第 3章60多年来载人火星探测任务的规划 摘要： 基于David Portree的出色历史记载，载人火星探测计划已经有了60年以上的历史。从20世纪50年代Von Braun的构想开始，许多人开始尝试提出可行的载人火星探测计划。核热推进技术（nuclear thermal propulsion,NTP）的发展始于20世纪50~60年代。1968年波音公司公布了大量运用核热推进技术的载人火星探测任务的详细设计。波音公司1968年的研究为火星飞船所需的各种子系统和部件分析设立了极高的标准，不幸的是后来的许多研究均未能达到这个标准。火星飞船的设计贯穿20世纪70~80年代，在20世纪90年代，NASA开发了设计参考任务DRM系列DRM1和DRM3作为火星设计的标准载体。DRM系列引入了ISRU的重要用途，并且继续采用了核热推进技术。同一时间，Zubrin提出了“火星直通车”(Mars Direct)的概念，加州理工大学提出了“火星协会任务”(Mars Society Mission)的概念，2005年NASA出版了一份详细的DRM1研究总结，但是这个总结却没有得到后续支持。2014年NASA发布了“火星演化运动”（Evolvable Mars Campaign，EMC）,似乎EMC只是NASA另一个打了水漂的计划，一个似是而非并且完全缺乏详细工程计算的模糊且短暂的概念。当NASA开始着手于新的长期计划时，EMC就会被堂而皇之地废弃。经过60多年的规划设计，仍然没有任何可行的计划被发布。 Portree（2001）曾撰写过有关人类前往火星历程的文章。本章的某些部分着重参考了Portree的成果。除此之外，Platoff（2001）完成了1952—1970年的部分历史撰写工作。 值得注意的是，Portree和Platoff都尽力描述了那些在早些时候决定NASA研究方向和资金的政治背景，摘要中并没有将这些政治观点包括进来。我们强烈建议读者们阅读Portree和Platoff的文献以全面了解人类火星任务史的背景。 Portree写道： 1950—2000年，有超过1000份关于载人火星探测飞船的研究，其中大部分研究来自NASA和行业研究小组，其余则来自热衷于此的个人和组织。由于篇幅限制，此书只收录了50份研究报告(每年一个任务，或少于总数的5%)。这些收录进来的报告被认为是最具代表性的关于载人火星探测飞船技术的研究。 3.1Von Braun的版本 1947年和1948年，Von Braun写了一本关于火星探险队的小说，他将火星探险队的规模描述得非常宏大，包括10艘4000 t级的飞船和70名宇航员。使用3级运载火箭来运输组装飞行器所需要的部件，大概需要950架次运载火箭才能将物资输送到地球轨道，并且将火星飞船船队在地球轨道上组装好。 他(Von Braun)设想的是一支包含10艘星际飞船的船队，其上宇航员至少有70人。其中7艘飞船被专门用于运载人员来往火星和地球，剩下的3艘货船将装载用于在这个红色火星着陆的着陆船。飞往火星的旅程需要260天的时间，当飞船到达火星轨道时，3个着陆器会带着大部分的宇航员降落在火星，这些着陆器可能装载着机翼，用来利用火星上的大气进行飞行。 建造火星舰队所需要的物资质量在37000 t左右，Von Braun估算每一个运载火箭的运输能力是39.4 t，所以决定了在这项“火星计划”中在地球轨道上组装好火星舰队需要大概950架次运载火箭的运送量。他设想用46艘运载火箭来完成这项工程，运载火箭从发射至地球轨道到返回需要10天时间，于是完成整个工程需要8个月。 一些飞船的设计见图3.1。 在20世纪50年代早期，《科利尔杂志》（Colliers）出版了8篇文章来展示Von Braun的计划(见图3.2)。Platoff认为大概有1500万人阅读了这一系列的文章。《科利尔杂志》上的文章被拓展成由4本经典著作组成的系列书藉。1956年出版的那本《火星探险队》(The Exploration of Mars)包含了火星观测历史和当时最新的知识成果。