一　林

在21世紀(jì)的頭20年里，人類將完成2項(xiàng)世界性的大型航天工程——重返月球和實(shí)現(xiàn)載人火星航行。早在30多年前，人類就已經(jīng)多次成功地登上月球，所以重返月球從技術(shù)上來說，已經(jīng)沒有任何障礙。而要實(shí)現(xiàn)載人火星航行卻還有一段艱難的路。

火星是太陽(yáng)系中與地球最相似的一顆行星?；鹦巧系囊荒暌灿兴募局?，共有687天，幾乎是地球上一年時(shí)間的兩倍。火星上的一天只比地球上的一天長(zhǎng)37分鐘。

火星被一個(gè)大氣層包圍著，其主要成分是二氧化碳，約占95％。大氣密度極其稀薄，相當(dāng)于地球海拔高度35公里處的大氣密度。火星的天空白天呈粉紅色，朝日初升和夕陽(yáng)落山時(shí)呈藍(lán)色。火星表面風(fēng)速每小時(shí)可達(dá)幾百公里，雖風(fēng)力很小，但揚(yáng)起的塵暴可持續(xù)數(shù)星期之久?；鹦潜砻娴臏囟仍跀z氏－140度至＋27度之間變化，巖石會(huì)因天空光線的變化，在一天里呈現(xiàn)不同的顏色。

由于載人火星航行是人類歷史上破天荒第一次，還需要解決因長(zhǎng)期太空飛行產(chǎn)生的若干難題，為此必須進(jìn)行多次無(wú)人火星探測(cè)，以便為人類登上火星提供更多的依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。怎樣才能安全可靠地把人送上火星并返回，實(shí)現(xiàn)載人火星航行的偉大理想呢？讓我們從太空航行的基本問題——速度說起。

需要大于11.6公里/秒的速度

載人飛船要飛往火星，首先必須擺脫地球的引力束縛。我們知道，一個(gè)物體要想脫離地球引力，必須獲得等于或大于11.2公里/秒的第二宇宙速度。當(dāng)飛船以11.2公里/秒的速度飛離地球，到達(dá)距地球大約100萬(wàn)公里處，可以認(rèn)為已經(jīng)擺脫了地球引力。此時(shí)，飛船相對(duì)于地球的速度已減小到接近于零。但是，飛船仍具有地球給它的29.8公里/秒的相對(duì)于太陽(yáng)的速度。于是，飛船就像地球的一個(gè)微不足道的小伙伴，伴隨地球一道，在半徑為1.5億公里的地球軌道上，繞太陽(yáng)運(yùn)行。

要使飛船脫離地球引力飛往火星，就要使它在擺脫地球引力以后，還有3公里/秒的剩余速度，加上地球給它的29.8公里/秒，它就獲得了相對(duì)于太陽(yáng)32.8公里/秒的速度。這樣，飛船就會(huì)離開地球軌道，沿著一條以太陽(yáng)為焦點(diǎn)，近日點(diǎn)在地球軌道上，遠(yuǎn)日點(diǎn)在火星軌道上的橢圓航線，飛向火星。這條航線稱為“雙切軌道”航線。而要使飛船具有3公里/秒的剩余速度，就需要使飛船從地面起飛后，獲得一個(gè)11.6公里/秒的朝東方向的初始速度。

飛船飛往火星走什么樣的航線和行時(shí)間的長(zhǎng)短，取決于它相對(duì)太陽(yáng)的速度。速度越大，飛往火星的航程越短。雙切軌道航線要求飛船的初始速度最小為11.6公里/秒，是最省能量的航線，但是它的航程長(zhǎng)，航行時(shí)間也長(zhǎng)。沿雙切軌道航線飛抵火星需要259天。

發(fā)射窗口

飛船經(jīng)過259天漫長(zhǎng)的航行，抵達(dá)火星軌道時(shí)，并不見得能與火星相遇，因?yàn)榛鹦且苍谧约旱能壍郎线\(yùn)行。只有當(dāng)飛船達(dá)到遠(yuǎn)日點(diǎn)，即與火星軌道相切點(diǎn)時(shí)，火星也正好運(yùn)行到那里，飛船才能與火星交會(huì)。這就要求：飛船從地球發(fā)射起飛時(shí)，火星必須位于地球前方44度的位置。這個(gè)特定的發(fā)射時(shí)機(jī)叫做“發(fā)射窗口”。

