VASIMR發動機——讓39天去火星成為可能（上）

來源｜原創： 超級Loveovergold 轉載於：航天愛好者網

作者說

導語：十年前看阿凡達，氣勢磅礴的星際飛船帶著燒紅了的翅膀，飛向潘多拉星球，繼而引發了一個外太空拆遷中的愛恨情仇……一轉眼，馬斯克的不鏽鋼飛船和猛禽發動機讓我們感受到離載人火星之旅越來越近。然而，依靠化學能的火箭發動機是不是最合適的行星際飛船動力？還是NERVA的核熱動力氫工質火箭發動機？本期我們來聊聊更有前景的可變比衝的磁等離子體（VASIMR）發動機。

本文作者：超超級Loveovergold，作者授權發表

火星是地球的近鄰，直徑約為地球直徑的一半，但很多方面和地球冥冥中類似，比如火星的晝夜是24小時37分鐘，和地球很接近；自轉軸的傾角是25度，會有和地球非常類似的四季，不過她的公轉周期為686天（667個火星日），每個季節放大到了地球的兩倍。火星由此被認為是最適合人類移民的星球，這或許是人類走出地球搖籃的第一步。

圖1.地球和火星，冥冥中有諸多相似之處

載人火星之旅並不是帶著換洗衣服推著拉杆箱就出發，衣食住行都得考慮，要帶的東西好多！最簡配，兩人成團，按自由返回軌道繞行火星旅程安排（不落地、不插旗），行程也長達500天，循環利用也要淨消耗氧氣897公斤，水2235公斤，食品1384公斤；如果要登陸火星，火星地表大氣壓為地球海平面大氣壓的0.6%，遠比地球小，而且火星上風大，雖然沒電影《火星救援》開篇災難那麼誇張，但風沙天還是經常有，永久、半永久增壓生活艙都得厚實牢靠，同時火星上外出要穿特殊的壓力服。因此去往火星之旅，必定需要帶上很多裝備，必須要有強有力的火箭作陪。

圖2.火星上外出要穿特殊的壓力服

載人火星落地插旗的具體行程安排，比較可行的是軌道組裝載人火星飛船組合體方案，由6步組成：

第一步：運載火箭多次發射，把登陸火星飛船、轉移居住艙、返回地球艙、推進艙分批次運送到低地球軌道（LEO），在低地球軌道把上述部件組裝成載人火星飛行任務的大型飛船組合體。

第二步：上面級火箭發力，組合體步入地球-火星轉移軌道。

第三步：經過數月的飛行接近火星，組合體修正速度，進入低火星軌道（LMO）。

第四步：太空人從轉移居住艙轉移到登陸火星飛船，登陸火星飛船（含在火星生存的表面居住艙，降落火星的下降艙和從火星起飛的上升艙）分離減速，在火星表面著陸，太空人在火星表面進行探測和研究。

第五步：太空人乘坐登陸火星飛船上升艙起飛進入低火星軌道（LMO），與留在近火軌道上的組合體對接，踏入火星-地球轉移軌道回程。

第六步：組合體減速回到低地球軌道，乘員艙與之分離再入大氣層，完成載人火星探測及返回地球任務。

怎麼樣，看著是不是特別複雜、特別難？其實這6步和登月並沒有本質區別，當年馮布勞恩傾盡全力牽頭研製的土星五號火箭成就了整個阿波羅計劃，對於載人火星之旅而言，如果有了給力的火箭推進技術，其實也不難，當然前提是有足夠多的錢和新技術。

對於載人火星之旅，卡脖子的是送貨至LEO和往返於地球-火星轉移軌道兩步。

一、送貨至LEO其實只要有錢就行

火星之旅需要把上百噸的物資首先送到低地球軌道，而這些物資的體積比較大，對火箭整流罩的尺寸、容積都有要求，小火箭螞蟻搬家的模式空間組裝任務複雜。不過冷戰期間的太空競賽著實出現了多款性能優異的火箭，比如一級裝配了5臺液氧煤油F1液體火箭發動機的土星五號火箭，LEO的運送能力達到了驚人的140噸，而且從未有失敗的記錄。另外太空梭改裝方案也是可行，Shuttle-C（C取自英文Cargo，運輸的首字母）是NASA在1984年至1995年期間研究將太空梭發射系統衍生為專用無人貨運運載器的方案，該方案利用了太空梭外部貯箱和固體火箭助推器（SRB）、SSME（太空梭主發動機），以及外部貯箱與太空梭的固定組件，不可復用，其LEO最高運載能力也達到71噸。

