周旭東 張振鵬
(北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院,北京 100191)
載人火星探測(cè)飛行方案
周旭東 張振鵬
(北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院,北京 100191)
對(duì)世界各國(guó)載人火星探測(cè)的研究情況進(jìn)行了簡(jiǎn)要綜述,研究了國(guó)內(nèi)外有關(guān)載人火星探測(cè)飛行方案,提出了載人火星探測(cè)方案確定的原則和方案基本思想.給出了一種載人火星探測(cè)飛行方案的總體設(shè)計(jì),包括飛行軌道方案和載人火星飛船方案等.尤其對(duì)軌道設(shè)計(jì)的重要的兩個(gè)參數(shù)——速度增量和飛行時(shí)間進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算.最后給出了飛行軌道選擇、火星飛船從地球到火星和從火星返回地球等的軌道方案和火星飛船各組成部分方案的詳細(xì)設(shè)計(jì)結(jié)果.
載人航天;載人火星飛行;方案研究
火星是目前除地球之外研究程度最高的行星.人類對(duì)火星的探索在近幾十年一直在進(jìn)行著,作為火星探測(cè)的第 1步——無人火星探測(cè)已經(jīng)進(jìn)行多年,并取得了一定的成就,今后一段時(shí)間仍將進(jìn)行;作為火星探測(cè)的第 2步——載人火星探測(cè),是人類在未來二三十年或更長(zhǎng)時(shí)間要進(jìn)行實(shí)踐的.
美國(guó)、俄羅斯、歐洲在載人火星探測(cè)方案方面,都進(jìn)行過研究.早在 1952年,美國(guó)火箭專家馮·布勞恩就曾提出龐大的載人登火星方案構(gòu)想[1],近些年來美國(guó)提出了若干個(gè)載人火星飛行的方案設(shè)想,如:“設(shè)計(jì)參考任務(wù)”系列方案、火星直航、火星專題等[2-4].俄羅斯(前蘇聯(lián))早在 20世紀(jì) 60年代就制定了一系列載人飛向火星的計(jì)劃,設(shè)計(jì)了各種飛往火星的方案;近年來俄羅斯提出了載人火星探測(cè)的規(guī)劃和方案.歐洲航天局于2004年公布了自己的火星探測(cè)計(jì)劃,提出了一些載人火星飛行的方案[5].
本文通過對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)情況的研究,提出了一種載人火星飛行初步設(shè)計(jì)方案.
通過對(duì)載人火星飛行任務(wù)的綜合分析研究(技術(shù)、經(jīng)費(fèi)、計(jì)劃、效應(yīng)等),提出了有關(guān)載人火星飛行方案的原則和基本設(shè)想.
1)采用世界上已有的航天技術(shù)或未來幾十年內(nèi)可以突破并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的航天技術(shù).
2)從地球到火星和落火星、火星表面起飛、返回地球均采用成熟的化學(xué)火箭推進(jìn)技術(shù).核熱推進(jìn)、核電推進(jìn)、太陽能電推進(jìn)相對(duì)較短時(shí)間內(nèi)難實(shí)施的,本文不考慮.
3)軌道組裝載人火星飛船組合體.
1)利用運(yùn)載火箭,進(jìn)行數(shù)次發(fā)射,在低地球軌道進(jìn)行載人火星飛行任務(wù)的大型飛船組合體(由登陸火星飛船、轉(zhuǎn)移居住艙、返回地球艙、推進(jìn)艙組成,簡(jiǎn)稱組合體)的組裝.
2)利用化學(xué)推進(jìn),完成載人地火軌道飛行,并進(jìn)入火星軌道,將地火、火地軌道飛行的轉(zhuǎn)移居住艙和返回地球的返回艙及進(jìn)行火地飛行推進(jìn)艙(地火飛行的火箭已拋掉)留在火星近火軌道上.
