都是送人去火星，都准备重复使用，看看洛马的方案跟MUSK的方案有什么不同？

科技 10-05

导读

这几天国际宇航大会上MUSK热情洋溢的演讲，感染并激励了全球的航天人，载人深空探测（HEO）项目的奋斗目标就是力争本世纪上半年实现将人类登陆火星，延续人类的文明的梦想。SPACEX的老板MUSK继去年抛出ITS行星际系统方案后，这次改进并提出了可重复使用、地火两头在轨补加的BFR（Big Falcon Rocket）方案；老牌洛马公司在几年前提出的基于现有成熟技术基础上的火星大本营方案上，也抛出了单级入轨、可重复使用、原位生产推进剂的MADV方案。

眼瞅着载人登陆火星的美好愿望，变成一个个可圈可点的具体方案了，小编忍耐不住激动的心情，跟大家一起来画画重点、找找不同吧！看看老牌洛马公司的方案跟Space X的方案各有什么亮点？

本文作者：芷水，原载公众号“星际航行”，转载已获授权。

（1）MUSK的BFR星际飞船方案

这张图是马斯克展示的火星基地方案，他认为随着星际飞行成本的降低，未来人类前往火星的船票不会超过地球上一幢房子的价格，最终火星上会有100万地球人，并建立起一座城市。按照他的设想，人类最早10年后就可以进行首飞。

为了实现载人登陆火星的梦想，马斯克计划打造BFR星际飞船，直径大约9m，总长48m，推进剂总量1100t，飞船干重85t，最大上升载荷150t，返回载荷重量50t。

这艘BFR飞船拥有 40 个可以装载 2 -3 人的船舱，每次飞行大约可以运送 100 人，船上还包括公共活动区域、厨房以及太阳风暴辐射庇护所等。压力舱的容积是825立方米，有8层楼高，大大超过了一架A380的内部容积。

其实这个飞船的密封舱设计还是蛮人性的，人均活动空间还算不小，否则漫漫火星之旅，还不把人给活活憋曲死了？分舱设计也是个不错的想法，很适合一家3口的共同旅行和保护私密空间的需要。

首先要注意到，这艘说不上是飞船还是火箭的BFR，把目前龙飞船和FALCON火箭的功能都集成在一起了，有点像老美的航天飞机人货混运的设计，但是它的动力系统比较强大，采用液氧甲烷发动机，燃料箱240吨甲烷，液氧箱860吨液氧，采用共底贮箱方案。

老美的航天飞机发射时由两枚固体助推器和轨道器的3台液氢液氧主发动机提供动力，助推器工作结束后被抛离，液氢液氧耗尽后将外挂贮箱抛弃，轨道器入轨运行。航天飞机的外形很像一架三角翼飞机，前段分为头锥和乘员舱两部分，中段主要是有效载荷舱，后段主要动力和控制部分。

看看MUSK的BFR，依然是延续这种风格，头部是人货混运的载荷舱，中部是推进贮箱部分，尾部是发动机和尾翼部分。不同的是老美的航天飞机是部分重复使用的，也就是说轨道器可以重复使用，但是固体助推和外挂贮箱都是要丢掉的。而BFR的精华是全部重复使用，践行降低成本的宗旨设计。

这是从尾部看BFR的设计，4+2的发动机布局，4台2.4m喷管直径，单台推力1900kN，液氧甲烷的真空比冲375s，这4台主要用于离开地球的主引擎动力；2台喷管直径1.3m的发动机，单台推力1700kN，海平面比冲330s，真空比冲356

s。为什么要用2台呢？猜想是用于火星进入或者着陆起飞时用的主动力，还一定得是变推力的发动机，170吨的量级也许一台就够了，另一台或许是备份？还没有看到它变推力的能力是多少？5：1还是10：1？

上面我们聊的是BFR的设计思路和亮点，那么从地球到火星，BFR的火星之旅究竟是怎么工作的呢？关于这部分，MUSK讲的是

在轨加注

的设想。在轨加注的概念已经不新鲜了，比如我国的天舟一号给天宫二号进行推进剂的补加，就是在轨加注。但是MUSK说的是给用两艘BFR，一艘给另一艘补加低温推进剂液氧甲烷。具体来说，就是先发射一个ITS，我们可以简单理解为ITS=一级助推器+BFR，一级助推器返回，二级BFR入轨等待；然后再发射一个BFR，一级助推器返回，然后把二级的液氧甲烷推进剂补加到先入轨的BFR中，等待加满了推进剂，先入轨的BFR就可以飞去火星了。那么这两个BFR的一级呢，都可以返回地面，加注推进剂后重复使用，就类似MUSK的猎鹰9火箭一样，记着他们已经回收了16次了，所以现在MUSK说起话来信心满满，回收个一级助推器应该不是问题了。

