抵臨螢火近鄰──踏上火星之旅

目錄n1#天問：螢火何聖，緣何往之？nn2#漫漫其修遠兮之路n2#1近地漫步n2#2深空漫遊n2#2#1獵戶座載人飛船Orionn2#2#2近地小行星採樣返回計劃ARMn2#3啟程火星nn3#上下而求索之術n3#1無人火星探測器n3#1#1 Insight 2016n3#1#2 ExtroMars 2016&2018n3#1#3 Science Rover 2020nn3#2能源與動力n3#3重型運載火箭SLSn

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1#天問：螢火何聖，緣何往之？

NASA於近期搞了一個不大不小的新聞，

(抱歉，其實在我動筆時的確很近很近，不過現在的話……)

那就是，他們希望能看到這則新聞的人應該大多能看到，也就是，看那，我們描繪了一則圖樣，是的，圖樣。不過我們需要偉大的數目不菲的本傑明·富蘭克林先生贊助我們。

他們擬定了一份計劃，要去這裡：

「畫外音，旅客朋友你們好，前方到站火星站，下一站，東京北站（北京東站）」

啊不，是這裡：

風景不錯哈？

一望無際的荒漠，還沒有綠洲，不過沒有也沒關係，綠洲也是可以造的。不過，貌似目前地球上造綠洲的速度也沒有荒漠化的速度快，何況火星……

這份計劃用膝蓋想都有兩大要點:我們為什麼要去火星，以及，我們如何去火星。

為什麼選擇去火星？

以下為NASA的原文表述轉述而來，轉述水平略渣見諒：

火星是我們星辰大海征途的下一站，是人類航天的前沿。我們對火星的探測已經有了不小的收穫，例如，火星地表有冰，火星也有類似地球的氣候周期，因此在適當的時候，火星也許適合生命的存在。火星將會幫助我們了解一些人類的根本問題：

火星上是否曾經有生命？現在是否有生命？

火星在未來成為人類的另一處居所？

火星能告訴我們多少有關物種起源和地外生命的信息？

火星蘊含了多少與地球的過去、現在、未來有關的信息？

Why Mars? Mars is the horizon goal for pioneering space; it is the next tangible frontier for expanding human presence. Our robotic science scouts at Mars have found valuable resources for sustaining human pioneers, such as water ice just below the surface. These scouts have shown that Mars』 geological evolution and climate cycles were comparable to Earth』s, and that at one time, Mars had conditions suitable for life. What we learn about the Red Planet will tell us more about our Earth』s past and future, and may help answer whether life exists beyond our home planet. Together with our partners, we will pioneer Mars and answer some of humanity』s fundamental questions:

Was Mars home to microbial life? Is it today?

Could it be a safe home for humans one day?

What can it teach us about life elsewhere in the cosmos or how life began on Earth?

What can it teach us about Earth』s past, present, and future?

說實話我並不喜歡這樣揉成一團的表述，而歐空局ESA的表述可能更具有條理性：

• 火星是太陽系中最類似於地球的行星，其地表有遠古時期水流沖刷的地質特徵。而在地球上，液態水是維持生命不可或缺的要素，因此，火星上是否有，或者出現過生命？
• 火星是目前最有能力去探索的地外生命是否存在的區域，如果火星存在，宇宙其他地方是否也存在生命。這可能會提供給我們一些有關生命起源和進化的關鍵信息。
• 火星是人類探索太空的一個潛在的中轉站。

• ttMars is the most Earth-like planet in the Solar System. Geological structures show that long ago liquid water flowed on the surface of Mars. On Earth water implies life; an obvious question follows: Is there, or was there, life on Mars?
• ttMars is, to date, the most accessible planet for evaluating whether or not life exists, or has existed, elsewhere in the Universe. This accessibility allows us to address questions about the origins and evolution of life by sending a series of missions to the planet, progressively developing the technology need for exploration.
• ttMars is a potential staging post for human exploration of space.

為了更深刻的展現自己的決心和執行力，NASA自我約法三章，即NASA太空探索的基本原則：

• 充分深刻認識到國會為國家缺錢而犯愁的事實，我們盡一切可能減輕財政的負擔，已經省到不能再省了，不要砍預算；

Implementable in the near term with the buying power of current budgets and in the longer term with budgets commensurate with economic growth

• 科學探索促進生產力，生產力反作用於科學探索，所以我們要支持科學探索，一切不支持的都是鼠目寸光，見不得科技進步和人類發展；

Exploration enables science and science enables exploration, leveraging scientific expertise for human exploration of the solar system

• 我們的錢都是用在刀刃上的，都是上好的核心的必要的技術，儘管放心給錢；

Application of high Technology Readiness Level (TRL) technologies for near-term missions, while focusing sustained investments on technologies and capabilities to address challenges of future missions

• 穩紮穩打，步步為營，是的，步子太大了扯蛋；

Near-term mission opportunities with a defied cadence of compelling and integrated human and robotic missions, providing for an incremental buildup of capabilities for morecomplex missions over time

