火星之路（下）——从90天报告到SpaceX的火星殖民计划
一直以来，很多人都以为马斯克的登陆火星计划是痴人说梦，事实上我们从载人火星登陆任务架构的一路演变来看，虽然SpaceX的技术挑战相当艰巨，但就这个任务架构本身而言，其实是相当靠谱的！今天就请我们的作者Saturn V接续上期，从载人火星登陆计划中最“臭名昭著”的《90天报告》讲起，为我们揭示马斯克登陆计划的来龙去脉。
上期链接：火星之路（上）
插播一条好消息，NASA的旗舰级“真亲儿子”项目“太空运输系统”（SLS）首飞从2019年推迟到2020年。
书接上回，如果说用一张图概括NASA的“90天研究”（亦称《90天报告》），那非上图莫属。“90天研究”中的载人登陆火星方案，本质上像极了披上高科技外衣后，根据实际可行性缩小的“火星计划”（指上期文章中冯·布劳恩脑洞的火星登陆计划）。方案的核心在于大量使用1989年尚在计划中的太空基础设施硬件和技术，包括自由空间站，轨道转移飞船和空气刹车载具。火星飞船将利用自由空间站作为建造平台，采用核动力推进以节省燃料，同时采用气垫气动刹车的形式用行星大气减速入轨（该技术至今仍在研发中，不过进展并不顺利，详见往期文章：都是SpaceX惹的祸？NASA大幅度削减火星着陆技术研发经费，主页君注），省去进入火星环绕轨道和返回地球时进入地球环绕轨道的减速燃料。预计项目30年总耗资为1989年的2580亿美金，约合2018年5160亿美金，火星飞船预计在2018年带4名宇航员前往火星，飞船进入绕火轨道后全员乘登陆艇降落火星。
由空间站扩建飞船建造平台
星飞船各组成部分
得益于更先进的引擎，“火星计划”中260-400-260地球日的星际间旅行/火星居住时间配比换成了效率更高的200-600-200，总计约为1000地球日并根据地火距离变化略有起伏，为期将近3年的完整任务时长是至今仍在使用的重要参考指标。由于地火霍曼转移轨道已是去往火星的最佳轨道，260地球日内地球无法对火星飞船进行任何实质性帮助和补给任务，也就是说宇航员星际间航行时只能依靠自己和携带的物资来应付任何可能的突发状况。
“90天研究”地火往返流程
按照“90天研究”的计算，建造完成火星飞船总计需发射1300吨质量进入近地轨道，其中840吨为两次星际间航行所需的燃料和氧化剂。为尽可能减少发射次数，报告推荐研发近地轨道载荷约为140吨的超重型货运运载火箭，建造人员和火星宇航员则由航天飞机负责运送。有趣的是NASA现在正在研发的SLS Block 2火箭近地轨道载荷恰好为130吨，这与“90天研究”中推荐的货运发射能力不谋而合。
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星座计划时期的载人火星登陆计划，基于“战神”系列运载火箭，任务规模之庞大，耗资之巨大，你看一遍就明白了
可惜的是不管是冯布劳恩的“火星计划”还是老布什时期NASA的“90天研究”，都大幅度低估了可重复利用航天飞机的使用费用以及太空在轨建造的复杂程度。美国航天飞机高昂的翻新整修价格早已有目共睹，也普遍被认为是造成其退役的原因之一，期望航天飞机能批量输送太空建造人员显然并不现实。同样在美、欧、俄、日、加五个航天巨头的共同努力下耗时13年建造完成的国际空间站总重约420吨，甚至不到“90天研究”中需要质量的三分之一，和1956版“火星计划”的1800吨，1952版“火星计划”的3720吨更是相去甚远。
NASA现在计划的深空门户（亦称深空之门）环月/探火空间站
这也是为何尽管现在依然能在NASA深空门户环月空间站的规划中看到“90天研究”的影子，但这个极度依赖SLS火箭的计划，在前往火星的时间表上都已大幅延后到2030年以后，且未有任何登陆火星地表的规划。正如“90天研究”中陈述的那样，没有地球应急补给和支持意味着宇航员要冒更大的风险，这显然是在两次航天飞机事故后疯狂提高宇航员安全要求的NASA所不能接受的。毕竟哪怕宇航员做好了为太空探索献身的觉悟，也没有哪个美国总统做好了宣布宇航员殉职的觉悟。“90天研究”的不可行性，从诞生伊始便已注定。
其实早在1989年“90天研究”公布之时，便引起了一位华盛顿大学航空航天硕士兼核工程博士的反感。在他看来此项计划耗时，耗资源，而且不确定因素太多，更为关键的是此计划基于大量当时尚不存在的“跳板”，一旦任何一个“跳板”出现问题或延误，都会导致载人登陆火星的最终目标无法达成。在他看来去火星没必要“跳”那么多白添麻烦，于是在1991年他和另三位“火星控”一起发布了一篇眼光独到的载人登火研究，为已成定式的跳板登火带来了新曙光。他便是罗伯特•祖布林。
