载人登陆火星三步走,中国科学家打算这么干
来源:观察者网 本文摘要:载人登陆火星 中国打算这么干

【文/观察者网 赵挪亚】核热推进火箭、天梯、地球-火星经济圈......这些以往只出现在科幻作品中的名词,已被纳入中国未来火星计划的蓝图。

近日,2021年全球航天探索大会(GLEX 2021)在俄罗斯召开。受疫情影响,中方通过线上方式参加会议。

会议期间,中国运载火箭技术研究院(航天一院)院长王小军发表了题为《载人火星探测航天运输系统》的演讲,除了介绍中国既往火星探测任务成就外,还透露了中国未来载人火星探测发展路线设想。

从整体来看,这一设想分成三步:第一步是机器人火星探测,包括采样、基地选址和原位资源利用等。第二步是初级载人探测,目的是载人火星着陆和基地建设;最后一步是航班化探测,并建立地球-火星经济圈。

为了达成这一火星计划,中国运载火箭技术研究院已基本确定载人火星探测任务航天运输系统的组成、特点、总体方案与设计参数。与现有的航天运输系统相比,火星探测项目需要的运输系统更为复杂,运输器也将从化学推进转变为热核乃至核聚变推进。

王小军在演讲中认为,载人火星探测航天运输的实现,还有着诸多技术难题,但他表示:“火星探测对人类具有重要意义,是人类走出地球摇篮,探索生命起源,拓展生存空间的重要途径,中国的天问之旅已经启程,载人火星探测航天运输系统的研究更具挑战。我们愿与国内外同行和伙伴们一道携手,共同实现人类走向深空,漫步火星的梦想。”

王小军在视频中为全球航天人士带来《载人火星探测航天运输系统》演讲 视频截图(下同)

建立“地火经济圈”,中国计划分三步走

6月14至17日,2021年全球航天探索大会在俄罗斯召开。受疫情影响,中方通过线上方式参加会议,为与会的各国航天专业人士和媒体带来演讲。大会第二天,王小军作为中方代表,从航天运输和火箭科技的角度,讲述了中国探索火星的历史和未来。

不过,媒体和专业人士更为关心的,是王小军在讲座中透露的中国未来在火星建立可持续基地,乃至地球-火星经济圈的计划。如美国知名太空新闻专业网站“space.com”特别拎出这一计划,进行报道。

Space.com:中国想在火星上建立可持续的存在

王小军的演讲分成四个部分:载人火星探测任务的构架分析、载人火星探测发展路线设想、总体运输系统方案构想以及最后的关键技术难点。

第一部分中,王小军表示,影响任务构架设计的因素有地火转移轨道类型、出发时间、出发点、推进技术、是否采用气动捕获等。

他提出,合适的火星任务出发时间为2033年、2035年、2037年、2041年、2043年等,采用选择高椭圆轨道(HEO)的出发较为合适。

推进技术方面,核热推进是目前载人火星探测方案设计的重要选择。核聚变推进理论上具有更高比冲性能,需要理论和技术的突破,适合作为载人火星探测更远期的研究目标。此外,我国还研究将天梯这一新型运输系统作为空间出发点,能降低火星探测运输的规模。

而在第二部分,他提出中国载人火星探测的三步走计划。

中方提出的三步走计划

第一步是机器人火星探测,主要执行火星采样返回、火星基地选址考察,原位资源利用和建设等,这一步属于技术准备阶段。

“Space.com”解释说,原位资源利用和建设,指的是从火星地表下抽水或从直接获取氧气,来弥补火星探测补给限制。中方的这一计划目的在于为初期载人火星任务搭建平台,从轨道前哨站开始,为着陆火星,和最终建立火星基地做准备。

第二步是载人初期探测,主要执行包括载人环火轨道探测,载人火星着陆探测,以及火星基地建设等。

第三步是航班化探测,这一步是经济圈形成阶段,主要执行包括大规模地火运输舰队,大规模(火星资源)开发与应用。

王小军为每一步提出了相应的航天运输技术路线图。如在机器人火星探测阶段,中方采用大型或重型运载火箭,直接将探测器发射至地火转移轨道。探测器则采用化学推进,选择脉冲式合式轨道,并利用反推制动达到火星进行探测。

而在初期载人探测阶段,中方针对轨道转移设计了一种新型任务构架,该构架采用核电核热推进组合、人货分运,在近地球轨道(LEO)组装,从高轨道出发,配合使用火星气动捕获。

