阿愛里塔—蘇聯時期的載人火星探測計劃

登陸火星從來都不是美國人的專利，其實蘇聯人也曾對載人登火表現出巨大的興趣，其中既不乏在今天看來都天馬行空的技術設想，也不乏很多先進的關鍵航天技術（比如空間堆和核熱推進），更不乏一些腳踏實地的試驗成果（比如封閉環境再循環生存實驗）。可惜現實總是殘酷的，這些曾經氣勢恢宏的計劃最終都隨著N1和蘇聯的一起倒下而化成了泡影，但這並不影響我們今天來回顧一下這些曾經的「火星計劃」。

再氣勢恢宏的航天計劃最終都敵不過N1巨獸的四射四爆，沒有可靠的重型運載火箭，一切都只是泡影，N1的失敗不僅葬送了登月和登火，甚至也可能葬送了蘇聯

火星夢想

1924 年 9 月 25 日，十月革命後的第七年，莫斯科的影院上映了一部蘇聯梅茲拉龐電影製片廠拍攝的科幻電影《阿愛里塔：火星女王》。該片由雅可夫·A·普洛塔薩洛夫導演，根據大作家阿列克謝·尼古拉耶維奇·托爾斯泰 （1883—1945）的著名小說《阿愛里塔》（Aelita）改編。電影立刻掀起了觀映熱潮，觀眾蜂擁而至，爭睹這部情節新奇、構思大膽、場景壯麗的大片。這部影片講的是一位莫斯科工程師羅斯和同事建造了一艘飛船來到火星，與火星女王阿愛里塔墜入愛河。這時，同船去的紅軍士兵古謝夫鼓動火星工人反抗騎在他們頭上的統治階級，火星爆發了革命，羅斯與阿愛里塔不得不灑淚分別。

這部小說和電影產生了巨大影響，蘇聯後來設立的科幻書籍獎就以「阿愛里塔」命名。電影還打入了西方市場，同樣引起了轟動。在很多人的心目中，「阿愛里塔」成了火星和探索火星的代名詞。

這部小說和電影讓人人都議論起火星這顆紅色的星球。蘇聯星際探索的先驅之一弗里德里希·倉德爾（Friedrikh Tsander，1887-1933，行星際通信研究會的發起者之一、反作用推進研究小組領導人）在這時提出了著名的口號：向火星進軍！

當然，對當時的人類來說，這還只是一個振奮人心的遠大目標，脫離地球引力飛向遙遠行星的偉大工程要一步一步來。

《阿愛里塔》海報

初露端倪：TMK 方案

1959 年 2 月 16 日，科羅廖夫和蘇聯科學院院長凱爾迪什聯名致信最高當局，呼籲研製重型運載火箭，發射載人飛船，進行星際探索。

與此同時，科羅廖夫第一試驗設計局（OKB-1）第三部的馬科西莫夫開始領導一個小組研究用 N-1 發射的「重型載人行星際飛船」：TMK。首次飛行計劃在 1971 年 6 月 8 日開始，經過 3 年 1 個月 2 天后，航天員們於 1974 年 7 月 10 日回到地球。這艘龐大的飛船由新開發的 N-1 巨型運載火箭發射入軌，同時 N-1 也是蘇聯登月計劃使用的運載工具。實際上，後來蘇聯在登月競賽中敗給美國，原因之一就是 N-1 火箭的原始設計更適合發射 TMK 去火星，而不是發射登月飛船去月球。

設計師們設想了 TMK 的兩種發射方式，一種是直接用 N-1 發射載人的 TMK，另一種是用 N-1 發射不載人的 TMK，然後發射載有乘員組的聯盟飛船與之對接，再飛往火星。TMK 上有一個使用液氧/煤油的推進級，它將飛船從地球軌道推向火星。在它耗盡推進劑結束工作後，TMK 的重量也由開始的 75 噸降至 30 噸了。

