NASA發布六項火星登陸前沿技術，美國向中國天問一號發起挑戰
2020-07-30 愛科學的M叔文/M叔
圖侵刪
今年七八月份正好是每隔兩年前往火星的最佳時期，阿聯的希望號和中國的天問一號已經出發，接下來會在今年發射的，還有美國的毅力號和歐洲俄羅斯共同研製的「羅莎琳德·富蘭克林 」號，不過有消息傳「羅莎琳德·富蘭克林 」號可能會推遲至2022年發射。
有意思的是，中國天問一號會創造一項歷史（在我前面的文章介紹過）：第一個發射一枚探測器一次性完成「環繞觀測火星」「登陸火星」「在火星上完成巡視」三個任務。
在天問一號出發不久，美國NASA就抓緊對外公布了他們正在研究「載人登陸火星」的六個關鍵前沿技術。按照美國總統川普在2017年籤署的法案，美國在2030年前要實現火星的載人登陸。
如此一看，美國NASA的這一舉動頗有幾分秀肌肉，要和中國在火星探索上較量一番的味道。
我們就來看看，NASA公布的六個前沿技術，到底如何？
雷射通信技術
目前的太空探索最先應該解決的就是通訊問題，如果遠程太空航行，沒有地面部門的遠程技術及時支持是一件非常可怕的事情，這是由於太空航行是能儘量少帶東西就儘量少帶，很多軌道調整計算都是交由地面來完成的。
以往的太空探索，一直採用的是無線電通信，但無線電對於較遠的太空航行就顯得力不從心了。原因很簡單，無線電其實是一種電磁波，它在傳播過程會衰減，隨著傳輸距離增加，信號會越來越弱，加上它的信息容量偏小，意味著它傳得不遠傳得又少。
而NASA正在研發為了火星登陸的雷射通信技術正是為了解決這些問題。
雷射通信是指用雷射束作為信息載體進行空間之間的傳播技術，它的技術特性決定了它優點非常具有開發價值：
1.它的頻率比無線電高4~3個數量級，信息容量是傳統無線電的上百倍，理論上一束雷射能容納20GB的信息。
2.雷射的發散角很小，能量高度集中，這就使雷射在傳輸過程衰減度變慢，而且發射和接收都不需要大功率的設備。輕便和小巧對能源成本高昂的太空航行來說，十分契合。
其實美國在70年代就開始了空間雷射通信的研究，起初研究並不是為了太空探索，而是希望用於軍事通訊，這是由於雷射具有高度的定向性，在傳輸過程中很難被敵方截獲，所以雷射通信具有非常棒的保密性。
到了90年代，NASA才正式開啟雷射通信應用於太空探索的研究。2013年，NASA通過衛星，從月球軌道與多個地面站分別進行了雙向雷射通信試驗，創造了622MB/秒的下行數據傳輸速率新記錄，上行數據傳輸速率也達到20MB/秒。你要知道，月球到地球平均有38萬公裡的距離，無線通信在這麼遠的距離，能達到這個速度，只能用恐怖來形容。
綜合各方面分析，NASA的雷射通信技術應該非常成熟。
強大的推進系統
前往火星的太空人將度過約1.4億英裡的漫漫裡程，沒有強大的推進系統，就是有去無回式的「白給」。
傳統化學轉換動能的火箭有個比較尷尬的情況，我們拿土星五號運載火箭來舉例，它的重量是3038.5噸，其中90%以上都是攜帶燃料的重量，總推力3408噸大部分浪費在運載燃燒上了。如果要進行遠距離航行並且還要返回的情況下，就一定要開發出同等質量下轉化能量效率更高的技術。
NASA本次並沒有公布推進系統的具體細節，新型動力裝置是一套複雜的系統，有很高的技術門檻，容易在各國的航天競賽中形成技術壁壘，這是NASA的小算盤。
不過根據小道消息可以推測，NASA在研的技術路線有核電和核熱推進系統。兩種技術都利用核裂變，但有很大不同。
熱核推進：利用核裂變產生巨大熱量，然後加熱工質，再將加熱後的高溫高壓工質定向噴出而獲得推力。
核電火箭：將核反應堆裂變能量先轉換為電能，為電火箭供電，然後由電火箭產生推力的推進系統。
核電火箭效率更高，但推力相對弱一些。相比之下，核熱推進技術能夠提供更強大的推力。
這裡大家要區分一下：
所謂核裂變，是鈾或者鈽這種特別大的原子在一分為二時損失質量，釋放能量，比如原子彈；而核聚變，是氫或者氦這種極小的原子在合併成大原子時損失質量，釋放能量，比如氫彈。
雖然兩個技術只差一個字，但完全是兩種截然不同的技術。
火星太空衣
