編譯 喬琦

如果我們希望定期往返于地球和火星（以及一些更遠的目的地）之間，就需要新型發(fā)動機。工程師們正在探索具有革命意義的新發(fā)動機技術(shù)，以大幅減少我們在太陽系內(nèi)穿梭所需的時間。

就火星和地球各自的繞日運行軌道看，這兩顆行星之間的距離在0.55億千米～4.01億千米之間變化。

奔赴火星計劃總是會在兩顆行星（相對）近距離“邂逅”時開展。拿目前的一個計劃來說，我們希望靠著由化學(xué)火箭推動的航天器飛往火星——化學(xué)火箭是現(xiàn)在廣泛使用的推進形式——但這需要9個月時間。

無論對誰來說，這都是很漫長的一段旅行時間。不過，工程師們（包括美國宇航局的工程師在內(nèi)）正在同航天產(chǎn)業(yè)一線的合作者們通力合作，力爭開發(fā)出能讓我們更快抵達火星的新技術(shù)。

那么，最有希望成功的技術(shù)有哪些呢？

太陽能電力推進

在開展“載人探火”任務(wù)之前，我們可以先利用太陽能電力推進技術(shù)將貨物先送到火星。按照美國宇航局太空技術(shù)指揮部總工程師杰夫·希伊（Jeff Sheehy）的說法，這么做可以在保證裝備和補給已經(jīng)就位的前提下再利用化學(xué)火箭將宇航員送上火星。

洛克達因公司正在研發(fā)奔赴月球的霍爾推進器

“獵戶座”乘員艙與月球軌道上的Gateway對接

要想利用太陽能電力推進系統(tǒng)，航天器就必須展開大型太陽板陣列以捕獲太陽能，然后再將這些能量轉(zhuǎn)換成電能。這種動力系統(tǒng)有時也叫作霍爾推進器。

太陽能電力推進系統(tǒng)有利有弊。從積極的方面看，運用這種系統(tǒng)，航天器需要攜帶的燃料就會少許多，因而可以變得更輕。不過，這樣一來，奔赴火星的旅程就更加漫長了。

“要想通過這種方式帶著我們需要的有效載荷抵達火星，很可能要花上2～2.5年時間?！毕Ｒ敛┦繉BC的記者說。

“為了保證宇航員能夠在抵達火星后至少生存數(shù)月，同時還要為他們探索火星打造相應(yīng)的交通工具，就必須在火星軌道或表面上先行建立前哨站，這就需要先運海量的貨物過去。”

洛克達因公司正在為計劃中的月球軌道空間站“Gateway”打造相應(yīng)的霍爾推進器。

“太陽能是目前最好的備選推進能源，因為我們已經(jīng)掌握了大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)。”洛克達因公司航天部門執(zhí)行董事喬·卡西迪（Joe Cassidy）這么解釋。

“我們已經(jīng)在通訊衛(wèi)星上成功應(yīng)用了這種動力系統(tǒng)。目前，我們已經(jīng)能夠達到的飛行功率是10千瓦～15千瓦，我們想要在Gateway項目中實現(xiàn)的目標是將飛行功率提高到至少50千瓦?！?/p>

卡西迪先生說，洛克達因公司的霍爾推進器會比液氫和液氧火箭發(fā)動機高效許多。

不過，他還解釋說，降低航天任務(wù)成本的理想方法應(yīng)該是減少發(fā)射次數(shù)。

“我覺得，以氙為推進劑的太陽能電力推進技術(shù)非常棒。不過，這項技術(shù)現(xiàn)在還有兩大問題。一是采用這項推進技術(shù)的航天器需要很長時間才能抵達火星；二是這項技術(shù)需要用到很大尺寸的太陽板陣列?！焙教炀揞^洛克希德·馬丁公司的載人航天工程師蒂姆·西查（Tim Cichan）如是說。

阿拉巴馬大學(xué)亨茨維爾分校系統(tǒng)工程學(xué)教授、著名學(xué)者戴爾·托馬斯（Dale Thomas）也贊同這個觀點。

“太陽能電力推進系統(tǒng)在負載較小時的確表現(xiàn)上佳，但要想滿足大負載要求，我們還有很多困難需要克服?！蓖旭R斯在接受BBC采訪時如是說。

在托馬斯看來，如果這些技術(shù)問題能夠解決，那么太陽能電力推進將成為一項具有重要意義的替代技術(shù)。不過，他還表示，就目前來說，我們顯然還有更好的選擇，比如熱核電力推進技術(shù)。

