·豬鋼鬃·
摘抄學習軍政知識
3700億美元豪賭：美60年代征服火星的狂想 | |
| 2008年08月06日 09:54:10 來源：新華博客 |
美國的載人火星探測計劃要從一個德國人那裏說起，是的，就是沃納·馮·布勞恩。1945年納粹德國戰敗後，布勞恩帶領他的火箭研製隊伍向進抵德國的美軍投降，隨後被遣送到美國，幫美軍組裝、發射V-2導彈。1948年，布勞恩參與的美國陸軍V-2導彈測試項目接近尾聲，他逐漸無事可幹，於是軍方安排他到與世隔絕的比利斯堡基地生活。在這裏，一向忙碌的布勞恩忽然清閑下來，他覺得該給自己找點事做，幹脆接著寫科幻小說吧，寫一部人類到火星探險的科幻小說。這部小說1947年就開始寫了，和其他科幻小說不同的是，它的技術細節描寫非常紮實精確，甚至在小說附錄裏列上了詳細的計算數據。這部小說當時沒有出版——看過小說的人都感覺寫得不怎麽樣。
時移世易。3年後，在一次紐約海登天文館舉行的座談會上，布勞恩發表演講，第一次公開了他這個設想。當時的著名雜誌《科利爾》（Collier's）覺得這是個很好的題材，1952年，雜誌請太空科幻美術名家切斯利·博尼斯泰爾（Chesley Bonestell）配插圖，開專欄刊登連載文章，以通俗生動的方式把布勞恩的太空飛行設想介紹給大眾第一篇1952年3月22日刊出，果然引起不小反響。連載一共持續了8期，其中有一期介紹了載人登月，刊登載人火星探測的是1953年4月30日出版的一期。這些連載文章隨後結集出版，名曰《跨越太空邊疆》。就連那部科幻小說附錄裏的精華也在他的祖國出了本書，叫《火星計劃》（Das Marsprojekt）。整整10年後，1962年伊利諾伊大學出版社出版了此書英文版。此後布勞恩在美國媒體界裏的名頭越來越大，1956年，老布在迪斯尼係列電視節目《火星探索》中閃亮登場，這時他已經加入美國國籍，可以堂而皇之地向電視機前的4200萬新同胞宣講他的火星探險夢想。電視這一嶄新媒體的巨大影響力讓布勞恩的火星探測構想在宣傳載人航天方麵超過了當時其他任何作品，他也成了當時最有名的科普代言人。順便插一句，此時的《科利爾》雜誌越過越慘。由於承受不住電視業興起導致廣告收入銳減的經濟壓力，在1957年1月4日出完最後一期後，《科利爾》雜誌宣布停刊。整整9個月後，世界第一顆人造地球衛星上天。這正是“衛星上天，雜誌落地”。
布勞恩艦隊飛臨火星。這就是1953年4月30日那期《科利爾》雜誌的封麵，售價15美分［新華博客］
說了這麽多，該談布勞恩的構想究竟是怎樣的了。
軌道
選好飛行軌道是火星探測的基本要求。老布選擇了“霍曼軌道”，也叫“最小能量軌道”。霍曼是位德國工程師，他在1925年提出了航天器在2個共麵同心天體間往返耗費能量最小的軌道方案，人們把它稱作“霍曼軌道”。這條軌道是怎麽回事呢，我們看圖說話：
如圖所示，探測飛船從地球發射追趕前方外側軌道上的火星，當地球和火星分別位於太陽兩側，且這三個天體連成一線時，飛船準時到達火星軌道，正好飛過了半個橢圓。同樣，飛船從火星返回地球時，也要選擇合適時間段啟動發動機，沿著“霍曼軌道”返回地球。飛船使用的這條軌道是所有在限定隻用二次脈衝推力的情況下，飛往火星軌道中耗費能量最少的。少到什麽程度呢，理論上飛船需要的速度增量隻要2.94千米/秒。
可能有的看官有點糊塗了，這麽點速度就能飛向火星了？這連第一宇宙速度都沒達到啊。請注意，我上麵說的是速度增量，換成相對速度的話，如果以地球為參照係，速度大約是11.6 千米/秒；如果以太陽為參照係，速度大約是32.76 千米/秒。抱歉，我又用到速度增量這個概念了，我再強調一次，速度、速度增量和加速度是完全不同的概念。
