载人登陆火星计划

尽管美国宇航局的载人太空探测计划一直处于摇摆不定的状态，不过对于未来的载人火星探测仍然存在着许多创新观念。从行星际火箭到新一代的无人勘测机器人，我们所获取的这些技术最终会将人类宇航员送到火星上。让我们来看看最新设计的载人火星探测器。

一家伊利诺斯州的设计咨询公司接受了这项挑战。一月份，他们设计的载人火星探测器获得了芝加哥雅典娜神庙建筑设计博物馆运输工具类的“最佳设计奖”。同获得“最佳设计奖”的其他产品中，还有梅塞德斯的SLR小轿车和苹果公司的iPod touch。

功能性设计我们都见到过宇宙飞船的“先进设计理念”，它们通常都来源类似的科幻小说之中。未来的宇宙飞船总是具有流线型设计和球型船舱。然而，这些设计的主要缺陷在于，这些宇宙飞船通常体积很大，其中包含了大量无用的空间。在现实中，将任何物体从地球运输到火星上，都需要实现紧凑的空间。蒙哥马利国际设计公司是一家家族运营的设计咨询公司，该公司的所有人格雷格·蒙哥马利说：“探测器要以拆解的状态运到火星上。在飞船内部有大量空置的空间，因此这种探测器要做的第一件设计工作，就要解决在火星上能够将其轻易组装到一起的技术。”载人火星探测器融合了许多带有人性因素的工业设计工程。工程师首先将未来的火星探测者的需求确定下来，然后根据这些需求更改了宇宙飞船的设计。这是一种称之为“功能性分析”的技术。这与设计团队与加利福尼亚的人体工学设计团队的史蒂芬·凯西博士共同合作，能够将模块化的船体组装在一起，在其中宇航员可以舒适地工作、睡眠和锻炼，为时每次可达三周，穿越几百英里的距离。飞船的模块可以根据探测任务进行交换，模块包括一架起重机(可以提升起重载设备)，还有供科学家进行现场分析的实验室。蒙哥马利说：“与通常的宇航飞船一样，该设计的关键因素之一依然是冗余度的问题。”这意味着需对设计进行精心考虑，即应该具备各种备份系统和自动防故障系统以防出现系统故障问题。任何一位火星探险者最不愿意遇到的事情便是在穿越火星的水手谷(Valles Marineris)时发生了爆胎的状况，之后还发现没有备胎可用。(尽管这些轮胎不必充满空气，但是它们里面会填满轻型泡沫。)

火星标准

该探测器需要有高度的自动能力，在从火星上撤退时它也能当作一个紧急疏散基地。同时它应该具备可靠、稳定的能源供应，最好能够使用放射性同位素热电发生器 (RTG)。RTG已为许多太空任务提供动力，包括美国宇航局的“卡西尼号”和“新视野”探测器。在放射性物质的小球衰退过程中可以产生出热量，从而将其转化为电能。

尽管太阳能电池板也为一些小型的机器人任务提供电力，如“勇气号”和“机遇号”，但RTG输送的电力可以满足载人探测任务的需求，并且不会受到尘暴的影响，从而给太阳能电池板带来毁灭性的打击。为了便利的目的，该设计团队建议使用“火星标准”的RTG电池。这种电池也能插到其他探测器、设备和陆地中使用。

快乐旅程

格雷格·蒙哥马利的儿子基普作为该项目的设计主管，主要专注下面这个问题：即宇航员尽量在登陆火星的基础下，让他们如何探索这块大陆的方法。尽管探测器中包含了去除宇航服中细粉尘的设计，其船舱的设计还是尽量满足宇航员的舒适感。因此船舱中的宇航员可以呆在里面，直接操作外部的机器人手臂，将灰尘污染降至最低程度。

格雷格·蒙哥马利表示：“内部团队还有一个想法，即探测器应该使用与火星的单一色调相配的颜色。经过研究表明红色让人兴奋，甚至可以刺激人。因此，在漫长的探测旅程中，船舶内部使用蓝色与绿色可以抵消火星的色调。同样内部光线也应该利用光谱进行调节，从而为宇航员提供一个舒适的环境。当在黑暗中行驶时，也可以提高夜视能力。”

