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在很多科幻电影里,星际航行似乎是一件很容易的事:人们只要按几个电钮,航天飞船“呼”的一声就升空了,轻松自如地来往于各个星球之间。这是人类的美好愿望,但在现实中,由于相距遥远,加之星球之间复杂的空间环境,要实现火星旅行还面临着重重困难。
我们不妨从发射、途中和返回三个阶段来认识这些困难。
发射:要动力,也要时机
1969年7月20日,美国“阿波罗11号”成功登月。它的发射使用的是“土星5”火箭。这种火箭是迄今为止人类建造的动力最为强劲的火箭,高达110米,起飞时的重量为3200吨以上,可谓庞然大物。但奔向月球的“阿波罗”飞船仅为45吨,也就是说,对于登月计划来说,“土星5”这一“霸主”级火箭的有效荷载仅为其自身重量的1.4%多一点。
月球离地球384400千米,火星的距离则有1.92亿千米之遥,而火星登陆器由于要装备长时间航行所需的大量物资,肯定要比登月飞船庞大得多(估计超过400吨),这势必需要更为巨大的火箭。要制造出这种火箭并从地面上发射升空,目前还有许多难以克服的困难。
美国人曾经提出一个方案,即用数枚巨型火箭将各个组件发射到地球轨道上,在那里进行组装,然后从那里飞向火星。这听起来很诱人,但它存在着很大的风险,在充满不确定性的太空环境里,稍一不慎,结果就是前功尽弃。
同时,飞向火星的发射不是任何时候都可以进行的。经过计算,当我们选用霍曼轨道时,地球与火星至太阳之间的平面夹角一般以44°左右为宜,即火星的位置超前地球44°(如右图)。这样的时机被称为“火星发射窗口”。这个“窗口”每两年零一个月才会出现一次。如果当“窗口”出现,但气象、空间环境或技术等其他条件不合适的话,就要再等两年零一个月了。
途中:要速度,也要安全
目前飞向行星际的飞行器,速度一般在16千米/秒左右,现有技术很难使它进一步提高。人们总是希望它们的速度能更快些,但飞船荷载有限,加上来回火星路途遥远,燃料不可能带很多,所以只能用尽可能节能的方式,沿着霍曼或近似于霍曼式的轨道飞行。
有的科学家提出用“太阳光帆”来提高速度的方案。所谓“太阳光帆”,就是一面巨大的像船帆一样张开的金属或塑料薄膜,当来自太阳光的一粒粒“光子”打在上面时,就会对它产生推力。我们平时感觉不到这种“光压”,是因为它实在太微不足道了。但在太空没有空气阻力的环境里,它的作用就比较明显了。当然这种“明显”也是相对的,有人做过缜密的计算,大小为1000平方米的光帆,在地球附近可产生1/1000公斤的推力。
但这么大的一张光帆,怎么发射升空,怎么安装在飞船上,都还是问题。而且这种光帆还必须做得很薄、很轻,其结构强度相应就会很低,极容易被太空里存在的流星、陨石击穿、击毁。很多东西我们目前还没有搞清楚。
那么,用核动力火箭又如何呢?现在已有不少科学家致力于火箭核动力发动机的研究,但现实困难依然很多。我们仅说一点。要实现核反应堆的连锁裂变反应,必须有一个“临界尺寸”。这个尺寸已经大到使现有的火箭难以承受,同时,保护反应堆安全的防护液也使火箭的起飞重量大大增加。要造出核动力的火箭,估计还要有相当长的时间。
奔往火星的飞船,在摆脱了地球引力后,以16千米/秒的速度飞行,单程大约需要150天。即使提高到20千米/秒,至少也需要120天。宇航员要吃要喝要呼吸,所需要的生存物资是一个巨大的数量。
飞船肯定带不了这么多物资,唯一有效的途径,是设计安装可循环利用资源的设备,把呼出的二氧化碳和排泄的废物循环利用。这种设备还不完善,有待科学家的继续努力。
空间的流星物质也时时威胁着飞行的安全。每天坠入地球大气层的流星数量之多简直令人难以置信:重量在1克以上的有2万多颗,更小的则有几十亿颗。这些流星足以损毁飞船,而防护的办法只有把飞船的舱壁做得相当坚固。
除此之外,漫长单调的旅行,对宇航员来说是一件难以忍受的事情。假如把你和另一个人关在一个密闭舱内一两个月,你会有何感觉?何况往返火星,仅仅路途中就长达近一年时间,可以想象宇航员的心理压力有多大。来回近4亿千米的路上,只能在飞船中乖乖地呆着,周围的太空漆黑一片,连通讯也有近20分钟的延时——这对没有七情六欲的无人探测器来说不成问题,但对人来说,这是实实在在的困难。