象這種特定的位置，是不常有的，每隔26個(gè)月才出現(xiàn)一次。這段時(shí)間，天文學(xué)上稱為“會(huì)合周期”。因此，如果錯(cuò)過一次發(fā)射窗口，或者發(fā)射失敗，下一次發(fā)射就只能等到兩年零兩個(gè)月以后了。

雙切軌道航線雖然最省能量，但是航行時(shí)間最長(zhǎng)。在能量允許的情況下，一般寧可讓飛船的初始速度略大于11.6公里/秒。這樣，飛船將沿著一條比雙切軌道大的橢圓軌道航線飛行，沿這條航線到達(dá)火星軌道的航程短，航行時(shí)間也會(huì)相應(yīng)縮短。初始速度越大，航線越短。所以，在設(shè)計(jì)火星航行方案時(shí)，往往考慮將初始速度定為12公里/秒左右，這樣可使航行時(shí)間縮短到大約200天。

從火星返回地球也不是隨時(shí)可以啟程的。如果沿雙切軌道航線返回，飛船是在軌道的遠(yuǎn)日點(diǎn)離開火星軌道，到近日點(diǎn)與地球軌道相切。為使地球同時(shí)走到這一位置與飛船交會(huì)，就要求在飛船從火星出發(fā)時(shí)，地球應(yīng)位于火星后面75度的位置上。這樣的相對(duì)位置（發(fā)射窗口），自飛船到達(dá)火星之日起450天才第一次出現(xiàn)。此后，按照地球與火星的會(huì)合周期，每隔26個(gè)月出現(xiàn)一次。

所以，每次載人火星航行任務(wù)，航天員不得不在火星上呆450或500天（500天是選擇途中為200天航線時(shí)，需要在火星上等待的時(shí)間），多也不行，少也不行。由此可見，載人火星航行，如走雙切軌道航線，來回需要2×259＋450=968天；如走較短航線，需要2×200＋500=900天。往返一次要花900個(gè)日日夜夜，也真夠長(zhǎng)的！

需要解決的難題

20世紀(jì)60年代以來，無(wú)人火星探測(cè)的實(shí)現(xiàn)及載人登月的成功，為載人火星航行所需的基本技術(shù)和功能系統(tǒng)奠定了良好的基礎(chǔ)，例如，載人火星飛船的研制、火星航行的導(dǎo)航與控制、通信與測(cè)控、捕獲火星、從火星著陸與返回、火星車及儀器設(shè)備在火星表面的自主或遙控工作等。

為了實(shí)現(xiàn)載人火星航行，尚需要進(jìn)一步完善這些技術(shù)和系統(tǒng)，特別是提高它們的可靠性與安全性。同時(shí)，載人火星航行還必須解決因長(zhǎng)達(dá)兩年半的航行給航天員帶來的一些特殊難題。

為減少旅途中航天員的孤獨(dú)，執(zhí)行任務(wù)有人商量，每次載人火星航行的航天員人數(shù)不能太少，一兩人不合適，也不能太多，初期以4至6人為宜。

航天員在兩年半中所需要的食物、水、氧氣、能源以及其他生活和工作消耗品，重量將達(dá)到數(shù)十噸，都需要從地球運(yùn)去。向火星每發(fā)送1噸有效載荷，需要消耗大約100噸重的運(yùn)載器。尤其麻煩的是，航天員從火星返回地球用的返航運(yùn)載器也必須從地球運(yùn)去。這個(gè)運(yùn)載器裝滿推進(jìn)劑后，將重達(dá)100多噸。為此，需要研制一種不亞于發(fā)射“阿波羅”登月飛船的“土星5號(hào)”的重型運(yùn)載器，以便能把數(shù)十至一百多噸重的有效載荷送入飛往火星的軌道。

