想去火星?这几道难题先解一下

2021年11月29日 15:41 次阅读 稿源:中国航天报 条评论

近日,埃隆·马斯克表示,要发射1000艘飞船,运送10万人到火星。由于火星是除地球外太阳系内唯一可能适合生命存在的行星,一些国家提出过不少载人火星探测方案,做了很多技术储备。而且,今年先后有3个探测器登陆火星,再次掀起“火星热”。那么未来人类会怎样登陆火星呢?

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面临多重技术考验

载人火星探测任务的过程非常复杂,大致可以分为地球表面发射、地球轨道组装、地火转移、火星着陆与上升、火星轨道交会对接、返回地球等阶段,每个阶段都面临着重大技术挑战。

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地球与火星距离遥远

火星距离地球非常遥远,每26个月会出现火星、地球交会窗口,两者最近距离也有5500万公里,最远可达4亿公里。载人飞船去往火星,单程至少6个月,再考虑从火星返回的发射窗口,航天员可能需要在火星表面工作近500天,那么单次载人火星探测任务可能长达900天。在近3年漫长太空旅途中,航天员几乎无法获得第二次物资补给,所以载人火星探测任务需要携带大量物资和能源。

考虑到航天员需要在火星表面长时间工作生活,以及从火星表面起飞的上升返回装置,人类需要向火星表面运送至少40吨物资,再加上地火转移飞行器、航天员在火星表面使用的居住生活舱、载人飞船等运载器,预计需要把近1000吨任务质量发射入轨。

如此巨大的发射质量远超当前火箭的运载能力,这就需要将各个模块分批次发射至地球轨道,在地球轨道进行集结、组装,再飞往火星。这涉及到载人火星探测总体方案设计、轨道优化、低温推进剂贮存与管理以及在轨组装等技术难题。

人类乘坐飞船登陆火星想象图

火星探测飞行旅途漫长,航天员长时间生活在辐射和微重力环境中,需要研究食物营养保持及长时间存储技术、辐射防护技术与装备、医疗诊断与治疗设备,还要鼓励航天员在狭窄环境内开展活动,缓解生理和心理压力,提供周全的健康保障措施。

此外,遥远距离带来通信困难,火星与地球双向通信会延迟6~44分钟,需要建立新的通信网络链路来维持可靠通信。

地球与火星之间的通信有延时

在进入火星轨道和着陆过程中,由于火星存在微薄大气,着陆器高超声速飞行时会产生大量气动加热,需要应用热防护技术。同时,由于火星大气稀薄,降落时减速伞效果不明显,需要应用革新技术的反推力器进行减速。此外,受较长时延影响,地球的工作人员难以对降落火星过程提供相关支持,这也对载人火星探测的自主性、可靠性与安全性提出更高要求,必须发展更先进的制导控制技术。

载人火星探测体系构成

为完成载人火星探测任务,未来的探测体系将包括无人探测系统、空间运输系统、火星表面应用系统和测控系统。

无人探测系统主要包括火星轨道器、任务前期投放到火星的无人漫游车和无线电信标等设备,用于对航天员探测的火星环境进行考察,选择航天员着陆点,开展技术验证和无线电导航等。

空间运输系统包括针对载人火星探测不同任务阶段应用的各类运载器,包括运载火箭、地火转移级、火星着陆与上升器、火星地面设施等。

其中,运载火箭将所有任务载荷和航天员送入地球轨道,地火转移级负责地球轨道与火星轨道之间的转移,把航天员及物资送入火星空间。

载人飞船登陆火星不容易

着陆与上升器主要负责火星轨道与火星表面之间的人员和物资往返运输,一般由两级飞行器构成,推进剂可在到达火星表面后利用火星资源与携带的部分资源进行生产。

为了保障在火星表面与轨道之间执行运输任务,还需要在火星表面建设一些基础设施,包括原位资源利用设备、能源系统、着陆制导系统、发射场。其中,原位资源利用设备可利用火星本身资源生产能源、推进剂等。

火星表面应用系统包括居住舱、科学实验舱、环控生保系统、火星漫游车、舱外活动系统和电力系统等。其中,环控生保系统用于保障航天员的生存条件,火星漫游车帮助航天员在火星表面快速移动和探测。

测控系统包括地面测控系统和天基测控系统,前者包括地面的各种测控网络,后者包括中继卫星、导航及通信卫星等。测控系统能够保证火星表面设备与地球科研人员的通信,传输实验数据,让地球科研人员介入火星表面设备问题处置等。

航天员地火往返过程

一直以来,美国、俄罗斯等都在积极研究载人火星探测任务的可行性,并提出若干方案设想,总结起来,其过程大致可分为几个阶段。

第一阶段是物资转运。运载火箭将摆渡级、载货转移级组件、火星着陆与上升器、火星表面设施等有效载荷分批次送入近地轨道,在轨组装成载货转移级。摆渡级将载货转移级转运到高地球轨道后,返回近地轨道。再由运载火箭发射加注飞行器,对摆渡级进行在轨加注,等待下次摆渡任务。

载人飞船前往火星想象图

载货转移级通过地火转移轨道,经过漫长旅途,进入环火轨道,等待载人飞船和航天员,同时,释放火星表面设施,着陆火星表面,进行推进剂制备等工作。

第二阶段,由运载火箭将载人转移级组件和深空居住舱等有效载荷分批次运送至近地轨道,在轨组装载人转移级,并由摆渡级将其转移至高地球轨道。

一旦火星表面设施和在高地球轨道等待的载人转移级运行良好,并等到合适的发射窗口,运载火箭就将载人飞船发射进入预定轨道,与载人转移级对接,再由载人转移级将航天员送入地火转移轨道。

第三阶段,载人转移级进入环火轨道,载人飞船跟之前进入环火轨道的火星着陆与上升器对接,航天员进入火星着陆与上升器,着陆火星表面,开展作业和科学探测活动。

载人飞船从火星上起飞想象图

第四阶段,航天员完成火星表面任务后,向火星着陆与上升器加注推进剂,乘坐上升器,返回环火轨道,并与等待在环火轨道上的载人转移级完成对接。

最后,载人转移级进入火地转移轨道,返回地球空间。

需要指出的是,目前基于常规推进系统的载人火星探测任务,其部分技术已得到验证,在充足预算支持下,人类可以逐步实现登陆火星表面,但是,漫长的任务时间造成探测系统规模庞大,对人类现有工程技术水平以及航天员心理、生理都造成巨大压力。如果想把载人探火任务时间缩短到可以接受的程度,还需要航天工程取得诸多革命性进步,尤其是核热推进系统。

人类建造的火星基地想象图

相信,随着航天技术能力不断提升,人类终将登陆火星,成为跨星球物种,获得更广阔的发展空间。

文/ 杨诗瑞

本文转自中国航天报

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