那么这张图基本就说清楚了BFR的火星之旅的过程了。二级的BFR可以飞往火星了，在火星进入、下降与着陆后，利用火星原位资源进行推进剂生产和加注，这个就是上图中的ISRU（原位资源利用技术），当然主要生产的还是液氧和甲烷，别忘了火星大气里可是含有甲烷气体的呦！这就是为什么发动机要选择液氧甲烷发动机的重要原因。等待推进剂补加完了，OK，可以返回地球了，这里面BFR的三角翼就充分发挥作用了，在火星进入和地球再入时都可以利用气动进行辅助变轨。但是火星大气的密度只是地球的1%，别忘了这个重要的参数哦！

按照MUSK的思路，ITS的一级助推和BFR都从而实现了完全重复使用，一点儿也不浪费。

怎么样？MUSK方案的重点是重复使用+地火两头在轨加注+原位资源利用（ISRU），给大家画清楚重点了吗？

方案讲完了，那么MUSK接下来怎么玩呢？首先是2022年先开始无人火星任务试飞，先用两枚BFR去火星，确认下火星的水资源，寻找适合ISRU的理想地址，放置好能源、采矿和生命保障设备等等。找到水资源，就能生产出液氧，从火星大气里收集到甲烷，就可以创造出一个推进剂生产加注工厂，为将来的地火之间的载人飞行创造条件。

那么未来是什么样的呢？就是上图这个样子了，通过不断地建设，再建设，火星基地终将繁荣昌盛。那么什么时间把人送上火星呢，MUSK说了是2024年，他的目标是发射两艘载人飞船，两艘货运飞船。你一定不相信自己的眼睛了吧？不管你信不信，反正MUSK说了，他已经等不及了。

那么MUSK现在最大的困难是什么呢？缺钱！缺钱！缺钱！重要的问题说三遍！

所以，MUSK表态，现在的计划是尽可能多用猎鹰9火箭和龙飞船提供服务，尽可能积累资金，然后把所有的资金再投入到BFR的研发制造上。

为了积累资金，也可以建造月球基地，也可以用于地球不同区域之间的往返运输，总之，只要您能出钱肯出钱，去什么地方都是可以商量的！

当然MUSK的终极目标，还是去火星喽！这是多么美好的愿望！

（2）洛马公司的MADV方案

作为HEO领域的资深吃瓜群众，小编一贯秉承看热闹不嫌累的优良作风，作为十一长假休息的阅读闲篇，再接着聊聊老牌航天企业洛马的载人登火星方案。先放几个养眼大图：

这就是早些年洛马公司提出的“火星大本营”方案的整体概貌，这套方案的重点是利用现有的成熟技术，也就是利用洛马旗下的SLS火箭和猎户座Orion飞船，分批发射各个组件，近地轨道组装出一个飞往火星的大本营，也可以叫做火星轨道空间站，可将6名航天员送到火星轨道进行长期值守。在这个火星大本营方案中，猎户座飞船是整个系统的大脑，可以用作通信和导航，大本营里还有一艘可以用于应急救生返回的飞船。这个大本营里还有火星实验室、居住舱、液氢液氧贮箱、货运推进飞行器等等，航天员可以在大本营里可以遥操作火星表面上的机器人和实验设备。

那么预想的计划是什么呢？2018年开始EM-1进行地月空间发射，验证猎户座飞船的性能，然后2021年开始建造地月空间站，作为深空之门向着火星进发，验证大本营的相关技术，到2026年可以探测火卫一、火卫二等火星的卫星，到2028年可以实现人类登陆火星。当然现在大家都知道了，由于SLS和猎户座飞船建造遇到的困难，他们的计划也一推再推，EM-1任务能到2019年执行就不错了。

好了，作为跟SpaceX同台参加国际宇航大会的洛马公司，这次又披露了那些关于火星大本营方案的细节呢？请看下面几张图。

从这次洛马公司披露的几张火星大本营方案的图片细节来看，这个火星大本营的方案是越来越细了，但是吃瓜群众们好像并不买账啊，群众们对MUSK的关注程度远远高于洛马的方案，人家都越做越细致了，怎么还不满意呢？因为吃瓜群众们想看的不是专业性和细致性，而是新鲜感！那么资深的老牌航天企业洛马就整不出新东西了吗？别急，看看这次披露的火星着陆器MADV方案！