• 我們不全是吃財政飯，我們尋找一切可能性來從別的地方騙錢，啊，是商業化運作；

Opportunities for U.S. commercial business to further enhance the experience and business base

• 我們的設備都是通用性多用途繼承性高效利用的，一美分恨不得掰成兩半使；

Resilient architecture featuring multi-use, evolvable space

infrastructure, minimizing unique major developments, with each mission leaving something behind to support subsequent missions

• 國際合作，對對對，是的，他們參與的部分是他們出錢；

Substantial new international and commercial partnerships, leveraging current International Space Station partnerships and building new cooperative ventures for exploration

以上針對的主要人群是願意掏錢的和潛在願意掏錢的，如果是花錢的或是潛在的花錢對象，請無視那些，直接往下看:

2#漫漫其修遠兮之路

火星距離我們最近的距離約為5600萬公里，而人類目前所到過的最遠距離，是月球，月球距我們則是38萬公里，地火的距離是地月距離的將近150倍！

而人類目前能夠常駐的最遠距離則是國際空間站，距離地面約400公里，又是將近1000倍的差距。

這就好比什麼呢，小明是一位小學生，絕大多數時間都在家裡和學校附近渡過，逢年過節的時候父母帶著小明去周邊探個親，算是出遠門了。有一點，小明的爸爸媽媽鄭重其事的告訴小明：去大洋彼岸留學……有點莫名其妙不是，事實就是這樣。

而且，地球和火星之間的最近距離，每26個月才會出現一次。因為地球和火星的公轉周期不同。這就好比兩個速度不同的運動員在沿著同一方向繞操場跑圈，他們絕大多數時間相距一點都不近……

事實上地球和火星之間的最遠距離能夠接近4億公里……

又比如，地月通信只有兩秒鐘的延時，而地火通信的延時則有10~20分鐘！

不過，正如潤之同志之所言，我們要戰略上藐視敵人，戰術上重視敵人。雖然…這裡的敵人主要是真空的…

不過這句話仍然很有其價值，那就是，戰略上我們要有信息，並做出大膽合理的長遠規劃，而技術層面上則需要腳踏實地，一步一步的來。

於是首先簡明扼要的描述下戰略上，未來我們如何去火星：

1. 發射火星地面站，並安全抵達火星；
2. 火星地面站正常、健康的運行；
3. 發射貨運補給飛船；「對接7」
4. 發射火星載人飛船；
5. 在LEO拼接火星載人飛船；
6. 啟程前往火星；

7. 中途對接補給飛船進行補給；
8. 發射貨運補給飛船；「同3，對接12」
9. 乘員抵達火星及地面站；
10. 維持地面站；
11. 發射貨運補給飛船；「同3，對接14」
12. 地面站補給；
13. 返回地球；
14. 中途對接補給飛船進行補給；「同7」
15. 成功返回地球！

以上，我就不按程序流程圖的方式繪製了。某一步的失敗自行後退到哪也是顯而易見的。

接下來就是重點，戰術上的事情了。

好了，最基本的東西算是解決了，接下來可以動工了，那麼，

啟動第一步？

抱歉，第一步就做不到，對於現在來說有相當大的難度。

例如：

目前人們最大的火星著陸器是好奇號火星車，約1t，而火星地面站的規模估計在20~30t。我們目前無法將這麼重的東西運過去；

並且，很多必要的技術並不成熟，比如氧氣循環等太空環境控制及生命維持系統

，比如3D列印，這對於太空中設備的維護起到很關鍵的作用。

因此，火星計劃還要有幾期準備工作要做，NASA自己歸納了3期：

2#1近地漫步

這裡的主要工作集中在國際空間站上，這也是目前唯一可以長期實行微重力太空環境的地方。在那裡初步試驗長時間太空旅行所必需準備的項目，以及大多數新設備的測試，如：

• 宇航員健康和行為監測
• 深空通信系統
• 材料阻燃性檢測
• 出艙活動
• 環境控制及生命維持系統
• 3D列印

2#2深空漫遊

這一時期的工作將逐步遠離地球，並減小對地球的依賴，範圍擴張到月球軌道、近地小行星。這一階段包括以下方面：

2#2#1獵戶座載人飛船Orion

既然是載人火星計劃，那麼載人和火星都是不可或缺的，因此載人飛船就很重要，在NASA資金居低不下的現狀下，設計多款不同類型的飛船是不切實際的，因此只好做成通用的，繞地球飛和繞火星飛也差不多的飛船，取其名曰「獵戶座」。

由於是包含深空載人任務在內，因此相對於大多數繞地球飛的近地載人飛船，有以下5點主要的差異：

1. 深空載人探測耗時長，需要更大的活動空間和更多的貨物裝載，因此獵戶座乘員艙體積大（5m 直徑），乘員多，搭載多，因此獵戶座宇航員在一個艙中就OK;
2. 大致5倍的推進劑;
3. 高速返回的更苛刻的返回艙隔熱、耐熱和減速;
4. 遠離地球磁場保護時接觸的更多宇宙射線、太陽風的輻射保護;
5. 更高的可靠性要求，由於任務難以取消、補給和支援。