為了解決上述難題，航天專家們提出了3條途徑：

利用火星大氣生產(chǎn)推進(jìn)劑、水和氧氣，盡可能減少需從地球運(yùn)往火星的載荷。由于火星大氣中95％是二氧化碳，利用從地球上帶去的氫，與火星大氣中的二氧化碳進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，可生成甲烷和水，再將水電解又可得到氫和氧。甲烷和氧是推進(jìn)劑，不僅可供返航運(yùn)載器用，還可供火星車及可移動(dòng)儀器設(shè)備用。氫可以循球使用，不斷生產(chǎn)甲烷、氧氣和水。生產(chǎn)推進(jìn)劑所需電能由從地球帶去的核電站供給。

分批運(yùn)送，“糧草先行”。先將返航運(yùn)載器、推進(jìn)劑生產(chǎn)設(shè)備、液氫、核電站及航天員生活、工作必需品等分批運(yùn)送，最后運(yùn)送航天員，以減輕每次發(fā)射的有效載荷重量，降低對(duì)運(yùn)載能力的要求。

開發(fā)新的重型運(yùn)載器。美國(guó)國(guó)家航空航天局的馬歇爾航天中心設(shè)想了一種名叫“馬格努姆”（Magnum）的火箭，近地軌道的運(yùn)載能力可達(dá)80噸。由飛船（或其他有效載荷）和推進(jìn)級(jí)組成、重量為100至200噸的航天器，可以用該火箭分2至3次送入近地軌道，在軌道上組裝，然后點(diǎn)燃推進(jìn)級(jí)，將速度由7.6公里/秒左右提高到12公里/秒，飛向火星。

美國(guó)前洛克希德·馬丁公司的工程師祖伯林（Zubrin）提出了研制名叫“阿勒斯”（Ares）的重型運(yùn)載器。它能從地面將數(shù)十噸的飛船或其他有效載荷直接加速到12公里/秒，進(jìn)入飛向火星的軌道。

基于上述解困途徑，馬歇爾航天中心和祖伯林提出了各自的載人火星航行方案，即基準(zhǔn)航行方案和火星直航方案。

基準(zhǔn)航行方案

這是馬歇爾中心提出的方案，主要特點(diǎn)是：每次任務(wù)有6名航天員參加，進(jìn)行3次發(fā)射。總投資約需500億美元。

第一次發(fā)射用“馬格努姆”火箭把裝滿推進(jìn)劑的返航運(yùn)載器送往火星，停泊在環(huán)繞火星的軌道上，待3年零3個(gè)月以后，供航天員從火星返回地球用。

第二次發(fā)射在第一次發(fā)射后不久（在同一個(gè)發(fā)射窗口內(nèi)）進(jìn)行，發(fā)射一艘運(yùn)貨飛船。它攜帶有充氣式居住艙、未裝推進(jìn)劑的上升船、推進(jìn)劑生產(chǎn)設(shè)備、核電站、液氫、科學(xué)儀器和航天員在火星期間及返回途中的食物等必需品。

無(wú)人貨船到達(dá)火星表面后，推進(jìn)劑生產(chǎn)設(shè)備即開始調(diào)試運(yùn)行，利用帶來的液氫和火星大氣中的二氧化碳生產(chǎn)甲烷、氧和水。甲烷和氧是上升船需要的推進(jìn)劑，返回時(shí)用。氧和水供航天員用。在此期間，充氣式居住艙在火星表面自動(dòng)充氣展開成形，準(zhǔn)備迎接航天員到來。

第三次發(fā)射在第一次發(fā)射以后2年零2個(gè)月（即下一個(gè)發(fā)射窗口到來之際）進(jìn)行，發(fā)射乘有6名航天員的飛船。但在這之前，必須經(jīng)過地面遙控、測(cè)試，證明已送到火星上的所有設(shè)備和儀器均工作正常，甲烷、水和氧產(chǎn)量已能滿足上升船和航天員的需求。

航天員在火星表面期間，可以乘坐火星車或用可移動(dòng)的儀器設(shè)備進(jìn)行巡視探測(cè)。500天以后，當(dāng)返回窗口來臨時(shí)，航天員乘坐上升船離開火星表面，到環(huán)繞火星軌道上，與等在那里的返航運(yùn)載器交會(huì)對(duì)接，6名航天員即可乘坐返航運(yùn)載器返回地球。

