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终极是何许贯彻的,NASA推水星安排

2019-09-13 作者:优德亚洲w88官方网站   |   浏览(68)

  出品:科普中国

今年7月20日是“阿波罗”首次载人登月50周年纪念日。当年“阿波罗”载人登月是怎样实现的?也许有很多读者会好奇,下面我们就从技术上给大家做个介绍。

优德亚洲w88官方网站 1正在上映的电影《火星救援》里,倒霉的宇航员被一个人落在了火星上。而在现实世界,载人登际火星的梦想,也并非遥不可及。图片来源:电影《火星救援》

  作者:矛隼工作室

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2015年可以说是一个火星年:5月喷气推进实验室(JPL)的科学家提出先登陆火卫一(Phobos)再登陆火星的计划;7月下一代空间公司(NextGen Space)在NASA资助下发布了研究报告,探讨公私合营载人登月并制造推进剂飞向火星的方案;10月NASA公布了分3个阶段任登陆火星的报告;而现在,科幻影片《火星救援》的上演,更是激起了人们对载人火星任务的热情。

  监制:光明网科普事业部

美国宇航员奥尔德林和阿姆斯特朗登上月球。新华社供图

自1969年阿波罗载人登月成功以来,火星就是人类的下一个目标。在近地轨道上的踌躇几十年后,人类以NASA为代表正准备踏上火星之旅。为什么几十年的时间里,载人登火一事无成呢?因为难度实在太大了。

  探索其他星球,一直人类航天的最大愿望之一。人类在上个世纪登上了月球,并留下了脚印,但这只是个距离地球三十八万公里的卫星,不是一个真正的行星。

载人登月方案的确定

困难与方案

早在冯·布劳恩的时代,人类就曾提出载人登火的宏伟目标,但长期以来雷声大雨点小,问题在于需要的钱实在太多!1989年美国总统布什雄心勃勃地提出2018年登陆火星的太空探索倡议(SEI),但《载人探索月球和火星的90天报告》得出结论,这个计划需要耗资4500亿美元,这让美国打消了启动载人登火的念头。

美国政府和民间此后又提出多种载人登火的方案,如NASA的火星参考任务方案(DRA),以及祖布林等人提出的“火星直击”方案,但这些方案要么需要巨额开支和新技术,要么风险较大。2010年美国总统奥巴马决定取消重返月球的星座计划,让美国载人航天将目标转向小行星并最终登陆火星,美国出现了新一轮载人登陆火星的论证高潮。

《火星救援》影片中出现了大量“火星直击”的内容,无论是片中以“Ares”命名的火星飞船,还是马克·沃特尼制水和培植植物等一系列情节,都可以看作是向“火星直击”致敬。“火星直击”固然物美价廉,但各国航天机构还没有胆量在首次火星登陆任务中使用这种高风险方案。今年JPL提出的载人登火方案,则较好地兼顾了技术、预算和风险。10月NASA发布的《火星之旅》报告对此多有青睐。

优德亚洲w88官方网站 3NASA载人航天的目标已经转向小行星并最终登陆火星。图片来源:NASA

  而火星,这个距离地球足够近,又有可能被殖民的行星,是人类自航天时代开始以来就试图征服的对象。

在“阿波罗”载人登月工程的实施过程中,曾在登月方案的确定上花了很长时间,直到1961年5月25日美国正式宣布将实施“阿波罗”登月计划时,美国航空航天局仍没有在登月方案上形成统一的意见。此后又经过了半年多的研究和论证,才于1962年最终选定月球轨道对接法。

JPL的方案

JPL的科学家认为,一步到位登陆火星表面开展科学考察,并顺利返回地球的技术难度和工程压力太大了,更好的选择是将任务分为两步:第一步先将宇航员送到火卫一,然后再载人登陆火星。这种方案既降低了任务的复杂度和开销,也可以通过实际飞行验证并降低载人登陆火星的风险。

