都是送人去火星，都準備重複使用，看看洛馬的方案跟MUSK的方案有什麼不同？
導讀
這幾天國際宇航大會上MUSK熱情洋溢的演講，感染並激勵了全球的航天人，載人深空探測（HEO）項目的奮鬥目標就是力爭本世紀上半年實現將人類登陸火星，延續人類的文明的夢想。SPACEX的老闆MUSK繼去年拋出ITS行星際系統方案後，這次改進並提出了可重複使用、地火兩頭在軌補加的BFR（Big Falcon Rocket）方案；老牌洛馬公司在幾年前提出的基於現有成熟技術基礎上的火星大本營方案上，也拋出了單級入軌、可重複使用、原位生產推進劑的MADV方案。眼瞅著載人登陸火星的美好願望，變成一個個可圈可點的具體方案了，小編忍耐不住激動的心情，跟大家一起來畫畫重點、找找不同吧！看看老牌洛馬公司的方案跟Space X的方案各有什麼亮點？本文作者：芷水，原載公眾號「星際航行」，轉載已獲授權。
（1）MUSK的BFR星際飛船方案
這張圖是馬斯克展示的火星基地方案，他認為隨著星際飛行成本的降低，未來人類前往火星的船票不會超過地球上一幢房子的價格，最終火星上會有100萬地球人，並建立起一座城市。按照他的設想，人類最早10年後就可以進行首飛。
為了實現載人登陸火星的夢想，馬斯克計劃打造BFR星際飛船，直徑大約9m，總長48m，推進劑總量1100t，飛船乾重85t，最大上升載荷150t，返回載荷重量50t。
這艘BFR飛船擁有 40 個可以裝載 2 -3 人的船艙，每次飛行大約可以運送 100 人，船上還包括公共活動區域、廚房以及太陽風暴輻射庇護所等。壓力艙的容積是825立方米，有8層樓高，大大超過了一架A380的內部容積。
其實這個飛船的密封艙設計還是蠻人性的，人均活動空間還算不小，否則漫漫火星之旅，還不把人給活活憋曲死了？分艙設計也是個不錯的想法，很適合一家3口的共同旅行和保護私密空間的需要。
首先要注意到，這艘說不上是飛船還是火箭的BFR，把目前龍飛船和FALCON火箭的功能都集成在一起了，有點像老美的太空梭人貨混運的設計，但是它的動力系統比較強大，採用液氧甲烷發動機，燃料箱240噸甲烷，液氧箱860噸液氧，採用共底貯箱方案。
老美的太空梭發射時由兩枚固體助推器和軌道器的3台液氫液氧主發動機提供動力，助推器工作結束後被拋離，液氫液氧耗盡後將外掛貯箱拋棄，軌道器入軌運行。太空梭的外形很像一架三角翼飛機，前段分為頭錐和乘員艙兩部分，中段主要是有效載荷艙，後段主要動力和控制部分。
看看MUSK的BFR，依然是延續這種風格，頭部是人貨混運的載荷艙，中部是推進貯箱部分，尾部是發動機和尾翼部分。不同的是老美的太空梭是部分重複使用的，也就是說軌道器可以重複使用，但是固體助推和外掛貯箱都是要丟掉的。而BFR的精華是全部重複使用，踐行降低成本的宗旨設計。
這是從尾部看BFR的設計，4+2的發動機布局，4台2.4m噴管直徑，單台推力1900kN，液氧甲烷的真空比沖375s，這4台主要用於離開地球的主引擎動力；2台噴管直徑1.3m的發動機，單台推力1700kN，海平面比沖330s，真空比沖356s。為什麼要用2台呢？猜想是用於火星進入或者著陸起飛時用的主動力，還一定得是變推力的發動機，170噸的量級也許一台就夠了，另一台或許是備份？還沒有看到它變推力的能力是多少？5：1還是10：1？
上面我們聊的是BFR的設計思路和亮點，那麼從地球到火星，BFR的火星之旅究竟是怎麼工作的呢？關於這部分，MUSK講的是在軌加註的設想。在軌加註的概念已經不新鮮了，比如我國的天舟一號給天宮二號進行推進劑的補加，就是在軌加註。但是MUSK說的是給用兩艘BFR，一艘給另一艘補加低溫推進劑液氧甲烷。具體來說，就是先發射一個ITS，我們可以簡單理解為ITS=一級助推器+BFR，一級助推器返回，二級BFR入軌等待；然後再發射一個BFR，一級助推器返回，然後把二級的液氧甲烷推進劑補加到先入軌的BFR中，等待加滿了推進劑，先入軌的BFR就可以飛去火星了。那麼這兩個BFR的一級呢，都可以返回地面，加註推進劑後重複使用，就類似MUSK的獵鷹9火箭一樣，記著他們已經回收了16次了，所以現在MUSK說起話來信心滿滿，回收個一級助推器應該不是問題了。
