VASIMR发动机让39天去火星成为可能（上）

　　来源｜原创： 超级Loveovergold 转载于：航天爱好者网
　　作者说
　　导语：十年前看阿凡达，气势磅礴的星际飞船带着烧红了的翅膀，飞向潘多拉星球，继而引发了一个外太空拆迁中的爱恨情仇……一转眼，马斯克的不锈钢飞船和猛禽发动机让我们感受到离载人火星之旅越来越近。然而，依靠化学能的火箭发动机是不是最合适的行星际飞船动力？还是NERVA的核热动力氢工质火箭发动机？本期我们来聊聊更有前景的可变比冲的磁等离子体（VASIMR）发动机。
　　本文作者：超超级Loveovergold，作者授权发表
　　火星是地球的近邻，直径约为地球直径的一半，但很多方面和地球冥冥中类似，比如火星的昼夜是24小时37分钟，和地球很接近；自转轴的倾角是25度，会有和地球非常类似的四季，不过她的公转周期为686天（667个火星日），每个季节放大到了地球的两倍。火星由此被认为是最适合人类移民的星球，这或许是人类走出地球摇篮的第一步。
　　图1.地球和火星，冥冥中有诸多相似之处
　　载人火星之旅并不是带着换洗衣服推着拉杆箱就出发，衣食住行都得考虑，要带的东西好多！最简配，两人成团，按自由返回轨道绕行火星旅程安排（不落地、不插旗），行程也长达500天，循环利用也要净消耗氧气897公斤，水2235公斤，食品1384公斤；如果要登陆火星，火星地表大气压为地球海平面大气压的0.6%，远比地球小，而且火星上风大，虽然没电影《火星救援》开篇灾难那么夸张，但风沙天还是经常有，永久、半永久增压生活舱都得厚实牢靠，同时火星上外出要穿特殊的压力服。因此去往火星之旅，必定需要带上很多装备，必须要有强有力的火箭作陪。
　　图2.火星上外出要穿特殊的压力服
　　载人火星落地插旗的具体行程安排，比较可行的是轨道组装载人火星飞船组合体方案，由6步组成：
　　第一步：运载火箭多次发射，把登陆火星飞船、转移居住舱、返回地球舱、推进舱分批次运送到低地球轨道（LEO），在低地球轨道把上述部件组装成载人火星飞行任务的大型飞船组合体。
　　第二步：上面级火箭发力，组合体步入地球-火星转移轨道。
　　第三步：经过数月的飞行接近火星，组合体修正速度，进入低火星轨道（LMO）。
　　第四步：宇航员从转移居住舱转移到登陆火星飞船，登陆火星飞船（含在火星生存的表面居住舱，降落火星的下降舱和从火星起飞的上升舱）分离减速，在火星表面着陆，宇航员在火星表面进行探测和研究。
　　第五步：宇航员乘坐登陆火星飞船上升舱起飞进入低火星轨道（LMO），与留在近火轨道上的组合体对接，踏入火星-地球转移轨道回程。
　　第六步：组合体减速回到低地球轨道，乘员舱与之分离再入大气层，完成载人火星探测及返回地球任务。
　　怎么样，看着是不是特别复杂、特别难？其实这6步和登月并没有本质区别，当年冯布劳恩倾尽全力牵头研制的土星五号火箭成就了整个阿波罗计划，对于载人火星之旅而言，如果有了给力的火箭推进技术，其实也不难，当然前提是有足够多的钱和新技术。
　　对于载人火星之旅，卡脖子的是送货至LEO和往返于地球-火星转移轨道两步。
　　一、送货至LEO其实只要有钱就行
　　火星之旅需要把上百吨的物资首先送到低地球轨道，而这些物资的体积比较大，对火箭整流罩的尺寸、容积都有要求，小火箭蚂蚁搬家的模式空间组装任务复杂。不过冷战期间的太空竞赛着实出现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火箭，LEO的运送能力达到了惊人的140吨，而且从未有失败的记录。另外航天飞机改装方案也是可行，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，其LEO最高运载能力也达到71吨。
　　图3.图纸上的Shuttle-C
　　（有兴趣进一步了解Shuttle-C的可以参见往期文章：不灭的太空探索精神（下）航天飞机研发史）
　　作为竞争对手，苏联研发了重型运载火箭能源号（Energia），能源号并非仅仅为了暴风雪号，设计师瓦连京·格鲁什科（ValentinGlushko）雄心勃勃的制定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NewGlenn也是完全可以期待。
　　图4.各种超大运载能力的巨型火箭
　　二、往返地球-火星的舒适旅途，关键还是看速度增量
　　在低地球轨道的组合体整装待发，但要指出，往返的火星之旅轨道非常关键。地球绕太阳两圈的时间里，火星大约绕一圈多一点，这个过程中地球和火星在公转轨道同侧的最近距离在5500万公里左右，此时路程最短，但由于地球公转有29.79公里/秒的速度，借这个力奔向火星的方案远比直直的过去要明智，可以节省大量改变航向的推进剂。
　　这里要引入速度增量这个概念，改变速度才能改变轨道，而改变幅度越大则意味着所需消耗的燃料越多，因此改变轨道所需的速度变化自然成了一个重要的衡量指标，通常使用希腊字母Δ指代变化，速度变化便是ΔV，常以dV简写。比如从地球表面发射卫星到LEO，大约需要9.4公里/秒的速度增量，包括突破第一宇宙速度必须的7.8公里/秒，也包含克服大气阻力和重力的1.5-2公里/秒的速度增量。