圖3.圖紙上的Shuttle-C

（有興趣進一步了解Shuttle-C的可以參見往期文章：不滅的太空探索精神（下）太空梭研發史）

作為競爭對手，蘇聯研發了重型運載火箭能源號（Energia），能源號並非僅僅為了暴風雪號，設計師瓦連京·格魯什科（ValentinGlushko）雄心勃勃的制定了重型和超重型火箭大家族。能源火箭基於模塊化設計，通過在火箭周圍捆綁4個天頂號助推火箭，載荷安置在側面可將100噸載荷送入低地球軌道；配置8個天頂號助推火箭能源-B型，載荷放在頂部，則可以達到200噸的LEO運送能力。

如果說從舊的圖紙堆裡面復原曾經的輝煌，由於年代久遠不甚可行，那麼現在正在研發的SLS和太空探索公司的BFR，以及進度一直拖延的藍色起源NewGlenn也是完全可以期待。

圖4.各種超大運載能力的巨型火箭

二、往返地球-火星的舒適旅途，關鍵還是看速度增量

在低地球軌道的組合體整裝待發，但要指出，往返的火星之旅軌道非常關鍵。地球繞太陽兩圈的時間裡，火星大約繞一圈多一點，這個過程中地球和火星在公轉軌道同側的最近距離在5500萬公裡左右，此時路程最短，但由於地球公轉有29.79公裡/秒的速度，借這個力奔向火星的方案遠比直直的過去要明智，可以節省大量改變航向的推進劑。

這裡要引入速度增量這個概念，改變速度才能改變軌道，而改變幅度越大則意味著所需消耗的燃料越多，因此改變軌道所需的速度變化自然成了一個重要的衡量指標，通常使用希臘字母Δ指代變化，速度變化便是ΔV，常以dV簡寫。比如從地球表面發射衛星到LEO，大約需要9.4公裡/秒的速度增量，包括突破第一宇宙速度必須的7.8公裡/秒，也包含克服大氣阻力和重力的1.5-2公裡/秒的速度增量。

1925年，德國物理學家奧爾特·霍曼博士推導出在兩條同一平面上、半徑相異的圓形軌道間轉移衛星的最小能量方法，稱之為霍曼轉移，如下圖，沿著地球公轉的切線方向，利用地球公轉的29.79公裡/秒速度，只要額外給組合體2.95千米每秒的dV便可以完成從LEO到火星霍曼轉移，在到達火星時，由於克服太陽引力，速度從一開始的32.73降為21.48公裡/秒，雖然趕不上火星24.13公裡/秒的公轉速度，但2.65公裡速度差低於火星5公裡/秒的逃逸速度，很容易在火星著陸。

圖5.最省力也是旅途漫長的霍曼轉移軌道

霍曼轉移軌道的最大優勢在於到達此軌道所需的燃料較少，現有化學火箭便可完成！不過是慢車，去程達到259個日日夜夜，大概8個多月，而且由於不進入繞火星軌道，任務風險大。事實上，你不得不考慮另外一個現實的問題——返回地球！由於火星和地球一直處在運動過程中，相對位置總在變化，必須在火星上等待火星和地球特定的相對位置，讓返程花費的能量相對合理。如果來回都採用霍曼轉移，對不起，你得在火星上待550天左右，總任務時間需要3年。

實際的執行的任務往往採用速度增量稍大的優化版轉移軌道，更適合貨運，好比是你淘寶買了一個大件走物流，價格公道能夠安全送達即可。對於太空人來說，航行時間的長短，牽涉到生活必需品的消耗，也牽涉到太空人心理問題、生理問題（鈣質流失）、太空輻射問題。行星際空間的宇宙射線輻射對人類太空人會造成長期的健康風險，大規模太陽風暴的風險甚至可能在幾小時內殺死無保護的太空人。因此必須創造條件以減少星際旅行時間，最大程度的保護太空人免受輻射，也會最大限度地減少他們往返所需要攜帶的物資。