那麼這張圖基本就說清楚了BFR的火星之旅的過程了。二級的BFR可以飛往火星了，在火星進入、下降與著陸後，利用火星原位資源進行推進劑生產和加註，這個就是上圖中的ISRU（原位資源利用技術），當然主要生產的還是液氧和甲烷，別忘了火星大氣里可是含有甲烷氣體的呦！這就是為什麼發動機要選擇液氧甲烷發動機的重要原因。等待推進劑補加完了，OK，可以返回地球了，這裡面BFR的三角翼就充分發揮作用了，在火星進入和地球再入時都可以利用氣動進行輔助變軌。但是火星大氣的密度只是地球的1%，別忘了這個重要的參數哦！按照MUSK的思路，ITS的一級助推和BFR都從而實現了完全重複使用，一點兒也不浪費。
怎麼樣？MUSK方案的重點是重複使用+地火兩頭在軌加註+原位資源利用（ISRU），給大家畫清楚重點了嗎？
方案講完了，那麼MUSK接下來怎麼玩呢？首先是2022年先開始無人火星任務試飛，先用兩枚BFR去火星，確認下火星的水資源，尋找適合ISRU的理想地址，放置好能源、採礦和生命保障設備等等。找到水資源，就能生產出液氧，從火星大氣里收集到甲烷，就可以創造出一個推進劑生產加註工廠，為將來的地火之間的載人飛行創造條件。
那麼未來是什麼樣的呢？就是上圖這個樣子了，通過不斷地建設，再建設，火星基地終將繁榮昌盛。那麼什麼時間把人送上火星呢，MUSK說了是2024年，他的目標是發射兩艘載人飛船，兩艘貨運飛船。你一定不相信自己的眼睛了吧？不管你信不信，反正MUSK說了，他已經等不及了。
那麼MUSK現在最大的困難是什麼呢？缺錢！缺錢！缺錢！重要的問題說三遍！
所以，MUSK表態，現在的計劃是儘可能多用獵鷹9火箭和龍飛船提供服務，儘可能積累資金，然後把所有的資金再投入到BFR的研發製造上。
為了積累資金，也可以建造月球基地，也可以用於地球不同區域之間的往返運輸，總之，只要您能出錢肯出錢，去什麼地方都是可以商量的！
當然MUSK的終極目標，還是去火星嘍！這是多麼美好的願望！
（2）洛馬公司的MADV方案
作為HEO領域的資深吃瓜群眾，小編一貫秉承看熱鬧不嫌累的優良作風，作為十一長假休息的閱讀閑篇，再接著聊聊老牌航天企業洛馬的載人登火星方案。先放幾個養眼大圖：
這就是早些年洛馬公司提出的「火星大本營」方案的整體概貌，這套方案的重點是利用現有的成熟技術，也就是利用洛馬旗下的SLS火箭和獵戶座Orion飛船，分批發射各個組件，近地軌道組裝出一個飛往火星的大本營，也可以叫做火星軌道空間站，可將6名航天員送到火星軌道進行長期值守。在這個火星大本營方案中，獵戶座飛船是整個系統的大腦，可以用作通信和導航，大本營里還有一艘可以用於應急救生返回的飛船。這個大本營里還有火星實驗室、居住艙、液氫液氧貯箱、貨運推進飛行器等等，航天員可以在大本營里可以遙操作火星表面上的機器人和實驗設備。
那麼預想的計劃是什麼呢？2018年開始EM-1進行地月空間發射，驗證獵戶座飛船的性能，然後2021年開始建造地月空間站，作為深空之門向著火星進發，驗證大本營的相關技術，到2026年可以探測火衛一、火衛二等火星的衛星，到2028年可以實現人類登陸火星。當然現在大家都知道了，由於SLS和獵戶座飛船建造遇到的困難，他們的計劃也一推再推，EM-1任務能到2019年執行就不錯了。
好了，作為跟SpaceX同台參加國際宇航大會的洛馬公司，這次又披露了那些關於火星大本營方案的細節呢？請看下面幾張圖。
從這次洛馬公司披露的幾張火星大本營方案的圖片細節來看，這個火星大本營的方案是越來越細了，但是吃瓜群眾們好像並不買賬啊，群眾們對MUSK的關注程度遠遠高於洛馬的方案，人家都越做越細緻了，怎麼還不滿意呢？因為吃瓜群眾們想看的不是專業性和細緻性，而是新鮮感！那麼資深的老牌航天企業洛馬就整不出新東西了嗎？別急，看看這次披露的火星著陸器MADV方案！