為什麽這樣飛行最省能量？簡單地說，這是因為飛船發動機啟動，離開地球停泊軌道時，加速方向是地球公轉方向的切線方向，當它抵達火星軌道時，發動機再次啟動，方向也正與火星公轉軌道相切。這樣，飛船發動機發出的能量全部用於飛船運動方向，不需做無用功，因此相比其他軌道方案最節省能量。
估計各位看煩了，好，下麵具體介紹布勞恩的火星探測方案。
艦隊
老布的火星飛船其實應該成為火星艦隊，不妨稱它“布勞恩艦隊”。它由10艘飛船組成，7艘載人，3艘運貨。很強大吧，後麵還有更強大的，且聽我慢慢道來。
先確定發射場。布勞恩很浪漫地把發射場定在太平洋上的約翰斯頓島。該島地處北緯16°44ˊ、西經169°17ˊ，陸地麵積1.5平方千米，屬波利尼西亞群島，是美國無建製領土。這裏景色旖旎，是紓緩身心、談情說愛的好地方。嗯，如果你不介意這裏是美軍核武器試驗區的話。
看上去很美的約翰斯頓島［新華博客］
下麵講硬件。
載人飛船有7艘，每艘載10名船員，長41米，直徑20米，重3720噸。你沒看錯，是每艘重3720噸。其中結構重量隻有11.8噸，硝酸/肼推進劑重達3662.5噸。另外還有12噸氧，8噸食品，13噸飲用水，2噸通用水（用於其他方麵，消毒後可以飲用）。船員還可以利用設備從飛船大氣中製取通用水，循環利用。每位船員可以攜帶120千克個人行李。任務結束回到地球軌道後，飛船將隻有50.5噸。主發動機推力200噸。
它的外形如下圖所示。飛船主體是2個相互垂直布置的方形框架，一個框架固定了固定了十幾個小儲罐，另一個固定了4個大型推進劑儲罐，框架底端裝有一組發動機；另一端頂了個球，這是個直徑20米的球形居住艙，船員們在這裏生活、工作。
載人飛船外形，頂部是球形居住艙［新華博客］
球形居住艙剖視，船員們看來過得蠻快活［新華博客］
貨運飛船外形如下圖所示，可以看出它的總體結構和載人飛船非常接近，隻是把頂端的居住艙換成了巨大的有翼火星著陸器。貨運飛船重量和載人飛船一樣，3720噸，由於火星著陸器的尺寸關係，貨運飛船比載人飛船長一些，達到了64米。
估計列位看官對有翼火星著陸器很感興趣，下麵我詳細介紹之。我們不妨叫它“火星班機”，該班機重200噸（其中推進劑重125噸），長22米，機體直徑4.7米，翼展153米，翼麵積2810米。憑著這對碩大的翅膀，“火星班機”可以在48分鍾內飛行12655 千米，超過了火星周長的一半，所以它可以從赤道上空出發飛抵火星上任何一點。 “火星班機”這個大家夥可將14名船員和12噸物資送到火星表麵。執行任務時，船員先乘坐穿梭艇抵達“火星班機”，然後它與貨船分離，減速離軌，進入火星大氣層，利用機翼的升力在火星大氣中滑翔，就像在地球上一樣。由於“火星班機”采用升力式再入方式，登陸隊員們所受的過載很小，隻有區區0.12G，所以肯定會很受歡迎。隊員們可以一邊舒舒服服地坐著“火星班機”等待降落，一邊飽覽火星大好河山。找到合適的地點後，班機用滑橇或者輪式起落架著陸。這時還沒到休息的時候，登陸隊員們要趕緊拆掉機翼，把機體垂直豎起來，此時，這個沒了翅膀的機體就轉換成了上升級，登陸隊離開火星重返艦隊就全靠它了。它要做好隨時發射的準備，以備不測。
終於登陸了，隊員們趕緊豎起上升級，隨時準備打道回府［新華博客］ 龐大的艦隊要靠巨大的運載火箭托舉。這種巨型火箭是一種可複用運載工具，它和火星飛船使用相同的硝酸/肼推進劑，因為它們可以貯存很久，這正是火星航程需要的——光是在地球上空組裝艦隊就需要2年，再加上往返和在火星駐留的3年時間，推進劑要能在飛船儲罐內至少安全可靠地貯存5年。 火箭每次發射能將一個25噸重的飛船部件外加14.5噸推進劑推入高1730千米、傾角23.5度的停泊軌道，飛船會在這裏完成組裝。第一、二級從運載火箭上脫離後用降落傘回收，分別濺落在離發射場304千米和1459千米的海上，然後用拖船拖回基地整修後再使用。第三級就厲害了，它長著一對大“翅膀”，飛到太空後先把推進劑輸進火星飛船並釋放後，就用那對大“翅膀”飛回約翰斯頓島基地。要把10艘飛船都弄上天，需要造46枚這樣的運載火箭，發射950次。 |
