火星之路（下）——從90天報告到SpaceX的火星殖民計劃

科技 02-23

前言

一直以來，很多人都以為馬斯克的登陸火星計劃是痴人說夢，事實上我們從載人火星登陸任務架構的一路演變來看，雖然SpaceX的技術挑戰相當艱巨，但就這個任務架構本身而言，其實是相當靠譜的！今天就請我們的作者Saturn V接續上期，從載人火星登陸計劃中最「臭名昭著」的《90天報告》講起，為我們揭示馬斯克登陸計劃的來龍去脈。

上期鏈接：火星之路（上）

插播一條好消息，NASA的旗艦級「真親兒子」項目「太空運輸系統」（SLS）首飛從2019年推遲到2020年。

書接上回，如果說用一張圖概括NASA的「90天研究」（亦稱《90天報告》），那非上圖莫屬。「90天研究」中的載人登陸火星方案，

本質上像極了披上高科技外衣後，根據實際可行性縮小的「火星計劃」（指上期文章中馮·布勞恩腦洞的火星登陸計劃）

。

方案的核心在於大量使用1989年尚在計劃中的太空基礎設施硬體和技術，包括自由空間站，軌道轉移飛船和空氣剎車載具。火星飛船將利用自由空間站作為建造平台，採用核動力推進以節省燃料，同時

採用氣墊氣動剎車的形式用行星大氣減速入軌

（該技術至今仍在研發中，不過進展並不順利，詳見往期文章：

都是SpaceX惹的禍？NASA大幅度削減火星著陸技術研發經費

，主頁君注

）

，省去進入火星環繞軌道和返回地球時進入地球環繞軌道的減速燃料。預計項目30年

總耗資為1989年的2580億美金，約合2018年5160億美金

，火星飛船預計在2018年帶4名宇航員前往火星，飛船進入繞火軌道後全員乘登陸艇降落火星。

由空間站擴建飛船建造平台

星飛船各組成部分

得益於更先進的引擎，「火星計劃」中260-400-260地球日的星際間旅行/火星居住時間配比換成了效率更高的200-600-200，總計約為1000地球日並根據地火距離變化略有起伏，

為期將近3年的完整任務時長是至今仍在使用的重要參考指標

。由於地火霍曼轉移軌道已是去往火星的最佳軌道，260地球日內地球無法對火星飛船進行任何實質性幫助和補給任務，也就是說宇航員星際間航行時只能依靠自己和攜帶的物資來應付任何可能的突髮狀況。

「90天研究」地火往返流程

按照「90天研究」的計算，建造完成火星飛船總計需發射1300噸質量進入近地軌道，其中840噸為兩次星際間航行所需的燃料和氧化劑。為儘可能減少發射次數，報告推薦研發近地軌道載荷約為140噸的超重型貨運運載火箭，建造人員和火星宇航員則由太空梭負責運送。有趣的是NASA現在正在研發的SLS Block 2火箭近地軌道載荷恰好為130噸，這

與「90天研究」中推薦的貨運發射能力不謀而合

。

星座計劃時期的載人火星登陸計劃，基於「戰神」系列運載火箭，任務規模之龐大，耗資之巨大，你看一遍就明白了

可惜的是不管是馮布勞恩的「火星計劃」還是老布希時期NASA的「90天研究」，

都大幅度低估了可重複利用太空梭的使用費用以及太空在軌建造的複雜程度

。美國太空梭高昂的翻新整修價格早已有目共睹，也普遍被認為是造成其退役的原因之一，期望太空梭能批量輸送太空建造人員顯然並不現實。同樣在美、歐、俄、日、加五個航天巨頭的共同努力下耗時13年建造完成的國際空間站總重約

420噸

，甚至不到「90天研究」中需要質量的

三分之一

，和1956版「火星計劃」的

1800噸

，1952版「火星計劃」的

3720噸

更是相去甚遠。

NASA現在計劃的深空門戶（亦稱深空之門）環月/探火空間站

這也是為何儘管現在依然能在NASA深空門戶環月空間站的規劃中看到「90天研究」的影子，但這個極度依賴SLS火箭的計劃，在前往火星的時間表上都已

大幅延後到2030年以後，且未有任何登陸火星地表的規劃

。正如「90天研究」中陳述的那樣，沒有地球應急補給和支持意味著宇航員要冒更大的風險，這顯然是在兩次太空梭事故後瘋狂提高宇航員安全要求的NASA所不能接受的。畢竟

哪怕宇航員做好了為太空探索獻身的覺悟，也沒有哪個美國總統做好了宣布宇航員殉職的覺悟

。「90天研究」的不可行性，從誕生伊始便已註定。

其實早在1989年「90天研究」公布之時，便引起了一位華盛頓大學航空航天碩士兼核工程博士的反感。在他看來此項計劃耗時，耗資源，而且不確定因素太多，更為關鍵的是此計劃基於大量當時尚不存在的「跳板」，