联合收割机与火星探测器的结合体？

有关载人火星探测器最有趣的一点可能是蒙哥马利国际设计公司已经具有长达25年的农业设备设计经验。农业机械需要可靠、有效和牢固的设计。所有这些品质对于火星探测器而言显然都应该具备。蒙哥马利补充说：“在火星探测器与联合收割机的设计之间存在着诸多相似处。观察一下这台联合收割机的挡风玻璃，这是凸面的，可以获得更好的视野。”

收割机的外形也被火星探测器继承下来，它为未来的火星驾驶员提供了宽阔的视野，以便于在这个遍布圆石的火星平原和陡峭山峰上驾驶探测器。

2037年制造完成？

截止目前，我们还没提到一个重要的问题：我们究竟到何时才能看到载人火星探测器登陆火星地表呢？答案就是2037年。

那时，地球与火星的接触将会更加密切 (这是一件有“异议”的天文事件)。2007年，美国宇航局表示2037年将是实现火星载人探测计划的理想时间。该探测器设计，或者其部件有望用于这次探测任务中。

然而，自2007年以来情况已发生了很大变化，特别是美国的“星座项目”取消之后，美国宇航局目前对于向行星派遣宇航员没有明确的时间规划，更不提火星了。尽管该公司的设计在国际设计大赛上获得了承认，格雷格和基普父子都很关心一些实际的太空计划。

格雷格说：“我认为在2037年火星载人探测计划是可以实现的，但它取决于现在的政府决策。所以目前情况未知。”

俄罗斯欲全力打造核动力飞船


    俄罗斯总统梅德韦杰夫１２日在克里姆林宫发表年度国情咨文时指出，俄罗斯将在能源发展和节能领域优先考虑发展核能源，特别是在“建造用于保证星际飞行的动力装置方面将积极采用核技术研究成果”。

    俄罗斯已不止一次提出要发展核动力飞船。在俄总统上个月底主持召开的俄罗斯经济现代化和技术发展会议上，俄联邦航天署署长佩尔米诺夫就介绍说，俄航天署计划研制配备有兆瓦级核动力装置的宇宙飞船，他认为这个项目的实施将使俄罗斯的航天技术达到新高度，超越外国的发展水平。

    据他介绍，核动力飞船研制项目的实施需要９年时间，共需财政预算１７０亿卢布（１美元约合２９卢布），飞船的初步设计草图将于２０１２年完成。 他还说，核动力飞船项目的实施还将大幅提升俄新一代载人飞船的性能、降低飞船发射和运行时的能耗，同时有助于能源创新产品的研制工作。梅德韦杰夫对此强调说，“这是一个非常重要的项目，政府必须为此进行资金支持。”

    最近一段时间以来，俄航天专家也在积极讨论飞船动力装置采用核技术的问题。俄罗斯“能源”火箭航天企业总裁兼总设计师维塔利·洛波塔表示，在目前的航天技术条件下，要实施登火星项目及开发太阳系必须考虑使用核动力装置。他认为俄罗斯完全有能力建造兆瓦级核反应堆并在此基础上建造飞船核能源舱，“我们实际上已制定了多种核反应堆使用方案，”他说。

    他认为，人类可以先在发射的各种卫星上试验核能技术，之后可以建造使用核能的货运飞船及载人飞船，然后发射到地球同步轨道、月球轨道、火星及太阳系其他星体进行探索。此外，根据飞行任务的不同，人类探月及登陆火星所需核动力装置的功率将从５００千瓦到６兆瓦不等，而要开发宇宙深空所需的功率要达到２４兆瓦。他认为，人类在未来１０年间能够研制出功率为１５０千瓦至１兆瓦的飞船用核动力装置。