返回:难中之难
把人送上火星很难,但再难也难不过把他们安全地送回来。
从地球上起飞要克服地球引力,而从火星上返回,在起飞时同样要摆脱火星的引力。火星比地球小,经计算,火星的第一宇宙速度(即环绕速度)为3.60千米/秒,其第二宇宙速度(即逃逸速度)为5.09千米/秒,都比地球上要小得多,但比月球上可大得多,这就同样需要有足够强劲有力的火箭才能实现起飞、对接、返回。在地球上发射,有一大批机构和人员为它服务,而在火星上可就冷清多了,全靠几名宇航员“自我服务”,这自然是一个巨大的考验。
我们前面谈到了“发射窗口”,同样从火星返回地球也有一个“发射窗口”的问题,不是想什么时候回就什么时候回的。当宇航员登陆火星后,要等待火星与地球处在一个适当的位置方能发射返回。这一等,就是大约500天时间。换句话说,宇航员不得不在火星上逗留一段漫长的时光。
在这一年半时间里,宇航员要生存,还要进行科学考察,给养供应问题如何解决?对此,专家们已有方案:在宇航员从地球起飞前10—15天,用“土星-5”巨型火箭将7吨液态氧和一座50千瓦的核反应堆及“小型化工厂”发往火星。这个“小型化工厂”能生产纯水、氧气和作为燃料的甲烷,以保证宇航员登陆火星后使用。当然这个计划的耗资是巨大的,估计至少需要5000亿美元。
逗留时间这么长,也不免遭遇各种意想不到的麻烦,何况火星的荒凉是有名的,大风扬起的沙尘暴经常延续数月之久。这也让人产生这样的担心:好不容易等来“发射窗口”,终于可以回家的时候,气候条件却不允许发射,那可怎么办?
结束语
尽管探索火星的路上充满着各种挫折和难题,但以今天的科学技术发展和人类的智慧来看,登陆火星并安全返回的壮举终将实现。今天在学校学习的中学生,将是未来探索火星的生力军,希望你们把握时机,勤奋学习,打实基础,将来去亲手揭开这颗红色星球的秘密,为国家的繁荣、人类的进步作出贡献。
给大家留一道“思考题”:当选用霍曼轨道从火星返回地球时,地球和火星的相对位置怎样(即返回时的“发射窗口”如何选择)?有兴趣的同学请写信给《中学生天地》的编辑,他们会把你的想法告诉我的。
(本文作者生于1938年,今年是他的“本命年”。他是中国科学技术大学教授,我国著名的火箭动力专家。)
我们不妨从发射、途中和返回三个阶段来认识这些困难。
发射:要动力,也要时机
1969年7月20日,美国“阿波罗11号”成功登月。它的发射使用的是“土星5”火箭。这种火箭是迄今为止人类建造的动力最为强劲的火箭,高达110米,起飞时的重量为3200吨以上,可谓庞然大物。但奔向月球的“阿波罗”飞船仅为45吨,也就是说,对于登月计划来说,“土星5”这一“霸主”级火箭的有效荷载仅为其自身重量的1.4%多一点。
月球离地球384400千米,火星的距离则有1.92亿千米之遥,而火星登陆器由于要装备长时间航行所需的大量物资,肯定要比登月飞船庞大得多(估计超过400吨),这势必需要更为巨大的火箭。要制造出这种火箭并从地面上发射升空,目前还有许多难以克服的困难。
美国人曾经提出一个方案,即用数枚巨型火箭将各个组件发射到地球轨道上,在那里进行组装,然后从那里飞向火星。这听起来很诱人,但它存在着很大的风险,在充满不确定性的太空环境里,稍一不慎,结果就是前功尽弃。
同时,飞向火星的发射不是任何时候都可以进行的。经过计算,当我们选用霍曼轨道时,地球与火星至太阳之间的平面夹角一般以44°左右为宜,即火星的位置超前地球44°(如右图)。这样的时机被称为“火星发射窗口”。这个“窗口”每两年零一个月才会出现一次。如果当“窗口”出现,但气象、空间环境或技术等其他条件不合适的话,就要再等两年零一个月了。
途中:要速度,也要安全
目前飞向行星际的飞行器,速度一般在16千米/秒左右,现有技术很难使它进一步提高。人们总是希望它们的速度能更快些,但飞船荷载有限,加上来回火星路途遥远,燃料不可能带很多,所以只能用尽可能节能的方式,沿着霍曼或近似于霍曼式的轨道飞行。