罗伯特•祖布林博士（Robert Zubrin），火星协会主席，激进的火星派
马斯克在早期曾受到祖布林和其火星协会的影响
祖布林的提议可谓是火星之路上一个重要分支，由于采用“跳板”登陆火星可以理解成从地球“间接”到火星，祖布林便以通俗易懂的“火星直击”来命名。在他看来，自己计划的预计总发射质量仅160吨的计划，比“90天研究”更易实现，更便宜且更利于殖民火星，而让所需质量大幅度降低的秘诀便是祖布林和他同僚们相当前卫的“单程票”理念。“火星直击”将从地表直接发射并只携带单程去火星和降落火星所需燃料，省去地球轨道或月球轨道的大型飞船组装过程，同时在火星轨道上不留任何载人环绕飞行器，飞船整体直接降落火星。返回时需要的燃料将就地取材，使用火星大气和地下冰层产生化学反应来提供燃料。
采用火星大气（主要为二氧化碳）和水生成甲烷和氧的反应结构
通过融化火星开采的冰产生水，电解水产生氢气和氧气。氢气和火星大气中含量高达95%的二氧化碳产生萨巴捷反应（亦称萨巴蒂尔反应，Sabatier reaction，主页君注）制造出甲烷，氧气可供宇航员呼吸以及液化成飞船引擎需要的液氧。实际上该化学反应算是逆向了甲烷燃烧释放二氧化碳和水蒸气的过程，甲烷液氧引擎在性能方面也要优于常温燃料引擎，进一步减少所需燃料质量。以此“就地取材”的理念为核心，“火星直击”规划了仅由两次超重型火箭发射便可完成的载人登陆火星计划。首次发射将在火星地表降落一个无人地球返回载具（ERV, Earth Return Vehicle，亦称返地飞行器），降落后ERV携带的装置将开始生产甲烷和氧气。第二次发射由4名宇航员组成，经过18个月的地表勘探后通过ERV返回地球。
ERV降落火星
ERV部署核反应堆
祖布林博士将这套计划在本书中详细的进行了解析和介绍，主页君“墙裂”建议买本实体书或者下载一本好好看看
具体而言，书中假设1996年12月，超重型战神V火箭将无人的40吨ERV直接送往火星，无人飞船将进行火星基地选址的先期勘探，以及测试火星动力降落设计的可行性。飞船载荷包括自动化学处理单元和压缩机组，为化学加工装置和火星基地供电的100千瓦核反应堆，以及开采火星地下冰的小型遥控电动火星车，同时ERV还要携带6吨的液态氢用以催化萨巴捷反应。预计ERV在降落后将生产24吨甲烷和48吨氧气，另通过直接还原火星大气二氧化碳将产生额外36吨氧气，这样预计生产燃料/氧化剂总量为108吨，其中ERV返程需96吨，开采火星冰的火星车需要12吨。
载人降落飞船和战神火箭第三级
1999年超重型战神V火箭战神将发射80吨的载人降落飞船进入地火霍曼转移轨道，飞船内部有供四名宇航员使用一年的圆柱形居住模组，星际间航行时用钢缆连接飞船和用完燃料的战神火箭第三级，旋转产生人造重力。居住模组直径8.4米，高4.9米，由两层组成，下层储存货物并放置火星车，上层是宇航员生活空间，净质量为35吨。火星车由甲烷和氧气驱动，满燃料可行驶1000千米，扩大宇航员地表活动范围同时，还可在出现意外情况载人飞船的降落地点远离ERV时，充当快速赶往ERV的载具。
载人降落飞船（右）和ERV（左）
火星表面任务图景
值得一提的是在载人飞船发射前几个月，超重型战神V火箭还要发射和三年前配置一样的ERV-2，也就是说如果出于任何原因提前到达的ERV无法使用，那么4名宇航员便可搭乘ERV-2返回地球。若一切顺利则ERV-2将被用作第二组2001年发射的宇航员的回程载具，同理在第二组宇航员发射前数月发射ERV-3，以此类推接力。这样每一组宇航员在火星地表时总有至少两艘ERV可供使用，确保安全的同时还可保证任务的持续性。由于只需要准备“单程票”，意味着每两年地火霍曼转移轨道窗口开启时都可发射，而每组宇航员预计完整驻扎18个月，也就是说任何时候火星地表都有至少4名宇航员。
火星“接力”
更为有趣的是，“火星直击”中提出的飞船接力方式，还可用来建立永久月球基地，倒不如说这样可以在进行火星探险之前，先在对轨道速度变化要求类似的月球上对所有系统进行全面测试。战神V运载火箭可发射59吨的有效载荷进入环月轨道，包括月球降落器和先前提到的星际间航行所用圆柱形居住模块。宇航员可乘坐ERV降落月球以测试ERV的动力降落系统，并以居住模块为核心建立月球基地，唯一的区别在于这个月球用ERV由于没有大气阻力，只需单独使用火星ERV的第二级便可返回地球。
