火星之路（上）
伴随着“Life on Mars”的歌声，特斯拉Roadster朝着火星方向驶入了寂静的深空。重型猎鹰火箭划破天际的火焰，正式标志着SpaceX走出了各种意义上的火星探索第一步。但要理解除了去火星的跑车以外FH含有的更深层意义，还要把历史的时钟拨回运载火箭的萌芽时代。本文作者Saturn V
其实人类对火星的探索之路，早在80年前便已悄然开启，而这趟离开“摇篮”旅程的创始人正是土星5号火箭的总设计师沃纳•冯•布劳恩。冯布劳恩在儿时便对天文和物理尤为热爱，对火星更是情有独钟。18岁尚在柏林工业大学就读的冯布劳恩便提出了载人登陆火星的设想，这在飞机都还没进入民众视线的1930年是难以想象的。不过和他的前辈兼大学导师之一，现代火箭先驱赫尔曼•奥伯特不同，冯布劳恩清楚地意识到凭借现有的科技进行火箭研发是完全可行的，他只需要一个愿意为他提供资金的人。
冯布劳恩和登月艇模型
时值二战爆发前夕，冯布劳恩的火箭设想被希特勒看中，在纳粹德国政府的秘密支持下冯布劳恩完成了世界上第一款火箭/弹道导弹V-2的研发，二战纳粹德国投降后冯布劳恩在美国“回纹针行动”帮助下成为美国公民，并在后续的美苏太空竞赛中领导NASA的阿波罗计划。不过鲜为人知的是，这位“火星控”早在阿波罗11号成功登月前17年便完成了人类第一份载人登陆火星的详细研究计算，更令人惊讶的是这本后来以“Das Marsprojekt”(德语“火星计划”)命名出版的书，时至今日仍被继承了冯布劳恩“火星控”遗志的人不断参考和分析。
冯布劳恩设想的不是一个简单火星旅程，而是一个以南极科考队为蓝本的巨大科学考察宇航员团，原因在于南极科考队与世隔绝的环境和载人登陆火星类似。火星探险队由10艘宇宙飞船上的70名船员组成，每艘飞船总重3720吨。为了将这个“舰队”在地球轨道上组装，冯布劳恩设想了一个可完全重复使用的三级运载太空梭，每次发射可为火星舰队提供25吨货物和14.5吨多余燃料，而完成整个“舰队” 组装将需要46艘太空梭在8个月内进行950次发射（脑洞略大，主页君注）。为应付密集的发射频率，冯布劳恩计划在靠近赤道的太平洋约翰斯顿岛填海建造大型发射基地。第一级和第二级火箭分离后将分别滑翔至发射场外304和1459千米处由降落伞落海回收，并由拖船拖回发射场。第三级太空梭在完成货物和燃料输送任务后，滑翔降落到约翰斯顿岛的跑道，两级火箭和太空梭都将在岛上进行翻新和检修以重复使用。
冯布劳恩的三级太空梭
组装火星“舰队”
冯布劳恩对太空梭的轨道计算
建造完成后冯布劳恩的火星考察“舰队”将通过霍曼转移轨道前往火星，“舰队”由7艘客船和3艘货船组成，客船内设有直径20米的球形生活空间供10人使用，另有356.5吨为返程准备的燃料。三艘无人货船每艘载有一个200吨的太空梭式火星登陆艇和195吨备用物资，到达火星后货船会当作环火空间站留在火星轨道。由于电子技术的限制1950年代远程遥控尚不成熟，因此冯布劳恩设计的货船要和客船一起出发并全程由客船引导。
货船（右）和客船（左）
起航时每艘飞船将启动200吨推力引擎66分钟，以达到变轨地火霍曼转移轨道所需的3960米/秒速度变化，此次点火将消耗2814吨燃料，大约是飞船总质量的76％。引擎熄火后飞船将抛弃空燃料罐，同时船员们开始准备260天的星际间旅行，巡航期间小型的3.5吨太空船将负责“舰队”船只间的船员和物资运输。抵达火星后“舰队”减速进入距火星表面1000千米的圆形赤道轨道，此次点火需2210米/秒的速度变化，消耗492吨燃料。船员们将从轨道上观测火星地表，同时在火星赤道上选择一个合适地点建造火星基地。
