学文网摘 要 “荧惑之旅”作为载人火星探测计划，设想将一款新型的地火航天飞机、一套基于全功率可变比冲磁等离子火箭的推动器和一种多用途火星基地舱三者结合起来，构成一个整体系统。它将在不到四十天的时间里，将航天员送到火星，并安全带回。该计划的目标是：将至少3名宇航员送入太空，在最短时间内运往火星，登陆火星表面，并让宇航员开展一段时间的科学探索工作，最后安全返回地球。因为火星荧荧如火，位置、亮度时常变动让人无法捉摸，我国古书上将之称为“荧惑”，也表征了人类对火星探索的渴求。为此，给这个计划取名为“荧惑之旅”。
关键词 载人火星探测 地火航天飞机 可变比冲磁等离子火箭推动器 多用途火星基地
中***分类号：V412.41 文献标识码：A
0引言
20世纪，人类实现了载人登陆月球；21世纪，人类最重要、最复杂的航天项目就是载人登陆火星。其主要目的有三：一是寻找地外生命，从而深入研究生命、地球乃至宇宙起源和演化；二是不少天文学家推断，火星有可能是地球的未来。因此，载人探测或登陆火星可研究地球的演变，防止它变成人类难以生存的第二个火星；三是由于火星与地球最为相似，所以很多科学家认为可先把火星改造成适合人类居住的第二个人类家园，在地球人口超过110亿以上时向火星移民。
但在当今，不要说载人登陆火星了，就是进行无人探测火星也充满了风险。目前，全球一共发射了约43个火星探测器，只有26个获得成功，成功率约60%，所以火星被称为“航天器坟场”。因此，要进行载人探测或登陆火星就更难了，需要克服千难万险。火星之旅不比月球登陆，就目前的技术水平而言，航天员到火星一个来回至少需要约520天。如此遥远的距离无论是对航天器还是对航天员都是一个极端的挑战。因此，提高运载飞行器的速度，缩短旅途周期将是整个登陆火星计划的关键。为此，提出一款新型的航天飞机和一套基于全功率可变比冲磁等离子火箭的推动器的设想。这两件飞行器所组成的系统，将在不到四十天的时间里，将航天员送到火星，并安全带回。同时，还必须为航天员设计一个安全可靠地基地，保障航天员在火星上的生活。
1新型航天器描述
1.1“火燕”号地火航天飞机
该型号航天飞机是专为往返火星设计的新型航天飞机，该航天器在现有航天飞机的基础上进行改进，以应对火星上残酷的起降条件。
几大改进：
（1）可拓展翼展设计：火星的引力只有地球的三分之一，大气密度只有地球的百分之一左右。极其稀薄的密度，决定了在地球上轻松飞行的飞机在火星上却飞不起来。为给航天飞机在火星和地球表面更好的起降，“火燕”号航天飞机，采用可伸展的翼展设计。
（2）软着陆设计：火星的糟糕的地表条件和残酷的大气条件，使得软着陆成了最佳选择。
（3）可变动力系统设置：航天飞机内仓采用模块化设计，便于维修与替换。比较靠近航天飞机自身发动机的为液体燃料舱室，是脱离地球与脱离火星表面的主动力；而另一个为核燃料储备仓，通过一根输送管，向外部的推进器输送燃料。
1.2“太空巴士”可变比冲磁等离子推进器
该推进器是整个探测火星计划的核心。
可变比冲磁等离子推进器主要由三部分组成：
（1）核反应仓。推进器的主能量供给系统，但是该仓只能携带少量的核燃料，为完成整个地火之旅，必须通过顶部的接口提供外部的燃料。
（2）太阳能电池帆板。推进器的辅助能量供给装置，能够在无任何外部能量供给的情况下，保证推进器的正常负载运行。
（3）可变比冲磁等离子火箭（VASIMR）。推进器的动力系统，推进器的核心。单台VASIMR功率为60MW，“太空巴士”总共装有四台，因此总功率为240MW。
1.2.1 VASIMR的基本原理
将等离子体温度加热到高达一千万度甚至更高，但采用磁镜约束场，使炽热的等离子体与附近的材料表面隔开。合适的磁喷嘴，可以把等离子体的能量转变为火箭的推力，理论上估算，离子的运动速度可达到300 000m/s，相当于目前最好化学火箭的60倍。不仅如此，系统还能使比冲根据飞行条件进行必要的调整。从而节省飞行时间和燃料。
1.2.2 VASIMR的性能特点
VASIMR独特之处是可以改变比冲。对于电推进系统，在输人功率一定的情况下，比冲与推力成反比。对于给定的飞行任务，通过调节比冲，可以改变推力。在低比冲/高推力模式下可以提高航天器飞行加速度，使其飞行时间缩短；而在高比冲/低推力模式下，可减少推进剂的消耗量。因此，通过比冲和推力的优化，可以实现飞行器飞行轨迹的优化。
1.3“探路者”火星基地舱
设计特点：
（1）多用途：该基地舱既可以作为满足航天员生活需求的基地，也可以左右放置专门的航天飞机燃料补给仓，同时也是一个通信基站。
（2）模块分离：独特的变形设计，将整个基地舱分为了三个部分，中间为核反应仓，为整个系统提供能量；左边为航天员生活舱；右边为实验舱。
