洛·馬的“火星營地”計劃

□ 展鵬飛

洛·馬的“火星營地”計劃

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▲ “火星營地”抵達火星軌道的想象圖

在2017年國際宇航大會上，美國人把載人火星探索的設想向前推進了一大步。洛·馬公司和太空探索技術公司都拿出了自己的火星探索具體方案。不得不說，這兩份方案是迄今為止最靠譜的。而且還可以發現一個有趣的現象，無論洛·馬還是馬斯克，都認為美國宇航局的火星探索進度表太保守了。

洛·馬公司在重返月球上沒有發出太大的聲音，是因為該公司的獵戶座飛船已經欽定為下一代載人飛船的標準版，而且地月軌道空間站的研制也少不了洛·馬來分一杯羹。因此，在本屆宇航大會上，洛·馬的宣講重點就放在了火星。洛·馬這次提出了一個完整的早期火星載人探索方案，叫做“火星營地”（MBC）。

基本概念

早在2016年，洛·馬就提出過“火星營地”的概念，是一個以月球及環月空間為跳板，前往火星展開載人探索的體系。這次，洛·馬發表一份長達14頁的論文，詳細闡述了“火星營地”的框架，它由地球表面、地球軌道、地月空間、火星軌道、火星表面的一系列設施組成，規模相當大。按照設想，有關航天器從地球表面用現有的德爾它4、阿里安5和研制中的重型獵鷹、SLS等重型運載火箭發射到地月空間軌道上。在這里，通過地月軌道空間站的中轉，飛向火星，抵達火星上空的軌道。然后再設法降落，在火星表面著陸。

“火星營地”概念有幾個基本的設計原則：循序漸進、可重復使用、技術繼承、乘員安全與可靠性、開放合作。洛·馬公司著重指出，“火星營地”概念并不是像阿波羅計劃那樣的“到此一游”，而是要真正為人類長期火星生存服務，建立長期使用的火星基礎設施。

“火星營地”的主體，是飛行在火星上空的“火星營地”空間站，基本結構和洛·馬設想中的地月軌道空間站很接近。它由兩個圓臺型的實驗室艙段構成核心，向兩端延展出兩個服務艙，用于提供太陽能發電、熱控和水的存儲。兩個實驗室艙段之間是一個節點艙，可以用來對接火星起降飛行器（MDAV）或者低溫推進級。

“火星營地”的建設不可能是一蹴而就的，人類長期在深空生存、工作的很多技術都需要逐步成熟，包括遙控機器人、采樣返回和太陽能電推進等技術。而最合適的試驗平臺就是美國宇航局新近提出的地月軌道空間站（DSG）。

▲ 火星起降飛行器和“火星營地”空間站對接想象圖

▲ “火星營地”進度設想

不登陸的“火星營地”-1考察

按照洛·馬的論文，第一代火星營地“火星營地”-1的設想，是運送6名航天員前往火星軌道，實施為期1年的探索。不過這些航天員并不登上火星，而是遙控操作機器人降落到火星表面。但是在此期間，如果條件允許，可以考慮派航天員探訪火衛一或火衛二。

考慮到火星和地球之間的飛行窗口，無論是不是登上火星表面，探索隊都要在火星及火星軌道上待11個月左右。

尤其是對遙控機器人技術來說，現在工作在火星上的探測器，其實都屬于遙控機器人。但是由于地球和火星之間的距離遙遠，無線電波飛行需要380秒～2670秒。加上探測器的功率有限，它們與地球之間的通信帶寬也很窄。因此，人們能在“好奇號”上實現的功能受到了很大制約，有些需要迅速決策的復雜操作就無法實現，例如鉆探、精確駕駛和取樣。但是，如果從“火星營地”上操作就不同了。火星軌道到火星表面的時延很短，帶寬幾乎是要多少有多少。這樣，火星表面的機器人就可以自由選擇遙控、全自主、人工干預下的自主和任務級自主等模式。“火星營地”里的航天員還可以對采樣返回的樣品進行初步分析，迅速做出判斷，并且制定下一輪采樣計劃。比之于采樣返回地球，這樣的模式顯然要快捷得多。

“火星營地”還可以攜帶大型3D打印機，制造和修復重要的零件。在1年乃至1000天的任務中，在軌維修幾乎是不可避免的，但是要帶上足夠多的、能夠支撐這么久空間飛行的備件，幾乎是不可能的。所以，在軌3D打印是必由之路。

登陸的“火星營地”-S考察

當“火星營地”-1任務取得成功，就可以啟動人類登陸火星的“火星營地”-S任務（S就是表面的首字母）。“火星營地”-1任務的居住艙、實驗室、低溫推進級、考察組負責人、液氫液氧儲箱、太陽能推進級保留在軌道上，繼續擔當地火通信中繼工作，并持續接收地球送來的補給品。

