来源 | 太空梦想

作者 | 袁东

哈勃望远镜拍摄的火星

易于实现的近地轨道运输

将上百吨体积庞大的飞行器首先送到低地球轨道（LEO），对火箭整流罩的尺寸、容积提出了更高要求。如果仅仅依靠小火箭“蚂蚁搬家”，近地空间组装任务将变得十分复杂，充满风险。不过，美苏太空竞赛时期涌现出了多款性能优异的火箭，比如一级装配了5台液氧煤油F1液体火箭发动机的土星五号，LEO的运送能力达到了惊人的140吨，而且从未有过失败的记录。

另外，Shuttle-C（C取自英文Cargo，运输的首字母）是NASA在1984年至1995年期间研究将航天飞机发射系统衍生为专用无人货运运载器的方案，该方案利用了航天飞机外部贮箱和固体火箭助推器（SRB）、SSME（航天飞机主发动机），以及外部贮箱与航天飞机的固定组件，不可复用，LEO最高运载能力也达到了71吨。

作为竞争对手，苏联研发了重型运载火箭能源号（Energia），能源号并非仅仅是为了暴风雪号，设计师瓦连京·格鲁什科（Valentin Glushko）雄心勃勃地规划了重型和超重型火箭大家族。能源火箭基于模块化设计，通过在火箭周围捆绑4个天顶号助推火箭，载荷安置在侧面可将100吨载荷送入低地球轨道；配置8个天顶号助推火箭能源-B型，载荷放在顶部，则可以达到200吨的LEO运送能力。

如果说从旧的图纸堆里面复原曾经的辉煌，由于年代久远不甚可行，那么现在NASA正在研发的SLS和太空探索公司的BFR以及进度一直拖延的蓝色起源New Glenn也完全可以期待。而我国重型运载火箭——长征九号研制也已经取得阶段性成果，芯级箭体直径9.5米级、近地轨道运载能力50吨至140吨、奔月转移轨道运载能力15吨至50吨、奔火转移轨道运载能力12吨至44吨，预计将于2030年前后实现首飞。

各种超大运载能力的巨型火箭

霍曼转移轨道：更适合的“货运线路”

1925年，德国物理学家奥尔特·霍曼博士推导出在两条同一平面上、半径相异的圆形轨道间转移卫星的最小能量方法，称之为霍曼转移。沿着地球公转的切线方向，利用地球公转的29.79千米/秒速度，只要额外给组合体2.95千米每秒的dV便可以完成从LEO到火星霍曼转移，在到达火星时，由于需要克服太阳引力，速度从一开始的32.73/秒降为21.48千米/秒，虽然赶不上火星24.13千米/秒的公转速度，不过2.65千米速度差低于火星5千米/秒的逃逸速度，可以在火星着陆。

霍曼转移轨道的最大优势在于到达此轨道所需的燃料较少，不过在这个轨道上将是“慢车”，去程达到259个日日夜夜，大概8个多月，而且由于不入绕火星轨道，任务风险大，实际执行的任务往往采用速度增量稍大的优化版转移轨道，更适合货运，好比是你在网上买了一个大件走物流，一般只要求价格公道能够安全送达即可。

最省力但是旅途漫长的霍曼转移轨道

但对于载人火星任务，我们不得不考虑另外一个现实的问题——返回地球！由于火星和地球一直处在运动过程中，相对位置总在变化，必须在火星上等待火星和地球处于特定的相对位置，才能让返程花费的能量相对合理。如果继续按照最少能量消耗路线，航天员得在火星上待550天左右，等待返回地球窗口的打开，这一趟火星之旅，时间会长达2～3年。

航行时间的长短，牵涉到生活必需品的消耗，也牵涉到航天员心理、生理和太空辐射等一系列问题。我们必须创造条件以减少星际旅行时间，最大程度保护航天员免受辐射，同时最大限度地减少需要携带的物资。

此外，也有很多科学家致力于研究更短的火星之旅，比如登月功臣冯·布劳恩1969年描述了一个火星飞行任务，采用三个NERVA核热动力发动机，在火星地表进行80天科研，并利用金星引力加速回程之旅，但整个行程依旧长达640天。

