 今年内我国在航天领域有很多的大动作，可以说是好戏连台，有点应接不暇的意思。大家都在关注空间站核心舱段发射成功、探测器登陆火星，关注神州12号的3个宇航员太空生活的点点滴滴。与此同时，远在圣彼得堡召开的2021年全球航天探索大会似乎也没什么人关注。 但是中国在这次大会上释放了一颗重磅炸弹，足以让业内人士震惊不已。中国运载火箭技术研究院院长王小军展示了一整套探索火星的航天计划，大致分为三步走。第一步是靠无人探测器去对火星展开全面的考察；第二步就是载人登陆火星；第三步是常态化来往于火星和地球之间，构建地球火星经济圈。 所以，中国载人登陆火星的计划一发表，立刻把世界各大媒体吓了一跳。虽然这个计划只是一个PPT，但是也已经分量十足。我国是言必信，行必果，从来不说空话套话。拍板以后强大的执行力也是国家实力的体现。 首先，我们需要两种巨型火箭。一个是长征9号，近地轨道运载能力达到140吨，重达4000吨。相当于把一艘054A护卫舰竖起来发射出去，比当年的土星5号还大不少呢。 为了研发长征9号，我们需要攻克一系列的难题，比如500吨级的液氧煤油发动机，200吨级的氢氧发动机，直径10米的超大燃料罐，一个难度比一个大，如今都在按部就班的推进之中。 正因为长征9号太大了，只有登月任务，登陆火星的任务这样的事儿才值得劳动这么巨大的火箭来干。平常的工作，靠小一点的火箭就能胜任。直径10米的火箭难度太大，太贵了，直径5米的火箭现在没什么技术难关，长征5号直径就是5米。弄三根5米粗的火箭捆绑在一起，用现有的堆叠21台YF100，近地轨道的运送能力达到70吨左右，这样的火箭价钱便宜量又足。这个设计方案就是所谓的921火箭。 为了完成载人登陆火星的任务，一共要完成8次火箭发射工作。分两批完成。一次运货，一次运人。 要去火星，必须先用长征9号发射四次，在太空里拼装出一个接近328吨重的巨型无人探测器复合体，先去火星打前站，把必要的物资运送到火星表面。然后用3枚长征9号火箭在太空里拼接出一个250吨重的巨大的载人探测器，等拼装完毕，再用921火箭把宇航员运送到这个巨型载人探测器上，再出发去火星。 我们描述起来很简单，但是这个过程是极其复杂的，要对接很多次，有很大的不确定性。假如发射了两艘飞船，在太空里拼接成功，等着第三艘飞船上来。结果第三艘对接失败，这时候该如何处理？ 你要说继续干，失败一次，咱们补发一枚火箭。好，补发的那一枚要多长时间才能发射？要是时间太长，在太空里转悠的组合体储存的低温燃料受得了吗？液氢液氧是要蒸发的。等您的第三艘发射上来了，前两艘燃料漏了一小半，去火星还够不够啊？ 要是您嫌麻烦，咱不干了，就此作罢。您是不干了，那在太空里转悠的那飞船复合体如何处理？所以说，如果对接出现问题，必定会进退两难。 接下来的问题是去往火星的旅途实在是太漫长了，起码要好几个月。天问一号从地球飞到火星，花了202天。能不能速度快一点呢？ 靠化学火箭是不灵的，这里涉及到一个概念叫“比冲”，就相当于百公里耗油，数值上和发动机喷气速度成正比。 对化学火箭来讲，归根到底就是一公斤的燃料燃烧以后变成了一公斤高速喷射的废气。烧之前是1公斤，烧完了还是1公斤，只是从化学能转换成了喷气的动能和热能。到底喷气的速度有多快，是由燃料本身所限定的。氢氧机是效率最高的了，比冲上限是520秒，实际上能达到480秒就烧高香了，液氧煤油发动机通常才360多秒。 靠化学火箭是不行呢，要想飞得远就要多带燃料。可是燃料带得多，火箭就必须造大，而且本身也变得更重，这就是一个恶性循环。火箭质量的95%是燃料，费了半天劲，几千吨重的火箭只能运送一百多吨的载荷，大部分力气都花在了搬运燃料自己，实在是不合算。 远距离的星际航行，提高比冲才是王道。化学火箭是不够用的，必须用核动力。目前有两种方案，一种是利用核反应堆来发电，用电对离子进行加速，然后以极高的速度喷出去，这就是所谓的离子发动机。这种核电发动机的比冲可以达到上万秒。比化学火箭高了两个数量级，缺点是推力太小，适合长时间的喷。长时间缓慢加速，把飞船复合体从低轨道推举到高轨道可以靠这种核电摆渡船。 还有一种核动力装置是依靠核反应堆来加热氢气，氢气被加热以后，从喷管喷出去。推动火箭飞行。这个装置效率高，推力大。但是比冲只有800多，即便如此也完爆化学火箭了。把飞船复合体从地球轨道拖拽到火星轨道，就靠这种核热摆渡船。 在太空核动力方面，俄罗斯有一定的经验积累。载人登陆火星的项目必然要进行国际合作。再说了，宣布载人登陆火星的构想是在圣彼得堡，你好歹给东道主一点面子嘛。 火星和地球每隔26个月有一次接近的机会。比如说2018年7月27号，火星和地球之间的距离达到极小值，大约是0.38个天文单位，天文单位大约就是地球和太阳之间的平均距离。 在那之后，火星和地球之间的距离就压来越大，一直到26个月之后，才有下一次接近的机会，也就是2020年的10月6号。距离比2018年的那一次稍微远一点，大概是0.415天文单位。火箭出发要打个提前量，所以2020年我国、美国、阿联酋的火星探测器都挤在7月16号~30号之间发射，这就是所谓的窗口期。 虽然火星和地球虽然每隔26个月就会接近一次，但是距离也有差异。2027年那一次就足有0.68个天文单位。一直到2035年才会出现极小值，也就是0.38天文单位。不管是无人探测器从火星上取样返回，还是载人登陆火星，总要挑距离比较近的时候去。窗口期很窄，过了这个村，就没这个店了。 无人探测器从火星取样返回，大概从2030年就要开始动手，一去一回，要耗掉两个周期。预计在2048年左右可以开始执行载人登陆火星的任务。航天员在火星上要等待两年才能回来。远离地球的日子真的是够煎熬的。 不管是长征9号也好，921火箭也罢，都还在研发之中。未来的计划也要一步一步执行，登陆火星所有需要用到的技术都可以先用登月计划来检验。未来的20年里，月亮会变非常热闹，经常会有人类光顾，说不定还要建立永久性基地呢。 我们这个民族是个非常有长远计划，非常有耐性的民族，制定了计划，就一定会按部就班的执行下去。等到登陆火星的那一天，我已经七十多了，手机前的小朋友们，就靠你们啦，你们要做好准备哦！ 我的更多节目 关注【科学声音】的视频号👇 |
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