今年五、六月份,中国航天方面的大新闻实在是太多了,先是祝融成功登火巡游,再有天和核心舱升空,现在神舟十二号载着宇航员进入空间站了。星辰大海的时代真的展现在中国人民的面前!
6月14-18日,在俄罗斯圣彼得堡召开的2021年度“全球太空探索大会”(Global Space Exploration Conference,GLEX2021)上,中国给出了载人登火的规划。中国运载火箭研究院院长王小军做了题为“人类探索火星之太空运输系统”(Space Transportation System of Human Mars Exploration)的专题报告。
报告中不仅仅有登火的规划,还有建立火星基地,大规模利用火星资源,甚至实现地火经济圈的设想。
和中国很多的规划一样,登陆火星也是三步走。第一步,派探测器登火。已经规划的任务有:
其中火星取样返回工作已经确定,也就是天问二号任务,应在2028年发射。按照下面PPT页面显示的内容,新的火星取样返回任务将要做地球轨道组装,使用大型或者重型火箭拼接好之后,奔赴火星。一般重型火箭指的是类似于长征五号那样,地球低轨道运力在20到100吨之间的火箭。在这之上的则是超重型火箭。
至于火星基地选址,大概率就是天问一号降落的乌托邦平原。对于刚登上火星的人类来说,火星上最重要的资源就是水,或者说水冰,因为火星上的水都冻着呢。
乌托邦平原位于火星北半球,属于地势比较低的地方。几十亿年前,火星很可能存在过海洋,乌托邦平原曾经为海洋所覆盖。因此,乌托邦平原之下应该有大量的水冰。2016年,NASA宣布在乌托邦平原之下,发现大量的水冰,相当于美国五大湖之一的,一个苏必利尔湖的水量。
这次祝融火星车携带的探地雷达,就是要寻找埋藏于地下的水冰的具体位置。实际上,1976年同样是降落在乌托邦平原的海盗二号,就拍到了乌托邦平原表面覆盖的冰霜。总之,乌托邦平原是火星上的水冰富集区。
为什么火星上的水这么重要呢?水除了是人体必需品,更重要的作用是生产燃料。比如合成甲烷,作为火箭燃料。这样火箭从火星表面起飞的时候,就不需要使用从地球上带来的燃料,而是利用火星上的资源生成。所谓的ISRU就是这个意思,利用火星资源,为探索火星服务。
前不久,美国毅力号火星车携带了一部名为MOXIE的设备,在火星上合成了氧气。这是人类首次火星ISRU实验。未来中国要在火星进行ISRU实验的话,可能要实施更多的火星任务。
报告的重头戏是载人登火的实施方案,大致步骤是这样的:
第一步:在地球低轨道(LEO)进行飞船组装,货运飞船和载人飞船分开;
第二步:飞船组装完毕,把飞船从LEO送入地球高轨道(HEO);
第三步:宇航员从地面起飞,到HEO进入载人飞船;
第四步:货运和载人飞船从HEO出发,到火星轨道汇合;
第五步:货运飞船上的货物直接落火;
第六步:载人飞船上的人员进入火星下降/上升器(Mars Descending and Ascending Vehicle,MDAV);
第七步:人员乘坐MDAV降落火星;
第八步:人员在火星完成500天考察;
第九步:宇航员乘坐MDAV回到火星轨道,进入载人飞船;
第十步:乘坐载人飞船回到地球。
为什么整个流程要设计成这样呢?这里我们给一个深度解读。
让我们从第一步开始说,为什么要在地球低轨道进行组装?简单来说就是,去火星的飞船质量太大,一发火箭根本搞不定。从上图中的第二列我们可以看到,要发射七发起飞重量为4000吨级的重型火箭来组装飞船。所谓的4000吨级火箭,应该就是开发中的长征九号,估计一枚长九就能把120吨以上的货物送入地球低轨道。
具体发射流程是这样的。首先一发长九把摆渡级发射到地球低轨道。这个摆渡级负责把飞船从LEO提升到HEO,然后飞船再从LEO出发。为什么要从HEO出发呢?因为省燃料啊。所谓的地球高轨道,HEO,指的是轨道高度比地球静止轨道,即距离地面35786km的地方,还要远的轨道。
在航天工程中,一般用速度变化,即Delta-V,来代表飞船改变轨道时所要消耗燃料的多少。从LEO到火星转移轨道通常需要4.3km/s的Delta-V,而仅从LEO到GEO就需要3.8km/s的Delta-V。因此,从HEO出发能节省很大一块Delta-V,肯定要多过3.8km/s。
摆渡飞船使用电推进技术,利用核能产生的1MW电力,通过磁场加速等离子体实现推进。电推进比冲很高,省燃料,但是推力小,变轨需要的时间长。不过在地球附近,多花点时间不是问题。
摆渡飞船燃料耗尽后,要在地球低轨道加注燃料,为此要专门发射一枚长九给摆渡飞船补充燃料。轨道加注技术是SpaceX开发星舰要用到的技术,也是未来太空飞行所必须的技术。看来中国必然会开发轨道加注燃料技术。
