探索火星的任务是什么？以目前的科技探测火星出现了哪方面问题？

文|凌轩Talk

编辑|凌轩Talk

简介

2019年15月前美国总统小布什宣布21世纪美国太空计划，该计划在2014年提供了常规月球任务的恢复，并于2018年在火星上实施了第一次任务。

美国航天局航天器飞往火星的飞行规定分别发射宇宙飞船和“猎户座”号太空舱，机组人员被送入地球轨道。应该指出的是，该项目在2011年的工作已经结束。

但是现在我们正在目睹美国宇航局试图重新审视火星问题，新美国宇航局计划的项目描述该项目基于创建有效载荷能力高达130吨的超重型运载火箭SLS。

从建设性上讲这枚火箭类似于“土星”号运载火箭，但在装有氧氢火箭发动机的船体周围安装了两个额外的固态助推器（如“阿丽亚娜”火箭）。

该项目涉及安装两个不同的SLS头部部件,第一个头部是一艘宇宙飞船，用于8人探险队从地球轨道飞往火星轨道。

SLS火箭的第二个头部是猎户座太空舱，它配备了救援火箭，就像土星火箭的设计一样.用于轨道间飞行的航天器由两个圆柱体和一个直径为5至12米，总长度为24米的锥体组成。

在航天器头部有一个住宅模块，其圆柱形表面上是用于与胶囊“猎户座”对接的单元,活动模块沿轴线连接到储罐-装满燃料和氧化剂的容器，这些燃料和氧化剂以液态存储并用于预期。

对于化学火箭发动机的操作，四个RS/25D/E化学火箭发动机位于尾部。该项目涉及在发射后11个月，之后计划绕火星飞行并降落在其表面。

目前尚不清楚宇航员将如何进行登陆火星表面，从表面起飞并返回航天器内部可能对于这些操作可以使用猎户座胶囊，在火星飞越后航天器返回地球轨道。

在飞行的第540天机组人员在对接后进入猎户座太空舱，该太空舱先前由SLS火箭送入地球轨道，然后溅入太平洋。公布的数据显示，NASA工程师离解决问题还很远。此外由于需要建造新的，该项目的成本将非常高。

应该指出的是，航天器的公认设计并未规定在轨道飞行期间在宇航员的机舱内产生人造重力，现在谁能保证，由于长期处于失重状态，人类有机体不会发生这样的变化，以至于参加过探险的宇航员将不再能够在地球上生活。

NASA新项目的这些严重缺陷表明，它基于50年前的技术解决方案，不允许解决分配的任务，为了成功实施火星探险，有必要走另一条替代道路。

如果在配备电子火箭发动机的电动火箭的帮助下进行轨道飞行，则可以解决该任务，该火箭发动机的比动量比化学火箭发动机大许多倍。

由于采用了新的建设性解决方案，该特性被电动火箭获得，该解决方案通过使用物理学家在21世纪开发的高温超导体来实现。

首先向太阳系行星飞行的第一步是使用2006年发明的磁等离子体型超导体电动火箭发动机MARS。

新的发动机设计提供了超导磁系统的安装，其中电流平行于发动机的纵轴。这使您可以将发动机的效率从60%提高到94%。

当时开发了电动火箭ER-7的设计，能够将高达10吨的有效载荷从地球轨道转移到火星轨道电动火箭ER-7以历史悠久的R-7火箭命名，该火箭由S.P.Korolev创造。火箭ER-7以组装形式位于运载火箭“Delta4Heavy”的头部，由美国公司批量生产。

运载火箭“Delta4Heavy”配备了三个RS-68化学发动机，可确保将26吨有效载荷送入地球轨道，完成的设计发展表明轨道间火箭ER-7可以成为形成通往火星，金星，水星和谷神星的太空列车的模块化基地。

在考虑了火星北极考察项目，我们正在见证火星研究过程中的激活，这个过程已经持续了好几年，定期从地球发射的航天器带来了新的科学成果。

火星表面存在水的问题特别有趣，当美国宇航局的凤凰号探测器于2008年降落在火星北极并收到火星地面的水时，得到了这个问题的答案。

由于这种情况，有可能在火星表面用燃料和氧化剂为油箱加油，同时使用水，水以冰的形式存在于火星的极盖中，作为获得必要成分的来源材料-氢和氧，类似的水冰的使用进行的木星探险。

从水冰中获得的氢气和氧气不仅可以用于为化学火箭发动机加油，还可以为火星探测器的燃料电池加油，以满足探险队自身的需要。

决定探险队在火星北极着陆点的另一个重要情况与考察的目的有关，这次探险最重要的科学任务是在火星表面找到最简单的生物。要寻找它们，首先需要在有水的地方，那就是在冰冷的表面上。

