積跬步以至千萬里——美國的新載人火星探測計劃

□ 張雪松

紅色的火星是太陽系內最可能存在生命的星球之一，具有很高的科研價值，它還擁有水資源和碳氮等重要元素，是未來人類星際殖民的最佳選擇。正因為如此，火星探測是當今人類航天的熱門，載人火星探測是幾十年來也是未來幾十年內人類航天的圣杯。

載人火星探測對人類航天技術提出了很高的要求，早期方案都由于規模太大和耗資巨大胎死腹中，今天美國航宇局噴氣推進實驗室的科學家們，使用航天技術的最新發展成果，為我們勾畫了一幅經濟可承受的載人火星探測方案。

不堪回首的過去

載人火星探測，早在人類登上月球前就是討論的熱門話題。20世紀60年代美國航宇局就曾論證過使用更大的“新星”火箭進行載人火星探測的方案，但“阿波羅”登月計劃龐大的開銷和美國國力的下滑，再加上蘇聯無力繼續進行航天競賽，讓一切都化為泡影。盡管如此，美國對火星探測一直有著深厚的感情，20世紀70年代發射的“海盜”系列火星著陸器，現在看也是令人驚艷的設計。

20世紀80年代航天飛機服役后，美國再次開始將目光投向火星，不過此時的美國航宇局早已不復當年的干練高效，已經陷于嚴重的官僚主義，更像一個風燭殘年的老人。經過多番討論論證，1989年美國航宇局響應時任總統布什的號召，在《90天報告》里提出了基于“自由號”空間站的龐大載人火星探測計劃。根據該方案，美國要建造巨大的“自由號”空間站，利用這個空間站在軌道上組建奔向火星的飛船，這個方案架構復雜不說，光是高達4500億美元的預算，就嚇壞了絕大部分人。載人火星飛行探測任務，也在很長時間里成為一個不值得認真考慮的高不可攀的目標。

美國航宇局此后又進行了大量研究和論證，先后提出了多個載人火星探測方案，最后一個官方發布的方案是2009年的DRA5，它吸收了最近20年來技術發展的成果，尤其是火星學會創辦者祖布林提出的“火星原位資源利用”（ISRU）的大膽想法，同時用高比沖的核熱推進（NTR）方式減少發射量，但即使如此DRA5方案中一次火星載人探測任務仍然需要7枚“戰神”5號重型運載火箭和一枚“戰神”1號運載火箭，發射到地球低軌道的貨物量高達900噸以上。毫無疑問，這樣的技術方案下載人火星探測仍然技術復雜、耗資巨大，不過美國始終沒有放棄登陸火星的目標，即使“戰神”5號火箭隨著星座計劃的取消而走向終結，美國仍然在研制新的重型火箭“空間發射系統”（SLS）繼續進行載人深空探索，只不過目前路線更為靈活，計劃先登陸小行星，繼而環繞火星，最后實現登陸火星的偉業。

新時代的方案

2010年4月，奧巴馬總統取消了重返月球的星座計劃，但演說中也提到美國將繼續進行載人深空探索，并計劃在本世紀二十年代中期登陸小行星，三十年代中期環繞火星，最終實現登陸火星。為了實現這一宏偉的遠大目標，美國航宇局及各相關機構進行了大量的研究，提出了各種五花八門的設計，力求在預算和時間壓力下，多快好省地完成載人火星探測的最終目標。

美國航宇局正式提出了“小行星重定向項目”（ARM），不過這個方案最早是凱克空間研究所的提案。ARM項目中美國將發射一個使用太陽能電推進的小行星“捕獲飛行器”，飛近一個近地小行星將其捕獲，并將其運到月球軌道附近，然后再使用SLS火箭發射“多用途載人飛船”（MPCV），航天員爬過“捕獲飛行器”登陸被捕獲的小行星。根據今年的最新消息，由于找到大小、質量和姿態合適的小行星比較困難，該項目已經選擇在小行星表面采集大塊巖石運到繞月軌道的B方案，而原來捕獲整個小行星并運輸的方案遭到淘汰。這個項目最大的亮點就是它的太陽能電推方案，這個先進的推進系統賦予了它交會、捕獲并攜帶大塊巖石返回地月系統的可能。

響應載人深空探索最積極的公司當屬波音，這與它是SLS的總承包商有很大關系。波音公司提出了以最近十多年來蓬勃發展的電推進系統為核心，利用成熟的太陽翼設計，構成太陽能電推（SEP）方案。為了提高性能，波音公司還在此基礎上提出了增加大推力的傳統化學火箭在軌道插入和脫離時加速的方案，這也是目前最有前途和最被看好的方案之一。