而獵戶座飛船雖然很年輕，但其經歷十分坎坷。由於2010年太空梭正式退役，2004年共和黨總統布希提出「星座計劃」，計劃中NASA應當著手一型可替代的廣泛適用載人航天載具，提供從低軌道LEO到登月，探索火星和太陽系其他天體等多種功能，並預計2020年左右美國重返月球。稱之為CEV獵戶座飛船（the Orion Crew Exploration Vehicle）。

2005年CEV競標，四大航天巨頭悉數到齊，強強聯合，諾格Northrop Grumman（其航天項目密級過高，十分低調，如SBIRS及STSS等針對洲際導彈預警系統的衛星系統，而其最知名的代表作是現役和未來可預見的所有的美國航母了）和波音聯合，洛馬和空中客車（歐空局的大客戶了）聯合，最終後者勝出，洛馬和空客的方案借鑒了飛機的氣動布局和陸上著陸的方式，最長飛行時間210天，可搭載最多6人，但執行ISS任務時只搭載3人……包括乘員艙Crew Module（CM），服務艙Service Module (SM)，逃逸系統Launch Abort System，整流安裝罩Spacecraft Adapter，登月艙Lunar Surface Access Module (LSAM)，月地轉移艙Trans-Earth Injection Module (TEIM)……

然而……

獵戶座飛船2008年開始民主黨總統奧巴馬一直抨擊「星座計劃」：「超出預算，進度緩慢，缺乏創新」。2009年奧巴馬政府砍掉了登月及更遠載人航天的預算，2010年終止了「星座計劃」。但奧巴馬政府還是得支持包括重載火箭在內的其他看起來更具有政治價值的項目，而國際空間站ISS陷入依賴聯盟號以及美俄關係惡化，國內的各種批評使得載人航天項目再一次被提出來，從原先的CEV著手「改進」，搖身一變為MPCV獵戶座飛船（the Orion Multi-Purpose Crew Vehicle ）。

修改後的MPCV法案的要求是：

• 載員：2?4
• 最大載人任務期限：21.1天
• 速度變化的能力：1.595km/s
• 主發動機推力：33kN
• 總體積：19.5m^3
• 凈可居住量：9m^3
• 飛行距離：可以從大氣層到月球
• 著陸距離誤差：水上降落在離加州海岸10km以內

圖中可見實際的航天員使用區的大小和人的比例。

而獵戶座飛船的第一個階段性成果就是約2018年的EM-1，也是SLS-1，此次飛行的軌道為BEO Beyond Earth Orbit，即脫離地球達到第二宇宙速度，EM-1將進行約7天的無人繞月飛行，並驗證11km/s的高速再入返回大氣層，這也面臨著更高的溫度考驗和更大的減速壓力。目前最快的再入速度是由彗星和星際塵埃探測器Stardust創造的12.9km/s。

而EM-2將進行載人繞月飛行，持續10~14天。

為什麼這麼鍾情於繞著月球軌道呢，這與下面的計劃有關：

2#2#2近地小行星採樣返回計劃ARM

近地小行星採樣返回計劃Asteroid Redirect Mission 「ARM，很有槽點的縮略，不是么」約在2020年前後進行，由一個無人航天器造訪一顆較大的近地小行星，並帶回來幾噸重的表面物質，並返回到月球軌道附近。

近地小行星是什麼概念呢，小行星帶的天體實在是太多了，其中有不少離心率很高的，因此儘管小行星帶比火星離地球更遠，但有些小行星的近日點很小。比如，嫦娥二號造訪了一顆近地小行星「4179」Toutatis，當時距離地球相當於18個地月之間的距離，而「4179」Toutatis的近日點僅0.94AU，即其近日點僅相當於0.94倍的日地平均距離。至於為什麼選一個較大的小行星么，因為太小的話，一是不好觀測，二是，一不小心把小行星拽回來了怎麼辦！

目前遴選了大約千餘近地小行星，目前比較合適的有四顆，一是計劃的時間是2020年後，因此也需要考慮其回歸的時間和位置了；

二是小行星也不能太大，對地球有潛在威脅的不行，必須是即使撞向地球也會被大氣層燒毀的；不直接回歸地球也是有這方面的考量。

而幾噸重又是什麼概念呢，阿波羅共6艘載人飛船才帶回了約400kg的月球樣品……因此圖中可以毫不誇張的看到臃腫鼓起的大包裹：

其實是這樣的：

圖中左側是獵戶座載人飛船，中間帶有大型太陽能帆板的是瘦小的ARM飛船，右側的大包裹就是裝載數噸小行星的包。

接下來的事情交給獵戶座載人飛船了，載人飛船會去造訪這個航天器並將小行星的樣品帶回來。

這個計劃的用途顯然不僅僅是對月球軌道的一次造訪，這顆小行星探測器將採用40kW功率的電推進，因此電推進的測試以及電推進發動機的交會對接和分離都會得到測試；

同時，這顆小行星探測器對於載人飛船來說，可以用於測試對天體的定位和姿態調整，為以後抵近火星前的星體定位和姿態調整做準備。此次宇航員將在小行星航天器上進行採樣和返回，也是在模擬火星採樣和返回的一些應用。