“火星營地”-S的流程大致是這樣的：先發射稱為“火星營地”-1轉移飛行器的空間組合，包括實驗室艙段、太陽能推進艙段、燃料存儲艙段，然后在空間為它們加滿燃料；發射火星起降飛行器，它需要用SLS火箭從地球上發射，然后抵達火星軌道，與“火星營地”-1任務飛行器對接；發射燃料補加預置艙，進入“火星營地”-1軌道；航天員進入“火星營地”-1轉移飛行器，然后飛向火星；“火星營地”-1轉移飛行器與“火星營地”-1、火星起降飛行器、燃料補加預置艙等交會對接，航天員乘火星起降飛行器登陸火星，考察后返回；航天員乘轉移飛行器回到地月軌道空間站；航天員乘獵戶座飛船從地月軌道空間站回到地球。

▲ “火星營地”探測火衛二想象圖

火星表面探索

人們最關心的，還是如何把人類考察隊送到火星表面去。考慮到地火轉移軌道的時間窗口，考察隊要在火星上待11個月。不過在“火星營地”框架下，考察隊不需要長時間呆在火星表面。

首次人類登陸任務，可以派出一個4人考察組，乘坐火星起降飛行器降落到火星表面，然后其中2人留守、2人出艙考察。外出考察的兩人不需要離開太遠，可以定時回火星起降飛行器休整輪換。經過兩周考察活動后，考察組乘火星起降飛行器回到“火星營地”，實施人員休整、樣品分析、數據統計、報告撰寫等工作，并為火星起降飛行器補充燃料。然后，考察組可以再次出發，前往火星上的另外某個地點著陸。

與航天員全程待在火星上相比，這種方式有幾個好處：

費用比較低。如果要在火星上待一年，就必須送去完整的生活設施，包括居住艙、發電機、漫游車、供給物資、工具等等。美國宇航局曾經考慮過，在人員出發之前，先用SLS火箭把這些東西發射到火星上去。而“火星營地”框架中，人員在火星表面停留時間比較短，因此不需要上述物質條件。

安全性較高。短期火星表面任務可以減少考察隊遭遇危險的概率，這是因為人們對火星的了解還比較少，在短期內無法建立起完善的火星設施，空間站里更安全。這具體體現在幾個方面。首先是對著陸精度要求低。如果要在火星上待一年，就必須精確地降落在預定位置；在“火星營地”模式下，這種精度要求就低一些，只要著陸場是平原就可以了。

具備隨時撤退能力。前面所說的兩周登陸任務，包括了往返飛行與降落前后的準備工作，實際在火星表面活動的時間大約是一周多。這樣短的時間里，考察隊不會離開火星起降飛行器太遠，如果發生設備重大故障或者人員傷病，可以立刻返回“火星營地”。如果降落失敗，也可以暫時回撤到“火星營地”。

具備自救能力。任務攜帶兩艘火星起降飛行器，如果降落到火星上的火星起降飛行器發生故障，可以派遣另一艘去救援他們。

靈活性強。考察隊可以抵達火星軌道之后再確認著陸場，這給考察計劃帶來了很大方便。此前的無人著陸器都是通過環繞火星的探測器先行測繪地形，然后在地球上預先確認好著陸場，再直接投送過去。由于人們對火星的了解并不多，火星起降飛行器的各種推力系統，以及姿態控制和發電系統，都采用液氫液氧燃料。低溫燃料的汽化損耗部分用來發電，反應生成的水供考察隊生活使用，因此液氫液氧幾乎是唯一的消耗品。而一次“火星營地”任務當中能實施多少次火星表面探索任務，也只取決于液氫液氧的儲備量。

按照洛·馬公司提出的設計，“火星營地”上的低溫燃料儲箱可以支持往返地球和火星一次，以及往返火星表面兩次的任務，以及“獵戶座”前往火衛二、火衛一的任務。前往火衛二、火衛一的推進任務由低溫推進級和短途旅行系統承擔。如果不前往火衛二、火衛一，那么“火星營地”不需要地球送來補給，靠從地球出發時攜帶的水，就可以支持一次火星起降飛行器登陸火星的任務，然后返回地球。

如果要執行兩次登陸任務，就需要更多的液氫液氧。這些液氫液氧可以靠“火星營地”電解水來制備，也可以從地球送水前去。為此，洛·馬還提出了一種叫做WDV的飛行器，直譯過來就是“送水飛船”。理論上說，WDV的尺寸可大可小，洛·馬設定了一種可以攜帶52噸水的WDV，兩艘WDV攜帶的水可以支撐一次火星起降飛行器的任務，同時還要攜帶一個功率為375千瓦的太陽能發電艙。另外，還要攜帶一組容量為40噸的液氫液氧儲箱，但發射時是空的。

這樣大的航天器需要用SLS火箭來發射。如果有朝一日，人們在月球、小行星或者火星上發現了有開發價值的水資源，就不需要再從地球補給了。

▲ 洛·馬公司的火星起降飛行器示意圖

運水的方式有很多好處。首先是避免了氫氧燃料的汽化損耗，這樣太陽電池產生的電力不需要用來為燃料保持低溫，可以全部用于推進。進入火星軌道后，WDV和“火星營地”交會，“火星營地”伸出機械臂捕獲WDV。然后將其攜帶的水電解成液氫液氧。兩艘WDV如果同時工作，用兩個半月時間可以為一艘火星起降飛行器準備好燃料。