当代也出现了高效的电推发动机，比冲达到了3000秒，但其推力极低，在几百毫牛量级，只能“用时间换空间”去火星，这意味着会给航天员带来更大的辐射剂量，因此更不适合载人火星之旅。

是不是可以用“大力出奇迹”的办法，在低地球轨道“大脚踩油门”，把速度增加到极限？在LEO给予组合体12.34千米/秒的速度，叠加地球公转速度合计达到42.12千米/秒的超高速，测算可以将到达火星的时间缩短到70天。然而，在到达前需要“大脚刹车”，需要大约20.31千米/秒的速度增量，才能把组合体的速度从34.13千米/秒下降和偏转到与火星公转同步的线速度和方向。这无疑对于现有的化学火箭来说是一项特别艰难的任务——要知道突破海拔100千米高度的卡门线后，仅仅是1.4千米/秒的速度增量已经把很多国家和企业拒之航天门外。

人货分离、装备先行：NASA火星任务架构

限于这些骨感的现实，目前NASA最新的火星任务设计参考架构（2009年出的5.0版本，后续暂无更新）论证了前述冯·布劳恩利用金星引力加速回程的短途冲点航线方案，虽然方案只有600多天，但对于发射窗口要求很高，整体速度增量大，对航天员的辐射量相对较高，而且在火星地面考察时间较短。

经过反复论证、权衡利弊，采纳的合点航行方案中规中矩，航天员将在火星上等待火星和地球特定的相对位置，科学考察550天后回家，任务总时长为914天。推进方面，则拿出了核热动力火箭、化学火箭两个方案。该拟定的火星任务选择在2030年到2046年阶段实施，分三批勘测火星三个有代表性的区域。

任务的第一阶段，将通过至少7次大型运载火箭的密集发射，把载人火星任务的各个构件先送到低地球轨道，前两个最重要的任务构件——登陆火星飞船的下降舱/上升舱和火星地面栖息舱将首先发射，并在低地球轨道通过交会和对接完成与地火转移推进舱的组装。整个组合体在检查确认无误之后，将在低地球轨道上耐心等待发射窗口打开，先于航天员发射两年，选择速度增量较小的地球-火星转移轨道，耗时202天抵达火星后，组合体将进入一个高度椭圆形的火星轨道（250×33793千米）上。

由于不携带辎重，航天员的火星之旅可以选择更快的地火转移轨道，将深空行星际旅行相关的危害降到最低。如果选择在2037年执行载人火星探测任务，速度增量达到5千米/秒左右，6名航天员到达火星的旅程为174天，下降并着陆在火星的指定区域，利用火星大气制造航天员返回上升级的推进剂。在火星地表，航天员的停留时间为539天，返回地球的时间为201天，总任务持续时间为914天。整个任务涉及到发射800～1200吨低地球轨道载荷，从低地球轨道出发至返回的整个速度增量需要12～14千米/秒。

如果任务设定在2037年，载人火星任务方案图

更快的火星之旅——VASIMR发动机构想

VASIMR发动机全称是可变比冲磁等离子体发动机，由前NASA华裔航天员张福林于1979年提出，其基本原理是将等离子体温度加热到高达一千万度甚至更高，借鉴核聚变技术研究的衍生技术，利用磁镜约束场使炽热的等离子体与附近的材料表面隔开，再加上一个合适的磁喷嘴, 便可以把等离子体的能量转变为火箭的推力。根据理论估算，等离子体的比冲能达到3000-50000秒（出口速度达到30-500千米/秒）, 相当于目前最好的化学火箭的60倍。

VASIMR发动机燃料消耗极少，在恒定功率下还可以改变推力和比冲，有更大的灵活性，有更多的机会改变飞行路线或者返回地球。另外，在整个推进过程中，等离子体被磁镜约束在发动机内部的磁场里面，大幅降低了发动机的耗损。张福林博士在《VASIMR Human Mission to Mars》论文中进行了测算，如果给予20万千瓦的电能，供电设备的质量功率比（设备质量与发电功率的比值）优化到1千克/千瓦，VASIMR最快可以让航天员在39天内到达火星，他甚至设计了一个在2033年的火星之旅，包括在火星36天的考察，往返仅需要150天。