ARM小行星探測器的基礎數據：

• 最大凈質量：3950kg
• 太陽能帆板功率：50kW@1AU
• SEP電推進霍爾發動機功率：10kW/台
• SEP單次最大輸出時間：3000s
• SEP發動機數量: 5台，備份1台
• 推進劑:最大12t氙
• 通信方式：

1m口徑高增益天線1台，X波段「上行7145~7235MHz，下行8400~8500MHz」；

低增益天線3台，S波段「上行2110~2120MHz，下行2290~2300MHz」；

• 採集方式：約15m的彈性充氣材料採集包
• 儀器：廣角/窄角相機、可見光/紅外光譜儀、激光測距儀

2#2#3初步的深空長期飛行的載人系統測試

軌道所在的區域更接近地火轉移軌道，也將經受更多的宇宙射線和太陽風的考驗，地面的補給也會很不及時，按現有的技術，載人補給或返回需要9~11天，貨運則需要10天以上。屬於一個過渡性質的測試。

2#2#4自動化測試，著重提到了交會對接和分離的自動化

被著重提到的原因是載人火星計劃目前將計劃使用電推進發動機，因此電推進發動機的自動化運行和電推進飛船之間的交會對接也需要實際測試和考量。

2#2#5最小資源需求和資源循環測試

這個的重要性不言而喻。事實上這個方面的計劃在冷戰中就有所實踐，比如著名的「生物圈一號」、「生物圈二號」，不過真正的實現和實踐，還得是在天上。

2#3地球管不著，不管了

第一視角的火星~

此時需要僅通過少量地面常規補給進行長期火星地面站維持，最重要的有三點：

• 維持乘員健康
• 維持地面站健康
• 減小宇宙射線的影響

爭取發現和採集火星資源，如水、氧氣、燃料、建築材料等，也就是希望在火星也有磚可搬~

這一時期的火星地面設施需要具備以下幾點：

• 可維護性：不同於地面設備，這裡的可維護性是盡量降低系統的複雜度，提高系統的可重複性和冗餘度，盡量做到能翻新而不是替代，盡量結合火星可採集的資源和自身擁有的資源來維持運作；
• 模塊化：靈活、簡單的搭建這些系統；
• 通用化：盡量使得一個設備具有多用途；
• 可擴展性：具有被再次開發和搭建更多功能的潛力；
• 經濟性：降低不必要的開支；

不過地球也不是完全管不著，地面會儘力去提供一些補給，不過這些補給不具有時效性，畢竟每26個月地球和火星才臨近一次。

3#上下而求索之術

以上便是NASA火星探測的龐大計劃。畢竟時間不等人，因此火星探測的進度是齊頭並進的。目前主要可以分為兩個方面：

其一是對火星的進一步了解。每26個月都會向火星發射探測器，尤其是近些年的火星車，使得我們對火星有了很多的了解。更詳細的火星地圖將會被撤回。接下來，NASA未來的火星探測器將去分析火星表面的塵土，去進一步分析火星的大氣，探尋一種合適的將火星大氣常見的二氧化碳轉換成氧氣的方法，以及發射能夠返回地球的探測器，並帶回火星的樣本。

3#1無人火星探測器

3#1#1 Insight 2016

作為一名天文學家，我的主要工作是地質學……

Insight更像是一台地質學探測器，不過工作地點在火星而已。為了研究火星的天體地理學，Insight搭載的幾乎都是地質學儀器，尤其是地震、地形測量等方面。

Insight最主要的兩台儀器是SEIS和HP3，

SEIS主要是探究火星現有的隕石坑發生率和地表構造運動，測量火星內部地震活動的幅度、頻率和分布。

而HP3則主要探究地層內部的熱流動，包括：

• 探測火星地核的大小、組成和狀態（固態？液態？）
• 探測火星地殼的厚度和結構
• 探測火星地幔的組成和結構
• 探測火星內部的溫度分布
  從而進一步了解類地行星的形成和發展。

此外，Insight攜帶有廣角相機ICC和掛在機械臂上的相機IDC，測量周圍環境的TWINS、以及測量火星旋轉的RISE。

Insight將於2016年3月發射，同年9月著陸，預計工作時間為2年。得益於火星軌道會有在軌飛行器，Insight自身並不和地面直接通信，只是通過UHF頻段的天線與繞飛的探測器通信。

3#1#2 ExtroMars 2016&2018

ExtroMars是歐空局ESA主導，俄羅斯宇航局Roscosmos通力合作，NASA醬油出場的一個火星探測計劃，預計2016年發射一顆攜帶著陸器的軌道器，2018年發射一輛火星車。

2016年3月發射的軌道器主要用於探測火星的大氣，因此被命名為Trace Gas Orbiter(TGO)著陸器將為火星車的著陸打下基礎，這顆軌道飛行器將為2018年發射的火星車提供信號中繼服務，設計壽命到2022年。