  火星与月球截然不同之处的在于距离,地球和火星都在同时距离火星公转,这使得两个星球的距离有时极其远,有的时候相对较近,但是最近的时候也有五千五百万公里。

所谓月球轨道对接法就是将1艘载有3名航天员的飞船发射到月球轨道上。然后2名航天员乘登月舱在月面上降落,并出舱进行探险。另1名航天员仍留在指令舱-服务舱组合体中绕月球轨道飞行。返回时,在月面登月舱内的2名航天员启动登月舱上升级的发动机,飞上月球轨道与指令舱-服务舱组合体交会对接。2名航天员进入指令舱后,抛弃登月舱的上升级,脱离月球轨道返回地球。在再入大气层前,抛弃服务舱,仅指令舱在太平洋上溅落。这种方法的好处是只需在月面上降落小型登月舱,但在月球轨道对接的成功与否直接决定了航天员的生命安全。

硬件和早期测试

JPL载人登陆火星的方案用到的硬件,基本可以分为运载发射工具、空间推进系统、人员居住舱和火星表面模块等4个部分。发射工具是著名的SLS火箭和配套的探索上面级(EUS),空间推进部分包括100千瓦的太阳能电推拖船和空间化学推进器,载人舱部分包括猎户座飞船和可以支持4人生活500天的居住舱,火星表面模块包括20吨级火星着陆上升器和20吨级火星基地着陆模块。

根据规划,2018年SLS火箭首次发射后,将在2020年左右发射小行星重定向飞行器,对大功率太阳能电推进行验证。NASA还计划在EM-2等任务中验证猎户座飞船和深空生活舱(DSH),在2028年使用SLS Block II火箭发射无人验证火星着陆器的进入下降和登陆部分(EDL),未来还打算在2035年到2036年间使用火星着陆器载人登月,既满足了重返月球的噱头,又对着陆器的可靠性尤其是火箭反冲着陆系统进行充分验证。

  每过两年左右,火星和地球就会接近一次,每过15-17年就会最为接近。换言之,每过两年,才会有一个可供发射的发射窗口,16年才能等到一次最佳时机。

可能有些读者会问:为什么不把整个飞船直接送入月球表面?其实这种方法科学家早已考虑过,认为比较简单和安全,但对运载火箭的要求太高,而且大型飞船在月面上着陆有可能陷入尘土中。

福博斯先导任务

2029年到2033年,NASA将进行登陆火卫一福博斯的先导任务。福博斯登陆任务使用4枚的SLS火箭,进一步验证未来载人登陆火星所需的硬件。第一枚SLS火箭发射100千瓦功率的太阳能电推(SEP)拖船、地球返回级和福博斯转移段,第二枚SLS火箭发射电推拖船和福博斯生活舱。这两枚货运火箭将分别在2029和2030年发射,两艘电推拖船花费3年多时间将载荷送到火星高轨道上,生活舱随后降落到福博斯卫星表面。

2032年和2033年,后两枚SLS登场,其中一枚发射深空生活舱和火星轨道插入段,另一枚发射猎户座飞船。由于猎户座飞船只有20多吨重,SLS的EUS上面级剩余足够的推进剂,可以将猎户座飞船、深空生活舱和火星轨道插入段的组合体送入奔火轨道,它们将在200多天后抵达火星附近,并减速进入火星高轨道。

火星高轨道上宇航员转移到猎户座飞船并与福博斯转移段对接,前往福博斯卫星,进行为期300天的科学考察工作,随后福博斯转移段将猎户座飞船送回火星高轨道和深空生活舱对接。最后地球转移段点火工作,将深空生活舱和猎户座飞船的组合体射入地球转移轨道,经过200多天的飞行后返回地球。

载人福博斯登陆任务实际上可以看作是载人环绕火星任务的改良版,这个任务验证了除火星着陆和基地模块以外的所有硬件,而这些硬件也在更早的测试中进行过飞行验证。其中太阳能电推拖船就是小行星重定向飞行器放大一倍的结果。为了执行火星任务,深空生活舱设计上要求支持4人生活500天,作为一种30吨级的舱段,它增加了太阳翼但没有姿态控制系统,可选用国际空间站的生活舱或是天鹅座飞船放大版设计,对美国航天工业来说没有什么难度。火星轨道插入段、福博斯转移段和地球轨道转移段等模块使用传统肼类推进剂,这也是美国十分熟悉的技术。简而言之,载人登陆福博斯使用的硬件相对成熟的,所需费用和技术难度都很低。

