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載人登陸火星!中國最終希望進行航班化探測

(原標題:載人登陸火星三步走,中國科學家打算這麼干)

【文/觀察者網 趙挪亞】核熱推進火箭、天梯、地球-火星經濟圈……這些以往只出現在科幻作品中的名詞,已被納入中國未來火星計劃的藍圖。

近日,2021年全球航天探索大會(GLEX 2021)在俄羅斯召開。受疫情影響,中方通過線上方式參加會議。

會議期間,中國運載火箭技術研究院(航天一院)院長王小軍發表了題為《載人火星探測航天運輸系統》的演講,除了介紹中國既往火星探測任務成就外,還透露了中國未來載人火星探測發展路線設想。

從整體來看,這一設想分成三步:第一步是機器人火星探測,包括採樣、基地選址和原位資源利用等。第二步是初級載人探測,目的是載人火星着陸和基地建設;最後一步是航班化探測,並建立地球-火星經濟圈。

為了達成這一火星計劃,中國運載火箭技術研究院已基本確定載人火星探測任務航天運輸系統的組成、特點、總體方案與設計參數。與現有的航天運輸系統相比,火星探測項目需要的運輸系統更為複雜,運輸器也將從化學推進轉變為熱核乃至核聚變推進。

王小軍在演講中認為,載人火星探測航天運輸的實現,還有着諸多技術難題,但他表示:“火星探測對人類具有重要意義,是人類走出地球搖籃,探索生命起源,拓展生存空間的重要途徑,中國的天問之旅已經啟程,載人火星探測航天運輸系統的研究更具挑戰。我們願與國內外同行和夥伴們一道攜手,共同實現人類走向深空,漫步火星的夢想。”

王小軍在視頻中為全球航天人士帶來《載人火星探測航天運輸系統》演講 視頻截圖(下同)

建立“地火經濟圈”,中國計劃分三步走

6月14至17日,2021年全球航天探索大會在俄羅斯召開。受疫情影響,中方通過線上方式參加會議,為與會的各國航天專業人士和媒體帶來演講。大會第二天,王小軍作為中方代表,從航天運輸和火箭科技的角度,講述了中國探索火星的歷史和未來。

不過,媒體和專業人士更為關心的,是王小軍在講座中透露的中國未來在火星建立可持續基地,乃至地球-火星經濟圈的計劃。如美國知名太空新聞專業網站“space.com”特別拎出這一計劃,進行報道。

Space.com:中國想在火星上建立可持續的存在

王小軍的演講分成四個部分:載人火星探測任務的構架分析、載人火星探測發展路線設想、總體運輸系統方案構想以及最後的關鍵技術難點。

第一部分中,王小軍表示,影響任務構架設計的因素有地火轉移軌道類型、出發時間、出發點、推進技術、是否採用氣動捕獲等。

他提出,合適的火星任務出發時間為2033年、2035年、2037年、2041年、2043年等,採用選擇高橢圓軌道(HEO)的出發較為合適。

推進技術方面,核熱推進是目前載人火星探測方案設計的重要選擇。核聚變推進理論上具有更高比沖性能,需要理論和技術的突破,適合作為載人火星探測更遠期的研究目標。此外,我國還研究將天梯這一新型運輸系統作為空間出發點,能降低火星探測運輸的規模。

而在第二部分,他提出中國載人火星探測的三步走計劃。

中方提出的三步走計劃

第一步是機器人火星探測,主要執行火星採樣返回、火星基地選址考察,原位資源利用和建設等,這一步屬於技術準備階段。

“Space.com”解釋說,原位資源利用和建設,指的是從火星地表下抽水或從直接獲取氧氣,來彌補火星探測補給限制。中方的這一計劃目的在於為初期載人火星任務搭建平台,從軌道前哨站開始,為著陸火星,和最終建立火星基地做準備。

第二步是載人初期探測,主要執行包括載人環火軌道探測,載人火星着陸探測,以及火星基地建設等。

第三步是航班化探測,這一步是經濟圈形成階段,主要執行包括大規模地火運輸艦隊,大規模(火星資源)開發與應用。

王小軍為每一步提出了相應的航天運輸技術路線圖。如在機器人火星探測階段,中方採用大型或重型運載火箭,直接將探測器發射至地火轉移軌道。探測器則採用化學推進,選擇脈衝式合式軌道,並利用反推制動達到火星進行探測。

而在初期載人探測階段,中方針對軌道轉移設計了一種新型任務構架,該構架採用核電核熱推進組合、人貨分運,在近地球軌道(LEO)組裝,從高軌道出發,配合使用火星氣動捕獲。