    俄罗斯齐奥尔科夫斯基航天研究院院长、俄科学院院士科罗捷耶夫对核动力飞船建造方案持肯定态度。他认为建造配备有核动力装置的宇宙飞船切实可行，他强调应为此制定明确的计划：２０１２年前进行相关的技术设计工作，在２０１５年前研制出核动力装置，在２０１８年前核动力飞船应升空飞行。

    “如果我们真的希望使航天学的发展上一个台阶，解决从宇宙深空探索到地球日常生活的一切问题，实施这样的项目完全有必要，”他说。

人类如果要在整个太阳系进行空间活动,就必须突破核动力火箭及飞船技术,化学火箭与电火箭均不足以支持在整个太阳系的载人航天飞行任务.

空间核动力的发展概况
1  空间核动力的分类
   
   空间核动力包括空间核电源和核推进，用来给航天器提供电能和推进动力。空间核动力是军民两用技术，可以满足通信卫星、军用卫星、空间站、空间运输、空间武器作战平台、深空探测、外星基地等对电能和推进的需求。
1.1  空间核电源
   空间核电源分为空间核反应堆电源和放射性同位素电源。空间核反应堆电源通过静态转换或动态转换的方式把核反应堆的裂变热能转变为电能。静态转换直接把裂变热能转变为电能，通常采用热电偶转换和热离子转换方式。动态转换先把裂变热能转变为机械能，再把机械能转变为电能，一般采用布雷顿循环、朗肯循环和斯特林循环中的一种。放射性同位素电源分为放射性同位素电池和放射性同位素动态发电系统两种，前者采用的是热电直接转换的热电偶转换方式，后者则采用动态转换方式。一般说来，静态转换技术难度较小，但转换效率较低；动态转换技术难度大，转换效率较高。另外，放射性同位素热源也广泛用于空间任务中。
1.2  核推进
   核推进分为核热推进和核电推进。核热推进与核电推进的共同点都是以核能（例如核反应堆的裂变热能）作为推进的能源。区别之处在于，核热推进利用核反应堆核裂变产生的热量直接加热推进工质；核电推进则是先把裂变热能转变为电能之后，再利用电能电离和加速推进工质。两者相比，核热推进的推力可以很大，比冲却不如核电推进高；核电推进的比冲很高，但推力却比较小。

1.3  双模式（电源/推进）空间核动力系统
   把空间核反应堆电源和核推进相结合，可以构成既能给航天器提供电能，又能提供推进动力的功能强大的空间核动力系统，如空间核反应堆电源/核热推进系统，以及空间核反应堆电源/核电推进系统。

2  空间核动力的特点

2.1  空间核电源的特点
    目前，航天器使用的空间电源主要有3类：化学电池、太阳能电池阵-蓄电池组联合电源和核电源。化学电池结构简单，工作可靠，内阻小，工作电压平稳，适合大电流放电，但工作寿命短，低温性能差，功率也比较小，最多到几百W。太阳能电池阵-蓄电池组联合电源技术成熟，性能可靠，工作寿命长，供电能力强，可实现数十kW的电功率，是现在应用最为广泛的空间电源。
   但是，在大功率条件下，采用太阳能电池阵
将带来一些难题：依赖光照条件，对发射窗口、轨道参数、飞行程序、飞行姿态和对日定向等均有严格限制，对航天器总体设计提出了比较苛刻的要求；大面积的太阳能电池阵对机动飞行和低轨道飞行带来较大阻力，需要携带大量燃料进行轨道维持，同时也存在安装和展开的技术困难；展开面积大，结构复杂，难以实现高精度和高稳定度的姿态控制；受空间碎片、陨石和外部打击面大，也容易受辐射等因素的影响，从而造成破损、性能下降或失效，生存能力差；在阴影、深空等环境下不能工作。所以，太阳能电池阵-蓄电池组联合电源在军事航天方面没有优势，而深空探测则不能使用太阳能电池阵-蓄电池组联合电源。
   放射性同位素电源（主要指热电直接转换的放射性同位素电池）功率小，寿命长，工作可靠，已广泛用于对功率需求不大的各种空间任务中。空间核反应堆电源技术难度高，研制周期长，要考虑辐射防护和核安全等特殊问题。但空间核反应堆电源具有重要优势：易于实现大功率供电，能为航天器提供数kW至数MW的电能；能量密度大，在高功率下，质量比功率优于太阳能电池阵-蓄电池组联合电源系统；重量轻、体积小、比面积小、阻力小、受打击面小，隐蔽性好；功率调节范围大，具有快速提升功率的能力，机动性高；不依赖太阳辐射能，不需要对日定向，可全天时、全天候连续工作；环境适应性好，具有较强的抗空间碎片撞击能力，可在尘埃、高温、辐射等恶劣条件下工作。空间核反应堆电源是军事航天的理想电源，是深空探测不可替代的空间电源。
   3类空间电源的使用范围如图1所示。




