美国的载人火星探测计划要从一个德国人那里说起,是的,就是沃纳·冯·布劳恩。1945年纳粹德国战败后,布劳恩带领他的火箭研制队伍向进抵德国的美军投降,随后被遣送到美国,帮美军组装、发射V-2导弹。1948年,布劳恩参与的美国陆军V-2导弹测试项目接近尾声,他逐渐无事可干,于是军方安排他到与世隔绝的比利斯堡基地生活。在这里,一向忙碌的布劳恩忽然清闲下来,他觉得该给自己找点事做,干脆接着写科幻小说吧,写一部人类到火星探险的科幻小说。这部小说1947年就开始写了,和其他科幻小说不同的是,它的技术细节描写非常扎实精确,甚至在小说附录里列上了详细的计算数据。这部小说当时没有出版——看过小说的人都感觉写得不怎么样。


时移世易。3年后,在一次纽约海登天文馆举行的座谈会上,布劳恩发表演讲,第一次公开了他这个设想。当时的著名杂志《科利尔》(Collier's)觉得这是个很好的题材,1952年,杂志请太空科幻美术名家切斯利·博尼斯泰尔(Chesley Bonestell)配插图,开专栏刊登连载文章,以通俗生动的方式把布劳恩的太空飞行设想介绍给大众第一篇1952年3月22日刊出,果然引起不小反响。连载一共持续了8期,其中有一期介绍了载人登月,刊登载人火星探测的是1953年4月30日出版的一期。这些连载文章随后结集出版,名曰《跨越太空边疆》。就连那部科幻小说附录里的精华也在他的祖国出了本书,叫《火星计划》(Das Marsprojekt)。整整10年后,1962年伊利诺伊大学出版社出版了此书英文版。此后布劳恩在美国媒体界里的名头越来越大,1956年,老布在迪斯尼系列电视节目《火星探索》中闪亮登场,这时他已经加入美国国籍,可以堂而皇之地向电视机前的4200万新同胞宣讲他的火星探险梦想。电视这一崭新媒体的巨大影响力让布劳恩的火星探测构想在宣传载人航天方面超过了当时其他任何作品,他也成了当时最有名的科普代言人。顺便插一句,此时的《科利尔》杂志越过越惨。由于承受不住电视业兴起导致广告收入锐减的经济压力,在1957年1月4日出完最后一期后,《科利尔》杂志宣布停刊。整整9个月后,世界第一颗人造地球卫星上天。这正是“卫星上天,杂志落地”。


铁血网提醒您:点击查看大图


布劳恩舰队飞临火星。这就是1953年4月30日那期《科利尔》杂志的封面,售价15美分[新华博客]


说了这么多,该谈布劳恩的构想究竟是怎样的了。


轨道


选好飞行轨道是火星探测的基本要求。老布选择了“霍曼轨道”,也叫“最小能量轨道”。霍曼是位德国工程师,他在1925年提出了航天器在2个共面同心天体间往返耗费能量最小的轨道方案,人们把它称作“霍曼轨道”。这条轨道是怎么回事呢,我们看图说话:


铁血网提醒您:点击查看大图


如图所示,探测飞船从地球发射追赶前方外侧轨道上的火星,当地球和火星分别位于太阳两侧,且这三个天体连成一线时,飞船准时到达火星轨道,正好飞过了半个椭圆。同样,飞船从火星返回地球时,也要选择合适时间段启动发动机,沿着“霍曼轨道”返回地球。飞船使用的这条轨道是所有在限定只用二次脉冲推力的情况下,飞往火星轨道中耗费能量最少的。少到什么程度呢,理论上飞船需要的速度增量只要2.94千米/秒。


可能有的看官有点糊涂了,这么点速度就能飞向火星了?这连第一宇宙速度都没达到啊。请注意,我上面说的是速度增量,换成相对速度的话,如果以地球为参照系,速度大约是11.6 千米/秒;如果以太阳为参照系,速度大约是32.76 千米/秒。抱歉,我又用到速度增量这个概念了,我再强调一次,速度、速度增量和加速度是完全不同的概念。


为什么这样飞行最省能量?简单地说,这是因为飞船发动机启动,离开地球停泊轨道时,加速方向是地球公转方向的切线方向,当它抵达火星轨道时,发动机再次启动,方向也正与火星公转轨道相切。这样,飞船发动机发出的能量全部用于飞船运动方向,不需做无用功,因此相比其他轨道方案最节省能量。