是它，就是它！！這個就是洛馬公司拋出的火星登陸器MADV方案，其實早在幾年前的洛馬載人登陸火星方案的視頻演示中，就有這個MADV的身影，只是那個時候還沒有披露的這麼細緻。
洛馬公司透露：MADV是一個可重複使用的火星登陸器，而且用的是「水動力」（water-powered）引擎。當然水動力只是一個概念，事實上登陸器將在火星空間站上加註液氫燃料，而這些液氫來自於空間站的燃料製造「工廠」，它用太陽能將水分解為氫和氧，因此被稱為水動力登陸器。這些水最初可能得從地球運去，未來可以到小行星或月球陰影區域獲取，或者直接在火星上製取，以降低火星任務的成本。馬丁公司發言人說，整個宇宙飛船系統的動力都將來自於水，所以可以稱之為「水經濟」。
MADV將允許4名宇航員在火星地表執行2周考察任務，目前正在設計開發之中。為確保宇航員不會被困在火星地面上，每次任務將派出兩艘飛船登陸。洛克希德·馬丁公司將和NASA合作，在本世紀30年前代將第一批宇航員送上火星。
從MADV方案的外形圖上，可以看出單級入軌、重複使用、升力體外形的特點，每次任務使用2枚，確保載人任務的安全，這是老牌干載人業務公司的特點，就是無時無刻不想著確保人員的安全。可圈可點的是MADV的推進劑是液氫液氧，它的生產和加註並不依靠火星上製備，而是靠大本營上自帶的水來利用太陽能電解產生的液氫和液氧，來製備下降和起飛的推進劑。
洛馬公司的大本營方案簡單可以概括為：在大本營到達火星軌道運行之後，使用可重複使用的著陸器，可以支持約兩個星期的任務和四個宇航員。火星基地營不會放置在火星的表面，它將是一個軌道棲息地。著陸器返回到火星基地補充燃料並用於另一個任務。
因此洛馬公司的方案重點是：分批發射+在軌組裝+火星軌道空間站+在軌原位製造推進劑+在軌加註+重複使用+單級入軌。
（3）討論幾個重要問題
欣賞完了美國兩個公司的載人登陸火星方案後，讓我們一起來討論幾個重要問題吧！
A 把人送去火星一定要用載人飛船嗎？這個問題是要造反嗎？
在目前航天界的思維中，似乎有一種定式，就是把人類送到太空，只有火箭+飛船，或者太空梭這種模式，所以一說到將人送入外太空，比如空間站，就是火箭+飛船的模式最安全，因為太空梭已經因為各種問題淘汰掉了。而飛船的變化呢？不過是三艙變兩艙，鈍頭體變升力體的變化而已。那麼這次MUSK的拋出的方案BFR中，就引起了一個可以深思的問題，到底什麼是飛船？什麼是火箭？
把飛船的推進艙加長加長再加長，是不是就變成了BFR？同樣，把火箭的頭部改成個一半是密封艙，一半是貨艙的形式，是不是就變成了BFR？？運載火箭和載人飛船的功能是不是可以融合互通呢？我想MUSK的設計給了一個很好的答案。那麼把人送到火星一定要用兩艙結構的飛船嗎？我想你已經有了答案，不信再仔細看看SpaceX和洛馬的方案！！
討論中還有這種方案：一旦BFR再入返回地球的時候，這個適合火星的三角翼如果不滿足再入地球的需要時，還可以釋放出前部的再入艙，然後可以用最傳統的最成熟的方式將人類救回地球嘛！剩下的BFR能回就回，實在回不來也就只能......畢竟MUSK早早就說了，我們只能最大限度的降低風險，但是我們不能保證零風險。
B 為什麼火星往返要用到高比沖的低溫推進劑？
縱所周知，往返火星的速度增量大小決定了所需推進劑量的多少。無論是MUSK的方案，還是洛馬的方案，都採用了低溫推進劑方案，一家用液氧甲烷，一家用液氫液氧，為什麼不用常規推進劑呢？很顯然常規推進劑的比沖在280-310s之間，液氧甲烷可以達到380s，液氫液氧可以到440s。可以這麼理解同樣質量的推進劑條件下，比沖越高可以運送的質量越大，所以兩家公司的方案都用了低溫推進劑。但是低溫推進劑的難點就是長期在軌存儲的問題，去火星？來回500多天？有太陽照射、有飛行器內部發熱，試一試就算每天蒸發掉0.1%，將會蒸發掉多少推進劑？別忘了液氧的貯存溫度是-183度，液氫是-253度。絕對零點是多少？-270度啊！！想想看，如果實現不了零蒸發控制技術，我們又該怎麼辦？