3)宇航員從轉(zhuǎn)移居住艙轉(zhuǎn)移到登陸火星飛船(含在火星生存的表面居住艙,降落火星的下降艙和從火星起飛的上升艙),登陸飛船降落到火星表面.
4)宇航員在火星表面生存和進(jìn)行火星探測(cè)和研究.載人火星探測(cè)任務(wù)執(zhí)行完畢,宇航員乘坐從火星表面起飛的上升艙,進(jìn)入火星近火軌道,與留在近火軌道上的轉(zhuǎn)移居住艙、返回艙及推進(jìn)艙進(jìn)行對(duì)接;宇航員進(jìn)入轉(zhuǎn)移居住艙.
5)推進(jìn)艙推動(dòng)轉(zhuǎn)移居住艙和返回地球艙進(jìn)行火地飛行;進(jìn)入地球軌道前,宇航員進(jìn)入返回地球艙,拋掉轉(zhuǎn)移居住艙;推進(jìn)艙和返回地球艙進(jìn)入繞地球軌道飛行.
6)返回地球艙和推進(jìn)艙分離,再入地球并著陸,完成載人火星探測(cè)及返回地球任務(wù).
根據(jù)初期載人火星探測(cè)的可實(shí)施性,初期的任務(wù)總要求可設(shè)計(jì)為:飛行宇航員人數(shù) 6人,采集火星樣本質(zhì)量可在 100kg左右,飛向火星 7~8個(gè)月,火星軌道和表面停留共近 16個(gè)月,火星軌道返回地球 7~8個(gè)月.
2.2.1 軌道方案的選擇和設(shè)計(jì)
載人火星飛行軌道分為兩大類,長(zhǎng)期停留軌道(合點(diǎn)航線)和短期停留軌道(沖點(diǎn)航線)[6].合點(diǎn)航線特點(diǎn):任務(wù)總時(shí)間長(zhǎng)、火星上可停留時(shí)間長(zhǎng)、不同時(shí)機(jī)發(fā)射需能量變化不大,星際飛行時(shí)間較短.沖點(diǎn)航線特點(diǎn):任務(wù)時(shí)間短,任務(wù)需要能量大(除需合點(diǎn)航線所需能量外,還需實(shí)施飛行中途變軌的能量,變軌也可向金星借力),不同時(shí)機(jī)發(fā)射需求的能量差別大,在任務(wù)周期內(nèi),雖整個(gè)任務(wù)時(shí)間較短、但能在火星停留時(shí)間所占比例也較小,宇航員的星際航行時(shí)間所占比例較大.
按星際飛行軌道任務(wù)分析[7],運(yùn)用相關(guān)的計(jì)算方法,可以計(jì)算地球飛向火星及火星返回地球所需的速度增量和飛行時(shí)間.對(duì)于確定的火星飛行軌道設(shè)計(jì),最重要的參數(shù)就是總的速度增量 ΔV和總的任務(wù)時(shí)間 T.根據(jù)飛行任務(wù)分析,按照從地球飛行到火星、再?gòu)幕鹦腔氐降厍虻膹椀儡壽E設(shè)計(jì),總?cè)蝿?wù)時(shí)間與飛船組合體所需的 ΔV之間有直接的聯(lián)系.如任務(wù)時(shí)間短,則所需的 ΔV就高,如所需的 ΔV低,則任務(wù)時(shí)間就長(zhǎng).通過經(jīng)典的分析計(jì)算方法[8],本文計(jì)算了在地火平均距離和任務(wù)要求相同情況下,最省能量的霍曼轉(zhuǎn)移、大橢圓轉(zhuǎn)移、拋物線轉(zhuǎn)移及金星借力飛行軌道任務(wù),得出任務(wù)所需 ΔV、任務(wù)時(shí)間(飛行及火星可停留時(shí)間)、低地球軌道起飛重量的關(guān)系結(jié)果見表 1.
