李怡晨

摘 要 “熒惑之旅”作為載人火星探測計(jì)劃，設(shè)想將一款新型的地火航天飛機(jī)、一套基于全功率可變比沖磁等離子火箭的推動(dòng)器和一種多用途火星基地艙三者結(jié)合起來，構(gòu)成一個(gè)整體系統(tǒng)。它將在不到四十天的時(shí)間里，將航天員送到火星，并安全帶回。該計(jì)劃的目標(biāo)是：將至少3名宇航員送入太空，在最短時(shí)間內(nèi)運(yùn)往火星，登陸火星表面，并讓宇航員開展一段時(shí)間的科學(xué)探索工作，最后安全返回地球。因?yàn)榛鹦菬蔁扇缁穑恢?、亮度時(shí)常變動(dòng)讓人無法捉摸，我國古書上將之稱為“熒惑”，也表征了人類對火星探索的渴求。為此，給這個(gè)計(jì)劃取名為“熒惑之旅”。

關(guān)鍵詞 載人火星探測 地火航天飛機(jī) 可變比沖磁等離子火箭推動(dòng)器 多用途火星基地

中圖分類號：V412.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

20世紀(jì)，人類實(shí)現(xiàn)了載人登陸月球；21世紀(jì)，人類最重要、最復(fù)雜的航天項(xiàng)目就是載人登陸火星。其主要目的有三：一是尋找地外生命，從而深入研究生命、地球乃至宇宙起源和演化；二是不少天文學(xué)家推斷，火星有可能是地球的未來。因此，載人探測或登陸火星可研究地球的演變，防止它變成人類難以生存的第二個(gè)火星；三是由于火星與地球最為相似，所以很多科學(xué)家認(rèn)為可先把火星改造成適合人類居住的第二個(gè)人類家園，在地球人口超過110億以上時(shí)向火星移民。

但在當(dāng)今，不要說載人登陸火星了，就是進(jìn)行無人探測火星也充滿了風(fēng)險(xiǎn)。目前，全球一共發(fā)射了約43個(gè)火星探測器，只有26個(gè)獲得成功，成功率約60%，所以火星被稱為“航天器墳場”。因此，要進(jìn)行載人探測或登陸火星就更難了，需要克服千難萬險(xiǎn)。火星之旅不比月球登陸，就目前的技術(shù)水平而言，航天員到火星一個(gè)來回至少需要約520天。如此遙遠(yuǎn)的距離無論是對航天器還是對航天員都是一個(gè)極端的挑戰(zhàn)。因此，提高運(yùn)載飛行器的速度，縮短旅途周期將是整個(gè)登陸火星計(jì)劃的關(guān)鍵。為此，提出一款新型的航天飛機(jī)和一套基于全功率可變比沖磁等離子火箭的推動(dòng)器的設(shè)想。這兩件飛行器所組成的系統(tǒng)，將在不到四十天的時(shí)間里，將航天員送到火星，并安全帶回。同時(shí)，還必須為航天員設(shè)計(jì)一個(gè)安全可靠地基地，保障航天員在火星上的生活。

1新型航天器描述

1.1“火燕”號地火航天飛機(jī)

該型號航天飛機(jī)是專為往返火星設(shè)計(jì)的新型航天飛機(jī)，該航天器在現(xiàn)有航天飛機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，以應(yīng)對火星上殘酷的起降條件。

幾大改進(jìn)：

（1）可拓展翼展設(shè)計(jì)：火星的引力只有地球的三分之一，大氣密度只有地球的百分之一左右。極其稀薄的密度，決定了在地球上輕松飛行的飛機(jī)在火星上卻飛不起來。為給航天飛機(jī)在火星和地球表面更好的起降，“火燕”號航天飛機(jī)，采用可伸展的翼展設(shè)計(jì)。

（2）軟著陸設(shè)計(jì)：火星的糟糕的地表?xiàng)l件和殘酷的大氣條件，使得軟著陸成了最佳選擇。

（3）可變動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)置：航天飛機(jī)內(nèi)倉采用模塊化設(shè)計(jì)，便于維修與替換。比較靠近航天飛機(jī)自身發(fā)動(dòng)機(jī)的為液體燃料艙室，是脫離地球與脫離火星表面的主動(dòng)力；而另一個(gè)為核燃料儲備倉，通過一根輸送管，向外部的推進(jìn)器輸送燃料。

1.2“太空巴士”可變比沖磁等離子推進(jìn)器

該推進(jìn)器是整個(gè)探測火星計(jì)劃的核心。

可變比沖磁等離子推進(jìn)器主要由三部分組成：

（1）核反應(yīng)倉。推進(jìn)器的主能量供給系統(tǒng)，但是該倉只能攜帶少量的核燃料，為完成整個(gè)地火之旅，必須通過頂部的接口提供外部的燃料。