　　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，如下图，沿着地球公转的切线方向，利用地球公转的29.79公里/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，由于克服太阳引力，速度从一开始的32.73降为21.48公里/秒，虽然赶不上火星24.13公里/秒的公转速度，但2.65公里速度差低于火星5公里/秒的逃逸速度，很容易在火星着陆。
　　图5.最省力也是旅途漫长的霍曼转移轨道
　　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，现有化学火箭便可完成！不过是慢车，去程达到259个日日夜夜，大概8个多月，而且由于不进入绕火星轨道，任务风险大。事实上，你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特定的相对位置，让返程花费的能量相对合理。如果来回都采用霍曼转移，对不起，你得在火星上待550天左右，总任务时间需要3年。
　　实际的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，好比是你淘宝买了一个大件走物流，价格公道能够安全送达即可。对于宇航员来说，航行时间的长短，牵涉到生活必需品的消耗，也牵涉到宇航员心理问题、生理问题（钙质流失）、太空辐射问题。行星际空间的宇宙射线辐射对人类宇航员会造成长期的健康风险，大规模太阳风暴的风险甚至可能在几小时内杀死无保护的宇航员。因此必须创造条件以减少星际旅行时间，最大程度的保护宇航员免受辐射，也会最大限度地减少他们往返所需要携带的物资。
　　那么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，把速度增加到极限是否可行？如下图所示的快速转移轨道，在LEO给予组合体12.34公里/秒的速度，叠加地球公转速度合计达到42.12公里/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，测算需要20.31公里/秒的速度增量，才能把组合体的速度从34.13公里/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是一项特别艰难的任务，要知道突破海拔100公里高度的卡门线，仅仅是1.4公里/秒的速度增量已经把很多国家和企业拒之航天门外。
　　图6.暴力任性的70天快速转移轨道，然而需要巨大的速度增量开销
　　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，后续再无更新），参考架构论证了前述冯·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6百多天，但对于发射窗口要求很高，整体速度增量大，对宇航员的辐射相对较高，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，宇航员在火星上老老实实的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，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，具体策略归纳起来有以下几个特点：
　　1、采用了人货分离、装备先行。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的等待发射窗口打开，先于航天员发射前两年，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公里）上。
　　图7.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
　　2、由于不携带辎重，宇航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公里左右，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，利用火星大气制造宇航员返回上升级的推进剂。在火星地表，宇航员的停留时间为539天，返回地球的时间为201天，总任务持续时间为914天。
　　图8.如果任务设定在2037年，载人火星任务方案图
　　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公里/秒。
　　三、彻底缩短火星之旅，NEED FOR SPEED，技术革新才是王道
　　是否可以利用金星的引力弹弓？是否可以使用核热动力火箭？美国在上世纪60年代开发的核热动力火箭，比冲接近900秒，详见往期文章《并不是异想天开，热核动力火箭——无畏的先驱者》。很多科学家致力于研究更短的火星之旅，登月功臣冯∙布劳恩1969年描述了一个冲点轨道火星飞行任务，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，详见《太阳能电推进——静止轨道通信卫星瘦身减重治疗方案漫谈》，比冲达到了3000秒，但推力极低，在几百毫牛量级，只能用时间换空间去火星，但从地球缓慢旋转出来意味着在范艾伦辐射带中长时间滞留，这会给宇航员致命的辐射剂量，因此并不适合宇航员的火星之旅。这里要介绍借鉴核聚变的技术，降维碾压现有火箭推进技术的VASIMR发动机。
　　本篇算是铺垫，大戏下期开始！
　　——未完待续——