表 1 任務(wù)各軌道飛行方案的綜合比較
從表 1比較可以看出:雖然霍曼軌道所需任務(wù)時(shí)間最長(zhǎng)(約 952 d),但其所需 ΔV最少、所需低地軌道起飛質(zhì)量最少;其他軌道所需 ΔV和低地軌道起飛質(zhì)量都大,所以載人火星飛行軌道設(shè)計(jì)方案可選擇霍曼軌道.
2.2.2 霍曼轉(zhuǎn)移軌道任務(wù)設(shè)計(jì)
1)飛向火星及繞火星、落火星軌道能量計(jì)算.組合體從地球停泊軌道 A點(diǎn)(按霍曼轉(zhuǎn)移軌道通過變軌控制進(jìn)入地球到火星的日心軌道段飛行的起始點(diǎn))在出發(fā)時(shí)飛向火星所需速度增量:
組合體按霍曼轉(zhuǎn)移軌道進(jìn)入地球到火星的日心軌道段飛行的終點(diǎn)為 B點(diǎn),從 B點(diǎn)進(jìn)入繞火星軌道運(yùn)行所需速度增量:
式中,μS,μE,μM分別為太陽 、地球 、火星的引力常數(shù);RE,RM分別為地球、火星的運(yùn)行軌道半徑;rE,rM分別為地球、火星的平均赤道半徑,hE,hM分別為組合體圍繞地球、火星飛行的軌道高度;RM=RE+LE-M,LE-M為地球與火星之間距離,火星沖日時(shí),火星離地球最近,火星沖日約二年多一次.
這樣飛到火星所需速度增量為
采用霍曼轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)的飛向火星所需時(shí)間為轉(zhuǎn)移橢圓軌道周期的一半:
組合體采用火星大氣再入,并用降落傘降落火星的方案,需要施加制動(dòng)的速度增量:
式中,r1=rM+hM;r2=rM+lM;lM為火星大氣層厚度;θr為組合體再入火星大氣層再入角.
2)從距火星 hM停泊軌道組合體返回部分返回地球及繞地、落地速度增量計(jì)算:
式中,ΔV′1,ΔV′2分別為組合體返回部分從火星停泊軌道返回地球和進(jìn)入繞地球運(yùn)行軌道所需速度增量.ΔV′1,ΔV′2計(jì)算方法同ΔV1,ΔV2.
返回地球飛行時(shí)間T′t計(jì)算方法同Tt.
組合體返回地球艙采用地球大氣再入,并用降落傘降落地球的方案,需要施加制動(dòng)的速度增量為 ΔVE,計(jì)算方法同式(7).
3)組合體飛行任務(wù)所需總速度增量和飛行時(shí)間.火星探測(cè)任務(wù)所需總速度增量:
式中,ΔV′M為從火星表面起飛需要的速度增量.
去火星和返回總的飛行時(shí)間為
2.2.3 霍曼轉(zhuǎn)移軌道任務(wù)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果
根據(jù)載人火星工程可能實(shí)施的年代,計(jì)算了2042—2054年火星任務(wù):從距地球 350 km軌道出發(fā)去火星到圍繞距火星 500km軌道往返所需速度增量和飛行時(shí)間計(jì)算結(jié)果見表 2、表 3.
表 2 飛行任務(wù)所需速度增量 km/s
表 3 飛行任務(wù)時(shí)間 d
ΔV∑為往返需要的總速度增量,不包括降落火星和從火星上升及降落地球所需的速度增量.T∑為往返需要的總飛行時(shí)間,任務(wù)總時(shí)間還需加上落火星、火星停留考察、落地球的時(shí)間.
按式(7)和有關(guān)公式,飛船采用降落傘降落火星和地球的方案,所需速度增量見表 4.
表 4 再入火星/火星上升對(duì)接/再入地球所需速度增量及θr
2.2.4 載人火星飛行時(shí)機(jī)的選擇
飛行時(shí)機(jī)的選擇,以所需速度增量和任務(wù)時(shí)間優(yōu)化分析確定.通過表 2~表 4對(duì)比分析,可以看出:2050年左右,ΔV相對(duì)較少,途中飛行時(shí)間相對(duì)較短,火星停留和火星探測(cè)時(shí)間都較長(zhǎng),有利于總?cè)蝿?wù).可選 2050年作為發(fā)射任務(wù)的時(shí)機(jī).