經過 10 個半月的日夜兼程，飛船飛臨火星上空，航天員投下一個遙控著陸器，然後利用火星的引力加速，將自己拋入返航軌道，只需很小的中段軌道機動，就能飛回地球。

在加速期間，返回艙頂在駕駛艙頭上。快到火星時，乘員艙從防護罩下探出頭來，返回艙則被移到 TMK 的另一頭。天線和太陽能帆板展開，整個飛船開始圍繞重心旋轉，製造人工重力。乘員艙長 12 米，直徑 6 米，重 15 噸。

1961 年 10 月 12 日，在 OKB-1 幾乎所有部門的共同努力下，TMK 飛船的設計草圖終於完成了。飛船重 75 噸，長達 12 米，最大直徑 6 米，乘員組 3 人，自持力 1,095 晝夜，使用液氧/煤油發動機。

飛船從頭到尾是這樣布置的：

1、居住艙，內部容積 25 立方米。

2、工作/設備艙，包括太陽風暴掩蔽所，內部容積也是 25 立方米。

3、生物系統艙，SOZh 閉循環環境控制系統就裝在這裡，內部容積 75 立方米。

4、雜艙，火星探測器、軌道修正發動機、SOZh 系統的太陽光聚能器、太陽能電池陣和無線電天線都裝在這裡。

5、返回艙，直徑 4 米，外形就像一艘倒過來的聯盟飛船。

猜猜這些設備里誰的研製難度最大？

是 SOZh 閉循環環境控制系統。

在長達 3 年的航行中，航天員們始終生活在封閉的飛船內，必須有完善可靠的環境控制系統。SOZh 系統模仿地球生態系統，採用生物流程，輔以物理-化學方法。藍綠色藻類將人體排出的二氧化碳轉化成氧氣。乘員組排出的水份也會被回收，經過離子交換樹脂流進葉綠素罐。航天員的食品 20％到 50％要靠船上的無土培養溫室生產。讓上述設想成為現實是一個巨大的挑戰。比如，要有一個巨大的複雜的太陽光聚能器，以便為一個面積有限的區域提供高強度的陽光照射。

航天醫學問題是火星任務最有挑戰性的難題。

如何防禦輻射？怎樣循環和再生使用空氣與水？航天員長期在失重環境下能否生存？是否有必要製造人工重力？怎樣製造人工重力？怎樣保證乘員組在長期飛行中的心理健康？

有關人員進行了一系列研究、試驗，召開了很多會議。1963 年 7 月 22 日，凱爾迪什、科羅廖夫、沃洛寧和卡馬寧就參加了一次飛船生態環境問題研討會。與會者在會上提出了各種問題，也給出了各種解決的建議。例如，有一份報告指出，一千克綠藻一天可以生產 27 千克氧氣，一個人一天要消耗 27 千克氧氣，因此按每人配 2 千克綠藻就可以解決供氧問題。

注釋：謝爾蓋·帕夫洛維奇·科羅廖夫，從古拉格集中營走出的傳奇蘇聯航天設計師，創造了人類歷史上第一枚射程超過8000公里的洲際火箭（彈道導彈），第一顆人造地球衛星運載火箭、第一艘載人航天飛船！與V2火箭設計者馮布勞恩可謂一時瑜亮！

由於原研製單位工作不力導致進度延誤，生物醫學問題研究院（IMBP）和星辰設計局加入進來，與 OKB-1 共同研製 SOZh 系統。進度大大加快，一座名為 NEK（或稱 SU-100）的地球環地面境模擬訓練裝置建成。1967 年 3 月 5 日，烏里比謝夫等 3 位研究人員進入該封閉環境呆了整整一年，美國類似的試驗直到 1970 年 7 月才開始，而且只持續了 90 天。

關於輻射防護問題，根據衛星數據的分析結果，一般情況下，在整個火星任務期間，太陽風和宇宙射線的累計劑量仍在可接受的範圍內。但是在太陽活動高峰期，航天員們還是需要找個地方避一避。設計師們在設備艙設立了一個太陽風暴掩蔽所，裡面有一個「掩蔽坑道」，裡面專門設了一套簡化的飛船控制系統幫助航天員控制飛船。