一旦任何一個「跳板」出現問題或延誤，都會導致載人登陸火星的最終目標無法達成

。在他看來去火星沒必要「跳」那麼多白添麻煩，

於是在1991年他和另三位「火星控」一起發布了一篇眼光獨到的載人登火研究，為已成定式的跳板登火帶來了新曙光。他便是羅伯特?祖布林

。

羅伯特?祖布林博士（Robert Zubrin），火星協會主席，激進的火星派

馬斯克在早期曾受到祖布林和其火星協會的影響

祖布林的提議可謂是火星之路上一個重要分支，由於採用「跳板」登陸火星可以理解成從地球「間接」到火星，祖布林便以通俗易懂的「火星直擊」來命名。在他看來，自己計劃的預計總發射質量僅160噸的計劃，比「90天研究」更易實現，更便宜且更利於殖民火星，

而讓所需質量大幅度降低的秘訣便是祖布林和他同僚們相當前衛的「單程票」理念

。「火星直擊」將從地表直接發射並只攜帶單程去火星和降落火星所需燃料，省去地球軌道或月球軌道的大型飛船組裝過程，同時在火星軌道上不留任何載人環繞飛行器，飛船整體直接降落火星。

返回時需要的燃料將就地取材，使用火星大氣和地下冰層產生化學反應來提供燃料

。

採用火星大氣（主要為二氧化碳）和水生成甲烷和氧的反應結構

通過融化火星開採的冰產生水，電解水產生氫氣和氧氣。氫氣和火星大氣中含量高達95%的二氧化碳產生薩巴捷反應（

亦稱薩巴蒂爾反應，Sabatier reaction，主頁君注

）製造出甲烷，氧氣可供宇航員呼吸以及液化成飛船引擎需要的液氧。

實際上該化學反應算是逆向了甲烷燃燒釋放二氧化碳和水蒸氣的過程

，甲烷液氧引擎在性能方面也要優於常溫燃料引擎，進一步減少所需燃料質量。以此「就地取材」的理念為核心，

「火星直擊」規划了僅由兩次超重型火箭發射便可完成的載人登陸火星計劃

。首次發射將在火星地表降落一個無人地球返回載具（ERV, Earth Return Vehicle，亦稱返地飛行器），降落後ERV攜帶的裝置將開始生產甲烷和氧氣。第二次發射由4名宇航員組成，經過18個月的地表勘探後通過ERV返回地球。

ERV降落火星

ERV部署核反應堆

祖布林博士將這套計劃在本書中詳細的進行了解析和介紹，主頁君「牆裂」建議買本實體書或者下載一本好好看看

具體而言，書中假設1996年12月，超重型戰神V火箭將無人的40噸ERV直接送往火星，無人飛船將進行火星基地選址的先期勘探，以及測試火星動力降落設計的可行性。飛船載荷包括自動化學處理單元和壓縮機組，為化學加工裝置和火星基地供電的100千瓦核反應堆，以及開採火星地下冰的小型遙控電動火星車，同時ERV還要攜帶6噸的液態氫用以催化薩巴捷反應。預計ERV在降落後將生產24噸甲烷和48噸氧氣，另通過直接還原火星大氣二氧化碳將產生額外36噸氧氣，

這樣預計生產燃料/氧化劑總量為108噸

，其中ERV返程需96噸，開採火星冰的火星車需要12噸。

載人降落飛船和戰神火箭第三級

1999年超重型戰神V火箭戰神將發射80噸的載人降落飛船進入地火霍曼轉移軌道，飛船內部有供四名宇航員使用一年的圓柱形居住模組，星際間航行時用鋼纜連接飛船和用完燃料的戰神火箭第三級，

旋轉產生人造重力

。居住模組直徑8.4米，高4.9米，由兩層組成，下層儲存貨物並放置火星車，上層是宇航員生活空間，凈質量為35噸。火星車由甲烷和氧氣驅動，滿燃料可行駛1000千米，擴大宇航員地表活動範圍同時，還可在出現意外情況載人飛船的降落地點遠離ERV時，充當快速趕往ERV的載具。

載人降落飛船（右）和ERV（左）

火星表面任務圖景

值得一提的是在載人飛船發射前幾個月，超重型戰神V火箭還要發射和三年前配置一樣的ERV-2，也就是說如果出於任何原因提前到達的ERV無法使用，那麼4名宇航員便可搭乘ERV-2返回地球。若一切順利則ERV-2將被用作第二組2001年發射的宇航員的回程載具，同理在第二組宇航員發射前數月發射ERV-3，以此類推接力。