· 长期运行(>1星期)
· 高持久动力
(>10-100kWe)
核反应堆电源
化学能

核反应堆电源

太阳能

放射性同位素/动态转换

太阳能

放射性同位素/静态转换

太阳能

太阳能

1小时

1天

1月

10年

10-1

100

101

102

103

104

105

电功率水平（kWe）

1年














图1  不同空间电源的使用范围




2.2  核推进的特点
   核热推进系统（即核火箭发动机）与液体火箭发动机很相似，主要差别在于核热推进系统利用核反应堆替代了液体火箭的燃料燃烧室，用单组分的工作介质氢替代了液体火箭发动机的双元液体推进剂（液体燃料和液态氧）。

   从原理上分析，核热推进系统与化学火箭发动机相比具有3个优点。第1，核裂变（或核聚

变）过程中释放出来的巨大能量是化学燃烧（或爆炸）产生的能量所不能比拟的，两者之差是

100万倍。归根结蒂，能量是推进动力的源泉。



第2，与巨大的能量释放相对应，核裂变（或聚

变）比化学反应能获得更高的温度。高温或超高温是使工作介质达到高流速、火箭达到高比冲的决定性因素之一。第3，核热推进系统只需要一种成分的工作介质，而不像化学火箭那样需要两种（如液体火箭）或两种成分以上（如固体火箭）的工作介质。
   比冲（Is）是火箭发动机最重要的性能参数之一，也叫比推力，单位是“秒(s)”。核热推进系统的根本优势就在于可以利用分子量最小的单组分工作介质得到最大的比冲。如果以“氢”作为工作介质，在其他因素相同的条件下，核热推进系统的比冲要比化学火箭的高出2倍多。由于比冲高，完成相同的空间飞行任务，核热推进系统所需推进剂的质量仅为化学火箭发动机推进剂质量的1/3。而所需的任务成本不到化学火箭发动机的44％。表1给出了利用核热推进系统和化学火箭发动机完成火星任务的计算结果。从中可以看出，与现行的化学火箭发动机相比，核热推进系统具有极大的优越性。


表1  火星往返飞行任务




参　数 化学火箭（H2/O2） 核热火箭   
(固态芯)

有效载荷/t 100 100
飞行时间/a 1 1
等效速度变化/km·s-1 7.7 7.7
比冲（Is）/s 500 1000
质量比（初始/最终） 4.806 2.192
结构质量/t 25 15
推进剂质量/t 475 137
在低地轨道总的    初始质量/t
600 252
有效载荷份额/% 0.167 0.397
任务成本/亿美元 30 13




   核电推进系统（核电火箭发动机）的技术基础是空间核反应堆电源和电火箭技术。核电推进系统的特点是具有极高的比冲（例如8000s）和较大的推力（0.6～6N）。把核电推进系统用于地球卫星的位置保持、般天器的轨道转移和深空探测，可以极大地提高航天器的效能比。