另外一個特別的問題是長期失重對航天員的影響。設計師們對此一無所知。他們考慮是否能讓飛船旋轉產生重力來解決這個問題。但是由於飛船的直徑只有區區 6 米，科里奧利效應將十分明顯，它給航天員帶來的麻煩可能會比失重還大——他們會噁心、嘔吐得無法正常生活、工作。設計師們最後決定讓飛船隔一段時間轉一會兒，讓航天員們適應重力。

為儘可能減少乘員數量，自動設施將代替人工監測系統操作。各系統的狀態會集中顯示在主儀錶板上。電子和電氣系統安裝在一根輕質懸樑上，以方便航天員接近、檢修。

TMK 飛船參數：

乘員：3 人，設計壽命：1,095 天，長：12 米，最大直徑：6 米，翼展：12 米，重量：75 噸，主發動機推進劑：液氧/煤油，比沖 350 秒，電力供應：太陽能電池和太陽能動力。

TMK，飛向火星！

TMK 釋放火星登陸艙

小資料：N-1火箭

N-1 火箭是蘇聯用於和美國土星 5 號火箭競爭的巨型運載火箭，用於發射登月飛船、行星際探測器和地球軌道重型航天器。1969～1972 年發射 4 次均失敗，遂中止研製。

N-1 有很多型號，發射重量 1,012～3,000 噸，最大直徑 17 米，全長 105～125 米，起飛推力 4,500～5,250 噸，低軌道運載能力 82～125 噸。

發射台上的 N-1 運載火箭

「火星特快」：TMK-E 方案

設計局第九部的費奧季斯托夫認為 TMK 設計方案局限性太大，過於樂觀。單次發射飛船的方案不現實，無法抵達火星。他領導的設計小組在 1960 年拿出了自己的方案：核反應堆供電，電推進技術，6 人乘員組，各個艙段分別用 N-1 發射，在地球軌道組裝完成後飛向火星。

費奧季斯托夫研究了離子發動機方案，它可以減少 N-1 發射次數，或者增加火星飛船的重量。梅爾尼科夫領導的第十二部 1957 年就在科羅廖夫的要求下開始研製離子發動機了。這種推力為 7.5 千克力的發動機，推動火星飛船沿一條螺旋軌道以不大的加速度緩慢但後勁十足地提速，直到達到逃逸速度，奔向火星。

不過費奧季斯托夫遇到了一個難題，這樣的推進系統要有強大的電力供應，如果用當時的太陽能電池，其面積將達到 36,000 平方米，即使擱在如今，這也是能讓設計師和工程師嚇破膽的數字，何況是 1959 年。費奧季蒂斯托夫另闢蹊徑，採用核反應堆為離子發動機供電。由此，TMK-E 成為世界上第一種核反應堆供電-離子推進火星飛船。最初設計使用一台 7 兆瓦功率的反應堆驅動 7.5 千克力推力的離子發動機，發動機比沖高達 10,000 秒。

費奧季蒂斯托夫的飛船重 150 噸，長 175 米，最大直徑 19.6 米。它可以載著 3 人乘員組在太空飛行 2 到 3 年，完成各種任務，包括探索火星。它有一個雙層防輻射外殼保護乘員免受宇宙射線傷害，靠旋轉製造人工重力，生活區直徑 6 米。

飛船從頭到尾是這樣布置的：

1、一個拉長了的 TMK 居住艙，直徑仍為 6 米，但乘員增至 6 人，它的最前方是一個防護罩。

2、一條細一些的加壓通道，上面對接著 2 個帶乘員返回艙的火星登陸器和 1 個「聯盟」衍生型地球返回艙。

3、一根很長的格子桁架，整個飛船的質心位於其中一點，就在這裡布置了離子發動機組和 2 個推進劑罐。

4、4 個包含「火星特快」的其餘部分火星著陸器，也連在格子桁架上。

5、一面大直徑輻射防護罩，保護乘員免受核反應堆威脅。

6、格子桁架的最末端，也是整艘飛船最末端，就是在發射後被逐漸推離其他艙段的反應堆，它由兩根支杆固定在桁架上。

TMK-E 飛船剖面圖

火星著陸飛行器每個約 10 噸重，直徑 5.5 米，高 9 米，裡面裝著構成「火星特快」的機動平台。帶有圓錐型空氣整流頭罩和鈍狀尾底。整流頭罩在著陸後會分開，其中一塊將作為保護殼，成為機動平台一部分。