TGO的主要指標如下：

• 動力：鉍推進劑的電推進發動機，動力424N
• 能源：太陽能帆板+電池組
• 太陽能帆板功率：2kW
• 太陽能帆板自由度： <1°
• 電池組容積：5100Wh/180Ah
• 通信頻段：X波段對地「上行7145~7235MHz，下行8400~8500MHz」；
  UHF對火星地；
• 高增益天線口徑： 2200mm

TGO此行主要有三個目的：

1. 精細的探測火星大氣的分布、組成以及來龍去脈，這其中就包括探測火星上已經發現的甲烷，甲烷在地質學上是非常年輕的一種物質，因此火星上甲烷的發現說明近期（地質學上的近期）的火星能通過化學或生物的方式產生甲烷（比如牛打嗝）。
2. 測繪火星地表
3. 測量火星表面的氫
   為此TGO主要攜帶了以下儀器，全部集中於TGO的上層，如下圖：

1. NOMAD（左上黑色）,ESA的廣譜光譜儀，從紅外線覆蓋到紫外線，測量和分析火星大氣用；
2. ACS（右上）,俄羅斯的紅外光譜儀，由遠紅外、中紅外、近紅外三部分組成，測量大氣的成分；
3. CaSSIS（左下），5m解析度的寬幅彩色照相機，有人會問年年歲歲去測繪火星好玩嗎？其實不然，比較火星的地表在變化，由此可以看到火星地表的活動，如火山、隕石坑、地表侵蝕等現象；
4. FREND（右下），中子探測器，宇宙射線能將地表幾米以內的岩石和土壤轟擊出中子，其中絕大多數的中子仍然處於孓然一身，通過觀測中子的速度分布，可以表徵其歸屬的元素，用於測量火星表面的氫的分布，水裡含有氫元素的了，這是個很重要的因素。

這裡西歐和俄羅斯的研究機構各提供了兩台儀器，NASA純醬油出場，提供了TGO對著陸器的UHF通信……

著陸器被命名為Schiaparelli ，這個名字是為了紀念義大利天文學家Giovanni Schaparelli，關於他有個比較有意思的故事。

1877年，他觀測到火星地表上密集的線狀網路，因此用義大利語canali描述之，上圖即是其本人繪製的火星地表圖樣。而義大利語canali相當於英語的channels，卻被大家誤解成為canals,並廣為流傳。而canal的意思是運河，於是……火星上竟然有運河！一時間人們奔走相告這一大新聞……

甚至一段時間人們誤認為火星上有或者曾經有智慧生命，以至於可以開鑿運河了！

然而，這些人就只是跑的快，還是圖樣。直到20世紀初，更好的望遠鏡的觀測結果才逐步糾正了這一觀念。

Schiaparelli 搭載在TGO上，其直徑2400mm，重600kg，其降落的過程，相信熟悉返回式衛星或飛船的讀者會非常熟悉這個套路：

• 在距離火星120km時，將以5.8km/s的速度降落，期間的最高溫度約1500℃；
• 當減速到700m/s時將打開其12m直徑的降落傘，之後熱保護盾分離，之後降落傘也會與之分離；
• 當高度減到約2m時，速度估計為15km/h，相當於普通的自行車時速，此時3台400N的反推發動機工作；

Schiaparelli上一併攜帶有多普勒高度計和速度計協助著陸，此外，Schiaparelli還攜帶有DREAMS(Dust Characterisation, Risk Assessment, and Environment Analyser on the Martian Surface) 夢幻套件，包括測量風速和風向（MetWind），濕度（DREAMS-H），大氣壓（DREAMS-P）的，地表大氣溫度（MarsTem）時，大氣透明度（太陽輻照感測器，SIS），和大氣電學特性（MicroARES）。就是這樣：

土不土？右上方是一台安捷倫的線性電源……

而2018年，ExtroMars將發射火星車，這輛火星車將是首輛兼有移動功能和深鑽探功能（2m）的火星車。該火星車的著陸點將選在一處有機物較為豐富的地方，通過對地表的探測，可以發現火星目前有機物的現狀，以及生命的痕迹，而對地層的鑽探，可以探尋火星歷史地層里的有機物情況，以及是否歷史上有生命的痕迹的可能性。

接有市電插座和AC-DC電源的火星車原型車，未來ExtroMars火星車將採用太陽能和電池組儲能方式運作。ExtroMars的火星車的六個輪子均可獨立轉向和驅動。

接下來是儀器搭載：

• Pancam:全景相機，包括1台高解析度相機和2台廣角（37°*37°）相機

圖中所在地位於阿爾卑斯山區，這一具體的地點被認為類似火星地表，於是還把這玩意兒折騰上山了。

• ISEM：紅外光譜儀，成分分析必備
• CLUPI：超級靜距離高解析度照相機，距離目標10cm處解析度7μm，觀測範圍1.9cm*1.3cm，像素2652*1768，最長快門1024s(不然就溢出了么)。CLUPI有三種姿態，默認狀態下超前下方低頭看；如果有需要，機械臂將會帶其湊近目標；採集來的標本也會送到鏡頭前過目；
• WISDOM：探地雷達，頻率從500M~3G，可探測深度達3m的地下的組成情況，類似3U的CPCI盒體的小型化收發組件加兩個開放邊界四脊喇叭天線