C 在軌補加的推進劑到底該從哪裡獲取呢？
如果還是採用化學推進技術的話，那麼從地球出發去火箭的出發質量要到1000噸左右，如果都靠火箭一個個發射到近地軌道組裝然後再去的的話，規模龐大，發射次數任務多，一旦出現故障，前面發射入軌的飛行器就需要在軌等待，出故障的概率就大大增加了。一個好的想法就是在軌進行補加。那麼從地球到火星，能補的推進劑可以從哪兒來呢？無外乎就是地球、月球、小行星或者火星及其衛星。如果從地球進行補加，你看到的就是MUSK的方案，一艘BFR為另一艘BFR進行補加；如果從火星表面進行補加，那麼就是BFR在火星表面補加液氧甲烷的方案；通過地火兩頭進行補加，所以MUSK可以把去火星的規模控制的比較小，這就是ITS方案跟洛馬方案給我們感覺上總質量相差很大的原因。洛馬的方案就不需要推進劑補加了嗎？不是，為了MADV的重複使用，它是在火星大本營，也就是地火空間站上進行補加液氫液氧，液氫液氧是怎麼來的呢？可以是從地球上帶來的，也可以是從月球南極或者小行星上採集來的，通過火星大本營強大的電力系統電解後，補加到MADV的。所以說，無論從哪裡弄到推進劑，原位資源利用產生推進劑+在軌補加技術，都是很好的降低系統規模的辦法。
D 原位資源利用技術到底靠不靠譜？？
關於這個問題，小編還真是認真思考過，計劃年底出一本翻譯書《面向載人月球及火星探測的原位資源利用技術》的翻譯書。首先人類對外太空資源的開發和利用，到目前為止，除了利用太陽能利用的比較成功外，還沒有利用什麼更好的資源。那麼面對HEO項目，無論是去月球，還是火星，都必須要使用到ISRU技術。MUSK的方案之所以用到液氧甲烷發動機，看中的就是火星大氣里有甲烷，火星南北極有固態二氧化碳可以提取氧。洛馬公司的方案沒有那麼激進，實在不行就從地球上往大本營運水。如果ISRU技術驗證可行的話，也可以把月球或者小行星的水通過大本營電解後，補加給MADV。
這兩個方案中都沒有提到的是，人在火星長期生活所需的水、空氣、食物從哪裡來？毫無疑問，只能依靠ISRU，因為從地球帶是帶不起的。所以無論目前來看，ISRU技術靠不靠譜，未來的移民其它星球計劃，都離不開ISRU。這個技術是使人類成為多星球物種的必備技術。
E 火星的進再入和返回地球的氣動外形如何可以通用？
這個問題主要是MUSK的方案存在的問題，火星的大氣密度只有地球大氣密度的1%，95.32%是二氧化碳，2.7%是氮，1.6%是氬，還有0.13%的氧合成。由於火星的氣溫較低，由於引力比較小，大氣層厚度也比較薄。火星大氣總質量為25兆噸，而地球是5148兆噸；火星的大氣層200公里以上，大氣漸漸過度到太空，無明顯外層邊界。而地球大氣層厚度大約在1000公里以上，過渡到外太空，也無明顯外層邊界。
好了，掌握了這個常識之後，我們知道飛行器外形設計主要考慮到再入高度、再入傾角，根據氣動外形設計和制導控制率設計，我們通常會給出一條再入走廊，飛行器的再入如果在這個範圍內，那麼與大氣摩擦產生的總加熱量都是在飛船熱防護材料可以承受的範圍內的。
所以我們的理解是，MUSK的BFR外形設計如果能夠滿足地球再入的要求，那麼用於火星再入應該是可承受的。而洛馬的設計則是為了火星的單級入軌，可重複使用的要求，而採用的有翼外形設計，MADV的方案應該是不考慮回地球的了。
現在討論最後一個問題：
F 理想和現實之間相差多遠？
無論是洛馬公司的基於現有成熟技術的方案，還是SPACE X公司的激進型ITS方案。理想和現實的差距都是資本。有了資本，就可以大膽去試錯；努力試錯就有找到正解的那一天。什麼都不做，永遠只是紙上談兵。因此，對於HEO的美好願景，永遠只有一個主題，就是誰能找到資本，誰能控制進度，誰才能真正推動技術的發展。
（全文完）
小編的意見僅供參考，不對之處歡迎批評指正！！祝各位讀者雙節快樂！！
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