任務
●經過950次發射，火箭將全部飛船部件發射入軌，與此同時，飛船在軌組裝也在緊張地進行，這一工作會持續2年。
●艦隊在地球停泊軌道上組裝完畢，運行到有利位置時，所有飛船上的200噸推力主發動機點火工作66分鍾，使飛船加速，最終獲得3.96千米/秒的速度增量，沿著地球公轉軌道切線方向進入地-火轉移軌道，向著遠方飛去。其實理論上隻要3.3千米/秒的速度增量就夠了，但考慮到艦隊啟航初期質量很大、地球與火星的公轉軌道平麵有些許夾角、應付意外情況的能量儲備等情況，增加了10%的計劃儲備和3.5%的低推重比損耗儲備，這樣就加到了3.96千米/秒。這需要耗費2814噸推進劑。船上有4個推進劑儲罐，用增強塑料製作，總重才4噸。地-火轉移軌道飛行周期大約是260天。在這期間，將有若幹搜3.5噸重的小艇載著船員和物資在各船之間穿梭。
●艦隊進入火星引力球範圍後，經過變軌轉為在火星赤道上空繞火星飛行，偵察火星表麵，在赤道地區尋找合適的地點以建設火星考察基地，軌道高度1000千米。這需要消耗2.21千米/秒的速度增量，代價是又少了492噸推進劑。
艦隊全貌，可以看到3艘帶有巨大機翼的貨船和7艘小很多的載人飛船。［新華博客］
●一架“火星班機”離軌，靠機翼在火星大氣內滑翔，飛到火星極冠地區，靠滑橇在冰麵著陸。這批探險隊員買的是“單程票”——這架“火星班機”上沒有上升級，無法返回火星軌道艦隊，替代上升級的是重125噸的居住艙和火星漫遊車。他們返回地球惟一的途徑就是邊考察邊駛向赤道地區，找到合適的地點後，修出一座簡易機場。等等，到火星上修機場幹什麽？嘿嘿，您往下看就知道了。預計這次行程將達到6500千米，他們要在80天內完成長途跋涉。這不禁讓我想起了紅軍的二萬五千裏長征……好在這是比較保守的設想，如果能在赤道附近找到合適的著陸地點，他們就不用冒這麽大險了。
火星“敢死隊”駕駛“火星班機”在極冠地區靠滑橇在冰麵著陸。［新華博客］
●等到極地隊完成任務，另外兩架“火星班機”就該登場了。它們迫切需要平坦的跑道，因為它們機腹下裝的是輪式起落架。這麽說來，極地隊叫“敢死隊”更合適些。萬一他們在極冠地區找不到合適的著陸地點，或者萬一在降落時有個閃失，再或者他們沒有完成在赤道地區修建機場的任務，他們豈不是得永遠留在火星上……說回這兩架赤道隊的“火星班機”，上麵說了，它們的機身就是上升級，可以運載所有登陸隊員返回正在火星軌道上飛行的艦隊。選擇赤道地區作降落點是因為在這裏最溫暖，而且每2小時26分就有1次發射上升級的機會。火星上到底什麽樣布勞恩心裏也沒底，所以要盡量把困難和問題想得多一些，有備才能無患嘛。此時，70名船員中已有50人在火星登陸，剩下20人留在軌道艦隊，作為登陸隊的後援，保持軌道艦隊正常運轉並繼續探測火星表麵。
●極地隊和赤道隊會合後建立大型基地，對火星進行400天的大規模考察。
●考察結束後，所有登陸隊員帶上在火星采集的物資、標本乘坐上升級回到軌道艦隊的載人飛船上。
●各船啟動主發動機，在消耗222噸推進劑，增加2.21千米/秒的速度增量，獲得離開火星引力球的能量後，向地球家園返航。
●260天後，7艘飛船組成的艦隊回到地球軌道，照例要消耗推進劑，獲得3.64千米/秒的速度增量，不過這回是減速。然後艦隊就能在離地麵1730千米處繞地球飛行。飛船上沒有返回艙，隊員和在火星采集的物資、標本要靠太空渡船運到地麵或者空間站。
就這樣，曆經963個日日夜夜後，宏大的火星探險旅程圓滿結束。
困難