Von Braun和他的同事Willy Ley认为，人类能利用现有技术(20世纪50年代的技术)实现火星登陆。这本书中所描绘的火星探险队是《科利尔杂志》在1954年设想的探险队的明显缩减版，只有两艘飞船和12名宇航员。运送探险队进入地球轨道所需的零件、推进剂和补给需要大概400架次的运载火箭的运力，每天发射两艘运载火箭，需要超过7个月的时间完成。 图3.1Von Braun火星探测任务的各类探测器（Encyclopedia Astronautica.Attributed to Mark Wade) 图3.2Von Braun火星探测工程刊发在《科利尔杂志》上的封面 《火星探险队》中所描述的火星探测任务和Von Braun的“火星计划”(Mars Project)有些相似，整个项目耗时2年零239天： 到达火星需要260天，在火星表面停留449天，然后用260天返回。虽然基本设计和Von Braun早年的计划相似，但最重要的区别就是探险船队的规模。和“火星计划”中至少70名宇航员所不同的是，该任务缩减到12人，并且宇航员的减少也使船只数量从10艘减少到两艘，其中1艘是用来载人的客舱，1艘被当作货船，每一艘在出发时的质量是1870 t。货船装载的最大的货物是一个177 t重的着陆船，它能装载9人并且当这些人在火星表面停留时给他们提供给养。着陆船外观和大型飞机相似，可以利用火星上稀薄的大气进行滑翔。当任务完成返回火星轨道时，宇航员会将机翼和起落架卸下并且将着陆船调整到竖直状态。当卸下所有不必要的部件之后，载有9名宇航员的飞船在升空时的总质量只有76 t。在火星轨道和飞船对接后，客舱和货船就会留在火星轨道，宇航员将飞回地球。 值得注意的是在20世纪60年代以前，人们普遍认为火星表面的环境和地球上的沙漠类似。 3.2NASA最早的概念 3.2.1早期的研究 1958—1959年，NASA的格伦研究中心(Glenn Research Center)［在当时叫刘易斯研究中心(Lewis Research Center)］的研究人员开始研究为火星探测飞船配备核热推进技术，并且该技术最终成了NASA的标准模式： 整个计划由在地球轨道上的运载系统开始。根据整个运载船的质量，可以选择将其整个发射到轨道上，或者是在轨道上进行组装。载有7名宇航员的飞船通过大推力核动力火箭被推进到地球至火星的转移轨道上。当到达火星时，飞船减速并开始进入环绕火星轨道。一个登陆舱载有两名宇航员进行火星登陆。在探测结束后，这些宇航员将搭乘化学动力火箭返回火星轨道并且在火星轨道上与返回舱进行对接。之后返回舱会加速进入返回轨道，当其到达低地球轨道(LEO)附近时，地球着陆舱会和火星返回舱分离并且减速，然后带着所有宇航员返回地球表面。 3.2.220世纪60年代早期的研究 1961—1962年，马歇尔研究分部(Marshall’s Research Project Division)的Ernst Stuhlinger提出了一个载人火星探测飞船计划，目标是在20世纪80年代早期登陆火星，这个计划包括5艘150 m长的火星飞船，每一艘飞船载有3名宇航员。之所以进行人员缩减是基于安全方面的考虑。每个钻石形的飞船质量为360 t(显然IMLEO为1800 t)。3艘A级飞船各自配备一个70 t的火星着陆舱。登陆人员会在火星上停留29天。每一艘飞船都装配一个核反应堆来驱动涡轮或发动机，为一个电动推进器提供40 MW的能量。每一艘船都携带了120 t或190 t的铯作为核动力原料。通过每分钟旋转1.3次为飞船提供大约0.1g的人工重力。位于与船员舱相对一端的核反应堆也同时是人工重力的配重物。 1962年，NASA的未来项目研究室发布了关于早期载人星际往返探险（Early Manned PlanetaryInterplanetary Roundtrip Expeditions,EMPIRE）的研究，并且建立了三个项目来研究新的超大型火箭（Nova）、核动力火箭和先进人造飞船的应用前景。其中之一便是利用两艘不同飞船(代号Direct和Flyby)的飞越交会(FlybyRendezvous)模式。