（3）核电源：因为火星比地球离太阳远得多，靠太阳电池供电难以满足需求，而且火星的沙尘暴是地球12级台风的几倍，持续时间达几个月，容易覆盖太阳电池而严重影响其工作，所以要考虑使用核电源。
（4）磁屏蔽：在行星际空间飞行的载人火星飞船要受到大剂量宇宙辐射，宇宙射线中的高能质子可穿透宇宙飞船击中人体，引起人体组织器官的严重损伤，改变人体内的DNA，降低人的免***能力，增加癌症的发病率。为解决这个问题，该基地舱的舱壁专门配备了超导磁体，在四周人工强磁场，使射向火星飞船的辐射粒子偏离，从而使航天员得到保护。与加厚火星飞船的舱壁的方案相比，这种主动的屏蔽方式，能大大减轻基地舱的质量。
几大任务：作为探测火星的先遣探测器，在计划的前期，该基地在火星着陆，对火星的环境（包括火星磁层、电离层和大气）进行充分的研究，并且永久留在火星，作为地面基站；作为燃料储备仓为航天飞机返航补充燃料；作为宇航员的基地为宇航员提供必备的生活保障。
2七个阶段描述
“荧惑之旅”计划共分为七个阶段，七个阶段前后衔接，共同构成整个计划。
2.1前期探索与准备阶段
前期主要是发射环绕火星的卫星，探测火星的环境（包括火星磁层、电离层和大气），遥测火星表面的物理化学特性，为软着陆作准备。然后是发射火星软着陆登陆器，试验着陆技术；发展火星漫游车、火星机器人，探测火星地理环境和气象条件，为在火星上建立观测站作准备。接下来是在火星上建立观测站，探测火星内部结构与矿物特性；用机械手采集火星岩石样品；发展地球-火星往返式飞船，建立由机器人照料的火星基地，为以后载人火星飞行和有人观测基地的建立奠定基础。
2.2脱离地球
虽然VASIMR在比冲上具有传统化学燃料火箭发动机无法比拟的优势，但是在推力上，较传统火箭仍相距甚大。因此，为摆脱地球引力，在飞行器发射的第一阶段，仍需传统的发射方式，将航天飞机和基地舱送入近地轨道。
2.3近地轨道阶段
在该阶段航天器（航天飞机、基地舱）将和“太空巴士”推进器进行对接，转换动力系统，在近地轨道进行加速。
（1）基地舱与推进器完成对接：燃料由基地舱进入推进器核反应仓。
（2）“火燕”号与推进器完成对接：核燃料由输送管送入推进器和反应仓。
（3）进行为期8天的绕地飞行，进行加速。此时，推进器的推力调整到较大，比冲调整到较低。
作为整个火星计划的关键环节，“太空巴士”推进器所起到的是一个太空接送的角色，在由火箭送入太空之后，它将以国际空间站为母港，永久留在太空，直至完成它的使命。
2.4飞向火星
在近地轨道进行加速后的飞行器将摆脱地球的引力，开始飞向火星。此时推进器的状态是低推力、高比冲。
2.5火星表面登陆
飞行器脱离“太空巴士”推进器，准备进行着陆，推进器将依靠太阳帆供给的能量，进行绕火飞行，等待“火燕”号的返航；同时，它将与火星表面的基站一起为航天飞机提供空中与地面一体的导航服务。
由于火星表面崎岖不平，因此，对航天飞机的着陆提出了更高的要求。“火燕”号专为此而设计的可伸展的翼展及排列在飞机底部的着陆装置将保障其安全着陆。
2.6返回阶段
宇航员将搭乘航天飞机返回地球。
该阶段最为关键的环节就是如何回到近火轨道。由于条件的限制，因此不可能再像在地球上进行火箭的辅助发射，也不可能进行滑行发射。
受飞机的垂直起降技术的启发，“火燕”号将采用类似垂直起降的发射方式。火星的引力条件（只有地球的三分之一）为这种方式提供了极大的可能性。
（1）位机底部的小型推进器发动，飞机脱离地面，翼展完全展开；
（2）主发动机点火，飞机向前推进；
（3）开始绕火飞行，逐步脱离火星束缚，进入近火轨道；
（4）翼展缩回，与等待的推进器进行对接；
（5）转换动力系统，进行为期7天的绕火加速飞行；
（6）脱离火星轨道，驰往地球。
2.7登陆地球
翼展完全展开，滑行着陆。
3总结与展望
21世纪将是科技突飞猛进的新时代，人类认识和征服宇宙的能力将有新的飞跃。行星探索及开发利用的目标将集中在火星。空间探测及对空间的开发和利用，是反映一个国家高新科技水平和经济实力的重要标志。目前世界上各空间大国，都在积极制订探测火星的宏伟计划。因此开展火星探测研究，对于我国的科学、社会、经济的发展和提高我国的国际地位具有重大的意义。
“荧惑之旅”提供出一个较完善的计划，它的实现还需克服诸多的技术难关，包括如何提高VASIMR的功率、超导磁场的实现等等，可能至少在未来十年内，该类技术还无大幅提高的可能。但科学的进步将会是无止境的，希望在未来的二三十年内，航天技术将会有飞跃式的发展，让“荧惑之旅”早日成为现实。
参考文献
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