“舰队”抵达火星
一艘登陆艇将在火星极地冰盖上通过雪板滑翔降落，之所以选择冰盖是因为当时普遍认为只有冰盖才能提供一个平坦的着陆面。本次降落是一张单程票，登陆艇不携带返回火星轨道的上升级，而是携带共计125吨的加压火星车。降落后宇航员将在80天内行进6500公里到达火星赤道，并在提前选好的地点建立基地和简易登陆艇降落跑道。当然这是最糟的情况，如果可以在火星赤道基地选址附近找到一个足够平坦的着陆点，那么第一艘登陆艇将直接在那里滑翔降落。
2007年设想的移动式火星居住车
在平坦的火星沙漠上降落
剩下的两艘登陆艇将携带上升级用轮式起落架降落，而后登陆艇和上升级抛弃机翼垂直放置，这样在需要紧急撤离时能立刻起飞。由于火星“舰队”在赤道轨道，意味着火星基地每2小时26分钟就有一次发射入轨对接机会。70名宇航员中的50名将在火星驻扎，另外20名则留在火星轨道上保持“舰队”飞船的正常运转，同时继续对火星地表进行观测。宇航员们要在火星基地建造充气式居住区，并开始为期400地球日，约388火星日的火星探险。任务结束后宇航员携带着火星科研样本乘坐两艘登陆艇起飞和在轨的7艘客船对接，并点火进入火地转移轨道。此次变轨需要2210米/秒的速度变化，消耗222吨燃料，宇航员们将再次准备260天的星际间旅行。
充气式居住区和垂直放置的火星登陆艇
返回地球后7艘客船将制动进入一个1730千米高的环绕轨道，由于此时飞船质量比发射时低了许多，引擎点火只需163秒便可达到3640米/秒的速度变化要求，船员和他们的火星科研样本将通过地球或者空间站发射的太空梭运回地球。不计算入建造火星“舰队”和返回后人员物资输送所需时间，整趟火星探险任务为期963地球日。由于当时低温燃料储存技术尚不发达，冯布劳恩在地球用三级太空梭，火星“舰队”飞船和火星登陆艇的燃料上都选择了四氧化二氮和联氨的燃料/氧化剂组合，虽然二者皆有毒且强腐蚀性，但却有无需冷藏储存的优点因而适合火星远征使用。
在火星轨道准备返航的“舰队”
冯布劳恩非常超前地意识到了人类长期暴露于零重力下的危险，他建议可以把客船通过特制绳索绑在一起旋转，不仅可通过自旋稳定航向，还可在星际间航行时产生一定程度的人工重力。另外他还提出了“重力电池”的设想，这是在巡航过程中单独部署的哑铃形航天器，船员每地球日要在里面维持几个小时的人工重力来维持骨骼和肌肉强度。可以说在冯布劳恩眼里这10艘太空船更像是一个小的太空社区，各司其职互帮互助来完成漫长的旅行。当时对星际导航问题还没有明确的解决方案，冯布劳恩计划船员在航行期间通过对行星位置的观测来计算飞船航向，并进行适当的轨道调整。为此飞船将携带多余10％的燃料储备和195吨的冗余货物储备，包含建造紧急宇宙辐射避难装置所需的材料，以应付任何可能发射的意外情况。
冯布劳恩空间站，旋转以产生人工重力
当然冯布劳恩无法知道地球磁场产生的辐射保护着人类不被太阳辐射所伤，1958年才被发现的范艾伦辐射带意味着他的火星“舰队”不能在高度1730千米的地球轨道上建造，因为此高度已在内范艾伦辐射带外。同时范艾伦辐射带也意味着“火星计划”大幅度低估了宇航员要承受的辐射，更强大的太阳辐射使得火星“舰队”需要更多质量和手段以在星际间航行时保护船员。
范艾伦辐射带