在探险项目开发期间进行了一项研究，该研究显示了使用砷化镓太阳能电池板作为电动火箭能源的可能性和权宜之计，同时应不断考虑到由于火箭运动过程中到太阳的距离增加，太阳能电池板的功率不断降低。

在火星北极进行探险的概念

在数学模型的帮助下进行的计算和设计研究表明，建议在太空列车的帮助下进行火星北极探险，太空列车由电动火箭和起飞着陆模块组装在地球轨道上，每列火车上的电动火箭和模块的数量取决于其用途。

火箭太空列车的每个部件都在“Delta4Heavy”运载火箭的帮助下进入环地轨道，太空列车的轨道间飞行由火箭进行，火电动火箭发动机MARS移动为了火箭上的电动发动机供电，安装了基于砷化镓的可折叠太阳能电池，用于操作电动机的工作物质放置在沿水平轴的低温罐中。

各种用途的起飞着陆模块配备了化学氢氧发动机，使模块能够沿着地球和火星周围的轨道移动、已完成的研究表明火星北极探险建议分两个阶段进行；

在第一阶段，进入穿过火星北极的轨道，交付远征地球返回飞行的工作物质。

飞行是在电动火箭ER-7（5）的帮助下进行的，沿着该轴线有一个装有液氮（3）的罐，火箭使用4个电动火箭发动机MARS沿轨道间轨迹移动MARS（6）。

电动火箭发动机由太阳能电池板提供动力（2）。在图1所示的太空列车的帮助下，加油器7和太阳能电池8被送入火星轨道。

在对接单元1和4的帮助下，以自动模式在地球轨道上组装太空列车（图5）后，开始太空列车沿着计算的轨迹从地球轨道到火星轨道的运动，火车到达火星并进入火星轨道，距离200公里。

探险的继续——火星飞机上的赤道飞行

火星飞机由太空机车1和起飞着陆舱TLC-1（2）组成，它沿着火箭ER-7的轴线对接是它的有效载荷，起飞着陆舱TLC-1在从地球轨道到火星轨道的飞行过程中被运送到火星表面。

在对接单元3的帮助下分离后，起飞着陆舱TLC-1在化学火箭发动机4的帮助下平稳地降落在靠近加油器的火星表面。

在加油机的帮助下，宇航员正在用燃料和氧化剂填充油箱，为化学火箭发动机4提供操作，

TLC-1设计规定化学发动机在从北极表面起飞和进入火星轨道时的操作。，在对接舱2和机车1后，组装形式的火星飞机在250公里的高度绕火星转一圈35分钟。

火星飞机由宇航员飞行员操作，该飞行员打开电动火箭发动机5和6。在电动机的帮助下，火星飞机是

在北极点上空机动0°/0°，由于机动火星飞机的纵轴应沿子午线定向，沿着子午线将飞行轨迹传递到火星表面上的选定点。固定飞行方向后，电动发动机5号和6型火星飞机被关闭，火星飞机开始惯性沿着选定的轨道绕火星飞行。

探险计划下的第一次飞行由宇航员从北极基地到赤道死火山地区（到坐标为15°/120°的点）进行。

在飞行的第一段，火星飞机从1点（图5）飞往0点（北极），然后滑行飞机转30度，进入子午线120°。向南移动，火星飞机在纬度2°处到达第55点。向赤道的飞行从第2点继续到第3点。

从第1点到第3点沿火星轨道的飞行时间为10分钟，当接近着陆点时，火星飞机飞过火星的最高峰-奥林匹斯山，高27公里。

接着沿着子午线移动120°，火星飞机到达尤利西斯帕特拉陨石坑附近的赤道，该命令用于分离火箭ER-7（1）和起飞着陆舱TLC-1该命令在对接单元3的帮助下以自动模式执行。

在火星飞机分离后，火箭继续沿着子午线绕火星120°移动，使用降落伞的起飞着陆舱降落在距离死的ArsiaMons火山3公里的200点，在着陆过程中，化学火箭发动机4工作，提供软着陆。在TLC-1的着陆点，水手谷开始，沿平行10°延伸，是一个巨大的构造断层。

宇航员开始对一个特殊项目进行研究：地质学、天文学、天体物理学、医学生物学等，沿着火星表面，它们在预制结构的漫游车的帮助下移动，在10天的时间里宇航员使用最新的仪器进行一系列实验。

在该计划实施和两天休息后，为返回基地的航班做准备，机组人员必须从火星表面进行另一次起飞。因此TLC储罐具有燃料和氧化剂储备，用于化学火箭发动机4的操作。

宇航员在TLC-1的机舱内就座。宇航员飞行员打开化学火箭发动机4。起飞着陆舱从火星表面起飞，在190秒内进入火星轨道。

该轨道沿子午线120°经过，并用电动机和太阳能电池旋转飞机的剩余部分。在使用电动火箭发动机1和2对接火箭5和Marsoplane的起飞着陆舱6后，正在对北极的方向进行校正。

