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不可能完成任务:“火星一号”计划

2017-8-8 00:46| 发布者: redadmin| 查看: 262| 评论: 0|来自: [db:来源]

摘要: “火星一号”是一家来自荷兰的非营利组织,根据其创始人巴斯·朗斯多普的设想,他们将从全球志愿者中选拔4名宇航员前往火星,2014年将打造出火星登陆计划的第一颗通讯卫星,2016年使用SpaceX公司的“龙”式飞船将物 ...
  “火星一号”是一家来自荷兰的非营利组织,根据其创始人巴斯·朗斯多普的设想,他们将从全球志愿者中选拔4名宇航员前往火星,2014年将打造出火星登陆计划的第一颗通讯卫星,2016年使用SpaceX公司的“龙”式飞船将物资运送到火星,2018年发射火星探测器并确定人类首个火星定居点,2021年使用“龙”式飞船将宇航员生活舱送往火星,其中包括两个居住舱、两个补给舱以及两个生命支持模块,2022年还是通过“龙”式飞船将4名志愿者送往火星,2025年再次派遣4名志愿者登陆火星,到了2033年,火星定居点的志愿者数量将达到20名,第一批次火星登陆计划将耗资60亿美元。  仅从计划表上时间和资金上的投入可以看出,“火星一号”必然是不可能完成的任务,美国宇航局评估的火星载人登陆计划至少需要30年的时间进行准备,耗资将超过4000亿美元,在阿波罗登月计划后期,NASA的工程师们就着手拟定火星载人登陆,仅在准备阶段就需要进行10次发射,使用土星五号重型火箭将火星登陆飞船等物资送往近地轨道,在轨道上组装成一个大型的补给站,为火星之旅提供足够的燃料和生命保障系统。
不可能完成任务:“火星一号”计划
  同一批次前往火星的飞船至少保持3艘,通过260天左右的飞行抵达火星轨道附近并减速,宇航员进入登陆火星的飞船上,采用弹道-升力式轨道进入火星大气并登陆,在完成火星任务后通过上升式返回舱抵达近火轨道,完成返回发射作业。即便将返回计划完全撤销,“火星一号”任务也将面临诸多重大难题,且不论如何保障志愿者的生命,仅仅是登陆火星所需的物资远非发射载荷为6吨的“龙”式飞船所能承担,从宏观层面上看,“火星一号”任务将面对如下难题:  一.“火星一号”任务采用的飞船和火箭能否胜任火星之旅?
“火星一号”任务采用的飞船和火箭能否胜任火星之旅
  根据巴斯·朗斯多普的设想,“火星一号”任务将采用“龙”式飞船与猎鹰系列火箭,这两款由SpaceX公司打造的组合式往返系统主要用于对国际空间站的补给,“龙”式飞船在2012年5月完成了第一次对ISS的补给任务,除燃料外的载荷为3.3吨,货物体积为14立方米,而猎鹰9号火箭的近地轨道载荷为10吨。  火星任务的复杂性决定了不可能通过一艘飞船完成全部的任务,需要使用多艘飞船在地球轨道、近火轨道等位置进行交会对接、分离,形成多样性的飞行体系。著名的火箭专家冯·布劳恩设想的火星载人飞行方案中,需要10艘飞船组成庞大的转移体系,总质量达到3.7万吨。有研究认为前往火星的飞船编队需要80吨级火箭进行多次发射,在近地轨道上进行组装,相比之下猎鹰9号火箭的运载能力仅为10吨,NASA正在研发的SLS火箭将有70吨与130吨两个版本,前苏联的能源号火箭可将100吨载荷送入近地轨道。  “龙”式飞船是一款典型的近地轨道人货运输飞船,相比之下,NASA的猎户座飞船和波音公司的“发现”号火星飞船在设计上更加适合远距离空间飞行,尤其是“发现”号采用了双模式的热核火箭发动机,可满足火星与地球之间的双向空间飞行,多舱室的设计可保证宇航员在行星际空间飞行时有足够的安全保障和燃料供应,还可胜任木星卫星群的探索任务。  二、物资和燃料补给问题
物资和燃料补给问题