3  空间核动力的发展概况
   
   早在20世纪50年代，美国和俄罗斯就正式开始研发空间核动力技术，主要着眼于装备军用卫星、战略弹道导弹、巡航导弹等军用目的。投入了大量的人力、物力和财力，取得了重大成果。
3.1  美国的情况
   1955年，美国制定了SNAP（System for Nuclear Auxiliary Power）计划。1961年，发
射了装备有放射性同位素电池（SNAP-3B7）的宇宙飞行器。1965年，SNAP-10A空间核反应堆电源在 Snapshot 宇宙飞船上进行了试验。SNAP-
10A 是世界上第1个空间核反应堆电源，也是美国发射使用的惟一1个空间核反应堆电源，电功率500W，在空间运行了43天。到本世纪初，美国已在25次空间任务（例如“先驱号”、“伽利略”号、“卡西尼”号等）中使用了放射性同位素电源系统，最大的电功率达300W。
   到20世纪末，美国执行过的、与研发空间核动力有关的重要计划还有：
    (1)核火箭发动机研究计划（ROVER/NERVA）（1955～1973年），建造了20座全尺寸的、用于核火箭试验的固相核反应堆（包括颗粒床反应堆），对“NERVA”核火箭进行了除飞行试验之外的多种试验。颗粒床反应堆成为上世纪80年代初期“森林之风”（Timberwind）项目、也即后来的“空间核热推进”（SNTP）项目的基础。
    (2)战略防御计划（SDI）（上世纪80年代中期至90年代初期），其中包括“SP-100”计划，即研制电功率100kW、寿命7～10年、重量3t的热电直接转换的空间核反应堆电源，应用方向是空间武器和核电推进。1993年，SP-100系统已达到详细设计和部件验证阶段，所有与反应堆有关的可行性问题都成功地得到解决；燃料元件的关键测试已经完成，制造工艺和性能证明是合格的；材料考验回路运行了数千小时而没有损坏，验证了传热系统材料和设计的适用性；电磁泵的磁性试验已经完成，设计已通过最终审定；控制系统软件已经被确认；热电转换材料的研发已达到设计水平。SP-100的研究成果为“空间探索计划”（SEI）的核电推进方案提供了强有力的技术支撑。
   (3) 空间探索计划（SEI）（上世纪90年代初期），即老布什总统鼓吹的人类登陆火星计划。该计划的初步实施，明确了人类登陆火星任务的基本要求，以及满足这些要求相应的核热推进系统所应达到的性能指标，见表2和表3。
   这几个计划都没有最终完成。

表2 载人的火星探测任务要求




　　　　　　　　　　参　　数
  发射时间/a   2016
发动机开始使用时间/a   2015
  系统初始质量/t 124
  轨道配置/km 407
  返程质量/t 40
  任务周期/d    ＜600
  火星表面停留时间/d 30
  反应堆最大辐射  
  人员舱可靠性    0.995
  设备舱可靠性    0.975






表3  核热推进系统的设计参数




　　　　　　　　　　参　　数　　　　　　
  发动机的总冲力/kN    334
  发动机数量/台    1
  反应堆热功率/MW    1500
  发动机冲力/重量比    4∶1
  比冲/s    850
  喷管扩展比    100∶1
  推进运行时间/min    120
  任务次数    1
  起动循环次数    6   
  任务时间/d    434