• Adron：配合WISDOM使用
• Ma_MISS：多光譜照相機，位於鑽桿上，鏡頭在一塊玻璃處，能夠自行提供光源，用於分析鑽探提取的地下樣本

• MicrOmega:可見光與紅外線結合的光譜儀，用於分析鑽出來的樣品
• RLS:拉曼光譜儀，其特點是可以在行進中進行成分分析
• MOMA：有機物分析儀，包含氣相色譜 - 質譜法和激光解吸 - 質譜法，ExtroMars火星車上最大的儀器，可以檢測出極地濃度的有機物，並判斷其是否來自生物體。

嗯，真實的深入了解火星~

3#1#3 Science Rover 2020

目前所能明確的事項不多，可見未來的火星探測器的趨勢仍然不可知，不過我們知道的是這款火星車要比好奇號更為先進，目前有意向搭載的設備有：

1. Mastcam-Z組合CCD相機系統

• 2m處解析度0.15~0.5mm，100m處解析度2.7cm
• 28~100mm光學變焦
• 聚焦範圍1m至無窮
• 11片窄帶濾光鏡片，2片中灰鏡片
• 信噪比100
• 焦比f/8廣角，f/10窄角
• 視角23°×18°（廣角）至6°X5°（窄角）
• 像素間距7.4微米
• ADC 11位
• CPU Actel&Xillinx FPGA
• 重量4.5kg

2.SuperCam激光光譜儀，使用1064nm和532nm兩個頻譜來遠距離分析成分

3.PIXL X光化學反應檢測設備，用於快速(5s)，高靈敏度（10ppm）的檢測元素和化 學反應

4.SHERLOC拉曼光譜和深紫外線的成分檢測設備

5.MOXIE氧氣循環試驗裝置，這對於今後的載人火星地面站十分重要，與外太空不同，火星的大氣富含二氧化碳，現在的問題只是如何將二氧化碳可循環的轉換成氧氣。

MOXIE首先從火星大氣收集二氧化碳並壓縮，送入一個高溫的固體氧化物電解槽，這相當於反向使用燃料電池。

6.MEDA：火星環境動態監測設備，主要監測風速/方向，壓力，相對濕度，空氣溫度，地面溫度，紫外線輻射波段，可見光和紅外光譜範圍。

MEDA是個獨立運行的設備，每一個小時「起床」一次，測完就進入休眠狀態。

7.RIMFAX：類似的功能也出現在了ExtroMars火星車中，這也是個測地雷達，頻率範圍更低，在150M~1.2G之間，發射功率也更低，因此探測深度僅有14cm。

儘管載人航天的進度已經排到了快2030年，但火星探測器的計劃，受限於技術水平等多方面的因素，計劃排的並不遠，仍然離採樣返回、自循環這兩個關鍵性目標比較遙遠。且目前的火星探測器的質量仍然較小，最重的著陸器也僅有1t的水平，而採樣返回或火星地面站這一量級的探測器質量會大得多，目前預計的載人火星的地面站需要20~30t的水平。

3#2能源與動力

這是未來載人火星飛船的能源和動力選擇的比較，分別有三種能源：化學能、核能、太陽能產生的電能。由此衍生出了四種推進動力的組成方式，從左到右分別是化學推進、熱核堆推進、核電推進、化學能/電能複合推進。

目前NASA比較認同的方式是第四種，化學能/電能複合推進：

其所需的太陽能功率較小，為800kW；

飛船的總質量相對較輕，節省了很多的燃料，約為780t；

而目前專為載人航天研發的重型運載火箭SLS的單次LEO低地球軌道運載量有限，為105t,第四種的發射次數最少，為7次；

且SLS的長度最短，這點受限於發射所需的燃料，僅需15m；

缺點也是有的，如地火往返的時間最長，需要439/326天，且能在火星上停留的時間最短，僅300天；

另外就是需要1~2枚Altas V 火箭將補給預先送到拉格朗日點L2。

對於其他方案而言：

• 僅使用化學推進所需的燃料太多，以至於總重量多出了近500t！不過往返速度和火星滯留時間最短，另外燃料池是一個亟需解決的問題。
• 熱核電池的水平比較居中，這種技術的主體是放射性同位素熱電產生器，是一種比較成熟的技術，其利用的是放射性同位素衰變產生的熱能來發電，而不是通常原子彈和地面核電站採用的核裂變，以及氫彈和托卡馬克裝置採用的核聚變。
  熱核電池主要利用Seeback 效應，即第一熱電效應，指由於兩種不同導體或半導體的溫度差異而引起兩種物質間的電壓差的熱電現象。在選取合適的半衰期的同位素源之後能實現長時間供電的能力，而且因為衰變，熱核堆所能提供的能量越來越少。
  NASA所儲存的熱核電池燃料Pu-238大多還是冷戰時期所提煉的，其毒性和放射性使得之後的提煉量大幅減少，目前的儲量僅有數十kg，恐怕難以支撐載人火星所需的能量。不過由於火星任務時間遠比深空探測器短，因此可以選擇半衰期更短的放射性材料，這些技術儲備在冷戰那個年代還是有一些的。