估计各位看烦了,好,下面具体介绍布劳恩的火星探测方案。


舰队


老布的火星飞船其实应该成为火星舰队,不妨称它“布劳恩舰队”。它由10艘飞船组成,7艘载人,3艘运货。很强大吧,后面还有更强大的,且听我慢慢道来。


先确定发射场。布劳恩很浪漫地把发射场定在太平洋上的约翰斯顿岛。该岛地处北纬16°44ˊ、西经169°17ˊ,陆地面积1.5平方千米,属波利尼西亚群岛,是美国无建制领土。这里景色旖旎,是纾缓身心、谈情说爱的好地方。嗯,如果你不介意这里是美军核武器试验区的话。


铁血网提醒您:点击查看大图


看上去很美的约翰斯顿岛[新华博客]


下面讲硬件。


载人飞船有7艘,每艘载10名船员,长41米,直径20米,重3720吨。你没看错,是每艘重3720吨。其中结构重量只有11.8吨,硝酸/肼推进剂重达3662.5吨。另外还有12吨氧,8吨食品,13吨饮用水,2吨通用水(用于其他方面,消毒后可以饮用)。船员还可以利用设备从飞船大气中制取通用水,循环利用。每位船员可以携带120千克个人行李。任务结束回到地球轨道后,飞船将只有50.5吨。主发动机推力200吨。


它的外形如下图所示。飞船主体是2个相互垂直布置的方形框架,一个框架固定了固定了十几个小储罐,另一个固定了4个大型推进剂储罐,框架底端装有一组发动机;另一端顶了个球,这是个直径20米的球形居住舱,船员们在这里生活、工作。


铁血网提醒您:点击查看大图


载人飞船外形,顶部是球形居住舱[新华博客]


铁血网提醒您:点击查看大图


球形居住舱剖视,船员们看来过得蛮快活[新华博客]


货运飞船外形如下图所示,可以看出它的总体结构和载人飞船非常接近,只是把顶端的居住舱换成了巨大的有翼火星着陆器。货运飞船重量和载人飞船一样,3720吨,由于火星着陆器的尺寸关系,货运飞船比载人飞船长一些,达到了64米。


铁血网提醒您:点击查看大图


货运飞船外形,顶部是有翼火星着陆器[新华博客]


估计列位看官对有翼火星着陆器很感兴趣,下面我详细介绍之。我们不妨叫它“火星班机”,该班机重200吨(其中推进剂重125吨),长22米,机体直径4.7米,翼展153米,翼面积2810米。凭着这对硕大的翅膀,“火星班机”可以在48分钟内飞行12655 千米,超过了火星周长的一半,所以它可以从赤道上空出发飞抵火星上任何一点。


“火星班机”这个大家伙可将14名船员和12吨物资送到火星表面。执行任务时,船员先乘坐穿梭艇抵达“火星班机”,然后它与货船分离,减速离轨,进入火星大气层,利用机翼的升力在火星大气中滑翔,就像在地球上一样。由于“火星班机”采用升力式再入方式,登陆队员们所受的过载很小,只有区区0.12G,所以肯定会很受欢迎。队员们可以一边舒舒服服地坐着“火星班机”等待降落,一边饱览火星大好河山。找到合适的地点后,班机用滑橇或者轮式起落架着陆。这时还没到休息的时候,登陆队员们要赶紧拆掉机翼,把机体垂直竖起来,此时,这个没了翅膀的机体就转换成了上升级,登陆队离开火星重返舰队就全靠它了。它要做好随时发射的准备,以备不测。


铁血网提醒您:点击查看大图


终于登陆了,队员们赶紧竖起上升级,随时准备打道回府[新华博客]


庞大的舰队要靠巨大的运载火箭托举。这种巨型火箭是一种可复用运载工具,它和火星飞船使用相同的硝酸/肼推进剂,因为它们可以贮存很久,这正是火星航程需要的——光是在地球上空组装舰队就需要2年,再加上往返和在火星驻留的3年时间,推进剂要能在飞船储罐内至少安全可靠地贮存5年。


这个庞然大物是一个巨型圆锥体,长着好几副翅膀,它由三级组成,发射货运飞船时长达118米,底部最大直径20米,总重7500多吨,第一级重6400吨,发射推力高达12800吨之巨!第二级小很多,重900吨,推力同样惊人,1600吨!第三级很复杂,分成三个部分,总重240吨,它火星飞船主发动机使用同一种型号,燃烧室室压15个大气压(压强和V-2使用的发动机一样),发动机真空比冲297秒,推重比69:1。