此外，VASIMR如果使用氢作为推进剂，还可以对宇宙射线产生良好的隔离作用。同时，氢也是宇宙中最丰富的元素，随着技术的不断发展，将来可以在太空中随时摄取氢，为VASIMR补给燃料，实现长途飞行。

VASIMR实验原型结构图

尽管VASIMR发动机在理论上可能实现航天器39天抵达火星，但凡事均有两面性——VASIMR需要大量的电能用来加速推进剂。基于当前技术，大型且可控的太阳能电池阵列可为电推进提供高达1000千瓦的功率，但过大的电池阵对航天器的构型、轨道保持和姿态控制设计等产生巨大挑战。目前国际空间站的太阳能电池也只能提供100KW的功率，而且这一结果是在地日距离下，太阳能在火星等以外区域将大幅衰减。

展望未来，载人探索需要更高效和更快速的推进技术，笔者认为，推进电能的提供非空间核反应堆电源莫属。与太阳能电池相比较，空间核反应堆电源的根本优点在于其为自主电源，不依赖于阳光且储能极高；适用功率范围广，可以覆盖千瓦至兆瓦及以上功率输出，质量功率比随功率增长而降低，可以有效满足航天任务日益增长的能源需求。

此前，美俄已成功将0.5～5 kWe的核反应堆电源送入了太空，目前正在研发千瓦至兆瓦、寿命超过10年的新型空间核反应堆电源。不过要指出的是，空间堆发电都存在转换效能问题，目前转换效率在23%～35%左右，未来可能超过40%，但效能问题必然牵涉到空间散热问题。

太空是高真空环境，没有对流，散热系统只能以热辐射的方式向深空进行热传递。因此，散热系统一方面需通过换热器将热量从核反应堆的循环系统中带走，另一方面需将热量传输扩展到大型辐射器上进行排散。随着核反应堆功率的增加，需要体积巨大且笨重的热管辐射散热器。据估算，散热系统的质量将达到反应堆质量的1～2倍之多，这需要更多给力的运载火箭运送到低地球轨道。

祖布林在《赶往火星》一书里面还提出了原位利用的概念。火星大气层的主要成分是二氧化碳，利用太阳能或者核能电解水产生氢（氧可以提供航天员呼吸），与二氧化碳反应就可以生成甲烷用于返回低火星轨道的推进剂。因此，完成飞行任务的空间堆送到火星地表的可以“发挥余热”，一物两用，较太阳能能够更稳定的提供电能，满足各种任务需要。

化学推进剂方案的火星任务，需要两艘货运飞船和一艘载人飞船组合完成

2005年，张福林创办了阿德斯特拉火箭公司（Ad Astra Rocket Company），在NASA的支持下研发VASIMR发动机。从10千瓦的VX-10样机起步到功率为30千瓦的VX-30样机研制的进展，让NASA认识到，VASIMR能够比现代化学动力火箭更快地前往火星。

2015年，NASA授予其为期三年、价值900万美元的合同，要求该发动机能在100千瓦下持续点火10秒或在50千瓦下持续点火1分钟，在2018年年中使发动机在100千瓦功率水平下持续点火100小时。目前最新的消息是在2017年底，该公司成功地积累了100小时的非连续大功率测试，氩气工质被加热到超过200万度。2018年5月，加拿大航天局宣布为该公司提供150万美元的资金，支持VX-200SSTM发动机2018年四季度进行的100小时连续高功率点火测试。

目前的高温超导材料技术日新月异，为整个VASIMR系统提升效能铺平了道路。笔者认为，VASIMR目前面临的难题不仅仅是耐久性，未来在提高推力和效率上还有很多工作可以做，但VASIMR的研制方向无疑是正确的。

齐奥尔科夫斯基是现代宇宙航行学的奠基人，他有一句名言：“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远被束缚在摇篮里”，随着技术的进步，人类终将自信地走出地球，踏上梦想已久的火星征途！