约用4小时15分钟划过火星天空，然后在东边落下。每个火星日，这样的情况出现两次。 福波斯是太阳系中反射率最低的天体之一。福波斯的表面温度从其被光照一面的大约-4℃变到背光面的-112℃。福波斯最显著的表面地貌是巨大的陨击坑斯蒂克尼，它占据了福波斯表面很大一部分。探测器拍摄的图像和理论模型表明，福波斯可能是由一层薄地壳包裹的一个石堆，而且它正在被潮汐互动撕裂。福波斯正以每100年大约2米的速度接近火星，因此，在3000万～5000万年后，福波斯将与火星碰撞，或者碎裂成一条行星环。 科学家认为，福波斯或许将成为载人火星任务的初期目标。如果宇航员在福波斯表面遥控火星表面的机器人，不会出现明显滞后。早期载人火星探索应该注意保护火星环境，所以科学家考虑让宇航员在福波斯上遥控火星表面机器人，而不是直接登陆火星。另外，登陆福波斯也比登陆火星的难度低、成本小，更易实现。火星登陆器必须要能完成大气层进入和后来的返回，而且是在没有支持设备的情况下完成（这种支持设备能力在载人航天中从未尝试过），或者要求在火星上就地创建支持设施（这种火星移民任务更复杂）。福波斯登陆器可参照月球和小行星登陆器的设计。登陆和离开福波斯的变速要求，只有登陆和离开月球的80%，部分原因是福波斯的引力弱。 科学家最近提出，福波斯的沙土可在火星载人飞船的制动中充当一种宝贵的材料。因为飞船在福波斯的变速成本小，所以只需使用从地球上带去的少量化学燃料就可以把福波斯表面大量的沙土（来自于一个永久性前哨站）送进转移轨道。在载人飞船向火星表面降落的过程中，在飞船前方释放这些沙土，使飞船前方的大气密度增加，就有助于飞船减速。 |
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