火星飞机正前往探险基地，绕火星转了一圈后火星飞机在飞行45分钟后进入火星北极上空计算的O点。电动火箭发动机5和6打开，火星飞机转弯30°并进入330°子午线，在纬度85°，宇航员在对接单元3的帮助下对火星飞机进行分离。

早使用火箭发动机4起飞着陆舱TLC-1冲向火星表面，在火星表面以上50公里的高度，太空舱的降落伞系统被激活。在火箭发动机4的帮助下，太空舱软着陆在火星表面的1点。在基地期间，宇航员根据探险最后阶段的计划开展工作。

根据这一阶段，宇航员必须在火星北极建立一个永久性实验室，该实验室应进行火星自然参数的复杂测量，并将信息传输到地球。

这样的实验室最终可以变成一个空间站，在那里进行研究，探险队的组成不断变化。在火星北极冰冷的表面进行第一次探险之后，仍然是一个太阳能电池，作为永久的电力来源。

还有一个太空加油机，它能够从水冰中自动产生氧气和氢气，并通过用于操作化学火箭发动机的工作物质为起飞着陆舱TLC-1和TLC-2加油。

宇航员在火星上的停留条件类似于地球极地探险家所熟悉的条件。同时，它应该考虑到火星的气候特征。

正如已经指出的那样，探险队配备了一个特殊的复合体“Iglus”，可以保护宇航员免受宇宙辐射并创造必要的生活舒适度，该综合体有一个持续供应电力、氧气、氢气和水的系统。

在没有宇航员的情况下，该综合体的维护时间为18个月，委托给机器人宇航员Robonaut-2计划在火星上停留30天，结束后起飞着陆舱停止使用（18个月），以便在重新探险期间用作火星飞机的一部分。

宇航员在起飞着陆舱TLC-2的机舱内就位，其设计说明如下。

为了在火星轨道上从火星轨道到地球轨道的探险飞行，形成了如图所示的火箭列车。

在火星-地球路线上飞行的太空列车

火箭列车在电动火箭发动机7和5的帮助下通过操纵在轨道上组装由三个ER-6火箭模块组装TLC-7的火箭发动机打开起飞着陆舱从火星表面脱离，并在180秒内进入火星轨道，太空列车在其上移动。

起飞着陆舱与电动火箭列车对接后，开启火箭模块6的巡航电动火箭发动机2。电动火箭列车加快速度，离开火星轨道，驶向地球轨道。

电动火箭列车在轨道间飞行时，火星在围绕太阳的轨道上。移动时，太空列车必须沿着计算出的轨迹从第2点到飞行结束时的3点。将位于地球列车的参数及时计算结果让我们看看火车是如何行驶的。

在为期18天的飞行中，太空列车加速到100公里/秒。这是因为当接近太阳时，三枚火箭4，1和2的太阳能电池板的功率不断增加，20天后它变得等于2.0mw。

18天后，电动火箭发动机6（图8）关闭太空列车继续以100公里/秒的速度惯性移动8天。在太空列车的机动之后，电动火箭发动机的推力方向发生了180°的变化。太空列车的制动开始，8天内的速度降低到10公里/秒。从火星轨道返回地球轨道需要38天。

进入地球轨道后，电动火箭ER-7-1，2号与4号被送到轨道基地，在那里用工作物质氮气加油。将来它们被用于重新飞往火星。

在火箭发动机2的帮助下，搭载机组人员的起飞着陆舱正在进入国际空间站国际空间站的轨道，太空舱转向国际空间站系泊处，并在对接单元8的帮助下与之连接，通过8号对接单元，探险队的机组人员从国际空间站内的太空舱移动。

历时110天的火星北极探险将要结束了，考虑到地球以比火星大1.88倍的角速度绕太阳旋转，火星北极的第二次探险应该在行星对抗的那一刻进行，这将在第一次探险后22.5个月发生。

结论

本次计算对火星北极考察进行了全面的科学研究和技术设计；目前其它国家已经开发出一种使用电动ER-7火箭将宇航员两级运送到火星北极冰冷表面的方法；开发了借助太空加油机为火星北极表面起飞着陆舱化学发动机加油的技术。

参考文献

<1> Eugen Reichl （2012） Zukunftsprojekte der Raumfahrt.电机出版社。

<2> Bischoff，J.（2015）火星任务。GEO N 11，S.51-64。

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<4> Onken， J. （2016） Die grosste Rakete der Welt Space 3/S 62-69。

<5> Rubinraut，A.（2017）未来AAST的电动火箭发动机研究。

<6> Rubinraut，A.（2018）地球 - 火星 - 地球路线上的太空巡航。AAST，3，20-47。