无人驾驶飞船Flyby会比载人飞船Direct提前50~100天离开地球轨道，开始其200天飞往火星的旅途。而携带登陆器的Direct飞船经过120天的大推力飞行会比Flyby飞船提早到达火星。之后宇航员会登上登陆器并把Direct飞船遗弃。登陆器会在火星上登陆，而Direct飞船则会飞离火星轨道进入太阳系轨道。40天后Flyby飞船会在火星周围经过并且开始返回地球的航程，宇航员会进入一个升空舱内，飞离火星大约两天后和Flyby飞船进行交会对接，见图3.3。这种方法存在一个明显的风险，就是返回地球的飞船不在一个封闭的火星轨道上运行。升空舱只有一次机会来和快速飞行的Flyby飞船进行交会对接，而一旦错过了交会对接的时机，宇航员就可能会在宇宙中殉难。后来在1983年，SAIC计划采用了相同的方法，SAIC认为“该风险可以接受”，但是Portree打趣地说道，他不知道那些宇航员是不是这样认为的。 图3.31962年火星短停留方案的时序 1963年，约翰逊航天中心（Johonson Space Center，JSC）的创始人提出了三个火星探测任务的备选方案。他们宣称在火星上使用了核动力火箭和航空制动之后，可以使工程的IMLEO值从超过1000 t降低到原始质量的1/3。 1964年，NASA的艾姆斯研究中心（Ames Research Center，ARC)建立了一个项目来研究无核火星登陆，目的是减轻质量。TRW系统组(TRW Systems Group)的目标是在1975年实现首次载人火星登陆。他们宣称全部任务所需的IMLEO是3600 t，而当采用了航空制动之后任务所需的IMLEO将降到700 t。 1964—1965年的一个马歇尔太空飞行中心（MSFC）的研究认定，在20世纪70年代中后期，通过使用土星运载火箭和其他阿波罗计划中的硬件，可以在技术上实现载人火星飞越任务。像以前一样，在火星任务中使用的航空制动技术被视为减轻质量的主要措施。整个计划需要6艘土星五号运载火箭和1艘土星IB号运载火箭。 1965年，NASA建立了行星联合行动组(Planetary Joint Action Group，JAG)来进行对人类探测火星任务各个方面的研究。NASA资助了12个研究课题来支持JAG。1966年10月，JAG发布了其第一阶段的报告，结论包括： ①载人飞越飞船应当先登陆火星； ②如果希望实现一种灵活的火星登陆计划，即不考虑能量需求而随时登陆火星，那么核动力推进技术就是必不可少的。这种任务的实现需要在12 h的间隔内发射3艘加强型土星五号运载火箭——这需要很高的技术。 土星运载系统成功地向LEO输送了超过100 t的物资，极大地鼓舞了火星计划的研究者们，虽然当时NASA将研究中心转移到了阿波罗计划，越南战争等政治因素也对此产生了极大阻碍。1960年早期还是出现了一些关于载人火星任务的研究，Portree和Platoff记叙了一些关于这些研究的描述。 3.2.3核动力火箭的发展 对核发动机在运载火箭上的应用(nuclear engine for rocket vehicle application，NERVA)的研究始于20世纪50~60年代。NERVA是一种实芯核热发动机。氢推进剂通过一个铀核反应堆加热，使推进剂转化为等离子体，迅速膨胀，并排出喷嘴，产生推力。核热火箭比化学动力火箭具有更高的效率，意味着其完成相同工作所需要的推进剂要比对等的化学动力火箭系统少得多。 1961—1962年，NASA完成了初步的NERVA设计并且组装了一个约6.7 m的发动机样机。最初的三引擎地面试验同时警报故障，所以飞行试验被推迟了。1963年，NERVA的重点转向针对地面的研究和技术开发。1964年成功进行了地面测试。1967年12月完成了一个60 min的地面测试。核热火箭的相关内容将会在本书4.4.3节和4.12.2节中讨论。 3.2.4波音公司在1968年所做的研究 20世纪60年代中后期有大量的研究指向人类如何实现探险火星的计划，并估算了这类任务的各种要求。