为了降低研发和使用成本,JPL的方案还重点考虑了缩小任务规模。JPL的科学家一已开始就排除了技术难度大、研发成本高的核热推进系统,直接选择了成熟的太阳能电推系统,其中大功率太阳翼和大功率电推技术都相当成熟,太阳能电推拖船主要进行技术整合。为了弥补太阳能电推系统推力小轨道转移慢的劣势,只将其用于转移生活舱等货物载荷,载人部分则通过EUS上面级快速转移,兼顾了缩小任务规模和提高安全性。

优德亚洲w88官方网站 4NASA正在研制的SLS运载火箭,将成为载人登陆火箭的主力运载火箭。图片来源:NASA

  然而,赶着窗口期去容易,但是回来可就费劲了,趁着窗口期返航极为困难,而要不然就要足足再等一个窗口期返程。

其实,刚开始美国“阿波罗”工程的总负责人冯•布劳恩及马歇尔航天中心是偏爱另外一种方法——地球轨道对接法,即先发射几枚“土星”火箭,把大型载人登月飞船的几个部分分别送入地球轨道,然后对接起来;对接后的飞船利用自身的发动机加速飞向月球;当靠近月球后飞船掉转方向,启动发动机减速,最后在月面上着陆;当工作完毕后,抛掉这一级发动机,载人飞船部分利用上升发动机离开月球返回地球。他们认为这种方法有两大优点,一是不需要研制超大型运载火箭;二是在地球轨道上对接比较安全,万一对接失败,载人飞船亦可以安全返回地面。但它存在一大问题,即大型飞船在月面着陆的困难。

登陆火星

载人火星登陆任务作为重头戏将在2035年登场,和稍早的福博斯登陆任务相比,增加了两枚SLS火箭的发射量,用于将一个两人制的火星着陆器送到高火星轨道待机,结合一个生活舱用于补给,实现长达1000天的载人登火任务。简而言之,载人登火任务中包括着陆器在内的硬件,都进行过太空环境的飞行试验。更重要的是,载人登火项目循序渐进而来,降低了研发和运行的开销,任务可靠性很高。

JPL的载人登火计划中,两艘电推拖船再次提前3年多发射,将必要的载荷部署到火星高轨道,其中火星上升器高轨道转移段还将使用气动刹车进入火星低轨道待机;火星着陆器发射到地球轨道后和EUS上面级对接,被送入火星转移轨道,也通过气动刹车进入火星高轨道;最后是如出一辙的载人任务,猎户座飞船、火星轨道插入段和深空生活舱被EUS上面级送入火星转移轨道,经过200多天后减速进入火星高轨道。

火星轨道上的飞行时间长达450天左右。2039年两名宇航员将乘坐着陆器抵达火星地表,进行约24天的火星科学考察,然后乘坐上升器抵达火星低轨道,在这里和待机的转移段对接后,飞向高轨道和深空生活舱对接。最后宇航员返回地球。

JPL方案中火星着陆上升器也尽量使用成熟设计,它的防热罩类似“好奇号”,而着陆器部分类似“凤凰号”。当然,这个重达23吨的着陆上升器高达9米,直径12米。由于质量太大,它不可能使用降落伞减速缓冲,而将使用超音速反冲减速的新技术,进入火星大气层气动减速并抛防热罩后,直接启动反冲发动机减速并最终着陆,这个反冲过程和“嫦娥三号”的着陆极为相似,这也是JPL的科学家计划先使用这个着陆上升器试验载人登月的重要原因。

为了降低自身重量,这个火星着陆上升器不仅使用气动刹车进入火星轨道,而且上升器只能将宇航员送到火星低轨道,进入高轨道必须对接轨道转移段,通过这样斤斤计较的设计,它的重量要比火星参考任务方案中的着陆上升器轻小得多,从而最大限度地减少了载人火星任务的规模。火星着陆器还将用于运送火星基地设备,如将支持4人火星表面生活一年的生活舱和原位资源利用设备等物资送到火星表面,建设起一个支持宇航员长期生活的火星基地。

