【原创文章】下一站,火星(上)

主页君说

上图的这件事情想必大家都知道了,备受关注的重型猎鹰火箭首飞载荷终于在昨日曝光,SpaceX公司创始人采纳了之前网友的“脑洞”建议,决定将一辆樱桃红色的特斯拉Roadster电动汽车作为载荷发射升空,并进入地火转移轨道。如果首飞顺利,载荷照常入轨的话,这辆幸运的电动车将有幸在茫茫太空中飞行很久很久。。。(作者:Saturn V)


如果你是一位SpaceX爱好者,那么一定不会对登陆火星感到陌生,哪怕你不是一位SpaceX爱好者,估计也或多或少在新闻中频繁看到火星的字眼,这颗以古希腊神话战神的名字命名的星球,几乎成了伊隆马斯克的代名词。不过去火星,到底有多复杂多麻烦呢?又是什么给了马斯克“我要死在火星,只不过不是在降落时”的勇气?SpaceX在不为人知的地方,又做了多少为最终登陆殖民火星的科技准备呢?下一站,火星,需要人类一个世纪的航天工程技术结晶。

火星年大约为687地球日或669火星日

怎样去火星?直接坐飞船去不就行了?嘛,和地球上两点之间往返不同,去火星要“略微”复杂一些。地球和火星广义上讲都是环绕太阳旋转的星体,而由于椭圆形轨道的半径不同,地球和火星的环绕轨道周期也不同,因此导致地球和火星之间的直线距离呈周期性变化,最近时为5460万千米,最远时可达4亿千米。换句话说,在最近时光需要182秒才能抵达火星,最远时光则需要1342秒,足足22.4分钟才能抵达火星。这也是为何在世界地理杂志拍摄的半纪录片“火星时代”中,片头曲的第一句台词便是“182 seconds baby”,因为182秒是地球火星之前无线电通讯的最短单向延迟。在距离上火星便来了个下马威,长达6分钟的双向通讯延迟意味着地球无法对火星的宇航员出现的突发问题提供任何直接帮助。显然为降低风险,去往火星的飞船应该在尽可能近的情况下发射,而通过下图可看出,2018-2020和2034-2036两个时间段距离最短,这也是为何SpaceX曾计划在2018年发射“红龙”,NASA计划在2035年完成载人登陆火星的原因之一。

不过在最短距离时发射就万事大吉了嘛?以从地球发射的最快探测器“新视野号”为例,如果能保持58000千米每小时的速度,则在最短距离时也需要39天,而在这39天的时间内火星的位置也在变化,等到了火星轨道火星早已不在原来位置。更不用说“新视野号”的发射重量仅478千克,加速质量大几个数量级的载人飞船到同样速度,消耗燃料将难以想象。有没有省燃料同时还能正好和火星相遇在火星轨道的方案呢?德国物理学家瓦尔特•霍曼在1925年出版的书Die Erreichbarkeit der Himmelskörper(德语“天体的可到达性”)中首次提出了一种两个环绕轨道之间的转移轨道,以最少燃料消耗的两次飞船加速完成,后人因此将此轨道命名为霍曼转移轨道。

以地球火星的霍曼转移轨道为例,取地球火星椭圆形轨道的近似圆形轨道计算,则火星霍曼转移轨道呈环绕太阳的椭圆形状,近日点在地球轨道,远日点在火星轨道,环绕周期大约为517地球日。从地球发射的飞船首先加速到霍曼转移轨道速度,到达火星轨道后再加速到火星环绕速度,若要降落火星地表,则可省去第二次加速直接坠入火星。如下图所示,霍曼转移轨道成立的前提是地球在发射时位于3点钟位置,火星到达时位于9点钟位置,因此可根据火星的公转速度,反向推算出发射时火星必须要在环绕轨道上领先地球大约44度。特殊的位置要求使得霍曼转移轨道有周期大约为780地球日的发射窗口,若错过机会,则需要再等至少两年时间。NASA的“洞察号”火星降落器便是因为真空储存器的泄漏错过了2016年3月的霍曼转移轨道发射窗口,不得不等到2018年5月再发射。

以下为动图演示

霍曼转移轨道的最大优势在于到达此轨道所需的燃料较少,现有化学火箭便可完成。对于太空飞行器来说,改变速度及意味着改变轨道,而改变幅度越大则意味着所需消耗的燃料越多,因此改变轨道所需的速度变化自然成了一个重要的衡量指标。由于数学家用古希腊字母Δ指代变化,速度变化便是ΔV,读作Delta-Velocity,常以dV简写。从下图便可看出,从近地轨道LEO到火星霍曼转移轨道需要2.5+0.7+0.6=3.8千米每秒的dV,这和从LEO直接送入地球同步轨道GEO所需的dV是一样的(主页君注:请注意是直送,不是通常的打GTO),且要小于送入月球轨道所需的2.5+1.6=4.1千米每秒的dV(主页君说:惊不惊喜?意不意外?)。换句话说,一款火箭所能直接送入地球同步轨道的质量,也是其能通过霍曼转移轨道送去火星的质量,甚至由于具体引擎点火时间间隔的差别,霍曼转移轨道输送质量还可略高。举例而言,宇宙神-V541构型火箭直送地球同步轨道的极限载荷为3530千克,却可把发射质量3893千克的“好奇号”火星车送入火星霍曼转移轨道

对于玩过坎巴拉的人我根本不需要解释这张图

同样,如果一款火箭能将大质量物体直接送入地球同步轨道的同时,还可将大质量载人飞船送入月球轨道的话,那这款火箭便会非常适合向火星发射飞船。也就是说“这款适合向火星发射飞船的火箭”的最关键要求,在于注重地球同步轨道卫星的发射,以及有计划发射载人飞船到月球轨道,为了频繁发射再加上一条这款火箭要能部分回收吧。。。。。。