整個(gè)任務(wù)可分為:近地軌道組裝和宇航員訓(xùn)練階段;近地軌道發(fā)射、進(jìn)入從地球到火星飛行階段;進(jìn)入繞火星軌道飛行階段;再入、降落、登陸火星及火星表面考察階段;火星表面起飛和準(zhǔn)備返回地球準(zhǔn)備階段;近火軌道發(fā)射、進(jìn)入從火星到地球飛行階段;進(jìn)入繞地球軌道飛行階段;再入、降落和著陸地球階段.
根據(jù)任務(wù)分析,載人火星飛行任務(wù)的飛船組合體可設(shè)計(jì)為由以下幾部分組成:
1)轉(zhuǎn)移居住艙:為組合體進(jìn)行地火、火地飛行宇航員生活的艙段.
2)推進(jìn)艙:為組合體進(jìn)行地火飛行和進(jìn)入火星軌道,火地飛行和進(jìn)入地球軌道提供所需的動(dòng)力.
3)登陸火星飛船:包括火星表面起飛的上升艙,火星表面居住艙,降落艙以及著陸系統(tǒng)等.
4)返回地球艙:將宇航員從近地軌道(宇航員由轉(zhuǎn)移居住艙轉(zhuǎn)移到返回地球艙之后)送返至地球表面.
各部分完成任務(wù)的質(zhì)量計(jì)算可按式(11):
式中,M0,Mf分別為組合體完成任務(wù) ΔV前、后的質(zhì)量;Isp為采用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖,下面各艙各部分的方案設(shè)計(jì)的質(zhì)量數(shù)據(jù)均采用此公式.
2.5.1 轉(zhuǎn)移居住艙
該艙段是組合體的核心.它將為組合體在地火、火地飛行期間,為生命保障、通訊、數(shù)據(jù)處理等提供基本功能,并且是飛行任務(wù)時(shí)間內(nèi)宇航員所居住和工作的艙段.轉(zhuǎn)移居住艙設(shè)計(jì)有節(jié)點(diǎn)艙,有多個(gè)對(duì)接接口用于與登陸火星飛船、返回地球艙、推進(jìn)艙等連接的機(jī)械接口.轉(zhuǎn)移居住艙由環(huán)境控制和生命保障、電源、熱控、結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)、遙測(cè)遙控、控制制導(dǎo)導(dǎo)航、中央控制等分系統(tǒng)組成.具體主要設(shè)計(jì)指標(biāo)見表 5.
表 5 轉(zhuǎn)移居住艙方案設(shè)計(jì)結(jié)果
2.5.2 推進(jìn)艙
推進(jìn)艙為組合體各主要任務(wù)階段軌道飛行、軌道機(jī)動(dòng)提供推力.組成為:地火飛行推進(jìn)分系統(tǒng)、進(jìn)入繞火星飛行軌道推進(jìn)分系統(tǒng)、火地飛行推進(jìn)分系統(tǒng)和進(jìn)入繞地球軌道飛行推進(jìn)分系統(tǒng).每個(gè)分系統(tǒng)各負(fù)責(zé)一個(gè)任務(wù)階段軌道機(jī)動(dòng)任務(wù).
1)地火飛行推進(jìn)分系統(tǒng).為飛往火星的入軌機(jī)動(dòng)提供所需的動(dòng)力.設(shè)計(jì)由 3級(jí)火箭組成,每級(jí)設(shè)計(jì)由 4個(gè)相同的主發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(含發(fā)動(dòng)機(jī)、貯箱及總裝結(jié)構(gòu)等)和主結(jié)構(gòu)組成.發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)采用高性能的低溫推進(jìn)技術(shù)——液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)(比沖高).主發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為泵壓式、高壓補(bǔ)燃火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng),主要由單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)、泵壓式供應(yīng)系統(tǒng)、液氧和液氫貯箱等組成,推力按 1 350 kN設(shè)計(jì).主結(jié)構(gòu)用于支撐 4個(gè)主發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng).每級(jí)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)見表 6.