• 核反應堆並不被排斥，不過主要是設想用於火星地面站而已，其能源提供則有必要使用小型核反應堆了。

而在目前所選的方案中，SEP太陽能供電的電推進發動機是一個重點技術：

電推進發動機Solar Electric Propulsion (SEP),是一種霍爾效應離子推進器，在推進器中，推進劑被電場加速，且被磁場電離，形成等離子體尾焰噴出。不同的離子所產生的顏色也很有差異：

SEP有別於目前常見的化學燃料推進器，其能源來源於電能，而電能來自於太陽能，因此可以源源不斷的提供能量，由於不需要推進劑提供能量，SEP對推進劑的依賴性要降低，所需攜帶的推進劑也少得多，大約只有同等量級的化學燃料發動機所需燃料重量的20%~50%。且電推進發動機具有更長的推進時間，十分適合火星探測這種時間過得真慢的航天任務。SEP的效率也比化學推進要高，畢竟，這是個熵不斷增加的宇宙，想從內能裡面榨取更多的機械能，呵呵。

不過電推進發動機目前普遍有個限制點，SEP也不例外，就是推力小，相對於化學燃料推進器而言，根本不在一個量級上，計劃發射ARM的Atlas V系列火箭，第一級採樣RD-180發動機，真空下的推力達到了4.15MN，第二級RL-10也有110kN，而目前NASA比較成熟並願意在ARM上使用的SEP的單發功率僅10kW,推力僅N級……而未來預計在火星探測上使用的SEP預估也只有300kW。

但是這並不妨礙SEP的使用，ARM中所設計的SEP為3000s的40kW SEP, 據估算，從地面往火星運載2t 的貨物，使用SEP推進的時間如下：

3#3重型運載火箭

讓我們來揭示下面這個傢伙的真實面目吧：

重型運載火箭在2010年時NASA、DoD以及工業巨頭們開過多次會，大家爭論不休。不過大家的觀點之爭總體表現在了：

• 使用氫還是煤油做燃料
• 火箭體積，直徑控制在8.4m還是10m
• 推力

評分的比重呢：

• 經濟性Affordability55%
• 研發所需時間Schedule佔25%
• 性能Performance10%
• Programmatic10%

10m粗的氫氧燃料火箭由於投入資金和時間過多而被pass……

於是進入下一輪PK的詳細方案只有3種，這三種的方案分別是：

LEO低地球軌道運載能力初期為70t,後期為150t，燃料上採用液氧/液氫作為氧化劑和還原劑，火箭直徑8.4m，並藉助固態火箭助推，這是最終方案的雛形；

LEO運載能力初期為100t,後期為172t，燃料上採用液氧/煤油（航天煤油不是一般的煤油了~）作為氧化劑和還原劑，採用大型燃料罐，因此火箭直徑達到了10m，不使用助推火箭；

LEO運載能力初期為70t,後期為130，燃料上也採用液氧/煤油（航天煤油不是一般的煤油了，煉一噸少一噸~）作為氧化劑和還原劑，但採用適中的燃料罐，此種方案很模稜兩可；

圖中的mT指代的是metric Tons，即公制單位的噸，英制單位實在是太反人類了。沒辦法，美國沒錢啊……（具體說是美國沒錢將現有的英制單位全部用公制單位替代）

可見關注的焦點主要集中在燃料和體積上。

於是大家七嘴八舌了一番，

支持第一種方案的人們，畢竟產物是水，姑且稱之為水軍好了。而支持第二、三種方案的人們，產物是二氧化碳和水，姑且稱之為碳水化合軍好了，簡稱碳水軍，事實上NASA也稱這種方案的發動機叫hydrocarbon engine。

水軍們認為，這一種方案脫胎於太空梭的運載火箭，有30年深厚的歷史，是一種成熟而又可靠的解決方案，並且有現成的設備可供測試，項目啟動快，見效快。

水軍們還提到，只有選擇這一方案，才能保持美國在大型液氧/液氫火箭和大型固態火箭的技術上保持世界領先地位，我們要保持頭號強國。這關係的兩黨和國家的未來國運啊，神馬洲際搗蛋…咳…導彈啊，神馬世界核平…額…和平啊……

碳水軍看不下去了，你們啊，都 too simple，把問題想得太簡單，太空梭運載火箭的遺留問題你們解決了沒？

使用成熟的技術，啊，就知道吃老本，你們想不想創新了？

搞航天hui機那群人，天天想著hui收hui收，把系統複雜化，又貴又難維護，系不系得？

碳水軍接著口若懸河道，我大型煤油火箭才是最可靠的長距離運載火箭，冗餘大，系統簡易，起點高，是目前可靠性最高的火箭，LOC/LOM（Lost of Crew/Lost of Mission)最低，安全性最好，你們航天灰機黨，不出事則已，一出事則驚人……