（2）太陽能電池帆板。推進(jìn)器的輔助能量供給裝置，能夠在無任何外部能量供給的情況下，保證推進(jìn)器的正常負(fù)載運(yùn)行。

（3）可變比沖磁等離子火箭（VASIMR）。推進(jìn)器的動(dòng)力系統(tǒng)，推進(jìn)器的核心。單臺VASIMR功率為60MW，“太空巴士”總共裝有四臺，因此總功率為240MW。

1.2.1 VASIMR的基本原理

將等離子體溫度加熱到高達(dá)一千萬度甚至更高，但采用磁鏡約束場，使熾熱的等離子體與附近的材料表面隔開。合適的磁噴嘴，可以把等離子體的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榛鸺耐屏Γ碚撋瞎浪?，離子的運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)到300 000m/s，相當(dāng)于目前最好化學(xué)火箭的60倍。不僅如此，系統(tǒng)還能使比沖根據(jù)飛行條件進(jìn)行必要的調(diào)整。從而節(jié)省飛行時(shí)間和燃料。

1.2.2 VASIMR的性能特點(diǎn)

VASIMR獨(dú)特之處是可以改變比沖。對于電推進(jìn)系統(tǒng)，在輸人功率一定的情況下，比沖與推力成反比。對于給定的飛行任務(wù)，通過調(diào)節(jié)比沖，可以改變推力。在低比沖/高推力模式下可以提高航天器飛行加速度，使其飛行時(shí)間縮短；而在高比沖/低推力模式下，可減少推進(jìn)劑的消耗量。因此，通過比沖和推力的優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)飛行器飛行軌跡的優(yōu)化。

1.3“探路者”火星基地艙

設(shè)計(jì)特點(diǎn)：

（1）多用途：該基地艙既可以作為滿足航天員生活需求的基地，也可以左右放置專門的航天飛機(jī)燃料補(bǔ)給倉，同時(shí)也是一個(gè)通信基站。

（2）模塊分離：獨(dú)特的變形設(shè)計(jì)，將整個(gè)基地艙分為了三個(gè)部分，中間為核反應(yīng)倉，為整個(gè)系統(tǒng)提供能量；左邊為航天員生活艙；右邊為實(shí)驗(yàn)艙。

（3）核電源：因?yàn)榛鹦潜鹊厍螂x太陽遠(yuǎn)得多，靠太陽電池供電難以滿足需求，而且火星的沙塵暴是地球12級臺風(fēng)的幾倍，持續(xù)時(shí)間達(dá)幾個(gè)月，容易覆蓋太陽電池而嚴(yán)重影響其工作，所以要考慮使用核電源。

（4）磁屏蔽：在行星際空間飛行的載人火星飛船要受到大劑量宇宙輻射，宇宙射線中的高能質(zhì)子可穿透宇宙飛船擊中人體，引起人體組織器官的嚴(yán)重?fù)p傷，改變?nèi)梭w內(nèi)的DNA，降低人的免疫能力，增加癌癥的發(fā)病率。為解決這個(gè)問題，該基地艙的艙壁專門配備了超導(dǎo)磁體，在四周人工強(qiáng)磁場，使射向火星飛船的輻射粒子偏離，從而使航天員得到保護(hù)。與加厚火星飛船的艙壁的方案相比，這種主動(dòng)的屏蔽方式，能大大減輕基地艙的質(zhì)量。

幾大任務(wù)：作為探測火星的先遣探測器，在計(jì)劃的前期，該基地在火星著陸，對火星的環(huán)境（包括火星磁層、電離層和大氣）進(jìn)行充分的研究，并且永久留在火星，作為地面基站；作為燃料儲備倉為航天飛機(jī)返航補(bǔ)充燃料；作為宇航員的基地為宇航員提供必備的生活保障。

2七個(gè)階段描述

“熒惑之旅”計(jì)劃共分為七個(gè)階段，七個(gè)階段前后銜接，共同構(gòu)成整個(gè)計(jì)劃。

2.1前期探索與準(zhǔn)備階段

前期主要是發(fā)射環(huán)繞火星的衛(wèi)星，探測火星的環(huán)境（包括火星磁層、電離層和大氣），遙測火星表面的物理化學(xué)特性，為軟著陸作準(zhǔn)備。然后是發(fā)射火星軟著陸登陸器，試驗(yàn)著陸技術(shù)；發(fā)展火星漫游車、火星機(jī)器人，探測火星地理環(huán)境和氣象條件，為在火星上建立觀測站作準(zhǔn)備。接下來是在火星上建立觀測站，探測火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)與礦物特性；用機(jī)械手采集火星巖石樣品；發(fā)展地球-火星往返式飛船，建立由機(jī)器人照料的火星基地，為以后載人火星飛行和有人觀測基地的建立奠定基礎(chǔ)。

