飞向火星的红龙号太空船

文/李欣益

 

探索火星,是空间飞行与探索任务中的一项巨大挑战,超过半数的火星探索项目以失败告终,因此火星也被誉为“太阳系中的珠穆朗玛”。到目前为止,国际上只有美国国家航空航天局、欧洲航天局、俄罗斯航天局与印度航天局这四家机构成功地将飞行器送入火星轨道。众多失败的探索计划中,最为人津津乐道、同样也是极具教育意义的尝试是1988年的火星气候探测器计划。由于未对英制与公制单位进行有效转换,该卫星很快与地球失去了通信,最终消失在浩渺的宇宙中。
这四家成功将飞行器送入火星轨道的航天机构中,只有美国国家航空航天局成功地将探测器降落在火星表面并建立起长达1分钟以上的地球通信。在这之前,1971年苏联的火星3号探测器也曾在火星表面安全着陆,但只回传了20秒的数据信息。

引人注目的红龙号
美国太空探索技术公司(SpaceX)公布了其火星探测计划,预计2020年将公司的红龙号太空船送至火星。这无疑对火星探测、特别是寻找火星的生命迹象,有着极大的推动。尽管火星探测面临层层困难,但凭借着SpaceX公司近年来积累的大量空间飞行经验,该计划被广泛认为前景光明。
埃隆·马斯克是SpaceX公司的创办者,红龙号计划只是他雄心勃勃的规划中的第一步。马斯克最终的计划是将人类送至火星表面,并实现定居。美国国家航空航天局与SpaceX公司,已经开始对红龙号计划进行接洽。红龙号太空船是将生命探测设备送至火星,再将火星样品带回地球。科学家针对带回的样品进行细致分析,从而进一步认识这颗红色星球。无疑,红龙号太空船是实现这一计划的有效途径。
虽然红龙号计划的细节尚未完全公布,但是早在2011年,整个计划已经被提出,可见SpaceX公司为了实现火星探测已经努力了多年。未来几年,SpaceX公司的工作重点也是为这个庞大的火星探测计划做准备。
SpaceX公司的猎鹰9型运载火箭在2010年首次发射,并自2012年起搭载“龙”货运太空船对国际空间站进行物资补给。SpaceX公司的火星探测计划将使用两者的威力加强版。新的猎鹰重型运载火箭将由三个猎鹰9型捆绑而成,其地球低轨道载荷达到53吨,能将人员或货物运送到月球、小行星甚至火星轨道,而新的“龙”太空船(即红龙号太空船)最终将实现宇航员在地球与国际空间站间的往返。

有实力才能有未来
实现探测器在火星表面安全降落远比从地球飞至火星轨道要困难得多。美国国家航空航天局通过减速降落伞等技术,在2012年成功地将900千克的好奇号探测器安全降落在火星表面。这是迄今为止人类在火星安全着陆的质量最大的物体,其降落过程被形容为“恐怖的七分钟”。
红龙号太空船的质量将是好奇号探测器的七倍多。SpaceX公司预计将为红龙号太空船配备8台减速发动机,结合使用减速降落伞来实现下降过程的减速与姿态控制。研究人员将通过地面模拟实验对减速发动机性能进行大量测试,以获得最好的降落方案。
美国国家航空航天局是SpaceX公司的合作伙伴,拥有最为丰富的火星探测经验。无疑,它将为SpaceX公司提供大量的火星表面安全着陆方面的技术与经验。同时,还将为SpaceX公司的这次空间航行提供深空通信与信息传输方面的保障与支持。
相较于以前的火星探测计划,红龙号太空船更像是一种技术能力的证明。作为一家私人公司,在不违反《外层空间条约》的前提下,SpaceX公司可以按照自己的意愿把任何物体运送至火星。据推测,红龙号太空船可能携带大量标准化的科学设备。
SpaceX公司与美国艾姆斯研究中心,已经开始筹备后续火星飞行的科学探索计划。他们计划后续将通过红龙号太空船将“破冰生命”计划中的火星探测器送至火星的北极点附近。该探测器配备的钻头至少能够从火星表面一米深的地方取样,借助其携带的多种先进科学设备检测特定的生物分子,从而探寻火星生命可能存在的迹象。研究表明,红龙号太空船能够直接从火星返回地球,不需要在火星轨道交汇后接力飞行,这意味着红龙号太空船甚至能够将火星样品直接送回地球,从而为火星生命迹象提供最有力的证明。
SpaceX公司与美国国家航空航天局在火星探测计划上的密切合作,标志着一个新的空间探索时代的开始。如今,当人类将眼光扩展至浩渺的宇宙时,空间竞赛已经不是目的,互相合作才是最负责任的态度与行动。

(本文作者李欣益为工学博士,高级工程师,现就职于上海空间电源研究所空间电源技术国家重点实验室)
红色星球的“魔咒”
稀薄的火星大气是造成火星探索异常困难的主要原因。为了实现着陆器的安全降落,必须对着陆器进行有效减速。常规的减速过程可借助降落伞或变推力火箭发动机实现。但是,火星的大气密度只有地球的百分之一左右,如此稀薄的大气中,降落伞无法提供足够的拖延以实现着陆器的有效减速。同时,着陆器下降过程中,稀薄的火星大气仍会产生湍流,使减速制动(依靠火箭发动机实现)面临极大的挑战。此外,降落过程中与火星大气摩擦发热会导致着陆器严重损伤,火星表面的大风与沙尘暴亦会将着陆器吹离原定轨道。
美国国家航空航天局采用一套包含了减速降落伞、减速发动机、安全气囊等复杂系统,以实现火星探索着陆器的安全降落。SpaceX公司则计划使用八个火箭发动机,使着陆器稳定地悬浮在火星大气中并缓缓下降。
如果红龙号太空船成功地在火星表面安全着陆,它将成为着陆在火星表面的质量最大的人造物体,为后续火星探测的规划与实施迈出坚实的一大步。

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