初期火星載人計劃運輸系統概念圖

他詳細解釋說,這一階段內,首先由運載火箭將載貨轉移級火箭和有效載荷轉移至近地軌道,在軌組裝載貨轉移級(火箭)。地球空間擺渡級將載貨轉移級擺渡至地球高軌后,再返回近地軌道。

隨後,載貨轉移級點火進入地火轉移軌道,採用大氣捕獲和近火制動,進入環火軌道,火星着陸和上升期(MDAV)在環火軌道等待成員到達。同時,釋放火星表面設施,着陸火星表面。

到達載人轉移窗口,由載人火箭直接發射進入高軌,與載人轉移級對接,載人轉移級點火進入地火轉移軌道。載人轉移級近火制動進入環火軌道,成員通過火星着陸和上升器着陸火星表面,開展火星表面作業。

返程時,成員進入着陸和上升器,返迴環火軌道,與在環火軌道上等待的載人轉移級對接后,再由載人轉移級進入火地轉移軌道,最終返回地球。

最後的航班化載人火星探測階段,中方提出將採用核動力一體化運輸模式,從地球空間驛站、日地L2等基地出發,選擇地火循環軌道,地火循環軌道上已布置轉移飛行器,轉移飛行器的推進劑由地面或空間加註站補給。

航班化載人火星探測階段運輸系統概念圖

“載人火星探測運輸系統有很大的不同”

王小軍表示,與地球空間運載火箭一次飛行進入空間相比,載人火星探測運輸系統有很大的不同。其任務構成包括:進入地球軌道、地球軌道組裝、地火轉移、火星登陸與上升、火星軌道對接和返回地球等。

此外,載人火星任務的飛行時間往返可能達到數百天,飛行距離達到數百萬到數億公里,軌道交會對接的次數達到10餘次。

為此,中方提出的具體任務參數為:

地球上升段:7枚重型運載火箭和1枚載人運載火箭,採用化學推進劑。

地球空間擺渡地火轉移階段:基於高比沖核電推進技術的擺渡級,以及基於高比沖大推力核熱推進技術的地火轉移運載器。

火星空間:基於化學推進的火星着陸與上升器。

地火轉移運載器:採用核熱核電雙模式,以三台10噸級推力的核熱發動機作為主要動力,利用核電系統為各分系統提供電源。

載人型轉移運載器:總質量為246噸,加註108噸液氫,可以運送包括深空居住艙、載人飛船等共65噸的有效載荷。

載貨型轉移運載器:總質量為328噸,加註76噸液氫,有效載荷質量為206噸。

當然,中國的火星計劃還有諸多關鍵技術難題。王小軍表示,這些難題主要包括航天運輸系統總體設計技術、大規模星際運輸推進技術、精確制導和控制技術、能源與星際測控通信網絡技術以及輕質防熱結構設計技術等。

中國運載火箭技術研究院(又名中國航天科技集團有限公司第一研究院),成立於1957年11月16日,隸屬於中國航天科技集團有限公司,是中國航天事業的發祥地,是中國歷史最久、規模最大的導彈武器和運載火箭研製、試驗和生產基地。

天問一號探測器着陸平台 國家航天局圖

“Space.com”解讀說,王小軍提出的計劃具有“雄心壯志”,但也處於非常早期的階段。此外,這一計劃也沒有考慮人類進入深空長途旅行的其他挑戰,如輻射和無重力狀態的影響。但這一計劃中確實包括了一些已在研發中的技術,如新一代載人飛船,而中國其他的航天機構將儘力解決除運輸系統外的其他難題。

目前,研究火星定居計劃的世界主要航天機構包括美國航空航天局(NASA)、歐洲航天局(ESA)和俄羅斯聯邦航天局(Roscosmos)等。但目前,NASA方面的火星探測計劃主要建立在“阿爾忒彌斯”(Artemis)登月計劃之上,並未向外提出完整的火星定居計劃。

值得一提的是,本次大會上,中國國家航天局還和俄羅斯國家航天集團公司聯合發布了《國際月球科研站路線圖(V1.0)》和《國際月球科研站合作夥伴指南(V1.0)》,介紹了國際月球科研站的概念、科學領域、實施途徑和合作機會建議等內容,為國際夥伴在國際月球科研站的規劃、論證、設計、研製、實施、運營等階段的參与指明了方向。

根據《指南》,這一項目制訂了與月球有關的8大科學目標;自2021年起,項目建設共分為“勘、建、用”三個階段,時間跨度達15年,計劃於2035年建成;項目還為國際夥伴在各階段以及階段各層級的參与劃定了5種合作類型。

在此次發布文件后,中俄還會適時推出《路線圖》和《指南》的更新版本,進一步明確國際月球科研站各工程階段里程碑計劃,適時發布合作夥伴加入程序,以確保整體項目穩步推進。

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