熱核電力推進技術(shù)

另一種方案則是，發(fā)射階段和著陸階段仍舊使用化學(xué)火箭，但在旅途的中間階段，運用所謂的熱核電力推進技術(shù)。

我們可以先用美國宇航局的“獵戶座”飛船把宇航員送到Gateway上，然后，飛船的乘員艙會和一枚由熱核電力火箭推動的運載器對接。

對接完成后，熱核電力火箭就會把乘員艙和轉(zhuǎn)運模塊送往火星。抵達火星軌道后，乘員艙就會和早已等候在那的火星軌道器和著陸器對接。

在熱核電力火箭中，一座小型核反應(yīng)堆會加熱液態(tài)氫，從而產(chǎn)生大量氫氣。這些氣體不斷膨脹，最終從推進器中噴涌而出并產(chǎn)生推力。

“如果我們能把奔赴火星的時間削減到30～60天，就能大大縮短宇航員暴露在輻射環(huán)境中的時間?！笨ㄎ鞯舷壬f，“我們認為，熱核電力推進是解決這個問題的關(guān)鍵技術(shù)，因為它能縮短旅途時間?！?/p>

戴爾·托馬斯、阿拉巴馬大學(xué)亨茨維爾分校和美國宇航局簽署了一份設(shè)計熱核發(fā)動機宇航火箭的研究合同。在托馬斯看來，熱核電力推進是目前最有可能投入應(yīng)用的新發(fā)動機技術(shù)。

“按照我在實驗室中模擬的某些軌道，熱核電力火箭可以把奔赴火星的時間縮短到3個月，這仍然是一段非常漫長的旅程，但已經(jīng)只有化學(xué)火箭所需時間的1/3左右了?！彼f。

宇航員在太空中完全暴露于輻射環(huán)境之下。航天產(chǎn)業(yè)的部分從業(yè)人員擔(dān)心熱核推進器會增加這種風(fēng)險。

由于擔(dān)心核反應(yīng)堆可能會對宇航員造成負面影響，波音公司對熱核推進器并不熱衷。

托馬斯先生則反駁說：“這是一種常見的誤解。氫推進劑其實是一種非常好的輻射防護盾。”

宇航員都待在運載器的一頭，而發(fā)動機則在另一頭。初步估計表明，在這樣的情況下，宇宙射線帶給宇航員的輻射要比熱核發(fā)動機更多。

然而，他也承認這項技術(shù)有一大缺點，那就是無法簡單地在地球上展開測試。

不過，美國宇航局正在研制一種地面測試設(shè)備，它能通過清除廢氣的方式消除放射性粒子——這樣一來，就有條件開展地面測試了。

電離子推進

另一種發(fā)動機動力方案是電離子推進。這種推進方式利用電力加速離子（帶電原子或分子），從而產(chǎn)生巨大推力。

目前，我們已經(jīng)開始利用電離子推進技術(shù)為空間衛(wèi)星提供動力。不過，現(xiàn)在的技術(shù)只能產(chǎn)生一小點推力——也就比吹風(fēng)機的推力強點——由此產(chǎn)生的加速效應(yīng)當(dāng)然也不甚明顯。但只要時間充裕，它們也能讓航天器達到高速。

前美國宇航局宇航員富蘭克林 · 昌-迪亞茲

Ad Astra公司表示，它正在研制一款名為等離子體火箭（Vasimr）的推進器。這種火箭利用無線電波電離并加熱推進劑，然后再利用磁場加速“攪拌”前一歩產(chǎn)生的粒子“湯”，形成等離子體。按照設(shè)想，等離子體火箭能比標準離子發(fā)動機提供強大得多的推力。

所需的電力可以用各種方式產(chǎn)生。不過，就“載人探火”任務(wù)來說，最好的方式是使用核反應(yīng)堆。在負載較小的情況下，等離子體火箭也可以用利用太陽能產(chǎn)生電力。

Ad Astra公司總裁兼首席執(zhí)行官、前美國宇航局宇航員富蘭克林·昌-迪亞茲（Franklin Chang-Diaz）表示，理想狀態(tài)下，載人奔赴火星的旅途所需時間不超過9個月。

昌-迪亞茲還說，登陸這顆紅色行星的難度要比登陸月球大多了。

“解決方案是加快速度，”昌-迪亞茲先生對BBC說，“如果能以2億瓦特級的功率推動400～600噸重的航天器，那么我們就能在39天內(nèi)抵達火星?！?/p>

而托馬斯則認為，等離子體火箭的功率很難大幅提升，這就像是要把割草機升級成宇航火箭一樣。不過，這項技術(shù)的確展現(xiàn)出了一些優(yōu)秀的潛質(zhì)。