除了政府機構和相關的商業公司，以“靈感火星”為代表，一些私人也開始涉足載人火星任務領域。自費上空間站的蒂托提出的“靈感火星”方案，在概念上可謂別具一格：一艘載人飛船被射入自由返回軌道，這艘載兩人的飛船將在火星表面100千米上空飛過，然后自由返回地球，航程約500天。這個方案最大的特點就是高風險和高費效比并存，一方面一旦發生意外航天員生還可能很低，另一方面只需要一艘重型“獵鷹”火箭發射，發射成本要比DRA5方案低得多。膽大包天的蒂托，為人們提供了一個飛向火星的新思路。

循序漸進的JPL方案

蒂托的“靈感火星”方案為人們開拓了思路，但他并非最早的先行者，祖布林1990年提出了“火星直擊”方案，在一定風險下可以實現火星登陸。不過對于政府投資的航天探索項目來說這些方案的風險還是太高了，美國航宇局傾向于較為保守的方案，美國噴氣推進實驗室（JPL）的科學家們就此設計了一個循序漸進而且較為廉價的載人火星任務方案。

JPL的提案首先指出較早的DRA方案所需的資金遠遠超出了美國航宇局所能得到的預算，接下來他們指出，要做到一個經濟上可承受的載人火星任務，首先要盡可能使用已有的硬件，其次要減小任務規模，這兩點是噴氣推進實驗室方案的精髓。

1.火衛一“福波斯”任務

噴氣推進實驗室的方案將在目前的ARM任務基礎上，首先訪問火衛一——“福波斯”，任務時間定在2033年。載人登陸火衛一任務將是火星登陸的前哨戰，它的核心技術之一是“太陽能電推拖船”，拖船將在載人任務發射前將必要的資產運送到火星軌道上，從而降低總的發射量和任務時間。福波斯載人登陸任務只需要4枚SLS火箭，其中第一枚火箭發射一個100千瓦電功率的“太陽能電推拖船”、“地球轉移插入段”（TEI）和“福波斯轉移段”（PTS），第二枚火箭發射“太陽能電推拖船”外加“福波斯生活艙”（Habitat），第三枚火箭發射“火星軌道插入段”（MOI）和“深空生活艙”（DSH），第四枚火箭發射4人乘組的“獵戶座”飛船。

前兩枚火箭發射的載荷在“太陽能電推拖船”推動下花費3.5年～3.8年時間到達火星軌道，其中福波斯轉移段將等待載人的獵戶座飛船，而福波斯生活艙將預置到火衛一上等待航天員登陸工作。后兩枚火箭發射的火星軌道插入段、深空生活艙和獵戶座飛船在高地球軌道對接，在第四枚火箭的“探索上面級”（EUS）的推動下進入奔向火星的軌道。經200天～250天的載人飛行抵達火星軌道附近后，“火星軌道插入段”點火工作，讓組合體減速進入高火星軌道。火星軌道上“獵戶座”飛船與“福波斯轉移段”對接，轉移到火衛一的軌道上并著陸，與原有的“福波斯生活艙”構成了一個火衛一表面的前哨基地。經過約300天的長期考察任務后，“獵戶座”飛船返回火星高軌道并與待命的深空生活艙和地球轉移插入段對接，由地球轉移插入段點火工作將組合體送入地球轉移軌道，并在200天～250天后回到地球。

噴氣推進實驗室的載人福波斯任務方案中，充分發揮了電推高比沖的優勢，用時間換比沖將更重的純貨運載荷提前預置到火星軌道和火衛一上。“電推進拖船”將是目前ARM捕獲飛行器的放大版，甚至可以簡化到只將功率放大一倍到100千瓦、工質氙增加一倍到16噸，霍爾推進器數量增加一倍到8臺。載人任務中無論是使用EUS奔向火星，使用PTS進行火衛一的往返，還是使用TEI完成返回地球的加速，都使用大推力的化學火箭盡量壓縮任務時間。EUS是SLS Block IB火箭的上面級，而PTS或是TEI可以選用類似大力神II火箭第二級的成熟設計。根據說明，“福波斯生活艙”和“深空生活艙”將使用通用化的設計降低研制預算，質量約30噸，具備支持4人生活500天的能力，為了簡化設計甚至沒有獨立的姿態控制系統。火衛一基地不僅可以支持4名航天員的長期工作，還可以收起著陸腿重新定位到其他地點，并在未來的火衛一探索任務中重復使用。

簡而言之，這個方案不僅使用了更為合理的人貨分運設計，并使用電推進降低任務規模，而且讓電推進和化學火箭在合適的領域大顯身手，同時電推進和化學推進都盡量在已有的成熟硬件上發展而來。噴氣推進實驗室的方案看起來復雜，但其實要比波音過于依賴電推進的方案更為合理。