看過我那篇《火星女王阿愛裏塔》的讀者想必都記得，在星際飛行中，航天員會麵臨很多問題和危險。布勞恩在他的計劃中將如何解決這些問題？
首先是輻射問題。雖然當時人類還沒有進入太空，但是物理學家們1912年就對宇宙射線有了大概了解，並起了這麽一個不夠準確的名字。當時人們已經知道大劑量的宇宙射線會損害健康，布勞恩當然也知道，但他沒有意識到危害會有多大。
布勞恩意識到太空中的失重環境（準確地說，應該是微重力環境）對船員們可能有害，於是他設想在飛船上製造人工重力，辦法是把所有飛船連在一起，大家一塊旋轉，產生人造重力。或者單獨設置小型“重力飛船”，它也靠旋轉產生人造重力，船員每天坐上穿梭艇到“重力飛船”上待幾小時，適應重力環境。
當時，還沒有可靠的宇航導航技術，艦隊如何準確飛往火星呢？布勞恩設想依靠天文導航解決問題，也就是通過觀測已知的幾個天體的位置反推出艦隊所在位置。當然以當時的技術水平。誤差是很大的，所以要不時做軌道調整。這會消耗很多推進劑，這下看出前文說的那10%能量儲備的用處了吧。
評價
現在，我們做一回事後諸葛亮，分析一下布勞恩這個宏偉計劃的問題所在。
首先，不知是裝糊塗還是真糊塗，布勞恩對這項計劃的龐大開支顯得不以為意。他說，別看這個計劃要消耗532萬噸推進劑（！），但這不過是1948-49“柏林空運”運輸量的十分之一，一共才價值5億美元。問題在於，這些推進劑生產出來是為了什麽，是為了把把3.72萬噸載荷射入1730千米高的地球軌道！要知道，人類從1957年發射第一顆人造衛星到今天發射入軌的載荷質量總和也沒有這麽大。以現在的幣值和技術能力，按每千克發射費用1萬美元計算，最保守估計，光發射費用就達到了372000000000美元。看花眼了吧，是3720億美元，而且這一切要在2年內完成。按照美國空天局（NASA）2009財年176億美元的預算來計算，NASA其他項目都不要了，全體員工義務勞動也要21年才能完成布勞恩艦隊的發射，這顯然是不可能的。何況發射隻是整個計劃的一個環節而已。
其次，這個艦隊由10艘飛船組成，這些飛船又由900多個大部件在軌道組裝完成，這要多少航天員出艙多少次、耗費多少小時才能完成啊。人類從1965年實現第一次太空出艙活動到現在也就不過200多次，還不夠布勞恩艦隊組裝三分之一呢。
在太空組建布勞恩艦隊，這是典型的急難險重大工程。［新華博客］
再次，布勞恩對太空中的輻射認識太少。太空中不僅存在宇宙射線，還存在太陽爆發等更厲害的東東，他在防護輻射方麵考慮得很不周全。比如他把艦隊地球停泊軌道高度定在1730千米，飛船在這裏組裝完畢組成艦隊後出發。他不知道的是，這裏正處在日後發現的內範艾倫輻射帶影響範圍，讓船員們在這裏待上2年組裝飛船，命運可想而知。
第三是人造重力問題。我在《火星女王阿愛裏塔》裏說了，小尺寸物體旋轉產生的科裏奧利效應十分明顯，船員肯定受不了。可是沒有重力的話，船員會遭遇骨鈣質流失、肌肉萎縮等問題，恐怕千辛萬苦到了火星準備考察卻發現自己有心無力了。
第四，布勞恩對火星大氣密度估計過於樂觀。後來的探測表明，火星大密度隻有布勞恩估計的十分之一，“火星班機”顯然用不成了而且，極冠地區沒有冰，至少表麵沒有也被證實，赤道隊真降下去了就隻有一個下場。
還有微流星防護、長期太空飛行的心理調節等等，布勞恩都沒有考慮周全。
不過，即使有以上這些問題，也絲毫不妨礙布勞恩的泰鬥地位，當時的人類還沒有航天實踐，不可能有現在這麽多知識和工程積累。布勞恩提出的探火星方案到現在依然閃爍著天才的光芒。他提出的許多構想，如載人航天、探索火星、航天器在軌組裝、運載工具重複使用、有翼航天器等後來陸續變成了現實，還有一些至今仍是夢想，要等今人乃至後人實現。
感謝新華博友speed651提供本文 原作者“花卷麵包”