表 6 地火飛行推進(jìn)分系統(tǒng)
2)進(jìn)入繞火星軌道飛行推進(jìn)分系統(tǒng).為進(jìn)入火星軌道提供所需動(dòng)力.設(shè)計(jì)為兩級(jí)火箭,每級(jí)設(shè)計(jì)為兩個(gè)相同的主發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(含發(fā)動(dòng)機(jī)和貯箱及總裝結(jié)構(gòu)等)和主結(jié)構(gòu)組成.考慮長(zhǎng)期飛行,需采用可軌道貯存的化學(xué)推進(jìn)劑,綜合考慮兩級(jí)均采用成熟的 N2O4/UDMH雙組元、泵壓式、閉式循環(huán)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng),比沖為3300m/s,單臺(tái)主發(fā)動(dòng)機(jī)推力約 640kN.每級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主要由單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)、泵壓式供應(yīng)系統(tǒng)、氧化劑和燃料貯箱等組成,具體主要設(shè)計(jì)指標(biāo)見表 7、表 8.
表 7 進(jìn)入繞火星軌道飛行推進(jìn)分系統(tǒng)(第 1級(jí))
3)火地飛行推進(jìn)分系統(tǒng).火地飛行推進(jìn)分系統(tǒng)為從火星飛向地球的入軌機(jī)動(dòng)提供了所需的動(dòng)力.它由 1級(jí)、2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成,與繞火星軌道飛行推進(jìn)分系統(tǒng)的 2級(jí)方案基本相同,采用軌道可貯存的 N2O4/UDMH雙組元、泵壓式、閉式循環(huán)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng),比沖為 3 300m/s,單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)質(zhì)量(濕質(zhì)量)54 t、推力 640 kN、結(jié)構(gòu)質(zhì)量3 t.
表 8 進(jìn)入繞火星軌道飛行推進(jìn)分系統(tǒng)(第 2級(jí))
4)進(jìn)入繞地球飛行推進(jìn)分系統(tǒng).為進(jìn)入地球軌道提供所需動(dòng)力.由 1級(jí)單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成,采用軌道可貯存的 N2O4/UDMH雙組元、泵壓式、閉式循環(huán)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng),比沖為 3 300m/s,單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)質(zhì)量 33t、推力640kN、結(jié)構(gòu)質(zhì)量2 t.
4個(gè)推進(jìn)分系統(tǒng)均在任務(wù)完成后與組合體分離、拋掉.
推進(jìn)艙總質(zhì)量計(jì)算如下:
2.5.3 登陸火星飛船
實(shí)現(xiàn)在火星表面著陸,并在完成火星考察任務(wù)后起飛,與在近火軌道上的轉(zhuǎn)移居住艙等進(jìn)行交會(huì)和對(duì)接.它主要由以下部分構(gòu)成(總質(zhì)量約68 t):
1)火星表面起飛的上升艙.它主要由座艙和推進(jìn)系統(tǒng)組成,質(zhì)量(含推進(jìn)劑)32 t,采用軌道可貯存的 N2O4/MMH泵壓式、閉式循環(huán)火箭發(fā)動(dòng)機(jī),比沖可達(dá) 3350m/s.采用兩級(jí)推進(jìn)系統(tǒng),第 1級(jí)為上升推進(jìn)系統(tǒng),推力 4×30kN;第 2級(jí)為交會(huì)對(duì)接推進(jìn)系統(tǒng),推力 4×5 kN.