1968年1月，波音公司发表了长达14个月对核动力飞行器进行细致研究后得出的成果。将它从众多研究中单独提出来讨论的原因有4个： ①这项研究内容深入而详细； ②这篇文献可在互联网上找到Boeing Integrated Manned Interplanetary Spacecraft (IMIS) (1968).http://www.secretprojects.co.uk/forum/index.php?topic=7583.0.； ③这个概念的提出是经过深思熟虑的； ④和其余项目不同，波音公司并没有试图通过低估项目的要求来推销他们的计划。 Portree对波音公司这个研究的评论是消极的“晕眩”，他将其中的飞行器称为“巨兽”和“设计夸张的火星飞船的巅峰”，但是波音公司的计划是经过精心设计的，他们所采用的架构设计在当时是一种很有效的设计模型，虽然与20世纪90年代和21世纪头10年的设计格格不入。除此之外，波音公司的概念可以利用从一颗小行星中获取的氢能来驱动核热火箭，从而可以不使用重达240 t的运载火箭。 波音公司飞船的概念和1962年EMPIRE任务有相似之处。波音公司没有使用两艘飞船，而是在地球轨道上组装一艘巨型“巨兽”飞船来发射所有飞往火星的飞行器。图3.4描述了这种飞行器。 图3.4波音1968年航天器的组装方案 航天器部分长度33 m，推进部分长度144 m，总长度为177 m 表3.1是波音公司1968年推进方案中的航天器质量分布。 表3.1波音公司1968年推进方案中的运载器质量 任务组成模块 质量/kg 地球再入模块 7893 任务模块 37603 任务模块连接级 4854 火星漫游模块 43224 探测器 11104 火星漫游级火星漫游级(Mars excursion module，MEM)。和探测器连接级 4672 返回段中途推进模块 1823 推进模块3 174078 续表 任务组成模块 质量/kg 轨道调整推进模块 7720 推进模块2 243084 前往段中途推进模块 14352 推进模块1(3个单元) 685430 地球轨道初始质量 1235838 表3.2是推进模块的质量。 表3.2波音1968年推进方案推进模块质量（单位： kg） 项目 推进模块 1 2 3 储箱 50268 16756 16756 斜度隔板 4472 1492 1492 储箱支撑机构 10247 3420 3420 隔热材料 2536 971 1560 发动机 38824 12941 12941 推力矢量控制单元 2722 907 907 推进伺服 680 227 227 推进结构 1293 431 431 级间设备 5484 2830 2830 流星型护盾 57154 19051 19051 连接级 15676 5225 5225 11%的裕量 3633 7067 7131 未使用的燃料 21228 4123 2440 推进系统总净重 214217 75443 74413 可操作推进物 459896 167641 99665 可操作推进物净重 0.47 0.45 0.75 比冲/s 850 850 850 图3.5的（a）~（f）是波音公司1968年设计的飞行器图示。 波音公司1968年的研究为载人火星任务所需的各种子系统和部件的详细分析建立了极高的标准，不幸的是随后跟进的研究均未能达到这个标准。 1968年之后华盛顿的政治氛围使得载人星际飞行计划被搁置，波音公司1968年的研究是当时最后的一个项目。这种情况一直持续到20世纪80年代末期。1968年越南战争的到来终结了载人星际飞行计划的命运。 图3.5波音公司1968年设计的飞行器 （a) 使用3个PM1核热火箭从近地轨道出发； （b) 抛掉3个PM1核热火箭并中途修正； （c) 点燃PM2核热火箭进入火星轨道； （d) 进入火星轨道时抛掉PM2核热火箭； （e) 火星漫游级(MEM)下降至火星表面而任务级(mission module, MM)停留在火星轨道； （f) MEM上升与MM交会； MM点燃PM3核热火箭驶离火星返回地球。抛掉MM，地球进入级再入地球