积跬步以至千万里——美国的新载人火星探测计划

□ 张雪松

红色的火星是太阳系内最可能存在生命的星球之一，具有很高的科研价值，它还拥有水资源和碳氮等重要元素，是未来人类星际殖民的最佳选择。正因为如此，火星探测是当今人类航天的热门，载人火星探测是几十年来也是未来几十年内人类航天的圣杯。

载人火星探测对人类航天技术提出了很高的要求，早期方案都由于规模太大和耗资巨大胎死腹中，今天美国航宇局喷气推进实验室的科学家们，使用航天技术的最新发展成果，为我们勾画了一幅经济可承受的载人火星探测方案。

不堪回首的过去

载人火星探测，早在人类登上月球前就是讨论的热门话题。20世纪60年代美国航宇局就曾论证过使用更大的“新星”火箭进行载人火星探测的方案，但“阿波罗”登月计划庞大的开销和美国国力的下滑，再加上苏联无力继续进行航天竞赛，让一切都化为泡影。尽管如此，美国对火星探测一直有着深厚的感情，20世纪70年代发射的“海盗”系列火星着陆器，现在看也是令人惊艳的设计。

20世纪80年代航天飞机服役后，美国再次开始将目光投向火星，不过此时的美国航宇局早已不复当年的干练高效，已经陷于严重的官僚主义，更像一个风烛残年的老人。经过多番讨论论证，1989年美国航宇局响应时任总统布什的号召，在《90天报告》里提出了基于“自由号”空间站的庞大载人火星探测计划。根据该方案，美国要建造巨大的“自由号”空间站，利用这个空间站在轨道上组建奔向火星的飞船，这个方案架构复杂不说，光是高达4500亿美元的预算，就吓坏了绝大部分人。载人火星飞行探测任务，也在很长时间里成为一个不值得认真考虑的高不可攀的目标。

美国航宇局此后又进行了大量研究和论证，先后提出了多个载人火星探测方案，最后一个官方发布的方案是2009年的DRA5，它吸收了最近20年来技术发展的成果，尤其是火星学会创办者祖布林提出的“火星原位资源利用”（ISRU）的大胆想法，同时用高比冲的核热推进（NTR）方式减少发射量，但即使如此DRA5方案中一次火星载人探测任务仍然需要7枚“战神”5号重型运载火箭和一枚“战神”1号运载火箭，发射到地球低轨道的货物量高达900吨以上。毫无疑问，这样的技术方案下载人火星探测仍然技术复杂、耗资巨大，不过美国始终没有放弃登陆火星的目标，即使“战神”5号火箭随着星座计划的取消而走向终结，美国仍然在研制新的重型火箭“空间发射系统”（SLS）继续进行载人深空探索，只不过目前路线更为灵活，计划先登陆小行星，继而环绕火星，最后实现登陆火星的伟业。

新时代的方案

2010年4月，奥巴马总统取消了重返月球的星座计划，但演说中也提到美国将继续进行载人深空探索，并计划在本世纪二十年代中期登陆小行星，三十年代中期环绕火星，最终实现登陆火星。为了实现这一宏伟的远大目标，美国航宇局及各相关机构进行了大量的研究，提出了各种五花八门的设计，力求在预算和时间压力下，多快好省地完成载人火星探测的最终目标。

美国航宇局正式提出了“小行星重定向项目”（ARM），不过这个方案最早是凯克空间研究所的提案。ARM项目中美国将发射一个使用太阳能电推进的小行星“捕获飞行器”，飞近一个近地小行星将其捕获，并将其运到月球轨道附近，然后再使用SLS火箭发射“多用途载人飞船”（MPCV），航天员爬过“捕获飞行器”登陆被捕获的小行星。根据今年的最新消息，由于找到大小、质量和姿态合适的小行星比较困难，该项目已经选择在小行星表面采集大块岩石运到绕月轨道的B方案，而原来捕获整个小行星并运输的方案遭到淘汰。这个项目最大的亮点就是它的太阳能电推方案，这个先进的推进系统赋予了它交会、捕获并携带大块岩石返回地月系统的可能。

响应载人深空探索最积极的公司当属波音，这与它是SLS的总承包商有很大关系。波音公司提出了以最近十多年来蓬勃发展的电推进系统为核心，利用成熟的太阳翼设计，构成太阳能电推（SEP）方案。为了提高性能，波音公司还在此基础上提出了增加大推力的传统化学火箭在轨道插入和脱离时加速的方案，这也是目前最有前途和最被看好的方案之一。