2)表面居住艙.它是宇航員在火星表面停留期間的居住場(chǎng)所,配備了生命保障系統(tǒng)和艙外活動(dòng)設(shè)備,質(zhì)量約 30 t.
3)著陸系統(tǒng).由減速小固體火箭和著陸支架等組成,質(zhì)量約 3 t.
4)降落艙.主要由降落的隔熱層、結(jié)構(gòu)和進(jìn)入火星大氣層降落的降落傘等構(gòu)成,質(zhì)量約 3 t.
5)登陸火星飛船再入火星大氣需用推進(jìn)系統(tǒng)完成制動(dòng),其濕質(zhì)量約 4 t,這樣登陸火星飛船的總質(zhì)量約 72t.
2.5.4 返回地球艙
宇航員在回到地球軌道、再入地球大氣層和著陸期間使用此艙段,它的外形基本上是一種放大的類似我國(guó)神舟載人飛船的返回艙,鐘型、尺寸更大,設(shè)計(jì)為直徑 4m,高 3m,質(zhì)量約 15 t.
可選擇俄羅斯的“能源號(hào)”運(yùn)載火箭和我國(guó)自行研發(fā)的大型運(yùn)載火箭,作為運(yùn)送火星飛船組合體各部分到近地軌道進(jìn)行裝配任務(wù)的主要運(yùn)載火箭.能源號(hào)可將質(zhì)量 100 t的載荷運(yùn)送到近地軌道,組合體的轉(zhuǎn)移居住艙、推進(jìn)艙各推進(jìn)分系統(tǒng)、登陸火星飛船等可用它來運(yùn)送到近地軌道裝配;使用我國(guó)的新一代運(yùn)載火箭長(zhǎng)征五號(hào) E型火箭可將 25 t的載荷運(yùn)送到近地軌道,像組合體的返回地球艙等可用其來運(yùn)送;使用我國(guó)的神舟載人運(yùn)輸飛船分批運(yùn)送宇航員到近地軌道的火星飛船組合體.共需進(jìn)行約 20多次發(fā)射、在近地軌道裝配數(shù)年,可完成載人火星飛船組合體在近地軌道的裝配.
根據(jù)所提出的載人火星飛行方案,本文主要設(shè)計(jì)結(jié)果見表 9.
表 9 載人火星飛行方案主要設(shè)計(jì)結(jié)果
本文通過對(duì)國(guó)內(nèi)外已提出的“載人火星探測(cè)飛行方案”進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)查,特別是對(duì)歐美提出的方案進(jìn)行了較為深入地研究.在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上,提出了一種載人火星探測(cè)飛行的初步方案,可供我國(guó)研究者進(jìn)行參考.作者認(rèn)為需要更深入地研究載人火星飛行的彈道計(jì)算、飛船組合體各分系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)方案、某些重要的關(guān)鍵技術(shù)等.
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(編 輯 :張 嶸)
Program and scenario of manned spaceflight to Mars
Zhou Xudong Zhang Zhenpeng
(School of Astronautics,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)
A brief overview of research progress about manned spaceflight to Mars program in several countries was given.Investigation of some domestic and international programs and scenario of manned spaceflight to Mars was putup.Some fundamental and basic ideas about determination of future manned spaceflight to Mars were put forward.One of programs and scenario of general design,including trajectory and spaceship of manned spaceflight to Mars was discussed and put out.Especially,more important parameters of the total mission energy required and the total mission duration of the trajectory in several mission windows were calculated.The detail results of trajectory design,including transfer Mars injection,Marsorbit insertion,Mars surface descent,Mars surface ascent,transfer Earth injection,Earth orbit insertion and reentry Earth,and Mars spaceship design,including propulsion module,transfer habitation module,Mars landing module and Earth reentry capsule were obtained.
manned spaceflight;manned spaceflight to Mars;scenario design
V 476.4;V 529.1
A
1001-5965(2010)05-0550-05
2009-01-15
周旭東(1964-),男,遼寧本溪人,博士生,xdzhou@sina.com.