最讓人驚嘆的是它的著陸複合體的設計，足以與科幻作家最大膽的想像匹敵——著陸器由 5 節機動平台組成，在火星表面登陸後，將成為一列火星列車。第一節是駕駛艙兼地表鑽探車；第二節是火星大氣飛行器（垂直起飛，水平降落）發射平台；第三、四節是主力和備用返航艙火箭發射平台，載人著陸器每個載 3 人，有 4 條支撐腿，高 5.4 米，支撐腿跨徑 7 米；最後一節是電源車，上面是一座核反應堆。

這列「火星特快」在火星表面組裝完成後，探險乘員組會乘坐它在火星漫遊一年，從北極到南極，覆蓋整個火星，鑽探地表，分析大氣，搜集標本，向火星軌道上的母船發回數據，再轉發回地球。探險任務結束後，航天員們帶上標本和研究成果，登上返航艙，升空，與軌道上等待已久的母船會合、對接，然後踏上回家的路程。

TMK-E 飛船參數：

乘員：6 人，自持力：1,000 天，長：175 米，最大直徑：6 米，翼展：20 米，重量：150 噸，主發動機推力：74 牛，主發動機推進劑：氙，比沖 10,000 秒，電力供應：平均功率 7 兆瓦的核反應堆。

軌道上的 TMK-E 飛船

「火星特快」，出發！

火星表面運輸車模型

優化設計：KK 方案（載人火星探索空間複合體）

TMK 方案在繼續研究，包括軌道取捨研究和方案優化。1966 年 5 月，被稱為 KK（載人火星探索空間複合體）的方案出籠。

KK 飛船包含 6 部分：

1、EK：遠征飛行器，是飛行任務期間的指揮中心

2、OK：軌道複合體，包括居住艙、工作艙和生活支持系統

3、SA：著陸艙，用於乘員登陸火星，既可從環繞火星的軌道上，也可直接從飛向火星的軌道上

4、AV：上升艙，乘員靠它從火星表面返回遠征飛行器

5、RV：上升火箭級，將上升艙從火星帶回在環繞火星軌道或者飛向火星的軌道上的遠征飛行器

6、PS：行星站，火星表面的前進基地，保障後勤和科研

有幾種火星考察方案：

1、直接下降方案 ——整個複合體不進入火星軌道，直接從（飛向火星的）行星際軌道靠氣動制動減速在火星著陸，考察任務結束後又直接進入（飛回地球的）行星際軌道。這種方案贊同者最少。它需要的能量最大，而且著陸點很受限制。核-電推進也無法採用，因為它雖然比沖大，但推力太小。與它特點正好相反的化學推進倒正合適。

2、軌道-下降方案 ——首先，複合體進入環繞火星軌道。然後，需要的部分與 EK 脫離，在火星著陸。考察任務結束後，乘員與等待在軌道上的 EK 對接。最後，乘員乘返航艙進入（飛回地球的）行星際軌道。這種方案好處很多，因此贊同者最多。缺點是火星軌道上的會合、對接過程複雜、難度大；由於離子發動機推力小，加速和制動費時很長。

3、軌道方案——EK 只環繞火星飛行，不著陸。這是一種可供選擇的或者初期的任務。

4、直接下降變種方案——也是不進入環繞火星軌道，直接從行星際軌道著陸和返航。不同的是，不是複合體整體著陸、返回，而是各艙各自著陸，完成任務後，分別進入行星際軌道，對接，返航。這種方案耗費能量最少，但除此之外就乏善可陳了。著陸地點選擇限制很大不算，在行星際軌道會合、對接難度很大，而這又直接關係到乘員的生存。