同样冯布劳恩也不知道滑翔降落火星不可行，因为直到1965年飞掠火星的“水手4号”探测器才发现火星大气密度只有预计密度的十分之一。不过这并不代表计划完全不可行，冯布劳恩的登陆艇原计划在“稠密”火星大气47千米高度处达到亚音速，但实际上此高度预计气压相当于火星的实际地表气压，也就是说登陆艇只需解决最后这47千米即可。得益于冷战初期喷气式垂直起降飞机的研究，一个可能的方案是登陆艇在47千米高度抛弃机翼，打开减速降落伞，而后将机身和上升级一起用火箭引擎垂直动力降落。有趣的是这样不仅第一艘登陆艇不用去火星极地冰盖，还省去在火星基地建造登陆艇降落跑道和竖起装置。冯布劳恩设计的精明之处便在于有足够的灵活性来处理更糟的情况，以及足够的设计冗余来应付任何突发事件。
仅2艘飞船的缩小版“火星计划”
如果看到这里你觉得冯布劳恩的“火星计划”充满着各式各样的即视感，那就对了，因为后续几乎所有载人登陆火星方案都或多或少参考了它。1956年冯布劳恩又提出一个仅2艘飞船12名宇航员的缩小版本，货船客船质量为原来一半，客船20米球形生活空间缩小至7.9米，到达后9人前往火星地表3人留守。组装这两艘飞船需要400次发射，其中353次为货运发射（依旧很扯。。。主页君注），飞船在返回地球时将进入90320千米的轨道并由地球发射飞船接回，以此减少客船所需携带的燃料，其余地火往返细节和1952初版一样。值得一提的是1956版中冯布劳恩直接选择了火星珍珠湾区作为火星基地位置，而2004年机遇号火星车正是在此区域的子午线高原着陆。而冯布劳恩近地轨道，远地轨道，火星的接力跳板式设计，时至今日仍被NASA所参考借鉴并进化成近地轨道空间站，环月轨道空间站，火星的接力跳板。
NASA现在计划的火星四段接力
许多人认为NASA在阿波罗计划结束后转向研发近地轨道用航天飞机和近地轨道空间站，是NASA放弃深空探索的证明，其实事情并非那么简单。从“火星计划”中也能看出，可重复利用太空梭和在轨建造技术，都是完成火星飞船“舰队”的重要组成部分。正如航天飞机的本名“太空运输系统”（Space Transport System，缩写STS）那样，我们所熟悉的“航天飞机”只不过是整个系统中负责地球和近地轨道往返的“巴士”而已，庞大的系统中包含有诸多空间站，深空用太空拖船等等。而对于只有足够资金进行一项太空项目研发的NASA来说，在先建造一个没人去的空间站还是先建造一个没地方去的太空梭之间，NASA选择了后者。
原计划空间站可不止一个
太空拖船设想
航天飞机只是“货车”
事实上在挑战者号事故后3年的1989年，老布什政府便宣布支持在计划中的自由空间站（国际空间站前身）建造完成后进行更庞大的载人深空探测。NASA在1989年10月公布了可能方案的研究结果，包括重返登月，建立永久月球基地以及载人登火等方案都赫然在列。但毫无疑问作为NASA官方进行的第一次可行性研究，载人火星登陆吸引了最多的眼球。可以毫不夸张地说，如果肯尼迪在1962年激情澎湃的登月演说奠定了NASA将近30年的发展方向，那这份在距今约30年前诞生的研究报告，则奠定了NASA从1990年至今乃至近未来的发展方向。由于NASA完成研究正好耗时90天整，这份报告便有了一个响亮的名字：“90天研究”。（亦称90天报告，主页君注，点击文末的阅读原文即可获得90天报告全文）
伴随着“90天研究”诞生的是NASA决定追随冯布劳恩火星之路继续前行的决心，但估计当时所有的研究员都不知道这条看不到尽头的道路，伴随着宛如炸弹般的研究报告，已悄然生出了分支。
（未完待续）
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