如果財力足夠，可以派遣多艘裝滿水的WDV在火星軌道上待命，也就是前文所說的燃料補加預置艙。它們與“火星營地”處在同一軌道上，保持一定的相位差。火星起降飛行器可以脫離“火星營地”，與這些WDV直接對接，補充燃料，然后回到“火星營地”接上航天員，再前往火星表面。

火星起降飛行器離開“火星營地”后，啟動反推發動機，進入火星大氣層，預計再入速度為每秒4.7千米。然后火星起降飛行器進入受控的氣動減速狀態，在減速到大約馬赫數2的時候調姿，進入超音速火箭制動狀態。當速度基本為零的時候，放出起落架，降落在火星上。

火星起降飛行器采用了無翼的升力體結構，沒有氣動減速面或其他可收放的氣動設備。這樣不但可以節省一些燃料，也可以省去重新起飛前的檢修工作。火星起降飛行器不采用降落傘，因為火星空氣稀薄，這種超過100噸的飛船所需要的降落傘面積實在是太大了。

降落之后，4人考察組將執行大約10天的考察任務。按照50%的冗余來考慮，就要準備15天的物資。用于艙外活動的設備大約重2500千克，加上兩名航天員，要用吊車放到火星表面。火星起降飛行器可以支持每天多次火星表面行走，但每次只能去兩個人。

除了與“火星營地”進行高速通信外，火星起降飛行器也可以和地球進行低速率直接通信。

火星表面考察任務結束后，火星起降飛行器可以按照單級入軌的方式返回火星軌道。如果“火星營地”部署在500千米高圓軌道上，降落到火星上需要消耗的速度增量為每秒1270千米，返回軌道需要每秒4200千米，這樣總共需要消耗火星起降飛行器燃料攜帶量的71%。如果“火星營地”部署在火星的同步軌道上，火星起降飛行器往返一次需要每秒6000米的速度增量，消耗燃料攜帶量的74%。這個數字有很重要的意義，因為航天飛機每次發射，需要消耗掉外置儲箱總燃料攜帶量的85%才能入軌。這意味著美國航天界靠現有的技術就能把火星起降飛行器造出來。

▲ BFR與未來火星基地形成規模后的想象圖

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馬斯克的“大型獵鷹火箭”

在2017年國際宇航大會上，SpaceX公司拿出來的方案雖然沒有那么完整，但是也引起了人們的足夠興趣。它的名字叫做BFR，也就是“大型獵鷹火箭”。看起來馬斯克對“獵鷹”這個單詞感情很深厚。BFR沒有像洛·馬公司一樣考慮完整的火星往返考察流程，它更多地關注如何設計一種新的火箭。

BFR比馬斯克在2016年介紹的ITS火箭要小得多，直徑從12米降低到了9米。看來鋼鐵俠也發現自己曾經的夢想太龐大了一點。而且BFR并不是專用的火星火箭，而是一種通用性運載工具，地球軌道、月球軌道和星際飛行都用它來作為解決方案。

BFR的發動機依然是獵鷹9號火箭所使用的猛禽系列，一級火箭的發動機數量達到了31臺之多。

BFR的框架要比洛·馬的“火星營地”簡單很多，沒有考慮復雜的過渡飛行問題。火箭的第二級（也就是飛船部分）尾部有一組小翼，可以用來在火星上著陸。BFR有三種構型：載人型、貨運型和液罐型。前兩種構型可以飛往火星，貨運型也可以用于地球軌道發射。液罐型主要用于在軌燃料補加。如果要飛往深空，可以發射一枚載人型或者貨運型BFR，同時發射一枚液罐型。抵達高軌道后，由后者為前者補充燃料。然后前者繼續飛往深空，后者返回地球著陸。

至于BFR如何從火星返回地球，在火星上如何運行，馬斯克沒有做太多解釋。或許他還堅持采用以前的理念，用一群載人型“龍”飛船構成火星村，供移民居住。

BFR最有意思的構型之一，是地球上的點對點運輸，也就是當個民航機來用。這簡直就是在搶亞軌道太空旅游企業的生意了。

按照美國媒體的說法，馬斯克似乎很喜歡去上海吃個面，所以他打算坐BFR從紐約直接飛到上海。至于票價，據說和民航機的經濟艙全價一樣。而且它每次飛行可以搭載850名乘客！目前最大的民航機A380要賣出滿座才能搭載這么多人。此言一出，美國媒體陷入了狂熱之中，根據一些人的計算，BFR可以在39分鐘內從紐約抵達上海，29分鐘就可以從紐約抵達倫敦，隨便去世界什么地方吃個飯再回家已經不是夢想了。據說BFR飛行中的過載也就是2～3g，和公園里的游樂機差不多，身體健康的人都能坐。所以有人驚呼，馬斯克又要干掉傳統航空公司了。

責任編輯：陳彩連