下一站，火星（上）

新聞 12-03

原標題：下一站，火星（上）

上圖的這件事情想必大家都知道了，備受關注的重型獵鷹火箭首飛載荷終於在昨日曝光，SpaceX公司創始人採納了之前網友的「腦洞」建議，決定將一輛櫻桃紅色的特斯拉Roadster電動汽車作為載荷發射升空，並進入地火轉移軌道。如果首飛順利，載荷照常入軌的話，這輛幸運的電動車將有幸在茫茫太空中飛行很久很久。。。

如果你是一位SpaceX愛好者，那麼一定不會對登陸火星感到陌生，哪怕你不是一位SpaceX愛好者，估計也或多或少在新聞中頻繁看到火星的字眼，這顆以古希臘神話戰神的名字命名的星球，幾乎成了伊隆馬斯克的代名詞。不過去火星，到底有多複雜多麻煩呢？又是什麼給了馬斯克「我要死在火星，只不過不是在降落時」的勇氣？SpaceX在不為人知的地方，又做了多少為最終登陸殖民火星的科技準備呢？下一站，火星，需要人類一個世紀的航天工程技術結晶。

火星年大約為687地球日或669火星日

怎樣去火星？直接坐飛船去不就行了？嘛，和地球上兩點之間往返不同，去火星要「略微」複雜一些。地球和火星廣義上講都是環繞太陽旋轉的星體，而由於橢圓形軌道的半徑不同，地球和火星的環繞軌道周期也不同，因此導致地球和火星之間的直線距離呈周期性變化，最近時為5460萬千米，最遠時可達4億千米。換句話說，在最近時光需要182秒才能抵達火星，最遠時光則需要1342秒，足足22.4分鐘才能抵達火星。這也是為何在世界地理雜誌拍攝的半紀錄片「火星時代」中，片頭曲的第一句台詞便是「182 seconds baby」，因為182秒是地球火星之前無線電通訊的最短單向延遲。在距離上火星便來了個下馬威，長達6分鐘的雙向通訊延遲意味著地球無法對火星的宇航員出現的突發問題提供任何直接幫助。顯然為降低風險，去往火星的飛船應該在儘可能近的情況下發射，而通過下圖可看出，2018-2020和2034-2036兩個時間段距離最短，這也是為何SpaceX曾計劃在2018年發射「紅龍」，NASA計劃在2035年完成載人登陸火星的原因之一。

不過在最短距離時發射就萬事大吉了嘛？以從地球發射的最快探測器「新視野號」為例，如果能保持58000千米每小時的速度，則在最短距離時也需要39天，而在這39天的時間內火星的位置也在變化，等到了火星軌道火星早已不在原來位置。更不用說「新視野號」的發射重量僅478千克，加速質量大幾個數量級的載人飛船到同樣速度，消耗燃料將難以想像。有沒有省燃料同時還能正好和火星相遇在火星軌道的方案呢？德國物理學家瓦爾特?霍曼在1925年出版的書Die Erreichbarkeit der Himmelsk?rper（德語「天體的可到達性」）中首次提出了一種兩個環繞軌道之間的轉移軌道，以最少燃料消耗的兩次飛船加速完成，後人因此將此軌道命名為霍曼轉移軌道。

以地球火星的霍曼轉移軌道為例，取地球火星橢圓形軌道的近似圓形軌道計算，則火星霍曼轉移軌道呈環繞太陽的橢圓形狀，近日點在地球軌道，遠日點在火星軌道，環繞周期大約為517地球日。從地球發射的飛船首先加速到霍曼轉移軌道速度，到達火星軌道後再加速到火星環繞速度，若要降落火星地表，則可省去第二次加速直接墜入火星。如下圖所示，霍曼轉移軌道成立的前提是地球在發射時位於3點鐘位置，火星到達時位於9點鐘位置，因此可根據火星的公轉速度，反向推算出發射時火星必須要在環繞軌道上領先地球大約44度。特殊的位置要求使得霍曼轉移軌道有周期大約為780地球日的發射窗口，若錯過機會，則需要再等至少兩年時間。NASA的「洞察號」火星降落器便是因為真空儲存器的泄漏錯過了2016年3月的霍曼轉移軌道發射窗口，不得不等到2018年5月再發射。

以下為動圖演示

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。對於太空飛行器來說，改變速度及意味著改變軌道，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。由於數學家用古希臘字母Δ指代變化，速度變化便是ΔV，讀作Delta-Velocity，常以dV簡寫。從下圖便可看出，從近地軌道LEO到火星霍曼轉移軌道需要2.5+0.7+0.6=3.8千米每秒的dV，這和從LEO直接送入地球同步軌道GEO所需的dV是一樣的（主頁君註：請注意是直送，不是通常的打GTO），且要小於送入月球軌道所需的2.5+1.6=4.1千米每秒的dV（主頁君說：驚不驚喜？意不意外？）。換句話說，一款火箭所能直接送入地球同步軌道的質量，也是其能通過霍曼轉移軌道送去火星的質量，甚至由於具體引擎點火時間間隔的差別，霍曼轉移軌道輸送質量還可略高。舉例而言，宇宙神-V541構型火箭直送地球同步軌道的極限載荷為3530千克，卻可把發射質量3893千克的「好奇號」火星車送入火星霍曼轉移軌道。

對於玩過坎巴拉的人我根本不需要解釋這張圖

同樣，如果一款火箭能將大質量物體直接送入地球同步軌道的同時，還可將大質量載人飛船送入月球軌道的話，那這款火箭便會非常適合向火星發射飛船。也就是說「這款適合向火星發射飛船的火箭」的最關鍵要求，在於注重地球同步軌道衛星的發射，以及有計劃發射載人飛船到月球軌道，為了頻繁發射再加上一條這款火箭要能部分回收吧。。。。。。