火箭每次发射能将一个25吨重的飞船部件外加14.5吨推进剂推入高1730千米、倾角23.5度的停泊轨道,飞船会在这里完成组装。第一、二级从运载火箭上脱离后用降落伞回收,分别溅落在离发射场304千米和1459千米的海上,然后用拖船拖回基地整修后再使用。第三级就厉害了,它长着一对大“翅膀”,飞到太空后先把推进剂输进火星飞船并释放后,就用那对大“翅膀”飞回约翰斯顿岛基地。要把10艘飞船都弄上天,需要造46枚这样的运载火箭,发射950次。


任务


●经过950次发射,火箭将全部飞船部件发射入轨,与此同时,飞船在轨组装也在紧张地进行,这一工作会持续2年。


●舰队在地球停泊轨道上组装完毕,运行到有利位置时,所有飞船上的200吨推力主发动机点火工作66分钟,使飞船加速,最终获得3.96千米/秒的速度增量,沿着地球公转轨道切线方向进入地-火转移轨道,向着远方飞去。其实理论上只要3.3千米/秒的速度增量就够了,但考虑到舰队启航初期质量很大、地球与火星的公转轨道平面有些许夹角、应付意外情况的能量储备等情况,增加了10%的计划储备和3.5%的低推重比损耗储备,这样就加到了3.96千米/秒。这需要耗费2814吨推进剂。船上有4个推进剂储罐,用增强塑料制作,总重才4吨。地-火转移轨道飞行周期大约是260天。在这期间,将有若干搜3.5吨重的小艇载着船员和物资在各船之间穿梭。


●舰队进入火星引力球范围后,经过变轨转为在火星赤道上空绕火星飞行,侦察火星表面,在赤道地区寻找合适的地点以建设火星考察基地,轨道高度1000千米。这需要消耗2.21千米/秒的速度增量,代价是又少了492吨推进剂。


铁血网提醒您:点击查看大图


舰队全貌,可以看到3艘带有巨大机翼的货船和7艘小很多的载人飞船。[新华博客]


●一架“火星班机”离轨,靠机翼在火星大气内滑翔,飞到火星极冠地区,靠滑橇在冰面着陆。这批探险队员买的是“单程票”——这架“火星班机”上没有上升级,无法返回火星轨道舰队,替代上升级的是重125吨的居住舱和火星漫游车。他们返回地球惟一的途径就是边考察边驶向赤道地区,找到合适的地点后,修出一座简易机场。等等,到火星上修机场干什么?嘿嘿,您往下看就知道了。预计这次行程将达到6500千米,他们要在80天内完成长途跋涉。这不禁让我想起了红军的二万五千里长征……好在这是比较保守的设想,如果能在赤道附近找到合适的着陆地点,他们就不用冒这么大险了。


铁血网提醒您:点击查看大图


火星“敢死队”驾驶“火星班机”在极冠地区靠滑橇在冰面着陆。[新华博客]


●等到极地队完成任务,另外两架“火星班机”就该登场了。它们迫切需要平坦的跑道,因为它们机腹下装的是轮式起落架。这么说来,极地队叫“敢死队”更合适些。万一他们在极冠地区找不到合适的着陆地点,或者万一在降落时有个闪失,再或者他们没有完成在赤道地区修建机场的任务,他们岂不是得永远留在火星上……说回这两架赤道队的“火星班机”,上面说了,它们的机身就是上升级,可以运载所有登陆队员返回正在火星轨道上飞行的舰队。选择赤道地区作降落点是因为在这里最温暖,而且每2小时26分就有1次发射上升级的机会。火星上到底什么样布劳恩心里也没底,所以要尽量把困难和问题想得多一些,有备才能无患嘛。此时,70名船员中已有50人在火星登陆,剩下20人留在轨道舰队,作为登陆队的后援,保持轨道舰队正常运转并继续探测火星表面。


●极地队和赤道队会合后建立大型基地,对火星进行400天的大规模考察。


●考察结束后,所有登陆队员带上在火星采集的物资、标本乘坐上升级回到轨道舰队的载人飞船上。


●各船启动主发动机,在消耗222吨推进剂,增加2.21千米/秒的速度增量,获得离开火星引力球的能量后,向地球家园返航。


●260天后,7艘飞船组成的舰队回到地球轨道,照例要消耗推进剂,获得3.64千米/秒的速度增量,不过这回是减速。然后舰队就能在离地面1730千米处绕地球飞行。飞船上没有返回舱,队员和在火星采集的物资、标本要靠太空渡船运到地面或者空间站。


就这样,历经963个日日夜夜后,宏大的火星探险旅程圆满结束。


困难


看过我那篇《火星女王阿爱里塔》的读者想必都记得,在星际飞行中,航天员会面临很多问题和危险。布劳恩在他的计划中将如何解决这些问题?