此外,货运飞船需要三次长九发射,载人飞船需要两次。货运飞船重量为328吨,载人飞船为246吨。然后发射千吨级火箭,人员乘坐太空船进入地球高轨道,与登火载人飞船汇合。这里的千吨级火箭,可能是开发中的921火箭光杆版。921火箭采用CBC架构,即两个助推器和芯级是一样的,整体起飞重量超过2000吨,能直接把21.6吨的登月飞船送入月球轨道。
从前面的“运输系统设计”一图可以看出,载人太空船的重量,含宇航员时约为25吨,宇航员人数有可能为4-6人。使用921火箭发射太空船到地球高轨道时,估计可以不用两个助推器。
这之后货运飞船和载人飞船分头出发赶往火星。为什么要搞人货分离,分成载人飞船和载货飞船呢?这是因为货运飞船对防宇宙辐射等安全性方面没有太高要求,故此可以减轻结构重量。从上图可以看到,货运飞船的结构系数为0.38,而载人飞船是0.40。结构系数,structural coefficient,是去除了燃料之后的飞船空重与带上燃料的总质量的比值。在保证安全的前提下这个值是越小越好。因此,人货分离可以从总体上降低结构系数,
当然,人货分离之后,到了火星轨道还要进行对接。在阿波罗登月时代,太空对接被认为风险很大,因此阿波罗登月用的是人货结合的方式,即单一飞船。但是现在太空对接技术已经很成熟了。美国重返月球的阿尔忒弥斯计划和中国的登月计划,都要采用人货分离的思路。人货分离将是未来载人太空飞行的标准模式。
接下来详细说说货运飞船和载人飞船的设计。飞船将使用核热发动机推进,同时核能还要产生电能为飞船供电。核热发动机的比冲为900。比冲代表火箭推进剂的喷射速度,喷射速度越高,则火箭喷射同等质量推进剂产生的冲量也就越大,相当于发动机的效率高。目前最好的液氢液氧火箭的比冲只有440~460左右,核热发动机900的比冲相当于翻翻了。
美国在上世纪50年代的冯·布劳恩时代就测试过核热发动机,名为NERVA,目的是用于有朝一日的登陆火星。后来美国载人登火计划取消,尽管NERVA发动机已经证明技术可行,但项目仍然下马。现在为了载人登火,美国前不久又把核热发动机研发捡了起来。与此同时,中国这边也在开发核热发动机技术,估计在本世纪三十年代能够投入使用了。
核热发动机利用核裂变反应产生的热量,加热推进剂,再通过喷嘴高速喷出。通过使用核热发动机,能在产生同样的Delta-V的条件下,大大降低推进剂的携带量,从而提升有效载荷。比如328吨的载货飞船,需要76吨燃料,占比仅23%。如果使用传统化学火箭,大约有40%是燃料,差别相当大了。
宇航员在太空船与登火飞船对接后,要进入深空居住舱(Deep Space Habitat,DSH)生活。太空船是用作地球附近的往返工具;而从地球出发到火星,以及从火星返回,宇航员都生活在深空居住舱。DSH的重量为40吨,比太空船大,住起来肯定舒服一些。
到了火星轨道,载人飞船要和载货飞船上的MDAV对接,然后宇航员乘坐MDAV在火星降落。MDAV可以理解为中国版的星舰,质量为100吨,也和星际相当,采用垂直着陆/垂直起飞的模式。这说明中国未来还会把星舰给山寨一遍。
此外,等到了火星轨道之后,质量为106吨的火星着陆器先行降落,把宇航员在火星的住所,还有相应的设备,比如小型核电站,火星车,还有其他资源开发工具,送到火星表面。
在火星着陆之后,宇航员要在这个红色星球生活500天。考虑到来回路上各有180天,总计约900天,这就是经常讨论的900天登火方案。在火星上的500天里,宇航员要进行ISRU,生产出足够回程的MDAV燃料,否则就得一直呆在火星上种土豆了。
500天过后,宇航员乘坐MDAV升空,与停留在那里500天之久的登火载人飞船汇合,然后返回地球。载人飞船总质量为246吨,携带了108吨燃料,比货运飞船的76吨燃料还多不少,因为这是来回程的燃料量。到了地球附近之后,宇航员从DSH进入太空船,然后飞船在地球降落,首次火星之旅就此结束。
上述方案中,最关键的技术是核热发动机的研发。此外,还有在火星上的定位导航,小型核电站,通信技术,热防护等等。ISRU技术没有在报告中特别提及,想必是有把握的。按照上述规划,中国最早应能在三十年代中后期启动载人登火计划。这是因为长九和核热发动机目前都在研发中,成熟应在约十年之后。
首次载人登火之后,地火旅行将航班化。之前提到的登火飞船,可以反复利用,将宇航员送上火星。同时以利用火星资源为主,逐步进行火星基地拓展。或许在本世纪中期,一个初具规模的火星小镇将呈现在世人面前。
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页面更新:2024-03-21
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