   从2003年起，美国开始执行所谓“普罗米修斯”（Prometheus）计划。在技术层面上该计划包括研发新一代放射性同位素电源系统、以裂变核反应堆为基础的空间电源系统和先进的电推器、“木星冰复卫星轨道器”（JIMO-Jupter Icy MoonsObiter）3项内容。目标任务是研究带有核电推进系统的星际宇宙飞船以探测木星最大的天然卫星。美国对3种空间核反应堆电源系统进行了评价：液态金属冷却的核反应堆、热管冷却的反应堆,以及气体直接冷却的核反应堆。这3个系统都是以高浓铀为燃料的快堆，采取动态能量转换方式。
   可以说，“普罗米修斯”计划是“SNAP”计划和“ROVER/NERVA”计划的综合与继续。
3.2  俄罗斯的情况
   俄罗斯虽然很早就成功研发和应用了
钋-210放射性同位素电池，但发展重点却是空间核反应堆电源和核热推进。从1961年起，俄罗斯研发了4种型号的空间核反应堆电源系统：ROMASHKA转换器-反应堆、BUK型空间核反应堆电源、TOPAZ-1型空间核反应堆电源和TOPAZ-2型空间核反应堆电源。前两种为小型快堆，热电偶直接转换；后两种为超热中子堆，热离子直接转换。从1967年开始，俄罗斯先后把31个BUK型空间核反应堆电源成功应用在宇宙飞船的雷达观测上。1987年，两个TOPAZ-1型空间核反应堆电源在Cosmos-1818和Cosmos-1867宇宙飞船上成功地进行了试验。俄罗斯的TOPAZ型热离子空间核反应堆电源被认为是世界上迄今为止最先进的空间核电源。
   俄罗斯研发核推进的工作始于1950年。在1965年，决定建造冲力36kN、比冲大于900s的核火箭发动机RD-0410（11B91）。为了提供与核热推进系统实际运行工况一致的试验条件，专门建立了“IGR”高通量石墨脉冲堆、“IVG-I”实验反应堆和“IRGIT”实验性原型堆。在“IGR”反应堆上完成了核热推进系统燃料元件的动态试验，在“IVG-1”反应堆上完成了燃料组件的寿命考验，把“IRGIT”实验性原型堆运行到90MW的功率水平。俄罗斯在核热推进方面取得的重大成就在于，成功研制了核火箭发动机的燃料元件和燃料组件，建造出了RD-0410型核火箭发动机试验样机，在著名《贝加尔》试验台架上完成了全尺寸核火箭发动机反应堆的几个试验系列，验证了建造核火箭发动机以及双模式（电源/推进）空间核动力系统的可行性。
   苏联解体后，俄罗斯政府在1998年发布了《俄宇航核动力发展构想》，强调要继续保持在空间核动力领域的国际领先地位，明确指出空间核动力主要用于发展基础军事技术，满足国防军用的需要。重点技术任务是建立科学技术基础，保证在2010年前后研制出电功率为 100kW 的空间核反应堆电源。远景目标是研制电功率500kW 或者功率更高的空间核反应堆电源，以及宇宙飞船的核“运输-电源舱”（TPM：Tramsport
PowerModule）。近几年来，俄罗斯空间核动力专家一直在进行“ISTC项目No.2120”，设计双模式（电源/推进）核火箭发动机系统和双模式核电推进系统，用于载人和载货的登陆火星的宇宙飞船。早在2003年，俄罗斯航空航天局就已经开始了“火星-XXI”研究计划。
3.3  美俄发展水平的比较
   在空间核动力技术领域，美国和俄罗斯各有所长。在放射性同位素电源方面，美国领先于俄罗斯，单个电源的功率水平达到了300W左右。在空间核反应堆电源方面，俄罗斯却遥遥领先于美国。在1991～1994年期间，美国从俄罗斯引进了6座TOPAZ-2型空间热离子核反应堆电源试验样机（不含核燃料），进行了大量的实验研究。在此基础上设计了Space-R热离子空间核反应堆电源。Space-R系统大量吸收了俄罗斯TOPAZ-2型空间热离子核反应堆电源的先进技术，也借鉴了美国自己在液态金属快堆和SNAP-10A空间堆方面的研究经验，是一个完整的技术设计。设计所依据的技术、材料、部件和
温度都已经得到证明。


   在核热推进方面，两国的发展水平大致相当。下面给出了美国和俄罗斯研发核火箭发动机的成果摘要。从中可以看出，某些参数，美国领先于俄罗斯；而另一些参数，俄罗斯领先于美国。而从比冲、氢气平均出口温度和堆芯能量释放平均密度这3个最重要的性能参数看，俄罗斯的技术水平仍要高于美国。

早期的美国SNAP-10A空间堆

苏联COSMOS（“宇宙”）卫星的早期核动力型号

核火箭发动机RD-0410

要不大家开始排队报名吧

NERVA 核火箭发动机