NASA的下一代太空衣定名為xEMU，翻譯過來叫做「探索外太空機動裝置」。
NASA新太空服xEMU
太空衣的難點在於在保證太空人安全的前提下，還得保證太空人能靈活行動。阿波羅探月計劃的太空衣其實很笨重，太空人無法自由行動。而新一代太空衣更靈活，行動起來更方便。
NASA這次公布中，表示正在研發的一項技術是在太空衣中提供充足氧氣的同時，長時間保證太空衣處於恆溫的狀態，來抵抗火星上變化的極限溫度。
充氣式隔熱罩，助力載人飛船安全降落
NASA載人登陸火星的飛船需要攜帶的東西實在太多，一定是一艘大型飛船，如果它登陸火星時還採用傳統的反推進裝置加降落傘的方式減速的話，那就會形成一個悖論：質量越大的飛船在火星引力下，就需要更多的反推力進行減速，而使用更多反推系統就意味著需要攜帶更多的燃料，更多的燃料意味著增加更多的飛船質量。
工程師們正在安裝隔熱罩
所以NASA的科學家就採取了一個比較討巧的方法：設計研發一種可充氣的隔熱罩，在飛船即將進入火星大氣時就充氣展開，開始減速。
這不僅節省了燃料，而且可摺疊的隔熱罩還很節省空間。
不過目前這種技術還不是很成熟，主要原因可能是受限於材料科學，畢竟這種材料要求耐高溫又要韌性極好。
超級電力提供系統
如果要長時間進行火星探測，太空人將需要可靠的、不間斷的電力系統。這種電力系統需要極高的可靠性，還能抵擋火星上惡劣的沙塵暴天氣。
核裂變動力系統概念圖
NASA認為核裂變動力比太陽能更可靠，並且正在對這種技術進行研發測試。在NASA看來核動力更安全、高效，更適合作為火星上的動力來源提供。
早幾年NASA與洛斯阿拉莫斯國家實驗室合作，以小型反應堆為基礎，發明了一個可供太空使用的，名叫Kilopower的供電系統。
Kilopower可提供10千瓦的電力，它的工作原理是：
熱管中的密封管在反應堆周圍循環流體，收集熱量並將其輸送到斯特林發動機。在那裡，熱能將氣體加壓以驅動活塞，並耦合到產生電力的馬達上。
這樣一來，電力供應就能很容易實現了，把它用於太空可謂一大突破和變革。
NASA計劃不久會在月球上進行測試，然後再在火星上測試。
未來火星漫遊車
即將前往火星的美國毅力號將攜帶一輛號稱全世界最複雜的火星漫遊車—火星2020。
相比之前的發射的「好奇號」專注於分析火星巖石和土壤的物質組成，而火星2020的主要任務是尋找火星有過生命的跡象。所以這次NASA給它賦予了四個絕活：
火星2020上的直升機
a . 23個攝像頭觀察火星尋找生命，有史以來攜帶最多攝像頭的火星車。
b .攜帶了一臺「火星直升機」，每天可以在空中探測火星2020周圍1公裡半徑的範圍。
c .攜帶制氧裝備，測試火星二氧化碳轉化成氧氣。
d .收集值得研究的火星土壤或巖石樣本，完好保存，等待下一個專注返回的探測器，將樣本帶回地球。
未來火星漫遊車的概念圖
未來要實現載人火星登陸，火星登陸器大概率是一輛火星車，這輛火星車承擔了房屋居住、實驗室一體的功能，太空人的飲食起居和探測任務都在裡面完成。
結語：
NASA公布的6個有關登陸火星的前沿科技，仿佛是從科幻小說裡走出來的一樣。尤其是核裂變推進系統，一直是科幻小說裡最愛描寫的對象。當然，從主流科學觀點出發，這些技術理論上分析，是存在可行性的。
但理性上看，我個人覺得NASA計劃2030前實現載人登陸火星，還是有些託大了。相比阿波羅計劃，目前美國政府分配給NASA的經費遠遠不夠。要知道先進的科技，是在科學家智慧的基礎上，用金錢燒出來的。。
不過感性上，拋開政治原因，我還是非常希望在有生之年看到人類登陸火星的。
參考資料
·【付強, 姜會林, 王曉曼,等. 空間雷射通信研究現狀及發展趨勢[J]. 中國光學, 2012, 5(2):116-125.】
·【美首次演示熱管核裂變動力系統小型核反應堆有望成為太空探索新動力[J]. 石河子科技, 2012(6):52-53.】
·【洪剛, 戚峰, 王建明, et al. 載人登陸火星任務核熱推進系統方案研究[J]. 載人航天, 2018.】
·【維基百科】
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