优德亚洲w88官方网站 5NASA的最终目标,是将人类送上火星的表面。当然,还得再安全回到地球。图片来源:NASA

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经过众多科学家对三种方案进行反复比较、分析,最终的结论是:月球轨道对接法可在1967年10月实现,成本约77亿美元;地球轨道对接法可在1968年7月完成,成本约92亿美元;直接登月法所需资金需要106亿美元,且在1968年10月以前难以实现。所以,事先不被看好的月球轨道对接法最终被认定是载人登月的最佳途径。

对比评析

原有的多个火星参考任务方案中,出现了大型核热推进发动机、低温推进剂长期在轨储存、地球轨道组装大型空间组合体以及原位资源利用等诸多遥不可及的新技术。这种任务架构要比1989年《90天报告》里用于组装巨型飞船“自由号”空间港和月球基地等一系列匪夷所思的想法现实得多,但仍然需要太遥远的未来技术和太高的预算开支,这也是美国载人火星方案一直停留在纸面上的主要原因。

祖布林的“火星直击“方案只需要两枚SLS火箭,将一个着陆居住舱和一个返回飞行器送到火星表面,可以说是目前技术下最廉价的设计,但这个方案需要两个大型着陆舱直接射入火星大气层减速降落,同时还要在轨长期储存数吨的液氢,并在火星表面生产返回需要的液氧甲烷推进剂,还将宇航员的生活物资也压缩到了最低,任务风险实在太大。作为一个政府航天机构,NASA必须保证载人任务的安全性,在这个没有航天竞赛的时代,更承受不起人员损失的风险,毕竟不是每个人都有《火星救援》中马克·沃特尼那样的运气。

JPL的科学家借鉴了祖布林的思路,提出了截然不同的载人火星方案,这个方案基于两个原则:第一,尽量使用已有的成熟硬件;第二,尽可能降低任务规模。前者的潜台词是降低载人登陆火星任务中的研发开销,后者则是减少执行载人火星任务的开支。JPL的科学家特意指出,每一步都应该尽可能使用上一步已经用到、得到检验的硬件,而每一步研制的硬件都应该考虑成为下一步的基础。他们还特意指出,应该尽可能避免先进复杂系统的研制,尤其是核热推进系统。

美国历史上曾出现登月竞赛的黄金时代,那时NASA的预算几乎是所求即所得,但这种预算无限的时代毕竟只是特例,阿波罗登月后NASA就遭到预算剧减的当头一棒,未来即使启动载人火星探测,也看不到预算再次高速增长的可能。基于这个基础,JPL的方案假定NASA未来得到的预算只能抵消通胀影响,确定了两个基本研发原则,提出了一个NASA现有预算可承受的载人登火方案。

JPL的科学家精心计算后,认为这个方案可以在现有预算下,在2039年实现载人登陆火星的伟大目标,并能在2043年建立长期驻留的火星基地。相比之下,NASA原有的一系列火星参考任务方案都需要大幅度增加预算,这在过去和现在看来都是白日梦。

优德亚洲w88官方网站 7《火星救援》?还是先上了火星再说吧!图片来源:电影《火星救援》

JPL的载人火星登陆方案并非是最便宜的,《火星救援》涉及的祖布林“火星直击”或是半“火星直击”方案可以使用3枚SLS火箭进行一次载人登陆火星任务,但JPL方案兼顾了NASA不得不追求低任务风险和不得不面对低预算困境的现状,证明现有困境下NASA仍然可以完成载人登陆火星的壮举。

只要政治上下定决心,人类登陆火星的梦想能够在不远的将来成为现实!(编辑:Steed)

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  图为地火霍曼转移轨道,也是最为节省燃料的轨道(图源航天爱好者网)

采用月球轨道对接方案,在技术、时间和资金方面的优点大致如下:

  最初的计划来自于土星五号火箭的设计师沃纳·冯·布劳恩,他所设想的是一个庞大的“远征舰队”,由十艘宇宙飞船和七十个船员组成。而这只远征舰队将在地球轨道上建造,总吨位超过三万七千吨,而其中的绝大部分都是返程的燃料。但随着航天逐渐从想象变为现实,大家逐渐意识到人类的航天发射能力并没有这个计划中的如此强大,这一计划也随之作废。

