洛·马的“火星营地”计划

□ 展鹏飞

洛·马的“火星营地”计划

□ 展鹏飞

▲ “火星营地”抵达火星轨道的想象图

在2017年国际宇航大会上，美国人把载人火星探索的设想向前推进了一大步。洛·马公司和太空探索技术公司都拿出了自己的火星探索具体方案。不得不说，这两份方案是迄今为止最靠谱的。而且还可以发现一个有趣的现象，无论洛·马还是马斯克，都认为美国宇航局的火星探索进度表太保守了。

洛·马公司在重返月球上没有发出太大的声音，是因为该公司的猎户座飞船已经钦定为下一代载人飞船的标准版，而且地月轨道空间站的研制也少不了洛·马来分一杯羹。因此，在本届宇航大会上，洛·马的宣讲重点就放在了火星。洛·马这次提出了一个完整的早期火星载人探索方案，叫做“火星营地”（MBC）。

基本概念

早在2016年，洛·马就提出过“火星营地”的概念，是一个以月球及环月空间为跳板，前往火星展开载人探索的体系。这次，洛·马发表一份长达14页的论文，详细阐述了“火星营地”的框架，它由地球表面、地球轨道、地月空间、火星轨道、火星表面的一系列设施组成，规模相当大。按照设想，有关航天器从地球表面用现有的德尔它4、阿里安5和研制中的重型猎鹰、SLS等重型运载火箭发射到地月空间轨道上。在这里，通过地月轨道空间站的中转，飞向火星，抵达火星上空的轨道。然后再设法降落，在火星表面着陆。

“火星营地”概念有几个基本的设计原则：循序渐进、可重复使用、技术继承、乘员安全与可靠性、开放合作。洛·马公司着重指出，“火星营地”概念并不是像阿波罗计划那样的“到此一游”，而是要真正为人类长期火星生存服务，建立长期使用的火星基础设施。

“火星营地”的主体，是飞行在火星上空的“火星营地”空间站，基本结构和洛·马设想中的地月轨道空间站很接近。它由两个圆台型的实验室舱段构成核心，向两端延展出两个服务舱，用于提供太阳能发电、热控和水的存储。两个实验室舱段之间是一个节点舱，可以用来对接火星起降飞行器（MDAV）或者低温推进级。

“火星营地”的建设不可能是一蹴而就的，人类长期在深空生存、工作的很多技术都需要逐步成熟，包括遥控机器人、采样返回和太阳能电推进等技术。而最合适的试验平台就是美国宇航局新近提出的地月轨道空间站（DSG）。

▲ 火星起降飞行器和“火星营地”空间站对接想象图

▲ “火星营地”进度设想

不登陆的“火星营地”-1考察

按照洛·马的论文，第一代火星营地“火星营地”-1的设想，是运送6名航天员前往火星轨道，实施为期1年的探索。不过这些航天员并不登上火星，而是遥控操作机器人降落到火星表面。但是在此期间，如果条件允许，可以考虑派航天员探访火卫一或火卫二。

考虑到火星和地球之间的飞行窗口，无论是不是登上火星表面，探索队都要在火星及火星轨道上待11个月左右。

尤其是对遥控机器人技术来说，现在工作在火星上的探测器，其实都属于遥控机器人。但是由于地球和火星之间的距离遥远，无线电波飞行需要380秒～2670秒。加上探测器的功率有限，它们与地球之间的通信带宽也很窄。因此，人们能在“好奇号”上实现的功能受到了很大制约，有些需要迅速决策的复杂操作就无法实现，例如钻探、精确驾驶和取样。但是，如果从“火星营地”上操作就不同了。火星轨道到火星表面的时延很短，带宽几乎是要多少有多少。这样，火星表面的机器人就可以自由选择遥控、全自主、人工干预下的自主和任务级自主等模式。“火星营地”里的航天员还可以对采样返回的样品进行初步分析，迅速做出判断，并且制定下一轮采样计划。比之于采样返回地球，这样的模式显然要快捷得多。

“火星营地”还可以携带大型3D打印机，制造和修复重要的零件。在1年乃至1000天的任务中，在轨维修几乎是不可避免的，但是要带上足够多的、能够支撑这么久空间飞行的备件，几乎是不可能的。所以，在轨3D打印是必由之路。

登陆的“火星营地”-S考察

当“火星营地”-1任务取得成功，就可以启动人类登陆火星的“火星营地”-S任务（S就是表面的首字母）。“火星营地”-1任务的居住舱、实验室、低温推进级、考察组负责人、液氢液氧储箱、太阳能推进级保留在轨道上，继续担当地火通信中继工作，并持续接收地球送来的补给品。

