祝融火星巡游，神舟载人上空间站，中国载人登火方案也来啦

　　今年五、六月份，中国航天方面的大新闻实在是太多了，先是祝融成功登火巡游，再有天和核心舱升空，现在神舟十二号载着宇航员进入空间站了。星辰大海的时代真的展现在中国人民的面前！
　　GLEX 2021
　　6月14-18日，在俄罗斯圣彼得堡召开的2021年度＂全球太空探索大会＂（Global Space Exploration Conference，GLEX2021）上，中国给出了载人登火的规划。中国运载火箭研究院院长王小军做了题为＂人类探索火星之太空运输系统＂（Space Transportation System of Human Mars Exploration）的专题报告。
　　王小军
　　报告中不仅仅有登火的规划，还有建立火星基地，大规模利用火星资源，甚至实现地火经济圈的设想。
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　　和中国很多的规划一样，登陆火星也是三步走。第一步，派探测器登火。已经规划的任务有：火星土壤取样返回；火星基地选址；原位资源利用（in-situ resource utilization, ISRU），即就地开采利用火星资源。
　　中国载人登火三步走战略
　　其中火星取样返回工作已经确定，也就是天问二号任务，应在2028年发射。按照下面PPT页面显示的内容，新的火星取样返回任务将要做地球轨道组装，使用大型或者重型火箭拼接好之后，奔赴火星。一般重型火箭指的是类似于长征五号那样，地球低轨道运力在20到100吨之间的火箭。在这之上的则是超重型火箭。
　　中国火星无人探测器路线图
　　至于火星基地选址，大概率就是天问一号降落的乌托邦平原。对于刚登上火星的人类来说，火星上最重要的资源就是水，或者说水冰，因为火星上的水都冻着呢。
　　祝融号登陆火星的位置
　　乌托邦平原位于火星北半球，属于地势比较低的地方。几十亿年前，火星很可能存在过海洋，乌托邦平原曾经为海洋所覆盖。因此，乌托邦平原之下应该有大量的水冰。2016年，NASA宣布在乌托邦平原之下，发现大量的水冰，相当于美国五大湖之一的，一个苏必利尔湖的水量。
　　火星海洋变迁（时间单位：十亿年）
　　这次祝融火星车携带的探地雷达，就是要寻找埋藏于地下的水冰的具体位置。实际上，1976年同样是降落在乌托邦平原的海盗二号，就拍到了乌托邦平原表面覆盖的冰霜。总之，乌托邦平原是火星上的水冰富集区。
　　海盗二号拍摄的乌托邦平原照片，注意白色的霜
　　为什么火星上的水这么重要呢？水除了是人体必需品，更重要的作用是生产燃料。比如合成甲烷，作为火箭燃料。这样火箭从火星表面起飞的时候，就不需要使用从地球上带来的燃料，而是利用火星上的资源生成。所谓的ISRU就是这个意思，利用火星资源，为探索火星服务。
　　MOXIE结构
　　前不久，美国毅力号火星车携带了一部名为MOXIE的设备，在火星上合成了氧气。这是人类首次火星ISRU实验。未来中国要在火星进行ISRU实验的话，可能要实施更多的火星任务。
　　载人登火路线图
　　报告的重头戏是载人登火的实施方案，大致步骤是这样的：
　　第一步：在地球低轨道（LEO）进行飞船组装，货运飞船和载人飞船分开；
　　第二步：飞船组装完毕，把飞船从LEO送入地球高轨道（HEO）；
　　第三步：宇航员从地面起飞，到HEO进入载人飞船；
　　第四步：货运和载人飞船从HEO出发，到火星轨道汇合；
　　第五步：货运飞船上的货物直接落火；
　　第六步：载人飞船上的人员进入火星下降/上升器（Mars Descending and Ascending Vehicle，MDAV）；
　　第七步：人员乘坐MDAV降落火星；
　　第八步：人员在火星完成500天考察；
　　第九步：宇航员乘坐MDAV回到火星轨道，进入载人飞船；
　　第十步：乘坐载人飞船回到地球。
　　为什么整个流程要设计成这样呢？这里我们给一个深度解读。
　　运输系统设计
　　让我们从第一步开始说，为什么要在地球低轨道进行组装？简单来说就是，去火星的飞船质量太大，一发火箭根本搞不定。从上图中的第二列我们可以看到，要发射七发起飞重量为4000吨级的重型火箭来组装飞船。所谓的4000吨级火箭，应该就是开发中的长征九号，估计一枚长九就能把120吨以上的货物送入地球低轨道。
　　长征九号与新一代载人火箭（921火箭）对比
　　具体发射流程是这样的。首先一发长九把摆渡级发射到地球低轨道。这个摆渡级负责把飞船从LEO提升到HEO，然后飞船再从LEO出发。为什么要从HEO出发呢？因为省燃料啊。所谓的地球高轨道，HEO，指的是轨道高度比地球静止轨道，即距离地面35786km的地方，还要远的轨道。
　　Del 地球到火星与月球的Delta-V数据
　　在航天工程中，一般用速度变化，即Delta-V，来代表飞船改变轨道时所要消耗燃料的多少。从LEO到火星转移轨道通常需要4.3km/s的Delta-V，而仅从LEO到GEO就需要3.8km/s的Delta-V。因此，从HEO出发能节省很大一块Delta-V，肯定要多过3.8km/s。
　　摆渡飞船与MDAV设计
　　摆渡飞船使用电推进技术，利用核能产生的1MW电力，通过磁场加速等离子体实现推进。电推进比冲很高，省燃料，但是推力小，变轨需要的时间长。不过在地球附近，多花点时间不是问题。