除了政府机构和相关的商业公司，以“灵感火星”为代表，一些私人也开始涉足载人火星任务领域。自费上空间站的蒂托提出的“灵感火星”方案，在概念上可谓别具一格：一艘载人飞船被射入自由返回轨道，这艘载两人的飞船将在火星表面100千米上空飞过，然后自由返回地球，航程约500天。这个方案最大的特点就是高风险和高费效比并存，一方面一旦发生意外航天员生还可能很低，另一方面只需要一艘重型“猎鹰”火箭发射，发射成本要比DRA5方案低得多。胆大包天的蒂托，为人们提供了一个飞向火星的新思路。

循序渐进的JPL方案

蒂托的“灵感火星”方案为人们开拓了思路，但他并非最早的先行者，祖布林1990年提出了“火星直击”方案，在一定风险下可以实现火星登陆。不过对于政府投资的航天探索项目来说这些方案的风险还是太高了，美国航宇局倾向于较为保守的方案，美国喷气推进实验室（JPL）的科学家们就此设计了一个循序渐进而且较为廉价的载人火星任务方案。

JPL的提案首先指出较早的DRA方案所需的资金远远超出了美国航宇局所能得到的预算，接下来他们指出，要做到一个经济上可承受的载人火星任务，首先要尽可能使用已有的硬件，其次要减小任务规模，这两点是喷气推进实验室方案的精髓。

1.火卫一“福波斯”任务

喷气推进实验室的方案将在目前的ARM任务基础上，首先访问火卫一——“福波斯”，任务时间定在2033年。载人登陆火卫一任务将是火星登陆的前哨战，它的核心技术之一是“太阳能电推拖船”，拖船将在载人任务发射前将必要的资产运送到火星轨道上，从而降低总的发射量和任务时间。福波斯载人登陆任务只需要4枚SLS火箭，其中第一枚火箭发射一个100千瓦电功率的“太阳能电推拖船”、“地球转移插入段”（TEI）和“福波斯转移段”（PTS），第二枚火箭发射“太阳能电推拖船”外加“福波斯生活舱”（Habitat），第三枚火箭发射“火星轨道插入段”（MOI）和“深空生活舱”（DSH），第四枚火箭发射4人乘组的“猎户座”飞船。

前两枚火箭发射的载荷在“太阳能电推拖船”推动下花费3.5年～3.8年时间到达火星轨道，其中福波斯转移段将等待载人的猎户座飞船，而福波斯生活舱将预置到火卫一上等待航天员登陆工作。后两枚火箭发射的火星轨道插入段、深空生活舱和猎户座飞船在高地球轨道对接，在第四枚火箭的“探索上面级”（EUS）的推动下进入奔向火星的轨道。经200天～250天的载人飞行抵达火星轨道附近后，“火星轨道插入段”点火工作，让组合体减速进入高火星轨道。火星轨道上“猎户座”飞船与“福波斯转移段”对接，转移到火卫一的轨道上并着陆，与原有的“福波斯生活舱”构成了一个火卫一表面的前哨基地。经过约300天的长期考察任务后，“猎户座”飞船返回火星高轨道并与待命的深空生活舱和地球转移插入段对接，由地球转移插入段点火工作将组合体送入地球转移轨道，并在200天～250天后回到地球。

喷气推进实验室的载人福波斯任务方案中，充分发挥了电推高比冲的优势，用时间换比冲将更重的纯货运载荷提前预置到火星轨道和火卫一上。“电推进拖船”将是目前ARM捕获飞行器的放大版，甚至可以简化到只将功率放大一倍到100千瓦、工质氙增加一倍到16吨，霍尔推进器数量增加一倍到8台。载人任务中无论是使用EUS奔向火星，使用PTS进行火卫一的往返，还是使用TEI完成返回地球的加速，都使用大推力的化学火箭尽量压缩任务时间。EUS是SLS Block IB火箭的上面级，而PTS或是TEI可以选用类似大力神II火箭第二级的成熟设计。根据说明，“福波斯生活舱”和“深空生活舱”将使用通用化的设计降低研制预算，质量约30吨，具备支持4人生活500天的能力，为了简化设计甚至没有独立的姿态控制系统。火卫一基地不仅可以支持4名航天员的长期工作，还可以收起着陆腿重新定位到其他地点，并在未来的火卫一探索任务中重复使用。

简而言之，这个方案不仅使用了更为合理的人货分运设计，并使用电推进降低任务规模，而且让电推进和化学火箭在合适的领域大显身手，同时电推进和化学推进都尽量在已有的成熟硬件上发展而来。喷气推进实验室的方案看起来复杂，但其实要比波音过于依赖电推进的方案更为合理。