好吧装不下去了,“这款火箭”就是让广大SpaceX关注者千等万等的重型猎鹰火箭,SpaceX一直把重型猎鹰当作猎鹰9回收再飞后的头等大事,正是因为重型猎鹰尤为重要的LEO之上的高轨道输送能力。虽说不知道是真是假,但预计火星霍曼转移载荷达16.8吨的重型猎鹰火箭,确实可以很轻松的把全重仅1305千克的特斯拉Roadster送往火星。当然笔者更倾向于把自己拥有的,市场售价高达12万美金的红色电动跑车送到火星,是马斯克的一个玩笑,再怎么说也要给特斯拉Roadster装个火星降落装置吧?不然Roadster可就真的是死在火星,只不过是在降落时了。。。。。。

我觉得这OK

我觉得这很OK

如果首飞一切顺利,这张图搞不好就成真了。。。(飞掠火星)

玩笑归玩笑,不过说到这里也就引出了登陆殖民火星的另一大难题——降落火星地表。霍曼转移轨道只能保证飞船以最少燃料消耗到达环绕火星的轨道,但让飞船降落在火星地表就是另一回事了。事实上在岩石星体表面上降落,火星有着最差的纪录,成功率仅54%(主要是毛子的责任,火星着陆成功率近乎0%),远不及金星的77%,月球的76%,甚至要低于距离更远的土星卫星泰坦的100%。火星仿佛就像其名字来源的战神阿瑞斯那样,讨厌人类和人造物体的拜访。火星降落难度之大,要“归功于”火星独特的大气构造。月球容易降落因为没有大气,所以空气阻力完全可以忽略不计,降落器需要引擎动力降落但不需要任何气动设计,隔热罩和降落伞,因此可省下隔热罩等的质量。地球,金星和泰坦容易降落,因为这些星体有足够稠密的大气来产生足够的空气阻力为降落器减速,降落器需要流线型设计,隔热罩和降落伞,但不需要多余质量安装引擎动力降落。火星地表大气压为地球海平面大气压的0.6%,恰好位于稠密和不稠密大气的中间。换句话说,火星大气会产生足够的热量和阻力破坏没有气动设计和隔热罩的降落器,但却又产生不了足够的阻力使降落器能用降落伞达到安全的终端速度降落。NASA和JPL为在火星降落设计出了许多创(脑)意(洞)十(大)足(开)的降落方式,比如用充气气囊缓冲的“寻路者”,“机遇号”和“勇气号”火星车,以及用天空升降机末端逆向喷射火箭减速,然后低空悬停释放的“好奇号”火星车,两种降落方式同时还需要配合超音速降落伞。

“寻路者”的缓冲气囊等比例模型

天空升降机机动

不过正如所有采用降落伞降落的载人飞船一样,降落伞在打开的瞬间会产生极大的减速度G力,对宇航员很不友善,这也是为何不使用降落伞的航天飞机被称作最舒适的太空返回载具的原因。超音速降落伞在减速G力上更为可怕,“好奇号”的超音速降落伞打开瞬间会产生超过9G的减速度,这对于登陆火星的宇航员来说非常危险,因为长时间低重力宇宙飞行已经让他们的骨骼疏松肌肉松弛,难以承受突然的剧烈加速度。NASA考虑过的解决方法之一便是在天空升降机的基础上,研发全程逆向喷射减速的设计,这样不但可缓慢地减速,还可更早地精确调整目标降落地点。具体而言降落器到达火星后与“好奇号”无异,在隔热罩保护下由顶端火星大气进行第一次减速,不过在到达终端速度后,逆向喷射火箭将替代超音速降落伞,在大约为地球海平面大气压0.1%的火星上层大气中完成从8马赫的高超音速到跨音速的第二次减速,最后以逆向喷射火箭的动力降落方式降落火星地表。

觉不觉得整个降落过程很眼熟?稀薄大气中一边进行制导一边完成高超音速音速段的减速,最后逆向喷射动力降落,这不就是猎鹰9火箭第一级的回收降落方式嘛?猎鹰9第一级梅林引擎大约20秒的再入点火,会在大约50千米的高空将猎鹰9第一级减速到1800米/秒(海上降落)或800米/秒(陆地降落)左右的超音速,并由稠密的大气完成剩余的跨音速减速工作,最后在接近地表时梅林引擎再次降落点火,将整个猎鹰9的第一级从亚音速逐渐减速到0米/秒。地球高空的大气环境和火星稀薄的大气环境如此之像,以至于NASA都开始通过猎鹰9第一级再入点火时的红外摄影,来研究超音速反推时的气流状况,以完善火星降落逆向喷射的模型。估计NASA在最初给SpaceX投资的时候根本不会想到,有朝一日SpaceX会以宝贵的实际超音速逆向喷射数据来回报自己,仅此一项便已为NASA省去诸多测试经费并提前回避了可能的设计弯路。随着猎鹰9第一级的回收逐渐完善并成为常态,SpaceX在甚至还没有把飞船送到火星前,便已有了火星降落所需的基本设计数据和模型,而整个研发过程,尤其是研发超音速逆向喷射的设计经验和设计团队,更比任何数据模型还要有价值。

再入点火的红外摄影

通过延迟曝光拍摄的起飞,再入和降落点火

NASA针对猎鹰9的超音速反推在AIAA上发表了多篇论文

人们常说若想成功必须要有远见,当几乎所有人,乃至部分航天专家都认为SpaceX殖民火星是在痴人说梦时,马斯克和他手下的7000名员工们却早已开始为未来的火星登陆做出准备。当然这还不是全部,在下一站到火星的路上,似乎还却了什么至关重要的东西。。。。。。

(未完待续)


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