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[科教] 中国这一箭,目标是星辰大海

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发表于 1-26-2017 08:45 AM | 显示全部楼层 |阅读模式

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中国航天随着长征5号大型环保运载火箭于去年在海南文昌发射中心首发成功,中国航天已经有了向深空进军的最重要的物质基础。

地球近地轨道25吨,月球转移轨道10吨左右有效载荷的能力。将在2017年下半年,用长征5号发射嫦娥5号,即将实现月球软着陆和取样返回,这样嫦娥工程的“绕、落、回”三步走的任务将圆满收官。

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嫦娥5号中国航天,这些年来扎实推进,逐步取得了世界一流的成就,今后20年内,建立大型空间站和实现深空探测,特别是载人深空探测——中国人登陆月球甚至是登陆火星就是非常现实的目标了。

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登陆火星!想想都让人神往的目标!但是其中的难度,又是惊人的。

登陆火星比登陆月球要复杂和困难百倍以上:1首先是距离,火星离开地球1亿公里以上,而月球到地球才仅仅38万公里,仅距离就完全不是一个数量级。从地面航天指挥中心,以光速向火星附近的人造飞行器发射操控信号,从发射到命令执行后反馈到地球,也要10分钟以上,可见距离之远。

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而且地球、火星都围绕太阳公转,但速率不同,人类要登陆,必须等待火星和地球同时位于太阳的同一侧,而且两者距离较近的时刻,地球和火星之间出现距离最近的发射窗口才能执行发射和返回。这种合适的发射窗口数年才有一次。

就算一切顺利,载人从地球到火星跑个来回也要1年半到两年。载人飞船进入环绕火星的轨道,从地球出发时要开发动机加速,一旦进入火星附近轨道就要反推减速,否则火星轨道的外面是引力超级强大的木星,一旦飞船不能成功减速,被木星吸引加速,就要飞向太阳系边缘的深空,那将是不可返回的死路一条,登陆火星期间变轨复杂,要消耗大量燃料。

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木星2迄今为止,人类发射的火星表面登陆器都是一次性、不返回的,例如美国的勇气号和机遇号火星车,若仅仅发射机遇号这么大小的无人火星车不返回,当前我们的长征五号也可以完成任务,甚至用成熟的长征二号E运载火箭,扔个几百公斤的探测器上火星也是可以的,但意义不大。而载人登陆火星就必须返回,不返回,就是自杀之旅,要返回,整个系统就极其庞大复杂。

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勇气号和机遇号火星车3火星本身的环境是相当复杂的,首先火星有大气,但其成分99%又是二氧化碳,这层大气对有人登陆没太大价值,反倒增加了相当多的麻烦。有大气的行星,着陆的轨道必须精准,靠近火星表面的环绕过渡轨道,不能飞的太低,飞入角度必须合理,否则就要和大气剧烈摩擦,烧毁着陆器。


月球没有大气,反倒简单的多,环绕月球飞行,即使降低到距离月球表面5公里都行,只要不撞上环形山。

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真实的火星地表景观火星由于引力小于地球,又没有海洋调节温度,而太阳辐射能量又足够,因此火星表面的季节变化比地球还强烈。当火星的春天开始,从火星极地吹来的狂风会掀起漫天的沙尘暴,最强烈的沙尘暴会笼罩整个火星表面,以至于从太空看火星都是一片模糊。

这种规模的沙尘暴是地球人类不曾遇到的,若登陆期间恰巧遇到这样的沙尘暴,只能彻底失败。

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火星极地吹出的沙尘暴火星表面的地形比地球还要复杂,最高的山峰有地球最高点珠穆朗玛峰的3倍还多,超过27000米,而最深的峡谷又比马里亚纳海沟还深。

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火星地形也就是说火星表面比地球表面要不平整的多,因此选择登陆点必须是相对平坦的大平原才行,因为有人登陆器一旦落到陡峭的坡地上或遇到大石头翻倒,即使成功软着陆,(像神舟飞船落地后,那样满地打滚就麻烦大了)也只有失败一条路了,因为整个着陆器,一旦翻倒,就不能再起飞返回地球。

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火星上可没有现成的吊车来帮忙扶起登陆体,上百吨的登陆体,一旦翻倒,靠自身动力扶正是不可能的,何况火星上还有狂风,会吹倒登陆器。这就要求载人登陆体的形状必须比较扁平,像个大蜘蛛,从本体向外伸出支撑腿,要求即使落到30度的斜坡上也不会翻倒才行。

100吨的物体又要求比较扁平,加上折叠的支撑腿,就要求直径相当大,不能是天宫或者国际空间站舱段那样的长圆筒形状,而必须是一个大体的、厚圆饼的形状。

这又回到了要求大直径火箭和一次发射100吨以上质量的问题,小直径、小推力火箭是无法发射这种大圆饼的,要求火箭直径至少8米以上,地球起飞总质量4000吨以上——总之就是需要土星五号级别甚至是更大直径的火箭。

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土星五号4从地球多次发射,在地球附近轨道对接后组成飞向火星的登陆组合体,也是一个方案。但这种松散的组合体,在地球附近轨道,当空间站可以,当登陆火星的飞船可行性就较低了。

首先,有人登陆火星表面再返回的话,登陆体本身质量就很大,因为登陆体下部要兼职当脱离火星的火箭发射架(阿波罗飞船的月球登陆体就是这样的设计),上部就是脱离火星的火箭和载人舱,火星是行星,引力比较强大,脱离火星的载人体,连火箭带载人舱段,总质量应该不低于50吨,加下部的支座(支座本身也是火箭,软着陆前也要开动发动机反推),因此整个登陆体总质量不会低于100吨。


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阿波罗飞船与此同时,在环绕火星轨道待命的指挥舱也要50吨以上的质量,载人仓从火星表面升空返回后,与环绕火星轨道的指挥舱对接成返回地球的飞行体,指挥舱的服务火箭再点火,脱离火星引力奔向返回地球的轨道。

也就是说,从地球附近轨道加速奔向火星的初始时刻,整个飞船组合体至少要200吨的质量,到达火星附近时,燃料消耗掉一部分,组合体剩余总质量约150吨,期间加速减速消耗数十吨燃料。 ▼

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整个火星登陆体的质量不能小于100吨,而且是一个整体,这就决定了整个飞船的出发质量至少要200吨,而且直径很大,像国际空间站这种多次对接的联合体是不能用来登陆火星的。


现有空间站的对接口,其直径较小、强度较低,并不适合行星际旅行。国际空间站最大的单体舱段不超过35吨。而火星载人登陆体至少要100吨,这就决定要登陆火星至少需要单次发射超过100吨质量的舱段。

也就是说,从地球起飞的火箭级别不能小于土星五号的4000吨级,若有到5000吨级以上的超级火箭更好,而目前世界现役的火箭,都小于这个级别。

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国际空间站4我国新装备的远望21号,就是长征5号或更大级别火箭的专用运输船,未来可以运输土星5号级别的世界最大的火箭,单级重3000——5000吨(火箭不加注燃料,仅仅壳子没那么重,这里指火箭的级别),直径接近10米,长度100米上下,未来,在我国出现起飞总重接近万吨的世界最大级别火箭——长征9号,非常有可能!

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火箭本来就是中国人的发明,最终还要在中国人这里发扬光大。中国公布了全封闭蔬菜氧气循环空间实验场,明显是为深空长时间载人飞行做准备。

最先登陆火星的第一批地球人,很可能是中国人!

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发表于 1-26-2017 09:12 AM | 显示全部楼层
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发表于 1-26-2017 03:26 PM | 显示全部楼层
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