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火星直击任务架构的演示视频，虽然没有字幕，但如果你仔细阅读了上面的讲解，你就应该会明白这个视频，但如果你真的要知道这个任务架构相对于90天报告是如何的革命性，主页君还是建议你看看祖布林博士的书
月球版ERV
2016年祖布林博士发布了基于SpaceX重型猎鹰火箭的新版“火星直击”计划，如今重型猎鹰已经首射成功，不知道祖布林博士心中是不是正在窃喜呢？
另一方面为提升单次地表发射的载荷，“火星直击”推荐在战神V火箭的第三级上使用核能动力，以进一步增加50％的火星载荷。和传统火箭用氧化剂燃烧燃料释放化学能推进不同，核热火箭用核裂变产生的巨大热量直接气化燃料推进。由于燃料完全气化乃至部分等离子化，核热火箭的理论比冲（即燃料利用率）可达900s，是现阶段比冲最高的RS-25引擎的两倍。同理如果火星载人飞船也使用核热引擎，并以压缩火星大气获得的液体二氧化碳为燃料，则可在火星上进行短距离跳跃飞行，进一步扩大宇航员的活动范围。太空用核裂变反应堆，这看似科幻的东西并非祖布林的异想天开，事实上美苏两国在冷战时都曾数次发射过核反应堆进入太空，但都因数次事故和一次严重灾害导致后续研发终止。因此哪怕现在都很难说服美国政府允许发射核反应堆进入太空，更不用说在载人航天上使用了。
斯坦福大学构思的核热火箭
但正如“90天研究”低估了在轨建造的费用和复杂程度一样，“火星直击”计划也低估了一次性超重型运载火箭的研发和使用费用。一次性发射60余吨的载荷到月球轨道，或者发射80吨的载荷进入地火霍曼转移轨道都意味着战神V超重型运载火箭的运载能力要超过土星5号火箭，这对于NASA来说是不可想象的。从1964至1973年仅土星5号火箭自身研发投入便达64亿美金，折合现在330亿美金，巅峰时期的1966年仅一年便投入12亿美金，折合现在约70亿美金，而NASA现在全年全部经费190亿。且哪怕战神V回收固体助推，每次发射第一级也要消耗6台RS-68引擎，纵使能不惜斥巨资研发，参考性能略微缩减的SLS预计每次发射10亿美金的价格，要维持“火星直击”中描绘的隔两年连续发射两次的频率，任务耗资恐怕不会比“90天研究”低多少。
超重型战神V火箭构造
尽管选择了完全不同的火星之路，“火星直击”却也和“90天研究”一样随着战神火箭的取消成了不可能完成的计划。但历史似乎充满了戏剧性，这两条从1990年便分开的道路，在27年后却似乎又走到了一起。伊隆•马斯克在2017年国际宇航大会上展示完善的SpaceX“超大猎鹰火箭”（Big Falcon Rocket，简称BFR），和配套的登陆火星方案，都在一定程度上融合完善了“90天研究”和“火星直击”二者的设计。有趣的是冯布劳恩在“火星计划”里面描述的火星原住民政府首脑的职位名称也叫“伊隆”(Elon)，不过这是因为冯布劳恩在1948年写“火星计划”时正好开始信仰福音主义基督教，Elon是希伯来语里的橡树林，有着牢固不变的寓意。而南非出生的马斯克，其名伊隆在非洲裔美国人的人名中有着“勇气”的意思，历史真是充满了巧合，或许牢固不变的勇气才是登陆火星的真正必需品。
BFR飞船直接降落火星地表，采用甲烷液氧引擎，在火星生产燃料等设计可谓直接复制自“火星直击”。为避免“火星直击”中一次性超重型火箭高昂的发射价格和对单次发射的过度依赖，BFR比2016版的“行星际运输系统火箭”（ITS）要略小，这样可回收近地轨道载荷（150吨）便略低于超重型战神V火箭的188吨，以回收重复使用来降低发射价格。同时BFR的第二级飞船和“90天研究”中一样在地球轨道停泊，通过可重复利用货运载具的多次发射为载人飞船补给燃料，而后再从地球轨道出发，以此消除对地表单次发射的过度依赖。
BFR第二级飞船的设计和ERV神似
至少从设计角度上讲，BFR登陆火星方案是现有科技下最经济合理，且最有可能实现的把人类送上红色星球的方案。在重型猎鹰发射后的发布会上，马斯克说BFR火箭预计在5年后首飞，第二级飞船预计在2019年进行跳跃测试，及用自身引擎垂直起飞短距离飞行后垂直降落，也就是说猛禽引擎的研发已接近完成。而随着重型猎鹰首飞成功，SpaceX火箭研发人员几乎会全部投入BFR，其研发进度比预想的或许真的要快很多。
当然这是“马斯克时间表”，实际推迟2-4年都不意外。不过不管BFR能否真正从LC-39A起飞带着人类飞向火星，我们都知道依然有人在冯布劳恩开启的漫漫火星之路上继续前行，至少这次的方案终于不再只停留在设计论证阶段。人类最终能在这条路上走多远，就让我们拭目以待吧。
（全文完）
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