“火星营地”-S的流程大致是这样的：先发射称为“火星营地”-1转移飞行器的空间组合，包括实验室舱段、太阳能推进舱段、燃料存储舱段，然后在空间为它们加满燃料；发射火星起降飞行器，它需要用SLS火箭从地球上发射，然后抵达火星轨道，与“火星营地”-1任务飞行器对接；发射燃料补加预置舱，进入“火星营地”-1轨道；航天员进入“火星营地”-1转移飞行器，然后飞向火星；“火星营地”-1转移飞行器与“火星营地”-1、火星起降飞行器、燃料补加预置舱等交会对接，航天员乘火星起降飞行器登陆火星，考察后返回；航天员乘转移飞行器回到地月轨道空间站；航天员乘猎户座飞船从地月轨道空间站回到地球。

▲ “火星营地”探测火卫二想象图

火星表面探索

人们最关心的，还是如何把人类考察队送到火星表面去。考虑到地火转移轨道的时间窗口，考察队要在火星上待11个月。不过在“火星营地”框架下，考察队不需要长时间呆在火星表面。

首次人类登陆任务，可以派出一个4人考察组，乘坐火星起降飞行器降落到火星表面，然后其中2人留守、2人出舱考察。外出考察的两人不需要离开太远，可以定时回火星起降飞行器休整轮换。经过两周考察活动后，考察组乘火星起降飞行器回到“火星营地”，实施人员休整、样品分析、数据统计、报告撰写等工作，并为火星起降飞行器补充燃料。然后，考察组可以再次出发，前往火星上的另外某个地点着陆。

与航天员全程待在火星上相比，这种方式有几个好处：

费用比较低。如果要在火星上待一年，就必须送去完整的生活设施，包括居住舱、发电机、漫游车、供给物资、工具等等。美国宇航局曾经考虑过，在人员出发之前，先用SLS火箭把这些东西发射到火星上去。而“火星营地”框架中，人员在火星表面停留时间比较短，因此不需要上述物质条件。

安全性较高。短期火星表面任务可以减少考察队遭遇危险的概率，这是因为人们对火星的了解还比较少，在短期内无法建立起完善的火星设施，空间站里更安全。这具体体现在几个方面。首先是对着陆精度要求低。如果要在火星上待一年，就必须精确地降落在预定位置；在“火星营地”模式下，这种精度要求就低一些，只要着陆场是平原就可以了。

具备随时撤退能力。前面所说的两周登陆任务，包括了往返飞行与降落前后的准备工作，实际在火星表面活动的时间大约是一周多。这样短的时间里，考察队不会离开火星起降飞行器太远，如果发生设备重大故障或者人员伤病，可以立刻返回“火星营地”。如果降落失败，也可以暂时回撤到“火星营地”。

具备自救能力。任务携带两艘火星起降飞行器，如果降落到火星上的火星起降飞行器发生故障，可以派遣另一艘去救援他们。

灵活性强。考察队可以抵达火星轨道之后再确认着陆场，这给考察计划带来了很大方便。此前的无人着陆器都是通过环绕火星的探测器先行测绘地形，然后在地球上预先确认好着陆场，再直接投送过去。由于人们对火星的了解并不多，火星起降飞行器的各种推力系统，以及姿态控制和发电系统，都采用液氢液氧燃料。低温燃料的汽化损耗部分用来发电，反应生成的水供考察队生活使用，因此液氢液氧几乎是唯一的消耗品。而一次“火星营地”任务当中能实施多少次火星表面探索任务，也只取决于液氢液氧的储备量。

按照洛·马公司提出的设计，“火星营地”上的低温燃料储箱可以支持往返地球和火星一次，以及往返火星表面两次的任务，以及“猎户座”前往火卫二、火卫一的任务。前往火卫二、火卫一的推进任务由低温推进级和短途旅行系统承担。如果不前往火卫二、火卫一，那么“火星营地”不需要地球送来补给，靠从地球出发时携带的水，就可以支持一次火星起降飞行器登陆火星的任务，然后返回地球。

如果要执行两次登陆任务，就需要更多的液氢液氧。这些液氢液氧可以靠“火星营地”电解水来制备，也可以从地球送水前去。为此，洛·马还提出了一种叫做WDV的飞行器，直译过来就是“送水飞船”。理论上说，WDV的尺寸可大可小，洛·马设定了一种可以携带52吨水的WDV，两艘WDV携带的水可以支撑一次火星起降飞行器的任务，同时还要携带一个功率为375千瓦的太阳能发电舱。另外，还要携带一组容量为40吨的液氢液氧储箱，但发射时是空的。

这样大的航天器需要用SLS火箭来发射。如果有朝一日，人们在月球、小行星或者火星上发现了有开发价值的水资源，就不需要再从地球补给了。

▲ 洛·马公司的火星起降飞行器示意图

运水的方式有很多好处。首先是避免了氢氧燃料的汽化损耗，这样太阳电池产生的电力不需要用来为燃料保持低温，可以全部用于推进。进入火星轨道后，WDV和“火星营地”交会，“火星营地”伸出机械臂捕获WDV。然后将其携带的水电解成液氢液氧。两艘WDV如果同时工作，用两个半月时间可以为一艘火星起降飞行器准备好燃料。