2.火星短期駐留任務

噴氣推進實驗室的載人火星登陸方案，同樣繼承了火衛一任務設計特色，當然為了實現兩人24天的火星表面短期駐留，需要的SLS火箭數量就要增加到6枚，而登陸火星的時間就要等到2039年。

載人登陸火星方案中，前兩枚SLS同樣用于發射“電推進拖船”、“地球轉移插入段”、“深空生活艙”和“軌道轉移段”，最后兩枚SLS也仍然發射“深空生活艙”、“獵戶座”飛船，中間兩枚SLS火箭則用于發射大型 “火星著陸上升器”。所有貨物和人員分別抵達火星軌道后，兩名航天員從“獵戶座”飛船轉移到“著陸上升器”上，并著陸進行24天短期考察任務。航天員完成火星表面考察任務后，使用著陸器上的“火星上升飛行器”（MAV）回到火星低軌道，在這里“火星上升飛行器”與第二枚SLS火箭送來的“軌道轉移段”對接后被送入火星高軌道，并與“深空生活艙”組合體對接，人員返回組合體。最后在地球轉移插入段的推動下，4名航天員在“深空生活艙”中踏上回家的旅程。

這個方案中，“地球轉移插入段”、“軌道轉移段”、“火星軌道插入段”、“深空生活艙”和“探索上面級”都是已經得到檢驗的成熟硬件，真正的新硬件僅有“火星著陸器”和“著陸上升器”。“著陸上升器”的質量約為23噸,可以支持兩人生活28天或是4人生活6天，它很大程度上借鑒了“鳳凰號”著陸器的設計，當然23噸的巨大質量使它無法使用降落傘及時減速，只能使用超音速反推減速的概念，這是太空探索技術公司的“獵鷹”9號火箭曾進行過驗證，美國航宇局也打算進一步研究的技術。

載人登陸火星任務的新硬件不多，但難度仍然增加了一些。主要是“著陸上升器”和“軌道轉移段”都為了減重，使用火星大氣進行氣動剎車直接進入火星低軌道，尤其是23噸重的“著陸上升器”的氣動剎車，未來也仍是一個不小的挑戰。為了盡可能降低“著陸上升器”的質量和體積，使用原來的“福波斯轉移段”做火星低軌道到高軌道的轉移段，也需要增加一次對接，同樣增加了任務風險。由于“火星生活艙”設計上只支持4人500天長期飛行，使用第二枚火箭發射的生活艙補給模塊進行對接補給，也增加了任務的復雜度。不過對比整個載人火星任務規模的縮小和研制成本的降低，這些取舍是值得的。

3.火星長期駐留任務

為了進行長時間的火星表面科研考察，以及更遙遠的建立火星基地，“地球轉移插入段”載人火星探測方案也規劃了火星長期駐留任務，火星表面的任務周期要達到1年左右，首次任務開始時間大致是在2043年。火星表面長期駐留任務再次展示了“地球轉移插入段”方案使用成熟硬件的特色，它的總體方案和短期駐留變化不大，最大的不同是增加了一個由原來的著陸器攜帶的火星表面生活艙，從而支持4人火星乘組的長期居住。著陸器模塊還可用于運送其他的物資，如時髦的原位資源利用設備。

更遙遠的未來，在火星表面的原位資源利用設備的支持下，未來航天員可以在火星表面制造推進劑、水和食物，甚至是用火星表面的材料制造“房屋”增加居住容積，從而建成一個南極洲科考站級別的火星科研基地。

美國噴氣推進實驗室的載人火星探測方案，無論是技術的先進性上，還是在費效比上都不是最好的方案，但綜合而言卻是基于現實的選擇。波音方案中全電推進系統和大型充氣式生活艙的設計光彩奪目，“火星直擊”方案中兩枚SLS級別火箭實現4人火星表面長期考察的設計簡潔高效，美國航宇局原來的DRA5方案中使用了諸如大直徑生活艙、低溫推進劑長期在軌儲存、大推力核熱發動機等先進技術也令人心動不已，但它們的缺陷在于不是技術尚在紙面上，就是風險實在太高。

噴氣推進實驗室的方案使用的幾乎都是現有技術，最大限度地降低了研發階段的開支和風險，同時又以電推進和化學推進的混合使用盡量降低了整個任務的規模，再加上方案設計中考慮了美國航宇局未來的預算情況，只要美國航宇局預算能隨著通脹同步增長，就可以保證載人火星探測任務的順利進行。方案最大的價值所在市告訴人們：通過這個精心設計的方案，人們不需要研制高不可攀的新技術，不需要冒全軍覆沒的巨大風險，只要使用現有和即將實現的技術，人類是可以一步步踏上火星表面的。