當 KK 方案設計完成時，蘇聯登月目標已定，OKB-1 全力投入到 N1-L3 登月飛行器的研製中。蘇聯的火星計劃在與美國的登月競賽中，被擱置了。

KK 任務總結：

發射年份：1980 年

乘員：3 人

去程：300 天

火星逗留時間：30 天

歸程：300 天

總耗時：630 天

總重量：150 噸

推進劑：24 噸

推進劑係數：0.16

主發動機推力：61 牛

工作介質：氙

比沖：8,000 秒

電力系統平均功率：15,000 千瓦

發射次數：2 次

運載火箭：N-1

最後一搏：MEK（火星探險複合體）方案

轉眼已是 60 年代末。1966 年，科羅廖夫故去，第一試驗設計局也改名為中央機械製造試驗設計局，總設計師是科羅廖夫生前的副手瓦西里·米申。這時，美國人已經搶先登上了月球，蘇聯必須為龐大的航天工業尋找一個周期長、影響大的新目標。於是，大型空間站、永久月球基地和登陸火星等雄心勃勃的項目出現在繪圖板上。和以前的設想一樣，登火飛船依然用反應堆供能的電火箭推進，巨大的飛船各艙段分別發射、在軌組裝，不過運載火箭改用 N-1M 了。1969 年 5 月 28 日，米申批准研製 N-1 火箭的改進型號 N-1M。費奧季斯托夫受命充分利用 N-1M 火箭大大提高的運載能力，設計新的 OKB-1 的火星探測計劃。新方案稱作 MEK（火星探險複合體）方案，乘員 3～6 人，任務時間 630 天，其中火星軌道 30 天，火星表面 5～7 天，主動力依然是 15 兆瓦核－電發動機。

MEK 飛船全長 175 米，包含 6 部分，從頭至尾分別是：

1、火星登陸艙（MPK）直徑 11 米，高 8.5 米，大約 20 噸重。它的頭部有一塊大型減速板，進入火星大氣層後，它起減速作用。在落地前，著陸液體火箭緩衝發動機點火，進一步降低著陸速度。大型減速板後面是圓柱形的居住艙、氣閘/過渡艙、上升級及其球狀駕駛艙。

2、火星軌道飛行器（MOK）包括乘員組座艙和基本的系統。與早期的 TMK 方案不同的是，它直徑 4.1 米（TMK 直徑 6 米），長 23 米，大約 40 噸重。

飛船從頭至尾包括：

儀器工作段，包括返回艙（VA）和火星登陸艙（MPK）的對介面、工作段、實驗室段、生物技術段、居住段、乘員組起居室、動力組，包括定位發動機

3、返回艙（VA） 乘員組從火星返回後乘坐它回到地球。它是「聯盟」飛船返回艙的放大型，重 10 噸，直徑 4.35 米、高 3.15 米，有一個直徑 6 米透鏡形的防熱大底。設計人員精心設計了返回艙的外形，使返回時的過載只有 0.45G。

4、大型盤狀輻射防護罩 保護乘員組區域免受核反應堆輻射的傷害。

5、兩根細長的散熱器（另一方案是類似長筒望遠鏡結構的套筒狀圓柱體），發射後逐漸伸長將反應堆推至飛船尾部，遠離其他艙段。

6、發動機艙 包括推進劑貯箱（可裝 25 噸推進劑）、液鋰反應堆冷卻系統，2 座 YaE-2 型核反應堆（總輸出功率 15,000 千瓦），離子火箭發動機推力 6.2 千克力，比沖 8,000 秒。

MEK 飛船組件由 N-1M 火箭進行 2 次發射，一次發射火星登陸艙和火星軌道飛行器，另二次發射動力部分，在軌自動組裝，總重 150 噸。MEK 飛船會慢慢地加速直到達到地球逃迤速度。乘員組有足夠時間充分地檢查系統，遇到危險不得不棄船時，可以乘坐返回艙逃生。