如果财力足够，可以派遣多艘装满水的WDV在火星轨道上待命，也就是前文所说的燃料补加预置舱。它们与“火星营地”处在同一轨道上，保持一定的相位差。火星起降飞行器可以脱离“火星营地”，与这些WDV直接对接，补充燃料，然后回到“火星营地”接上航天员，再前往火星表面。

火星起降飞行器离开“火星营地”后，启动反推发动机，进入火星大气层，预计再入速度为每秒4.7千米。然后火星起降飞行器进入受控的气动减速状态，在减速到大约马赫数2的时候调姿，进入超音速火箭制动状态。当速度基本为零的时候，放出起落架，降落在火星上。

火星起降飞行器采用了无翼的升力体结构，没有气动减速面或其他可收放的气动设备。这样不但可以节省一些燃料，也可以省去重新起飞前的检修工作。火星起降飞行器不采用降落伞，因为火星空气稀薄，这种超过100吨的飞船所需要的降落伞面积实在是太大了。

降落之后，4人考察组将执行大约10天的考察任务。按照50%的冗余来考虑，就要准备15天的物资。用于舱外活动的设备大约重2500千克，加上两名航天员，要用吊车放到火星表面。火星起降飞行器可以支持每天多次火星表面行走，但每次只能去两个人。

除了与“火星营地”进行高速通信外，火星起降飞行器也可以和地球进行低速率直接通信。

火星表面考察任务结束后，火星起降飞行器可以按照单级入轨的方式返回火星轨道。如果“火星营地”部署在500千米高圆轨道上，降落到火星上需要消耗的速度增量为每秒1270千米，返回轨道需要每秒4200千米，这样总共需要消耗火星起降飞行器燃料携带量的71%。如果“火星营地”部署在火星的同步轨道上，火星起降飞行器往返一次需要每秒6000米的速度增量，消耗燃料携带量的74%。这个数字有很重要的意义，因为航天飞机每次发射，需要消耗掉外置储箱总燃料携带量的85%才能入轨。这意味着美国航天界靠现有的技术就能把火星起降飞行器造出来。

▲ BFR与未来火星基地形成规模后的想象图

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马斯克的“大型猎鹰火箭”

在2017年国际宇航大会上，SpaceX公司拿出来的方案虽然没有那么完整，但是也引起了人们的足够兴趣。它的名字叫做BFR，也就是“大型猎鹰火箭”。看起来马斯克对“猎鹰”这个单词感情很深厚。BFR没有像洛·马公司一样考虑完整的火星往返考察流程，它更多地关注如何设计一种新的火箭。

BFR比马斯克在2016年介绍的ITS火箭要小得多，直径从12米降低到了9米。看来钢铁侠也发现自己曾经的梦想太庞大了一点。而且BFR并不是专用的火星火箭，而是一种通用性运载工具，地球轨道、月球轨道和星际飞行都用它来作为解决方案。

BFR的发动机依然是猎鹰9号火箭所使用的猛禽系列，一级火箭的发动机数量达到了31台之多。

BFR的框架要比洛·马的“火星营地”简单很多，没有考虑复杂的过渡飞行问题。火箭的第二级（也就是飞船部分）尾部有一组小翼，可以用来在火星上着陆。BFR有三种构型：载人型、货运型和液罐型。前两种构型可以飞往火星，货运型也可以用于地球轨道发射。液罐型主要用于在轨燃料补加。如果要飞往深空，可以发射一枚载人型或者货运型BFR，同时发射一枚液罐型。抵达高轨道后，由后者为前者补充燃料。然后前者继续飞往深空，后者返回地球着陆。

至于BFR如何从火星返回地球，在火星上如何运行，马斯克没有做太多解释。或许他还坚持采用以前的理念，用一群载人型“龙”飞船构成火星村，供移民居住。

BFR最有意思的构型之一，是地球上的点对点运输，也就是当个民航机来用。这简直就是在抢亚轨道太空旅游企业的生意了。

按照美国媒体的说法，马斯克似乎很喜欢去上海吃个面，所以他打算坐BFR从纽约直接飞到上海。至于票价，据说和民航机的经济舱全价一样。而且它每次飞行可以搭载850名乘客！目前最大的民航机A380要卖出满座才能搭载这么多人。此言一出，美国媒体陷入了狂热之中，根据一些人的计算，BFR可以在39分钟内从纽约抵达上海，29分钟就可以从纽约抵达伦敦，随便去世界什么地方吃个饭再回家已经不是梦想了。据说BFR飞行中的过载也就是2～3g，和公园里的游乐机差不多，身体健康的人都能坐。所以有人惊呼，马斯克又要干掉传统航空公司了。

责任编辑：陈彩连