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NASA推火星计划 人类核实踏足地外行星?

2018-06-25 11:20 来源:科普中国-军事科技前沿 

  出品:科普中国

  作者:矛隼工作室

  监制:光明网科普事业部

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

NASA推火星计划 人类核实踏足地外行星?

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)

  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。

NASA推火星计划 人类核实踏足地外行星?

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)

  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。

  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。

  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。

NASA推火星计划 人类核实踏足地外行星?

图为SLS太空发射系统block2型的结构图(图源NASA)

  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。

  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。

  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。

  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。

NASA推火星计划 人类核实踏足地外行星?

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

  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。

  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。

NASA推火星计划 人类核实踏足地外行星?

图为spaceX的火星方案(图源航天爱好者)

  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。

[责任编辑:赵清建]

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