　　核电推进原理图
　　摆渡飞船燃料耗尽后，要在地球低轨道加注燃料，为此要专门发射一枚长九给摆渡飞船补充燃料。轨道加注技术是SpaceX开发星舰要用到的技术，也是未来太空飞行所必须的技术。看来中国必然会开发轨道加注燃料技术。
　　在轨加注燃料
　　此外，货运飞船需要三次长九发射，载人飞船需要两次。货运飞船重量为328吨，载人飞船为246吨。然后发射千吨级火箭，人员乘坐太空船进入地球高轨道，与登火载人飞船汇合。这里的千吨级火箭，可能是开发中的921火箭光杆版。921火箭采用CBC架构，即两个助推器和芯级是一样的，整体起飞重量超过2000吨，能直接把21.6吨的登月飞船送入月球轨道。
　　921火箭效果图
　　从前面的＂运输系统设计＂一图可以看出，载人太空船的重量，含宇航员时约为25吨，宇航员人数有可能为4-6人。使用921火箭发射太空船到地球高轨道时，估计可以不用两个助推器。
　　飞船设计
　　这之后货运飞船和载人飞船分头出发赶往火星。为什么要搞人货分离，分成载人飞船和载货飞船呢？这是因为货运飞船对防宇宙辐射等安全性方面没有太高要求，故此可以减轻结构重量。从上图可以看到，货运飞船的结构系数为0.38，而载人飞船是0.40。结构系数，structural coefficient，是去除了燃料之后的飞船空重与带上燃料的总质量的比值。在保证安全的前提下这个值是越小越好。因此，人货分离可以从总体上降低结构系数，
　　神舟十二与天和核心舱对接
　　当然，人货分离之后，到了火星轨道还要进行对接。在阿波罗登月时代，太空对接被认为风险很大，因此阿波罗登月用的是人货结合的方式，即单一飞船。但是现在太空对接技术已经很成熟了。美国重返月球的阿尔忒弥斯计划和中国的登月计划，都要采用人货分离的思路。人货分离将是未来载人太空飞行的标准模式。
　　阿尔忒弥斯登月流程
　　接下来详细说说货运飞船和载人飞船的设计。飞船将使用核热发动机推进，同时核能还要产生电能为飞船供电。核热发动机的比冲为900。比冲代表火箭推进剂的喷射速度，喷射速度越高，则火箭喷射同等质量推进剂产生的冲量也就越大，相当于发动机的效率高。目前最好的液氢液氧火箭的比冲只有440~460左右，核热发动机900的比冲相当于翻翻了。
　　NERVA发动机
　　美国在上世纪50年代的冯·布劳恩时代就测试过核热发动机，名为NERVA，目的是用于有朝一日的登陆火星。后来美国载人登火计划取消，尽管NERVA发动机已经证明技术可行，但项目仍然下马。现在为了载人登火，美国前不久又把核热发动机研发捡了起来。与此同时，中国这边也在开发核热发动机技术，估计在本世纪三十年代能够投入使用了。
　　核热发动机原理图
　　核热发动机利用核裂变反应产生的热量，加热推进剂，再通过喷嘴高速喷出。通过使用核热发动机，能在产生同样的Delta-V的条件下，大大降低推进剂的携带量，从而提升有效载荷。比如328吨的载货飞船，需要76吨燃料，占比仅23%。如果使用传统化学火箭，大约有40%是燃料，差别相当大了。
　　深空居住舱
　　宇航员在太空船与登火飞船对接后，要进入深空居住舱（Deep Space Habitat，DSH）生活。太空船是用作地球附近的往返工具；而从地球出发到火星，以及从火星返回，宇航员都生活在深空居住舱。DSH的重量为40吨，比太空船大，住起来肯定舒服一些。
　　MDAV在火星降落
　　到了火星轨道，载人飞船要和载货飞船上的MDAV对接，然后宇航员乘坐MDAV在火星降落。MDAV可以理解为中国版的星舰，质量为100吨，也和星际相当，采用垂直着陆/垂直起飞的模式。这说明中国未来还会把星舰给山寨一遍。
　　火星基地想象图
　　此外，等到了火星轨道之后，质量为106吨的火星着陆器先行降落，把宇航员在火星的住所，还有相应的设备，比如小型核电站，火星车，还有其他资源开发工具，送到火星表面。
　　900天登火方案
　　在火星着陆之后，宇航员要在这个红色星球生活500天。考虑到来回路上各有180天，总计约900天，这就是经常讨论的900天登火方案。在火星上的500天里，宇航员要进行ISRU，生产出足够回程的MDAV燃料，否则就得一直呆在火星上种土豆了。
　　登上火星
　　500天过后，宇航员乘坐MDAV升空，与停留在那里500天之久的登火载人飞船汇合，然后返回地球。载人飞船总质量为246吨，携带了108吨燃料，比货运飞船的76吨燃料还多不少，因为这是来回程的燃料量。到了地球附近之后，宇航员从DSH进入太空船，然后飞船在地球降落，首次火星之旅就此结束。
　　载人登火涉及到的关键技术
　　上述方案中，最关键的技术是核热发动机的研发。此外，还有在火星上的定位导航，小型核电站，通信技术，热防护等等。ISRU技术没有在报告中特别提及，想必是有把握的。按照上述规划，中国最早应能在三十年代中后期启动载人登火计划。这是因为长九和核热发动机目前都在研发中，成熟应在约十年之后。
　　火星访问航班化
　　首次载人登火之后，地火旅行将航班化。之前提到的登火飞船，可以反复利用，将宇航员送上火星。同时以利用火星资源为主，逐步进行火星基地拓展。或许在本世纪中期，一个初具规模的火星小镇将呈现在世人面前。
　　火星小城
　　#全能创作家#