這樣每一組宇航員在火星地表時總有至少兩艘ERV可供使用，確保安全的同時還可保證任務的持續性

。由於只需要準備「單程票」，意味著每兩年地火霍曼轉移軌道窗口開啟時都可發射，而每組宇航員預計完整駐紮18個月，也就是說任何時候火星地表都有至少4名宇航員。

火星「接力」

更為有趣的是，「火星直擊」中提出的飛船接力方式，還可用來建立永久月球基地，倒不如說這樣可以在進行火星探險之前，先在對軌道速度變化要求類似的月球上對所有系統進行全面測試。戰神V運載火箭可發射59噸的有效載荷進入環月軌道，包括月球降落器和先前提到的星際間航行所用圓柱形居住模塊。宇航員可乘坐ERV降落月球以測試ERV的動力降落系統，並以居住模塊為核心建立月球基地，唯一的區別在於這個月球用ERV由於沒有大氣阻力，只需單獨使用火星ERV的第二級便可返回地球。

火星直擊任務架構的演示視頻，雖然沒有字幕，但如果你仔細閱讀了上面的講解，你就應該會明白這個視頻，但如果你真的要知道這個任務架構相對於90天報告是如何的革命性，主頁君還是建議你看看祖布林博士的書

月球版ERV

2016年祖布林博士發布了基於SpaceX重型獵鷹火箭的新版「火星直擊」計劃，如今重型獵鷹已經首射成功，不知道祖布林博士心中是不是正在竊喜呢？

另一方面為提升單次地表發射的載荷，「火星直擊」推薦在戰神V火箭的第三級上使用核能動力，以進一步增加50％的火星載荷。和傳統火箭用氧化劑燃燒燃料釋放化學能推進不同，核熱火箭用核裂變產生的巨大熱量直接氣化燃料推進。由於燃料完全氣化乃至部分等離子化，

核熱火箭的理論比沖（即燃料利用率）可達900s

，是現階段比沖最高的RS-25引擎的兩倍

。同理如果火星載人飛船也使用核熱引擎，並以壓縮火星大氣獲得的液體二氧化碳為燃料，則可在火星上進行短距離跳躍飛行，進一步擴大宇航員的活動範圍。太空用核裂變反應堆，這看似科幻的東西並非祖布林的異想天開，事實上美蘇兩國在冷戰時都曾數次發射過核反應堆進入太空，但都因數次事故和一次嚴重災害導致後續研發終止。

因此哪怕現在都很難說服美國政府允許發射核反應堆進入太空，更不用說在載人航天上使用了

。

斯坦福大學構思的核熱火箭

但正如「90天研究」低估了在軌建造的費用和複雜程度一樣，「火星直擊」計劃也低估了一次性超重型運載火箭的研發和使用費用。一次性發射60餘噸的載荷到月球軌道，或者發射80噸的載荷進入地火霍曼轉移軌道都意味著戰神V超重型運載火箭的運載能力要超過土星5號火箭，這對於NASA來說是不可想像的。從1964至1973年僅土星5號火箭自身研發投入便達64億美金，摺合現在330億美金，

巔峰時期的1966年僅一年便投入12億美金，摺合現在約70億美金，而NASA現在全年全部經費190億

。且哪怕戰神V回收固體助推，每次發射第一級也要消耗6台RS-68引擎，縱使能不惜斥巨資研發，參考性能略微縮減的SLS預計每次發射10億美金的價格，要維持「火星直擊」中描繪的隔兩年連續發射兩次的頻率，任務耗資恐怕不會比「90天研究」低多少。

超重型戰神V火箭構造

儘管選擇了完全不同的火星之路，「火星直擊」卻也和「90天研究」一樣隨著戰神火箭的取消成了不可能完成的計劃。

但歷史似乎充滿了戲劇性，這兩條從1990年便分開的道路，在27年後卻似乎又走到了一起

。

伊隆?馬斯克在2017年國際宇航大會上展示完善的SpaceX「超大獵鷹火箭」（Big Falcon Rocket，簡稱BFR），和配套的登陸火星方案，都在一定程度上融合完善了「90天研究」和「火星直擊」二者的設計

。

有趣的是馮布勞恩在「火星計劃」裡面描述的火星原住民政府首腦的職位名稱也叫「伊隆」(Elon)

，不過這是因為馮布勞恩在1948年寫「火星計劃」時正好開始信仰福音主義基督教，Elon是希伯來語里的橡樹林，有著牢固不變的寓意。而南非出生的馬斯克，其名伊隆在非洲裔美國人的人名中有著「勇氣」的意思，歷史真是充滿了巧合，或許牢固不變的勇氣才是登陸火星的真正必需品。

BFR飛船直接降落火星地表，採用甲烷液氧引擎，在火星生產燃料等設計可謂直接複製自「火星直擊」。為避免「火星直擊」中一次性超重型火箭高昂的發射價格和對單次發射的過度依賴，BFR比2016版的「行星際運輸系統火箭」（ITS）要略小，這樣可回收近地軌道載荷（150噸）便略低於超重型戰神V火箭的188噸，以回收重複使用來降低發射價格。同時BFR的第二級飛船和「90天研究」中一樣在地球軌道停泊，通過可重複利用貨運載具的多次發射為載人飛船補給燃料，而後再從地球軌道出發，以此消除對地表單次發射的過度依賴。