2.2脫離地球

雖然VASIMR在比沖上具有傳統(tǒng)化學(xué)燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)無法比擬的優(yōu)勢，但是在推力上，較傳統(tǒng)火箭仍相距甚大。因此，為擺脫地球引力，在飛行器發(fā)射的第一階段，仍需傳統(tǒng)的發(fā)射方式，將航天飛機(jī)和基地艙送入近地軌道。

2.3近地軌道階段

在該階段航天器（航天飛機(jī)、基地艙）將和“太空巴士”推進(jìn)器進(jìn)行對接，轉(zhuǎn)換動(dòng)力系統(tǒng)，在近地軌道進(jìn)行加速。

（1）基地艙與推進(jìn)器完成對接：燃料由基地艙進(jìn)入推進(jìn)器核反應(yīng)倉。

（2）“火燕”號與推進(jìn)器完成對接：核燃料由輸送管送入推進(jìn)器和反應(yīng)倉。

（3）進(jìn)行為期8天的繞地飛行，進(jìn)行加速。此時(shí)，推進(jìn)器的推力調(diào)整到較大，比沖調(diào)整到較低。

作為整個(gè)火星計(jì)劃的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，“太空巴士”推進(jìn)器所起到的是一個(gè)太空接送的角色，在由火箭送入太空之后，它將以國際空間站為母港，永久留在太空，直至完成它的使命。

2.4飛向火星

在近地軌道進(jìn)行加速后的飛行器將擺脫地球的引力，開始飛向火星。此時(shí)推進(jìn)器的狀態(tài)是低推力、高比沖。

2.5火星表面登陸

飛行器脫離“太空巴士”推進(jìn)器，準(zhǔn)備進(jìn)行著陸，推進(jìn)器將依靠太陽帆供給的能量，進(jìn)行繞火飛行，等待“火燕”號的返航；同時(shí)，它將與火星表面的基站一起為航天飛機(jī)提供空中與地面一體的導(dǎo)航服務(wù)。

由于火星表面崎嶇不平，因此，對航天飛機(jī)的著陸提出了更高的要求?！盎鹧唷碧枌榇硕O(shè)計(jì)的可伸展的翼展及排列在飛機(jī)底部的著陸裝置將保障其安全著陸。

2.6返回階段

宇航員將搭乘航天飛機(jī)返回地球。

該階段最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是如何回到近火軌道。由于條件的限制，因此不可能再像在地球上進(jìn)行火箭的輔助發(fā)射，也不可能進(jìn)行滑行發(fā)射。

受飛機(jī)的垂直起降技術(shù)的啟發(fā)，“火燕”號將采用類似垂直起降的發(fā)射方式。火星的引力條件（只有地球的三分之一）為這種方式提供了極大的可能性。

（1）位于飛機(jī)底部的小型推進(jìn)器發(fā)動(dòng)，飛機(jī)脫離地面，翼展完全展開；

（2）主發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，飛機(jī)向前推進(jìn)；

（3）開始繞火飛行，逐步脫離火星束縛，進(jìn)入近火軌道；

（4）翼展縮回，與等待的推進(jìn)器進(jìn)行對接；

（5）轉(zhuǎn)換動(dòng)力系統(tǒng)，進(jìn)行為期7天的繞火加速飛行；

（6）脫離火星軌道，馳往地球。

2.7登陸地球

翼展完全展開，滑行著陸。

3總結(jié)與展望

21世紀(jì)將是科技突飛猛進(jìn)的新時(shí)代，人類認(rèn)識和征服宇宙的能力將有新的飛躍。行星探索及開發(fā)利用的目標(biāo)將集中在火星?？臻g探測及對空間的開發(fā)和利用，是反映一個(gè)國家高新科技水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的重要標(biāo)志。目前世界上各空間大國，都在積極制訂探測火星的宏偉計(jì)劃。因此開展火星探測研究，對于我國的科學(xué)、社會、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和提高我國的國際地位具有重大的意義。

“熒惑之旅”提供出一個(gè)較完善的計(jì)劃，它的實(shí)現(xiàn)還需克服諸多的技術(shù)難關(guān)，包括如何提高VASIMR的功率、超導(dǎo)磁場的實(shí)現(xiàn)等等，可能至少在未來十年內(nèi)，該類技術(shù)還無大幅提高的可能。但科學(xué)的進(jìn)步將會是無止境的，希望在未來的二三十年內(nèi)，航天技術(shù)將會有飛躍式的發(fā)展，讓“熒惑之旅”早日成為現(xiàn)實(shí)。

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