只用一个较小的登月舱就能登月,从而可避免整个飞船降落月面的困难。登月舱重约14.7吨,月面可以经受得住,而且对于飞船减速也极为有利;

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登月舱只需携带小型发动机,所以可以减少燃料携带量。这对于离开月面也有利,而且整个飞船的重量能大大减轻,从70多吨减至约50吨,使“土星5号”火箭可以胜任;

  图为上个世纪冯·布劳恩设想的火星远征舰队(图源航天爱好者)

在返回时,由于登月舱可以抛掉,又可进一步减小返回舱的重量,因此能简化服务舱的设计。另外,只有指令舱再入回收,对于回收也有利;其经济性较好,这一点胜于直接登月法和地球轨道对接法。

  三十年前,NASA展开了一项研究,这份研究规划了1990年之后的NASA发展方向。在新的研究中,NASA计划了一个重达1300吨的火星飞船,这虽然相对于上一个计划可以说是十分微缩。但考虑到人类目前最大的太空结构——国际太空站——也不过只有400吨,这一计划依然显得非常惊人。

载人“试飞”历经挫折

  经过重重发展,NASA最终产生了现在的登火组合体计划。登火组合器是一个数百吨的组合飞船,将于轨道上组合建造,然后前往火星。总体而言还算是承接了冯·布劳恩的设想。只不过是飞船吨位越来越小,航天员将在飞船中生存数百天直到返回地球。

在登月方案确定后,研制新型载人飞船就成为登月工程的“重头戏”了。

  用于制造登火组合体的火箭的是SLS太空发射系统运载火箭,这种运载火箭的后期货运型运力高达130吨,甚至可能达到165吨之多。

“阿波罗”总高29米,重约50吨,由指令舱、服务舱和登月舱3部分组成,发射上升段时还有救生塔。

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指令舱为圆锥形,高3.5米,底部直径3.9米,重约6吨。它又细分为前舱、航天员舱和后舱。前舱放置着陆部件、回收设备和姿态控制发动机等;航天员舱为密封舱,存有供航天员生活14天的必需品和救生设备;后舱装有10台姿态控制发动机、各种仪器和贮箱等。指令舱的中央并排放着指令长、驾驶员和飞行工程师等3名航天员的座椅。飞船发射和返回地面时,3名航天员躺在椅子上,其余时间航天员可离座活动。

  图为SLS太空发射系统block2型的结构图(图源NASA)

服务舱是一个高6.4米、直径4米的圆柱体,重约25吨,里面装有变轨推进剂和主发动机、3副氢氧燃料电池等,其中变轨主发动机推力达95.6千牛,能把飞船从月球轨道送回地面。

  登火组合体类似于一个摆渡船,并不具备下降至星球表面的能力,真正用于着陆的是独立设计的下降体飞船。而其返回则有两种不同的方案,其中之一是使用类似于阿波罗计划的方案,那就是上升段是下降飞船的一部分,返航时上升段脱离下降飞船独立返回。

登月舱质量为14.7吨,直径4.3米,高约7米,由下降级和上升级组成。下降级由下降发动机、4条着陆腿和4个仪器舱组成,用于从月球轨道降落到月面,能把2名航天员送到月球上。上升级为登月舱主体,由航天员座舱、返回发动机等组成,完成任务后航天员乘上升级返回环月轨道与指令舱会合。

  但是,火星不仅重力较大,还有稀薄的大气层产生阻力,这使得火星上升段的要求远远大于阿波罗计划。另一方面,阿波罗计划在月球上的停留时间远远低于火星任务的时间。

飞船研制出来后,相继进行过6次无人亚轨道和环地轨道飞行、1次环地飞行、3次载人环月飞行,最后才正式进行了登月飞行。

  方案二则是在计划开展之前几年就发射一个飞船,这个飞船将独立运送加注好燃料的上升飞船(地球返回载具)。在完成长时间探索计划之后的火星宇航员们,将放弃其着陆飞船,并使用提前预置好的上升飞船返回轨道上的登火组合器。