首先是辐射问题。虽然当时人类还没有进入太空,但是物理学家们1912年就对宇宙射线有了大概了解,并起了这么一个不够准确的名字。当时人们已经知道大剂量的宇宙射线会损害健康,布劳恩当然也知道,但他没有意识到危害会有多大。


布劳恩意识到太空中的失重环境(准确地说,应该是微重力环境)对船员们可能有害,于是他设想在飞船上制造人工重力,办法是把所有飞船连在一起,大家一块旋转,产生人造重力。或者单独设置小型“重力飞船”,它也靠旋转产生人造重力,船员每天坐上穿梭艇到“重力飞船”上待几小时,适应重力环境。


当时,还没有可靠的宇航导航技术,舰队如何准确飞往火星呢?布劳恩设想依靠天文导航解决问题,也就是通过观测已知的几个天体的位置反推出舰队所在位置。当然以当时的技术水平。误差是很大的,所以要不时做轨道调整。这会消耗很多推进剂,这下看出前文说的那10%能量储备的用处了吧。


评价


现在,我们做一回事后诸葛亮,分析一下布劳恩这个宏伟计划的问题所在。


首先,不知是装糊涂还是真糊涂,布劳恩对这项计划的庞大开支显得不以为意。他说,别看这个计划要消耗532万吨推进剂(!),但这不过是1948-49“柏林空运”运输量的十分之一,一共才价值5亿美元。问题在于,这些推进剂生产出来是为了什么,是为了把把3.72万吨载荷射入1730千米高的地球轨道!要知道,人类从1957年发射第一颗人造卫星到今天发射入轨的载荷质量总和也没有这么大。以现在的币值和技术能力,按每千克发射费用1万美元计算,最保守估计,光发射费用就达到了372000000000美元。看花眼了吧,是3720亿美元,而且这一切要在2年内完成。按照美国空天局(NASA)2009财年176亿美元的预算来计算,NASA其他项目都不要了,全体员工义务劳动也要21年才能完成布劳恩舰队的发射,这显然是不可能的。何况发射只是整个计划的一个环节而已。


其次,这个舰队由10艘飞船组成,这些飞船又由900多个大部件在轨道组装完成,这要多少航天员出舱多少次、耗费多少小时才能完成啊。人类从1965年实现第一次太空出舱活动到现在也就不过200多次,还不够布劳恩舰队组装三分之一呢。


铁血网提醒您:点击查看大图


在太空组建布劳恩舰队,这是典型的急难险重大工程。[新华博客]


再次,布劳恩对太空中的辐射认识太少。太空中不仅存在宇宙射线,还存在太阳爆发等更厉害的东东,他在防护辐射方面考虑得很不周全。比如他把舰队地球停泊轨道高度定在1730千米,飞船在这里组装完毕组成舰队后出发。他不知道的是,这里正处在日后发现的内范艾伦辐射带影响范围,让船员们在这里待上2年组装飞船,命运可想而知。


第三是人造重力问题。我在《火星女王阿爱里塔》里说了,小尺寸物体旋转产生的科里奥利效应十分明显,船员肯定受不了。可是没有重力的话,船员会遭遇骨钙质流失、肌肉萎缩等问题,恐怕千辛万苦到了火星准备考察却发现自己有心无力了。


第四,布劳恩对火星大气密度估计过于乐观。后来的探测表明,火星大密度只有布劳恩估计的十分之一,“火星班机”显然用不成了而且,极冠地区没有冰,至少表面没有也被证实,赤道队真降下去了就只有一个下场。


还有微流星防护、长期太空飞行的心理调节等等,布劳恩都没有考虑周全。


不过,即使有以上这些问题,也丝毫不妨碍布劳恩的泰斗地位,当时的人类还没有航天实践,不可能有现在这么多知识和工程积累。布劳恩提出的探火星方案到现在依然闪烁着天才的光芒。他提出的许多构想,如载人航天、探索火星、航天器在轨组装、运载工具重复使用、有翼航天器等后来陆续变成了现实,还有一些至今仍是梦想,要等今人乃至后人实现。