去火星容易,為什麼太空人不能從火星返回?

2020-12-05 胖福的小木屋

1965年,美國成功發射水手4號火星探測器,它是歷史上第一個成功到達火星的探測器。隨後美、蘇、歐、日等國相繼發射了數十個火星探測器,既然探測器50多年前就可以去火星,為什麼太空人還不能去火星呢?這主要受到兩個問題的限制。

太空飛行器環境控制與生命保障系統不允許

如果想要把航天員帶回火星,並且順利返回,那麼飛船就要具備環境控制與生命保障系統,上世紀60年代,阿波羅號之所以能夠從月球返回,就是因為飛船自身的環境控制與生命保障系統讓太空人得以生存。

隨著載人航天技術的不斷發展,環控生保系統也日臻完善,它的主要構成是供氣調壓分系統、氣體淨化和汙染控制分系統、氣體循環和溫溼度控制分系統、水供給和管理分系統、食品供給與管理分系統、廢物收集與處理分系統,以及航天服分系統。

目前,因為太空飛行器的環境控制與生命保障系統具有時間較短的缺陷,目前,即使是空間站,也只能做到半再生系統,這種環控生保系統能將乘員產生的二氧化碳和廢水全部或部分回收處理,生成氧氣和純淨水,提供給乘員循環使用,而地面只需補給食品以及部分氧氣和飲水。

而火星距離地球的距離太遠了,地球到火星的最近距離約為5500萬公裡,最遠距離則超過4億公裡。兩者之間的近距離接觸大約每15年出現一次。1988年火星和地球的距離曾經達到約5880萬公裡,而在2018年兩者之間的距離將達到5760萬公裡。

從地球到火星,美國的維京1號,用了304天飛抵火星,並成功登陸,從目前的太空飛行器到火星的時間來看,大致需要6-10月左右。而且因為有航天員,一個正常體形的乘員每天需要消耗總重約5公斤的氧氣、水和食物,才可以完成標準太空飛行任務一天所需工作;與此同時,他也將排洩出多種代謝終產物。大致消耗拆分如下:0.84公斤氧氣、0.62食物和3.52水;並經過身體處理轉化成0.11公斤固體排洩物、3.87公斤液體排洩物和1.00公斤二氧化碳。

以阿波羅號為例,「阿波羅」號飛船由指揮艙、服務艙和登月艙3個部分組成.指揮艙為圓錐形,高3.2米,重約6噸.服務艙為圓筒形,高6.7米,直徑4米,重約25噸.登月艙由下降級和上升級組成,地面起飛時重14.7噸,寬 4.3米,最大高度約7米。所以總重量是45.7噸。而阿波羅號從發射到返回用時為8天。

所以你想想如果要構建維持航天員一年多生存的環境控制與生命保障系統,那麼整個規模會有多龐大,那你可以想像一下整個飛船的體積會有多龐大。

那麼你就需要比土星五號還更大推力的運載火箭才能把飛船送上火星軌道。但目前的技術來說,還並不成熟,而且所需要的資金也會更為龐大,1966年,美國國家航空航天局的年度政府撥款高達45億美元,約為當時美國國內生產總值(GDP)的0.5%。同年,國防部的政府撥款為635億美元,而阿波羅計劃總共耗資約240億美元。

而且最重要的是,即使是目前的半再生系統也很難維持從去到回這麼長久的時間,目前科學家還在探索再生的環境控制與生命保障系統,為登陸火星而做準備,在該系統裡,除了人以外,還有動植物生存,猶如一個小自然界。在這個系統裡,生物和非生物以閉路形式進行質量交換,不斷地為乘員提供氧氣、水分和食物除了陽光以外,基本上無需系統外補給,維持人和動物的生存,建立一種穩定的動態平衡生態環境。

科學家預計到2035年才有能力載人登陸火星。

太空飛行器返回技術不允許

類的宇宙飛行,其實決定於太空飛行器的返回技術。太空飛行器在軌道上的運動是在地心力場作用下,基本按天體力學規律運動,改變運行速度可使太空飛行器脫離原來的運行軌道而轉入另一條軌道,若速度的變化可轉向進入地球大氣層的軌道,則可能實現返回。太空飛行器從外層空間返回地面須經歷離軌、過渡、再入和著陸4個階段。

而登陸火星的太空飛行器第一個難題就是要脫離火星的軌道,科學家在「阿波羅11號」上,裝有一臺推力1.6噸的上升發動機,該發動機點火後只需4分鐘左右的時間便可推動其進入月球軌道,隨後「阿波羅11號」在拋棄登月艙後開啟服務艙發動機獲得更大的速度,使其脫離月球軌道奔向地球軌道。

而火星的重力還是月球的2.4倍。科學家計算過,從月球表面起飛的質量每增加一公斤,其發射時就需要多632公斤的負載,比如油箱和燃料,而從火星上發射進入太空,每公斤質量需要的燃料比例要高出10倍以上,這是人類無法承受的。

其次就是從離開原運行軌道到進入大氣層為止,太空飛行器在大氣層外沿過渡軌道返回時基本按天體力學規律運動。返回起點不同,太空飛行器沿過渡軌道返回的航程長短也相差懸殊。從月球返回的航程長達40萬公裡,歷時60小時。根據需要,太空飛行器在途中可再次啟動變軌發動機修正軌道,以確保穿入再入走廊。

而火星返回的航程長達近6000萬公裡,難度會更加高,如果在途中啟動變軌發動機修正軌道失敗,將無法穿入再入長廊,後果將無法設想。

因為這兩大方面的原因,所以現在載人登陸火星並不理想,還需要等待科技的繼續發展,再過大概10年-20年的時間,人類大概具備載人登陸火星的條件。

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