那麼是不是可以用大力出奇蹟的辦法？在低地球軌道大腳踩油門，把速度增加到極限是否可行？如下圖所示的快速轉移軌道，在LEO給予組合體12.34公裡/秒的速度，疊加地球公轉速度合計達到42.12公裡/秒的超高速，測算可以將到達火星的時間縮短到70天。然而在到達前需要大腳剎車，測算需要20.31公裡/秒的速度增量，才能把組合體的速度從34.13公裡/秒下降和偏轉到與火星公轉同步的線速度和方向。這無疑對於現有的化學火箭是一項特別艱難的任務，要知道突破海拔100公裡高度的卡門線，僅僅是1.4公裡/秒的速度增量已經把很多國家和企業拒之航天門外。

圖6.暴力任性的70天快速轉移軌道，然而需要巨大的速度增量開銷

限於這些骨感的現實，目前NASA最新的火星任務設計參考架構（2009年出的5.0版本，後續再無更新），參考架構論證了前述馮·布勞恩利用金星引力加速回程的短途衝點航線方案，雖然方案只有6百多天，但對於發射窗口要求很高，整體速度增量大，對太空人的輻射相對較高，而且在火星地面考察時間較短，經過反覆論證、權衡利弊，採納的合點航行方案中規中矩，太空人在火星上老老實實的等待火星和地球特定的相對位置，科學考察550天後回家，任務總時長為914天。推進方面，拿出了核熱動力火箭、化學火箭兩個方案。該擬定的火星任務選擇在2030年到2046年階段實施，分三批勘測火星三個有代表性的區域，具體策略歸納起來有以下幾個特點：

1、採用了人貨分離、裝備先行。任務的第一階段，將通過至少7次大型運載火箭的密集發射，把載人火星任務的各個構件先送到低地球軌道，前兩個最重要的任務構件——登陸火星飛船的下降艙/上升艙和火星地面棲息艙將將首先發射，並在低地球軌道通過交會和對接完成與地火轉移推進艙的組裝。整個組合體在檢查確認無誤之後，將在低地球軌道上耐心的等待發射窗口打開，先於航天員發射前兩年，選擇速度增量較小的地球-火星轉移軌道，耗時202天抵達火星後，組合體將進入一個高度橢圓形的火星軌道（250×33793公裡）上。

圖7.化學推進劑方案的火星任務，需要兩艘貨運飛船和一艘載人飛船組合完成

2、由於不攜帶輜重，太空人的火星之旅可以選擇更快的地火轉移軌道，將深空行星際旅行相關的危害降到最低。如果選擇在2037年執行載人火星探測任務，速度增量達到5公裡左右，6名航天員到達火星的旅程為174天，下降並著陸在火星的指定區域，利用火星大氣製造太空人返回上升級的推進劑。在火星地表，太空人的停留時間為539天，返回地球的時間為201天，總任務持續時間為914天。

圖8.如果任務設定在2037年，載人火星任務方案圖

整個任務涉及到發射800～1200噸低地球軌道載荷，從低地球軌道出發至返回的整個速度增量需要12～14公裡/秒。

三、徹底縮短火星之旅，NEED FOR SPEED，技術革新才是王道

是否可以利用金星的引力彈弓？是否可以使用核熱動力火箭？美國在上世紀60年代開發的核熱動力火箭，比衝接近900秒，詳見往期文章《並不是異想天開，熱核動力火箭——無畏的先驅者》。很多科學家致力於研究更短的火星之旅，登月功臣馮∙布勞恩1969年描述了一個衝點軌道火星飛行任務，採用三個NERVA核熱動力發動機，在火星地表進行80天科研，並利用金星引力加速回程之旅，但整個行程依舊長達640天。

當代也出現了高效的電推發動機，詳見《太陽能電推進——靜止軌道通信衛星瘦身減重治療方案漫談》，比衝達到了3000秒，但推力極低，在幾百毫牛量級，只能用時間換空間去火星，但從地球緩慢旋轉出來意味著在範艾倫輻射帶中長時間滯留，這會給太空人致命的輻射劑量，因此並不適合太空人的火星之旅。這裡要介紹借鑑核聚變的技術，降維碾壓現有火箭推進技術的VASIMR發動機。

本篇算是鋪墊，大戲下期開始！

——未完待續——