初期火星载人计划运输系统概念图

他详细解释说,这一阶段内,首先由运载火箭将载货转移级火箭和有效载荷转移至近地轨道,在轨组装载货转移级(火箭)。地球空间摆渡级将载货转移级摆渡至地球高轨后,再返回近地轨道。

随后,载货转移级点火进入地火转移轨道,采用大气捕获和近火制动,进入环火轨道,火星着陆和上升期(MDAV)在环火轨道等待成员到达。同时,释放火星表面设施,着陆火星表面。

到达载人转移窗口,由载人火箭直接发射进入高轨,与载人转移级对接,载人转移级点火进入地火转移轨道。载人转移级近火制动进入环火轨道,成员通过火星着陆和上升器着陆火星表面,开展火星表面作业。

返程时,成员进入着陆和上升器,返回环火轨道,与在环火轨道上等待的载人转移级对接后,再由载人转移级进入火地转移轨道,最终返回地球。

最后的航班化载人火星探测阶段,中方提出将采用核动力一体化运输模式,从地球空间驿站、日地L2等基地出发,选择地火循环轨道,地火循环轨道上已布置转移飞行器,转移飞行器的推进剂由地面或空间加注站补给。

航班化载人火星探测阶段运输系统概念图

“载人火星探测运输系统有很大的不同”

王小军表示,与地球空间运载火箭一次飞行进入空间相比,载人火星探测运输系统有很大的不同。其任务构成包括:进入地球轨道、地球轨道组装、地火转移、火星登陆与上升、火星轨道对接和返回地球等。

此外,载人火星任务的飞行时间往返可能达到数百天,飞行距离达到数百万到数亿公里,轨道交会对接的次数达到10余次。

为此,中方提出的具体任务参数为:

地球上升段:7枚重型运载火箭和1枚载人运载火箭,采用化学推进剂。

地球空间摆渡地火转移阶段:基于高比冲核电推进技术的摆渡级,以及基于高比冲大推力核热推进技术的地火转移运载器。

火星空间:基于化学推进的火星着陆与上升器。

地火转移运载器:采用核热核电双模式,以三台10吨级推力的核热发动机作为主要动力,利用核电系统为各分系统提供电源。

载人型转移运载器:总质量为246吨,加注108吨液氢,可以运送包括深空居住舱、载人飞船等共65吨的有效载荷。

载货型转移运载器:总质量为328吨,加注76吨液氢,有效载荷质量为206吨。

当然,中国的火星计划还有诸多关键技术难题。王小军表示,这些难题主要包括航天运输系统总体设计技术、大规模星际运输推进技术、精确制导和控制技术、能源与星际测控通信网络技术以及轻质防热结构设计技术等。

中国运载火箭技术研究院(又名中国航天科技集团有限公司第一研究院),成立于1957年11月16日,隶属于中国航天科技集团有限公司,是中国航天事业的发祥地,是中国历史最久、规模最大的导弹武器和运载火箭研制、试验和生产基地。

天问一号探测器着陆平台 国家航天局图

“Space.com”解读说,王小军提出的计划具有“雄心壮志”,但也处于非常早期的阶段。此外,这一计划也没有考虑人类进入深空长途旅行的其他挑战,如辐射和无重力状态的影响。但这一计划中确实包括了一些已在研发中的技术,如新一代载人飞船,而中国其他的航天机构将尽力解决除运输系统外的其他难题。

目前,研究火星定居计划的世界主要航天机构包括美国航空航天局(NASA)、欧洲航天局(ESA)和俄罗斯联邦航天局(Roscosmos)等。但目前,NASA方面的火星探测计划主要建立在“阿尔忒弥斯”(Artemis)登月计划之上,并未向外提出完整的火星定居计划。

值得一提的是,本次大会上,中国国家航天局还和俄罗斯国家航天集团公司联合发布了《国际月球科研站路线图(V1.0)》和《国际月球科研站合作伙伴指南(V1.0)》,介绍了国际月球科研站的概念、科学领域、实施途径和合作机会建议等内容,为国际伙伴在国际月球科研站的规划、论证、设计、研制、实施、运营等阶段的参与指明了方向。

根据《指南》,这一项目制订了与月球有关的8大科学目标;自2021年起,项目建设共分为“勘、建、用”三个阶段,时间跨度达15年,计划于2035年建成;项目还为国际伙伴在各阶段以及阶段各层级的参与划定了5种合作类型。

在此次发布文件后,中俄还会适时推出《路线图》和《指南》的更新版本,进一步明确国际月球科研站各工程阶段里程碑计划,适时发布合作伙伴加入程序,以确保整体项目稳步推进。