人一定要自信有动力才能行么

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2011-09-06 00:55 标签： 人一定要自信
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「载人登陆火星」在化学能动力时代是不切实际，甚至可以说是战略欺骗吗？为什么？
Kenneth Pan
简单的说：单纯使用化学火箭，是可以实现载人火星任务的。
化学火箭的劣势是比冲不如更先进的技术，如核火箭、霍尔推进器那样的离子电推进系统、及 VASIMR（可变比冲磁控等离子体推进）。也就是说，推进剂的利用率不高。化学火箭真空中的比冲大概是 400 到 450 左右；核火箭是 800 起，可以达到 1200；离子电推目前已有的型号，如 NASA 的 NEXT，是 3000 到 4500，可见的未来可以到 10000；而 VASIMR 则是 3 万起。
所以，简单的说，用化学能火箭，只是需要从地球表面多发射些燃料上去，略费钱而已。开贴问题中的&不切实际&或者&战略欺骗&并不成立。
而且，更先进的推进技术也都各自有各自的优缺点。如同很多工程系统集成上的问题一样，需要作出取舍，也需要看效费比。
核火箭，或者具体说核热能火箭，是一项非常接近成熟的技术。Nuclear Thermal Rocket, NTR（汗... NTR 是 NTR，但是，不是另外那个 NTR 哦，大家心中有没有突然一万只谢霆锋跑过...）其实在 1960 年代已经完成了地面试车，可以进入飞行实验。当年的阿波罗计划，第二级引擎的其中一个选项就是核火箭。但是，核火箭本身也有中子屏蔽的重量问题，以及万一出事故时，核裂变燃料的安全问题。加上去月球，核火箭相对于传统的化学火箭优势并不明显。最后还是选择了成熟的化学火箭。
离子电推（Ion Thruster）目前也是成熟的技术，它的问题在于推力低，所以加速度慢。对于时效性较强的任务，如载人火星任务而言，并不是一个好选项。但是货运则是一个可行的选项，多个离子电推进器并联的设计，NASA 本身和米国航太界的其他技术人员也都考虑过。一年多前，在参加一个 NASA 的公众设计项目时，我的团队就设计过 29 个电推并联的推进级。纸面数据是货运飞船重量为 6.8 吨时，初始加速度为每天增加 90m/s（见图 0，不是吃毒苹果挂掉的那个图灵哦）
VASIMR 则是还在非常非常非常早期的预研阶段，连实验室样机都还没出来。只是用实验证明过原理基本可行。
火星任务这一块，我个人有一些经验，过去一两年里做过几个 NASA（美国太空总署，又称我大拿沙）发放、跟火星有关的公众设计项目。虽然没有拿到大奖，但是其中一个项目拿到过 Top 10，所以看过一些 NASA 目前及近未来的火星任务的设计及计划。目前 NASA 的计划依然是 2030 年代，也就是 2030 至 2039 年之间，实现载人火星任务。而目前的计划中，用于去火星时从近地轨道进入地球 - 火星轨道的变轨机动（Trans-Mars Injection）、以及从火星轨道返回时使用的引擎技术有两个选项，其中一个是传统的化学火箭。另一个引擎选项就是核火箭。
目前，对于载人火星任务，NASA 在用的任务设计参考仍然是 2009 年版的 DRA 5.0。（封面见图 3）之后对这份 DRA 出过两份补充文件，最新的一份是 2014 年的，但是基本的思路没有大改。而 NASA 最近的一系列关于火星的研究和任务都是符合 DRA5.0 这份设计参考，或者说围绕着 DRA5.0 中的目标稳步前进的。例如，在载人任务之前，必须在火星表面的预置一些设备，必须用到高超音速的气球型减速降落伞（ballute，DRA5.0 中的构想图见图 1）。所以，过去一年，NASA 都在用小型探空火箭在即将离开地球大气层、大气环境比较像火星大气高层的地方试验这个东西，而且，在 2020 年将会发射一次火星任务，实验用这种减速伞进入火星大气层。我在三个月前 JPL 开放日的时候，就在他们的装配车间看到了火星实验将会用到的飞行器。（见图 2）
图 0，本人团队丧心病狂的并联离子电推推进级设计：29 个推进器并联。（大家看这 4 张图，有没有自带背景音乐 -- &登！登！登！登登！登登登登登登登登...&）
图 1，DRA5.0 中的气球型减速降落伞
图 2，JPL 装配车间里的实验飞行器，将于 2020 年测试气球型减速降落伞。微博账号 @panzerkom ，欢迎大家来粉哦 :D
图 3，DRA5.0 封面
那么，具体一点说，目前 NASA 的火星任务将会是什么样子的。执行任务的太空船又会是什么样子的呢？下面会慢慢看图说话，详细掰掰。
其实，《火星救援》那本小说号称是近年来最&硬&的硬科幻，是有道理的。其中的很多理念都符合 DRA5.0 的计划。（该不会是照抄的吧... &_&）其中，用无人任务在火星表面预置供宇航员居住的建筑物，预置离开火星时使用的飞船，在火星表面生产部分推进剂，这些都是正确的。当然，如果看的是电影版，里面那艘 Hermes 飞船就实在是太太太太太豪华了。目前 NASA 比较喜欢的地 - 火飞船，是图 4 中用核火箭这样的形态的。当然，用传统化学火箭的后备设计也有，如图 5。如果没钱上 NTR，也只能用化学火箭了。（奇怪，为神马脑海中突然浮现冠希兄的脸）
一个长期火星任务的耗时，可以看图 6。具体的说，在载人任务发射前的 26 个月，必须先用 4 次重型火箭发射，在近地轨道对接成两艘货运船。货运船用 350 天到达火星。预置舱段降落在火星表面，开始制造部分用于最后离开火星的推进剂。载人任务发射由 3 次重型及一次中型发射组成，在近地轨道对接成地 - 火飞船，MTV。（Mars Transit Vehicle，不是唱歌的那个 MTV 哦。啊啊给我一杯忘情水，藕耨，呸呸呸）地火飞船有一个可抛弃式推进剂箱设计，在完成进入火星转移轨道的变轨机动（TMI）后抛掉。载人任务去火星耗时大约 180 天。宇航员在火星表面 500 天（一年多呢）。然后，升空，对接，再用 180 天从火星轨道返回地球。
图 4a，用 NTR 的地火飞船形态：
图 4b，漂亮的东西要贴三遍嘛
图 4c，第三遍
图 5，化学能火箭的地火飞船。看着就无爱又无奈啊：
图 6，载人火星任务耗时示意图。当年的 Ares 战神系列火箭，现在都变成 SLS 了。（Hello Kitty 头上的蝴蝶结都变成小花了，有木有？）：
客官，这篇文章有意思吗？

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