此后，每隔26個(gè)月發(fā)射一個(gè)返航運(yùn)載器，一艘運(yùn)貨飛船；再隔26個(gè)月發(fā)射載人飛船。照此辦理，就可為在火星上建立起可供人類長(zhǎng)期居住的火星基地創(chuàng)造條件。

火星直航方案

美國(guó)工程師祖伯林提出的這個(gè)直航方案特點(diǎn)是：每次任務(wù)派4名航天員；從地球運(yùn)去的返航運(yùn)載器不帶推進(jìn)劑，推進(jìn)劑在火星上生產(chǎn)。與基準(zhǔn)航行方案相比，直航方案需要從地球運(yùn)往火星的物資大大減少。每次任務(wù)只需發(fā)射2次，比基準(zhǔn)方案少1次；所需投資也少一半，為250億美元。

所謂“直航”，是指飛船和返航運(yùn)載器都從地球直接送到火星表面，既不需要在環(huán)繞地球軌道上組裝，也不需要停泊在環(huán)繞火星的軌道上。航天員返回時(shí)，乘坐返航運(yùn)載器從火星表面直接返回地球即可。

第一次發(fā)射時(shí)，用“阿勒斯”重型運(yùn)載器將未裝推進(jìn)劑的空的返航運(yùn)載器、6噸液氫、推進(jìn)劑生產(chǎn)設(shè)備和100千瓦的核電站送到火星表面。

這些設(shè)備到達(dá)火星后，就展開運(yùn)行，利用帶來的液氫和火星大氣中的二氧化碳生產(chǎn)甲烷、氧和水?？偣残枰a(chǎn)108噸由甲烷與氧組成的推進(jìn)劑，其中，96噸供返航運(yùn)載器用，其余12噸供火星車和可移動(dòng)設(shè)備用。另外，還需生產(chǎn)一些供航天員用的水和氧氣。

第二次發(fā)射在第一次發(fā)射后26個(gè)月進(jìn)行，發(fā)射乘有4名航天員的載人飛船。飛船中還裝有航天員在900天任務(wù)中所需的食物和其他消耗品（水和氧氣除外）。在航行途中，載人飛船和熄火的運(yùn)載器末級(jí)之間用一根長(zhǎng)1500米的系繩連接。整個(gè)系統(tǒng)以每分鐘1轉(zhuǎn)的速度繞質(zhì)心旋轉(zhuǎn)，使飛船內(nèi)產(chǎn)生與火星表面重力大?。?.41g）相等的人工重力。在快到火星表面的時(shí)候，飛船與運(yùn)載器末級(jí)分離，并使飛船減速，然后利用火星大氣制動(dòng)，最后降落到火星表面。

4名航天員在火星表面生活、工作500天后，返回窗口來臨，他們便乘返航運(yùn)載器離開火星表面直接返回地球。

在直航方案中，前后兩次航行任務(wù)是交叉進(jìn)行的：后面一次的首次發(fā)射（發(fā)射返航運(yùn)載器及推進(jìn)劑生產(chǎn)設(shè)備等）安排在前一次任務(wù)的第二次發(fā)射之前幾個(gè)星期進(jìn)行。這是為了使后一次任務(wù)的返航運(yùn)載器可以兼作前一次返航運(yùn)載器的備份，萬(wàn)一返航運(yùn)載器發(fā)生故障，航天員可以乘坐后一次任務(wù)的返航運(yùn)載器返回。

無(wú)論是基準(zhǔn)航行方案，還是直航方案，現(xiàn)在還都處于方案設(shè)想階段。方案中所提出的技術(shù)途徑，如重型運(yùn)載火箭或重型運(yùn)載器的研制、返航運(yùn)載器的火星著陸和返回、自動(dòng)生產(chǎn)推進(jìn)劑以及充氣式居住艙自動(dòng)展開等，都還需要通過無(wú)人火星航行，進(jìn)行幾次飛行驗(yàn)證試驗(yàn)。首次載人火星航行的日期，要根據(jù)這些飛行驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果而定，估計(jì)不會(huì)早于2010年。