MEK任務總結：

發射年份：1980 年

乘員：3 人

去程：300 天

火星逗留時間：30 天

歸程：300 天

總耗時：630 天

總重量：150 噸

推進劑：24 噸

推進劑係數：0.16

主發動機推力：61 牛

工作介質：氙

比沖：8,000 秒

電力系統平均功率：15,000 千瓦

發射次數：2 次

運載火箭：N-1M

多讓人神往的火星探險計劃啊。可惜，科學與探險要讓位於政治和軍備競賽，蘇聯航天導彈工業當時的重點是儘快增加洲際導彈的數量，同時推進聯盟號飛船、禮炮號和鑽石號空間站等更現實的計劃。登陸火星？請再等等吧。

1969 年 7 月 3 日，在科羅廖夫以前的辦公室里，一群蘇聯航天界的大人物坐在一起討論登陸火星計劃。討論焦點逐漸集中到問題不斷的 N-1 火箭上。在凱爾迪什的要求下，米申整理出一份設計局關於登火計劃的報告。據代表米申出席會議的鮑里斯·切爾托克回憶，與會者對該計劃沒什麼熱情。儘管米申保證登火計劃不會影響正在進行的 N-1 火箭研製工作，但官員們還是被登月計劃的麻煩深深困擾，看不到希望。果然，N-1 火箭四次發射全部失敗，沒有運載能力足夠強勁的巨型火箭，大型空間站、永久月球基地和登陸火星都化成了泡影。

MEK 飛船像一支巨大的注射器

小資料：N-1M 火箭

N-1M 火箭是蘇聯第一種使用液氧液氫燃料的運載火箭，1966 年開始研製，它可以發射 LEK 登月飛船（2 人登陸月球）、月面長期基地（DLB）、重型地球同步軌道航天器和行星際探測器。最初設計每級均使用液氧液氫低溫發動機，但是由於庫茲涅佐夫設計局的 200 噸級液氧液氫發動機無法趕上進度，所以第一級沿用 N-1 火箭第一級，第二級（V-III級）、第三級（S 級）採用 RD-57 液氧液氫發動機、第四級（R 級）採用 RD-56 液氧液氫發動機。1967 年 6 月 15 日，進行了蘇聯首次低溫發動機試車。1971 年中止研製，但是部分重要技術的研究沒有停止，如第四級（R 級）的研製一直在繼續，研究成果後用於能源火箭的低溫發動機。

N-1M 有很多型號，發射重量 4,950～5,350 噸，全長 135～165 米，起飛推力從 5,250～7,500 噸，低軌道運載能力從 150～230 噸。

可以從 N1（左）和 N-1M 火箭（右）模型上對比出很多不同

後話

時間走到 80 年代。

1986 年，能源火箭與航天公司（第一試驗設計局的新名字）開始修改 60 年代的火星探測計劃。應用蘇聯在長期載人空間計劃中獲得的經驗，修改系統設計，雙反應堆動力系統提供了更高的可靠性。

1987 年，蘇聯新一代巨型運載火箭「能源」首次試飛，將一個至今依然保密的軍用載荷「極地」號（大部分人相信這是一座戰鬥空間站）射入太空，雖然由於「極地」號上的發動機故障導致它未能入軌，但「能源」火箭本身的表現是完美的。它可以將 100 噸以上的物體送入低地球軌道，是進行載人星際飛行的絕好運載工具。

到 1989 年，能源公司的火星探測計劃進一步修訂為三級跳方案，循序漸進地積累經驗，建造設施。

第一步，在和平號空間站上組裝並發射小型無人火星探測器，它攜帶 1.3 噸科學探測儀器。

第二步，發射攜帶著陸器的無人火星探測器，著陸器上攜帶數個漫遊機器人。

最後一步，發射 350 噸重的載人火星飛船，它將用 2 年時間完成火星探險。這一次，核反應堆被更先進、更安全的薄膜太陽能電池取代了。

不過，隨著蘇聯的解體和俄羅斯國力的孱弱，以及俄羅斯航天體制的積弊和人才流失，這一切宏偉而激進的「火星計劃」似乎短期內只能是夢想，火星這個風姿綽約的神秘女子依舊在搖曳著他的紗裙，可惜蘇聯的後人已無能力揭開其神秘的面紗了。

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