有的科学家提出用“太阳光帆”来提高速度的方案。所谓“太阳光帆”,就是一面巨大的像船帆一样张开的金属或塑料薄膜,当来自太阳光的一粒粒“光子”打在上面时,就会对它产生推力。我们平时感觉不到这种“光压”,是因为它实在太微不足道了。但在太空没有空气阻力的环境里,它的作用就比较明显了。当然这种“明显”也是相对的,有人做过缜密的计算,大小为1000平方米的光帆,在地球附近可产生1/1000公斤的推力。
但这么大的一张光帆,怎么发射升空,怎么安装在飞船上,都还是问题。而且这种光帆还必须做得很薄、很轻,其结构强度相应就会很低,极容易被太空里存在的流星、陨石击穿、击毁。很多东西我们目前还没有搞清楚。
那么,用核动力火箭又如何呢?现在已有不少科学家致力于火箭核动力发动机的研究,但现实困难依然很多。我们仅说一点。要实现核反应堆的连锁裂变反应,必须有一个“临界尺寸”。这个尺寸已经大到使现有的火箭难以承受,同时,保护反应堆安全的防护液也使火箭的起飞重量大大增加。要造出核动力的火箭,估计还要有相当长的时间。
奔往火星的飞船,在摆脱了地球引力后,以16千米/秒的速度飞行,单程大约需要150天。即使提高到20千米/秒,至少也需要120天。宇航员要吃要喝要呼吸,所需要的生存物资是一个巨大的数量。
飞船肯定带不了这么多物资,唯一有效的途径,是设计安装可循环利用资源的设备,把呼出的二氧化碳和排泄的废物循环利用。这种设备还不完善,有待科学家的继续努力。
空间的流星物质也时时威胁着飞行的安全。每天坠入地球大气层的流星数量之多简直令人难以置信:重量在1克以上的有2万多颗,更小的则有几十亿颗。这些流星足以损毁飞船,而防护的办法只有把飞船的舱壁做得相当坚固。
除此之外,漫长单调的旅行,对宇航员来说是一件难以忍受的事情。假如把你和另一个人关在一个密闭舱内一两个月,你会有何感觉?何况往返火星,仅仅路途中就长达近一年时间,可以想象宇航员的心理压力有多大。来回近4亿千米的路上,只能在飞船中乖乖地呆着,周围的太空漆黑一片,连通讯也有近20分钟的延时——这对没有七情六欲的无人探测器来说不成问题,但对人来说,这是实实在在的困难。
返回:难中之难
把人送上火星很难,但再难也难不过把他们安全地送回来。
从地球上起飞要克服地球引力,而从火星上返回,在起飞时同样要摆脱火星的引力。火星比地球小,经计算,火星的第一宇宙速度(即环绕速度)为3.60千米/秒,其第二宇宙速度(即逃逸速度)为5.09千米/秒,都比地球上要小得多,但比月球上可大得多,这就同样需要有足够强劲有力的火箭才能实现起飞、对接、返回。在地球上发射,有一大批机构和人员为它服务,而在火星上可就冷清多了,全靠几名宇航员“自我服务”,这自然是一个巨大的考验。
我们前面谈到了“发射窗口”,同样从火星返回地球也有一个“发射窗口”的问题,不是想什么时候回就什么时候回的。当宇航员登陆火星后,要等待火星与地球处在一个适当的位置方能发射返回。这一等,就是大约500天时间。换句话说,宇航员不得不在火星上逗留一段漫长的时光。
在这一年半时间里,宇航员要生存,还要进行科学考察,给养供应问题如何解决?对此,专家们已有方案:在宇航员从地球起飞前10—15天,用“土星-5”巨型火箭将7吨液态氧和一座50千瓦的核反应堆及“小型化工厂”发往火星。这个“小型化工厂”能生产纯水、氧气和作为燃料的甲烷,以保证宇航员登陆火星后使用。当然这个计划的耗资是巨大的,估计至少需要5000亿美元。
逗留时间这么长,也不免遭遇各种意想不到的麻烦,何况火星的荒凉是有名的,大风扬起的沙尘暴经常延续数月之久。这也让人产生这样的担心:好不容易等来“发射窗口”,终于可以回家的时候,气候条件却不允许发射,那可怎么办?
结束语
尽管探索火星的路上充满着各种挫折和难题,但以今天的科学技术发展和人类的智慧来看,登陆火星并安全返回的壮举终将实现。今天在学校学习的中学生,将是未来探索火星的生力军,希望你们把握时机,勤奋学习,打实基础,将来去亲手揭开这颗红色星球的秘密,为国家的繁荣、人类的进步作出贡献。
给大家留一道“思考题”:当选用霍曼轨道从火星返回地球时,地球和火星的相对位置怎样(即返回时的“发射窗口”如何选择)?有兴趣的同学请写信给《中学生天地》的编辑,他们会把你的想法告诉我的。
(本文作者生于1938年,今年是他的“本命年”。他是中国科学技术大学教授,我国著名的火箭动力专家。)