  以“发现”号宇宙飞船为例,飞船主体包括乘员舱、工程舱、服务舱以及四个大型主推进剂舱,每个推进剂舱可携带六个副存储箱,还配备了捆绑式助推器,通过模块化的设计完成不同的空间探索任务。通常情况下,采用霍曼转移轨道可以降低火星之旅的耗能,由于热核火箭发动机技术在未来10年内无法问世,采用化学能推进的飞船需要携带更多的燃料。  火星之旅的动力航程可分为三个阶段,但是单程的“火星一号”撤消了火-地推进要求,仅保留地-火和近火轨道推进动力,有研究计算得出的结论认为,这两项动力需求就需要1300吨左右的推进舱质量,其中包括了主发动机质量、推进剂质量等,“龙”式飞船的直径只有3.6米,有效载荷仅为3.3吨,显然两者相去甚远。按照最低的质量要求,前往火星至少需要700吨左右的出发质量,如果采用100吨级的重型运载火箭,通过人货分离的发射方式,也需要8次左右。  按照设想,抵达火星后的志愿者们将使用太阳能电池板作为主要能量来源,NASA之所以将好奇号打造成核动力,就是避免火星上恶劣的沙尘暴覆盖太阳能电池板,导致其失效,根据NASA此前数辆火星车的探索经验,凤凰号、火星探测漫游者等都是电池板永久性失效无法供能。  三、人类能否安全渡过300天左右的地球-火星飞行
人类能否安全渡过300天左右的地球-火星飞行
  科学家已经规划出飞往火星的轨道,大约分为四种,即霍曼轨道、大椭圆轨道、抛物线轨道以及金星借力轨道,按照最低4名志愿者的要求配置近地轨道出发质量,霍曼轨道要求的起飞质量最低,但飞行时间最长,需要将近500天,而飞行时间最短的抛物线轨道也需要300天左右。  长时间的空间飞行将会导致志愿者未抵达火星之前就出现各种空间疾病,比如骨生成和吸收障碍、免疫功能丧失等问题,有研究表明,空间飞行可导致人体淋巴细胞线粒体数量和细胞骨架发生变化,并最终死亡,T淋巴细胞增殖受到抑制,有丝分裂能力降低。除了人体自身功能降低外,还可导致身体内潜伏的病毒激活,有研究发现宇航员在返回地球后,尿液中巨细胞病毒数出现增加,带状疱疹病毒可以被激活,一方面人体的免疫机能下降,另一方面潜伏的病毒出现活化,这种情况进一步加剧了行星际空间飞行的危险性。  四.“龙”式飞船是否具备安全降落火星的能力
“龙”式飞船是否具备安全降落火星的能力
  从上述论证可以看出,“龙”式飞船仅仅是以执行ISS人货补给任务为主飞船,要进行地球与火星间的空间飞行,必然要做出重大改型,即便是单程火星之旅,也应该考虑如何将志愿者安全送往火星表面。目前利用火星大气降落火星表面的技术有三种:分别为弹道式、弹道-升力式进入以及升力式降落等,这三种方式均在近地轨道上实验过,比如返回式卫星采用了弹道式;阿波罗飞船返回地球时采用了弹道-升力式;航天飞机一般采用升力式降落。  假设“龙”式飞船从近地停泊轨道出发,完成地-火转移轨道后进入火星停泊轨道,志愿者乘坐飞船需要具备多重超音速减速装置和反推发动机,另外还需要一些运气才能安全降落火星,毕竟无法采用NASA勇气号的弹跳式着陆,而好奇号的“天空起重机”技术过于冒险。好奇号重达1吨的质量使得工程师们绞尽脑汁想出了不可思议的着陆方式,“龙”式飞船是否能安全度过那恐怖的七分钟,无疑是个大问题,有研究显示气动捕获技术可以用于火星、金星以及土卫六等天体的登陆,要运用于火星载人任务还需要进一步探索。  五.人类能否在火星殖民地内生存?
人类能否在火星殖民地内生存?
  对于封闭性的模拟生态环境,最典型的例子要数“生物圈二号”,该任务也是探索未来火星等外星殖民的可行性,两次实验均表明我们目前还无法复制完整的自供自给封闭式生态系统,火星基地内的封闭式生态环境依然会逐渐走向衰亡。除了志愿者依托的小型生态系统外无法持续发展外,空间疾病、机械故障都可能摧毁脆弱的第一批志愿者小组,尤其是空间心理问题依然处于探索阶段,NASA曾经研究过长时间的空间飞行对宇航员心理的影响,并在长达1051页的《国际空间站安全手册》中明确规定,对出现自杀倾向或者精神异常的宇航员采取捆绑、注射镇定剂等措施。  人类目前的生理机能还不足以成为适合远距离空间飞行的物种,还是一种脆弱的地球生物,离开重力场、大气压环境以及磁场都无法长期生存。当前的宇航技术基本具备了使用无人探测器对全太阳系探索的能力,行星着陆方式依然限于无人探测器,载人的行星际空间飞行在未来十年内可能无法完成,阿波罗计划的成功需要考虑美苏太空竞赛的大环境因素,仅是一个非营利性机构提供的60亿美元,远没达到火星探索的资金下限,NASA将重达900公斤的好奇号降落火星就花费了25亿美元,“火星一号”也仅是一个“真人秀”节目。

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