“如果，不，或許我應(yīng)該這么說，等到Ad Astra公司解決了等離子體火箭的技術(shù)問題之后，這種發(fā)動機似乎的確就是載人航天飛船電力推進模式的最佳選擇。”托馬斯先生如是說。

“物理學(xué)告訴我們，這個模式應(yīng)該能奏效。但是，我也必須指出，等離子體火箭現(xiàn)階段仍然只是實驗室中等待進一步完善的產(chǎn)品，距離真正的航天飛行（無論何種尺度）應(yīng)用，還有很長的路要走。”

昌-迪亞茲先生并不覺得大幅提升等離子體火箭功率會有多么困難，只是因為現(xiàn)階段千萬瓦級功率的發(fā)動機沒有任何市場，所以Ad Astra公司才停留在20萬瓦發(fā)動機的研發(fā)上。

他說：“20萬瓦發(fā)動機的市場需求不少，近地軌道及月球附近有許多移動地球衛(wèi)星的行動需要用到這種發(fā)動機?！?/p>

洛克希德·馬丁公司同樣認為等離子體火箭技術(shù)大有可為，但就目前來說，這家公司仍舊把重點放在了太陽能電力推進系統(tǒng)上。

化學(xué)火箭情況如何？

雖然新技術(shù)的確很有吸引力，但老牌太空公司洛克希德·馬丁和波音都覺得，所有載人探火任務(wù)都應(yīng)該以液態(tài)化學(xué)火箭為基礎(chǔ)。

洛克希德·馬丁公司表示，自己已經(jīng)掌握了奔赴火星所需的技術(shù)，而化學(xué)火箭已經(jīng)在所有阿波羅任務(wù)中都證明了自己的價值。

“我們現(xiàn)在就已經(jīng)掌握了前往火星的技術(shù)?！鼻矮C戶座飛船系統(tǒng)設(shè)計師西查先生說。

“現(xiàn)在的確還有一些技術(shù)上的挑戰(zhàn)，但真正需要解決的問題是，如何利用我們現(xiàn)有的技術(shù)在未來的深空飛行中構(gòu)建有效系統(tǒng)并獲取經(jīng)驗，同時還要在未來開發(fā)出具有開創(chuàng)意義的新技術(shù)。”

他強調(diào)，自20世紀60年代以來，我們就一直在使用以液氫為燃料的上面級發(fā)射器，并且成功率相當(dāng)高。

“宇航局的太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）有四個液氫和液氧RS-25火箭發(fā)動機?！辈ㄒ艄净鸺七M專家羅布·布羅倫（Rob Broeren）對BBC說。

這些都是航天飛機時代留下來的發(fā)動機，RS-25的優(yōu)勢在于，事實已經(jīng)證明它們可靠性極高。

運用這種久經(jīng)考驗的技術(shù)能夠帶來的最大好處是，你會胸有成竹，知道它們肯定能完成任務(wù)。而那些新技術(shù)，雖然紙面上看看確實不錯，但一旦進入實踐階段，就總會出現(xiàn)各種問題，耽誤你的時間。

我們何時登陸火星？

科學(xué)技術(shù)政策研究所（STPI）最近開展的一項研究顯示，載人探火的計劃不太可能按照美國宇航局的設(shè)想在2033年正式啟動。

考慮到宇航局預(yù)算受限，科學(xué)技術(shù)政策研究所認為，我們在2039年啟程前往火星的可能性要大得多——哪怕白宮方面希望宇航局能通過阿爾忒彌斯計劃在2024年重返月球。

加州理工學(xué)院航空學(xué)約翰·諾斯羅普教授、應(yīng)用物理系教授保羅·迪莫塔基斯（Paul Dimotakis）博士不僅對新技術(shù)持懷疑態(tài)度，而且對傳統(tǒng)化學(xué)火箭能否成功送宇航員上火星也有疑問。

“飛船要怎么攜帶足夠的化學(xué)推進劑以應(yīng)對如此漫長的旅程？我個人目前還沒有看到這個技術(shù)問題的答案。我還從沒聽說液氧火箭能連續(xù)飛行6個月以上。”他說。

“我們還沒有一個能解決所有問題的技術(shù)方案。此外，我們還必須在真正送宇航員去火星前就證明這些計劃可行。所有這一切，都大大超出了美國宇航局原來規(guī)劃的時間表?！?/p>