2.火星短期驻留任务

喷气推进实验室的载人火星登陆方案，同样继承了火卫一任务设计特色，当然为了实现两人24天的火星表面短期驻留，需要的SLS火箭数量就要增加到6枚，而登陆火星的时间就要等到2039年。

载人登陆火星方案中，前两枚SLS同样用于发射“电推进拖船”、“地球转移插入段”、“深空生活舱”和“轨道转移段”，最后两枚SLS也仍然发射“深空生活舱”、“猎户座”飞船，中间两枚SLS火箭则用于发射大型 “火星着陆上升器”。所有货物和人员分别抵达火星轨道后，两名航天员从“猎户座”飞船转移到“着陆上升器”上，并着陆进行24天短期考察任务。航天员完成火星表面考察任务后，使用着陆器上的“火星上升飞行器”（MAV）回到火星低轨道，在这里“火星上升飞行器”与第二枚SLS火箭送来的“轨道转移段”对接后被送入火星高轨道，并与“深空生活舱”组合体对接，人员返回组合体。最后在地球转移插入段的推动下，4名航天员在“深空生活舱”中踏上回家的旅程。

这个方案中，“地球转移插入段”、“轨道转移段”、“火星轨道插入段”、“深空生活舱”和“探索上面级”都是已经得到检验的成熟硬件，真正的新硬件仅有“火星着陆器”和“着陆上升器”。“着陆上升器”的质量约为23吨,可以支持两人生活28天或是4人生活6天，它很大程度上借鉴了“凤凰号”着陆器的设计，当然23吨的巨大质量使它无法使用降落伞及时减速，只能使用超音速反推减速的概念，这是太空探索技术公司的“猎鹰”9号火箭曾进行过验证，美国航宇局也打算进一步研究的技术。

载人登陆火星任务的新硬件不多，但难度仍然增加了一些。主要是“着陆上升器”和“轨道转移段”都为了减重，使用火星大气进行气动刹车直接进入火星低轨道，尤其是23吨重的“着陆上升器”的气动刹车，未来也仍是一个不小的挑战。为了尽可能降低“着陆上升器”的质量和体积，使用原来的“福波斯转移段”做火星低轨道到高轨道的转移段，也需要增加一次对接，同样增加了任务风险。由于“火星生活舱”设计上只支持4人500天长期飞行，使用第二枚火箭发射的生活舱补给模块进行对接补给，也增加了任务的复杂度。不过对比整个载人火星任务规模的缩小和研制成本的降低，这些取舍是值得的。

3.火星长期驻留任务

为了进行长时间的火星表面科研考察，以及更遥远的建立火星基地，“地球转移插入段”载人火星探测方案也规划了火星长期驻留任务，火星表面的任务周期要达到1年左右，首次任务开始时间大致是在2043年。火星表面长期驻留任务再次展示了“地球转移插入段”方案使用成熟硬件的特色，它的总体方案和短期驻留变化不大，最大的不同是增加了一个由原来的着陆器携带的火星表面生活舱，从而支持4人火星乘组的长期居住。着陆器模块还可用于运送其他的物资，如时髦的原位资源利用设备。

更遥远的未来，在火星表面的原位资源利用设备的支持下，未来航天员可以在火星表面制造推进剂、水和食物，甚至是用火星表面的材料制造“房屋”增加居住容积，从而建成一个南极洲科考站级别的火星科研基地。

美国喷气推进实验室的载人火星探测方案，无论是技术的先进性上，还是在费效比上都不是最好的方案，但综合而言却是基于现实的选择。波音方案中全电推进系统和大型充气式生活舱的设计光彩夺目，“火星直击”方案中两枚SLS级别火箭实现4人火星表面长期考察的设计简洁高效，美国航宇局原来的DRA5方案中使用了诸如大直径生活舱、低温推进剂长期在轨储存、大推力核热发动机等先进技术也令人心动不已，但它们的缺陷在于不是技术尚在纸面上，就是风险实在太高。

喷气推进实验室的方案使用的几乎都是现有技术，最大限度地降低了研发阶段的开支和风险，同时又以电推进和化学推进的混合使用尽量降低了整个任务的规模，再加上方案设计中考虑了美国航宇局未来的预算情况，只要美国航宇局预算能随着通胀同步增长，就可以保证载人火星探测任务的顺利进行。方案最大的价值所在市告诉人们：通过这个精心设计的方案，人们不需要研制高不可攀的新技术，不需要冒全军覆没的巨大风险，只要使用现有和即将实现的技术，人类是可以一步步踏上火星表面的。