登月飞船方案说起来简单,但在实际研制和使用中十分复杂。例如,3名航天员在“阿波罗1号”飞船内做发射前的飞行实验时,因实验中电路短路引起失火而被烧死;还有,“阿波罗13号”在飞往月球的途中因服务舱出现严重故障,里面的3名航天员差点儿命丧太空。经历过这些挫折,最终还是有6艘飞船载12人登上了月球表面。

  不过,众所周知的是,着陆时可能有诸多危机。这使得着陆飞船很有可能无法降落在预定位置,也就导致他们将与上升飞船相距极远,大大增加了计划的不稳定性不安全性。此外,提前预置的上升飞船将暴露在火星环境下两年或者更长,一旦上升飞船出现故障,后果不堪设想。

“阿波罗”飞船的飞行控制以自控为主,手控为辅。在一些紧急情况下,航天员的手控操纵仍起到了决定性作用,如“阿波罗11号”和“阿波罗13号”就是通过手控安全着陆返回的。

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载人更多的飞船正在研制

  图为“地球返回载具”(ERV,Earth Retuen Vehicle)的想象图(图源航天爱好者)

目前,美国计划在2024-2028年载人重返月球,并命名该计划为“阿尔忒弥斯”,她是希腊神话中的狩猎女神和月女神,是太阳神阿波罗的孪生姐姐。为此,美国打造了新一代多用途载人飞船“猎户座”。“猎户座”和“阿波罗”飞船有一些重要相似之处,当然也有许多不同的地方。例如:

  NASA的方案尚未确定,而SpaceX也有自己的火星计划,这个计划的相比于NASA的方案更加大胆和激进。其技术设想来自于祖步林博士,最大的特点就是,宇航员们将在火星上自行制造燃料。

外形酷似。“猎户座”的乘员舱和“阿波罗”飞船的指令舱外形十分相像,只是它比后者“更大”、“更壮”,被称为吃了类固醇的“阿波罗”。

  SpaceX在原计划中将建造一个起飞重量高达一万两千多吨的复用超级火箭,进入轨道之后由加油船补给燃料,然后在三个月的行程里抵达火星。其飞行员将在火星着陆,并使用大气中的二氧化碳和水反应形成甲烷,并随后重新加注在其着陆飞行器中,在任务结束时起飞返回地球。

载人更多。“猎户座”的乘员舱比“阿波罗”的指令舱大2倍,底径从3.9米增加到5米;体重也大大增加了,达25吨。所以“猎户座”的乘员舱可搭载4-6名航天员,还能运送较多物资到月球,为将来的连续登月做准备。而“阿波罗”只能载3人。

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电源充足。“猎户座”的服务舱由欧洲航天局研制,在太空飞行时使用太阳能作为动力,而“阿波罗”飞船使用的是电池,因而提供电力的时间十分有限,无法用于建立月球基地。

  图为spaceX的火星方案(图源航天爱好者)

重复使用。“猎户座”的外部防护层可以替换,使该飞船能重复使用,所以能显着降低成本。而“阿波罗”是一次性使用飞船。

  如此之多的火星探索方案,其实都寄托了人类试图探索外星的期盼。地球是人类的摇篮,但人类不可能永远在摇篮中生活,NASA的火星计划,或许能够真正助力人类成为一个多行星的物种。

多种用途。“猎户座”是多用途的,可用于载人登月,也能用于近地轨道空间站的天地往返运输,还可作为行星际式飞船用于载人登火星和载人登小行星。

着陆地点。“猎户座”使用的月球着陆器可使航天员在月球上任何区域着陆。而“阿波罗”使用的登月舱只能降落在月球赤道附近区域。

返回方式。“猎户座”的乘员舱可采用空气缓冲气囊或者减速火箭等降落方式,直接降落到地球陆地上。当然,如果遇到特殊情况,也可以像“阿波罗”一样落到海里。而“阿波罗”只能落到海里。

来源:猜你会好奇

作者:庞之浩(作者为全国空间探测技术首席科学传播专家)

编辑:王鸿良

监制:黄玉迎 侯莎莎

流程编辑:孙昱杰

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