於是水軍反擊道，不要總想搞個大火箭，我們搞航天灰機的，作為一群長者，傳授一點人生的經驗，你們啊，做個火箭，又貴，又拖延進度，那麼大口徑的火箭，還得造一堆配套設施！

Congress看到這麼些錢還批的下來不？Congress看到這樣的進度還進一步撥錢不？國會的哪個congressman我們沒交談過，我們之間談笑風生！

碳水軍說我們可以不做那麼粗的棒子，做小型通用化的煤油火箭。

水軍怒斥到，你們畢竟還是 too young， 我告訴你們，這個方案很可能實現不了，這麼小的尺寸還想搞這麼大的運載，性能瓶頸嚴重！可靠性低下！系統複雜！明白這個意思嗎？！ 蘇聯的N-1火箭，啊，那麼多級那麼多發動機，最後怎麼樣了，不還是把發射場給炸沒了？你們呀，不要想喜歡，啊，非得弄那麼個煤油火箭，還捆綁一番，說這個最好了，就把我們批判一番！你們那， naive！

N1火箭亂入，由於火箭發動機推力不足，被迫使用大量的發動機，系統穩定性很差。

於是最終NASA採用了較小直徑的液氧/液氫的SLS設計方案。ATK拿走了大型固態助推火箭的合同、波音拿走了主體兩級火箭的合同、普惠（注意不是惠普~）拿走了兩級液態火箭發動機的合同。

ATK是什麼樣的公司呢，其前身是Honeywell霍尼韋爾的軍工事業部，兼并過諸如波音的一部分（Boeing Ordnance and SAT），2015年和Orbital公司合併成為 Orbital ATK，Orbital則是美國國防部DoD的一家心腹公司，其著名產品Minotaur系列火箭直接使用洲際導彈的下面級進行改裝，由於保密性需要，Minotaur火箭僅在美國空軍基地發射美國本土的航天器，可見一斑。

波音的航天事業部彪悍的不需要解釋，其代表產品包括阿波羅飛船、GPS衛星系統、國際空間站主體等等，不勝枚舉，當然，這裡最重要的：土星五號！

普惠Pratt & Whitney和通用電氣GE、羅爾斯羅伊斯（勞斯萊斯Rolls-Royce)和霍尼韋爾Honeywell是世界上頂級的四大發動機製造商，普惠的發動機代表作用於F-22、F-35等等

重型運載火箭SLS的LEO低地球軌道運載量，第一階段一期為70t，第一階段二期為105t，第二階段擴展到了130t，後兩者均計劃可用於載人火星運載。將目前世界上最大的重型運載火箭土星5號和未來最大的運載火箭SLS放在一起比較,可見一斑。

上圖最右四個分別是土星五號，圖紙上的Nova，以及SLS1和SLS2，以下是部分數據的比較：

當然如果SLS細分的話，還將會有如下多種方式：

最初的SLS是配套獵戶座載人飛船的，因此SLS Block 1主要是用於載人航天，而其改進型Block 1B和 Block 2則將兼顧載人和貨運，載人的火箭最上方仍然將是逃逸塔，因此載人火箭和貨運火箭的整流罩有明顯的區別。

SLS Block 1計劃2017年基本可以應用，SLS1將搭載EM-1獵戶座飛船進行繞月飛行。

說到這裡，就不得不提到SLS並不是專門為火星計劃所研製的，甚至國會的法案里就沒有提到SLS需要滿足火星的要求，其最初的需求是LEO大型運輸、國際空間站運輸，以及最重要的，運載獵戶座飛船。其評價標準也以經濟性作為很重要的考量。慶幸的是NASA在冷戰時期有豐富的積累，因此能夠使用很好的技術。並且NASA堅持把可擴展性放到與經濟性同等重要的地位，使得SLS具有更多的潛質和更廣闊的前景。然而擴展部分的經費仍然取決於今後的國會法案。

路漫漫其修遠兮，（NASA和國會）彼將上下而扯皮折騰SLS……

NASA還在文中對商業化運作大寫特寫了一番，當然現階段主要是國際空間站的貨運項目了。不過，離載人火星探測還有數十年甚至百年，誰知道那時候的商業航天業會是如何一番景象呢。

最後所需要提到的是，NASA給出的時間表在2040年前後，不過在此期間，載人火星項目受政治、資金和技術的影響會比較大，如觀海同志就曾取消獵戶座載人飛船計劃，在受到多方反對後又重啟了。

因此不必盲目樂觀，也不必杞人憂天，這是一場玩的很大的遊戲！祝大家玩的開心！

ExtroMars的圖片及數據來源於ESA，

所有其他航天相關圖片及數據均來源於http://nasa.gov

再次怒斥英制計量體系。

未經許可，文字不得轉載。

才疏學淺，掛一漏萬，以上。

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