好吧裝不下去了，「這款火箭」就是讓廣大SpaceX關注者千等萬等的重型獵鷹火箭，SpaceX一直把重型獵鷹當作獵鷹9回收再飛後的頭等大事，正是因為重型獵鷹尤為重要的LEO之上的高軌道輸送能力。雖說不知道是真是假，但預計火星霍曼轉移載荷達16.8噸的重型獵鷹火箭，確實可以很輕鬆的把全重僅1305千克的特斯拉Roadster送往火星。當然筆者更傾向於把自己擁有的，市場售價高達12萬美金的紅色電動跑車送到火星，是馬斯克的一個玩笑，再怎麼說也要給特斯拉Roadster裝個火星降落裝置吧？不然Roadster可就真的是死在火星，只不過是在降落時了。。。。。。

我覺得這OK

我覺得這很OK

如果首飛一切順利，這張圖搞不好就成真了。。。（飛掠火星）

玩笑歸玩笑，不過說到這裡也就引出了登陸殖民火星的另一大難題——降落火星地表。霍曼轉移軌道只能保證飛船以最少燃料消耗到達環繞火星的軌道，但讓飛船降落在火星地表就是另一回事了。事實上在岩石星體表面上降落，火星有著最差的紀錄，成功率僅54%（主要是毛子的責任，火星著陸成功率近乎0%），遠不及金星的77%，月球的76%，甚至要低於距離更遠的土星衛星泰坦的100%。火星彷彿就像其名字來源的戰神阿瑞斯那樣，討厭人類和人造物體的拜訪。火星降落難度之大，要「歸功於」火星獨特的大氣構造。月球容易降落因為沒有大氣，所以空氣阻力完全可以忽略不計，降落器需要引擎動力降落但不需要任何氣動設計，隔熱罩和降落傘，因此可省下隔熱罩等的質量。地球，金星和泰坦容易降落，因為這些星體有足夠稠密的大氣來產生足夠的空氣阻力為降落器減速，降落器需要流線型設計，隔熱罩和降落傘，但不需要多餘質量安裝引擎動力降落。火星地表大氣壓為地球海平面大氣壓的0.6%，恰好位於稠密和不稠密大氣的中間。換句話說，火星大氣會產生足夠的熱量和阻力破壞沒有氣動設計和隔熱罩的降落器，但卻又產生不了足夠的阻力使降落器能用降落傘達到安全的終端速度降落。NASA和JPL為在火星降落設計出了許多創（腦）意（洞）十（大）足（開）的降落方式，比如用充氣氣囊緩衝的「尋路者」，「機遇號」和「勇氣號」火星車，以及用天空升降機末端逆向噴射火箭減速，然後低空懸停釋放的「好奇號」火星車，兩種降落方式同時還需要配合超音速降落傘。

「尋路者」的緩衝氣囊等比例模型

天空升降機機動

不過正如所有採用降落傘降落的載人飛船一樣，降落傘在打開的瞬間會產生極大的減速度G力，對宇航員很不友善，這也是為何不使用降落傘的太空梭被稱作最舒適的太空返回載具的原因。超音速降落傘在減速G力上更為可怕，「好奇號」的超音速降落傘打開瞬間會產生超過9G的減速度，這對於登陸火星的宇航員來說非常危險，因為長時間低重力宇宙飛行已經讓他們的骨骼疏鬆肌肉鬆弛，難以承受突然的劇烈加速度。NASA考慮過的解決方法之一便是在天空升降機的基礎上，研發全程逆向噴射減速的設計，這樣不但可緩慢地減速，還可更早地精確調整目標降落地點。具體而言降落器到達火星後與「好奇號」無異，在隔熱罩保護下由頂端火星大氣進行第一次減速，不過在到達終端速度後，逆向噴射火箭將替代超音速降落傘，在大約為地球海平面大氣壓0.1%的火星上層大氣中完成從8馬赫的高超音速到跨音速的第二次減速，最後以逆向噴射火箭的動力降落方式降落火星地表。

覺不覺得整個降落過程很眼熟？稀薄大氣中一邊進行制導一邊完成高超音速音速段的減速，最後逆向噴射動力降落，這不就是獵鷹9火箭第一級的回收降落方式嘛？獵鷹9第一級梅林引擎大約20秒的再入點火，會在大約50千米的高空將獵鷹9第一級減速到1800米/秒（海上降落）或800米/秒（陸地降落）左右的超音速，並由稠密的大氣完成剩餘的跨音速減速工作，最後在接近地表時梅林引擎再次降落點火，將整個獵鷹9的第一級從亞音速逐漸減速到0米/秒。地球高空的大氣環境和火星稀薄的大氣環境如此之像，以至於NASA都開始通過獵鷹9第一級再入點火時的紅外攝影，來研究超音速反推時的氣流狀況，以完善火星降落逆向噴射的模型。估計NASA在最初給SpaceX投資的時候根本不會想到，有朝一日SpaceX會以寶貴的實際超音速逆向噴射數據來回報自己，僅此一項便已為NASA省去諸多測試經費並提前迴避了可能的設計彎路。隨著獵鷹9第一級的回收逐漸完善並成為常態，SpaceX在甚至還沒有把飛船送到火星前，便已有了火星降落所需的基本設計數據和模型，而整個研發過程，尤其是研發超音速逆向噴射的設計經驗和設計團隊，更比任何數據模型還要有價值。