是它，就是它！！这个就是洛马公司抛出的火星登陆器MADV方案，其实早在几年前的洛马载人登陆火星方案的视频演示中，就有这个MADV的身影，只是那个时候还没有披露的这么细致。

洛马公司透露：MADV是一个可重复使用的火星登陆器，而且用的是“水动力”（water-powered）引擎。当然水动力只是一个概念，事实上登陆器将在火星空间站上加注液氢燃料，而这些液氢来自于空间站的燃料制造“工厂”，它用太阳能将水分解为氢和氧，因此被称为水动力登陆器。这些水最初可能得从地球运去，未来可以到小行星或月球阴影区域获取，或者直接在火星上制取，以降低火星任务的成本。马丁公司发言人说，整个宇宙飞船系统的动力都将来自于水，所以可以称之为“水经济”。

MADV将允许4名宇航员在火星地表执行2周考察任务，目前正在设计开发之中。为确保宇航员不会被困在火星地面上，每次任务将派出两艘飞船登陆。洛克希德·马丁公司将和NASA合作，在本世纪30年前代将第一批宇航员送上火星。

从MADV方案的外形图上，可以看出单级入轨、重复使用、升力体外形的特点，每次任务使用2枚，确保载人任务的安全，这是老牌干载人业务公司的特点，就是无时无刻不想着确保人员的安全。可圈可点的是MADV的推进剂是液氢液氧，它的生产和加注并不依靠火星上制备，而是靠大本营上自带的水来利用太阳能电解产生的液氢和液氧，来制备下降和起飞的推进剂。

洛马公司的大本营方案简单可以概括为：在大本营到达火星轨道运行之后，使用可重复使用的着陆器，可以支持约两个星期的任务和四个宇航员。火星基地营不会放置在火星的表面，它将是一个轨道栖息地。

着陆器返回到火星基地补充燃料并用于另一个任务。

因此洛马公司的方案重点是：分批发射+在轨组装+火星轨道空间站+在轨原位制造推进剂+在轨加注+重复使用+单级入轨。

（3）讨论几个重要问题

欣赏完了美国两个公司的载人登陆火星方案后，让我们一起来讨论几个重要问题吧！

A 把人送去火星一定要用载人飞船吗？这个问题是要造反吗？

在目前航天界的思维中，似乎有一种定式，就是把人类送到太空，只有火箭+飞船，或者航天飞机这种模式，所以一说到将人送入外太空，比如空间站，就是火箭+飞船的模式最安全，因为航天飞机已经因为各种问题淘汰掉了。而飞船的变化呢？不过是三舱变两舱，钝头体变升力体的变化而已。那么这次MUSK的抛出的方案BFR中，就引起了一个可以深思的问题，到底什么是飞船？什么是火箭？

把飞船的推进舱加长加长再加长，是不是就变成了BFR？同样，把火箭的头部改成个一半是密封舱，一半是货舱的形式，是不是就变成了BFR？？运载火箭和载人飞船的功能是不是可以融合互通呢？我想MUSK的设计给了一个很好的答案。那么把人送到火星一定要用两舱结构的飞船吗？我想你已经有了答案，不信再仔细看看SpaceX和洛马的方案！！

讨论中还有这种方案：一旦BFR再入返回地球的时候，这个适合火星的三角翼如果不满足再入地球的需要时，还可以释放出前部的再入舱，然后可以用最传统的最成熟的方式将人类救回地球嘛！剩下的BFR能回就回，实在回不来也就只能......毕竟MUSK早早就说了，我们只能最大限度的降低风险，但是我们不能保证零风险。

B 为什么火星往返要用到高比冲的低温推进剂？

纵所周知，往返火星的速度增量大小决定了所需推进剂量的多少。无论是MUSK的方案，还是洛马的方案，都采用了低温推进剂方案，一家用液氧甲烷，一家用液氢液氧，为什么不用常规推进剂呢？很显然常规推进剂的比冲在280-310s之间，液氧甲烷可以达到380s，液氢液氧可以到440s。可以这么理解同样质量的推进剂条件下，比冲越高可以运送的质量越大，所以两家公司的方案都用了低温推进剂。但是低温推进剂的难点就是长期在轨存储的问题，去火星？来回500多天？有太阳照射、有飞行器内部发热，试一试就算每天蒸发掉0.1%，将会蒸发掉多少推进剂？别忘了液氧的贮存温度是-183度，液氢是-253度。绝对零点是多少？-270度啊！！想想看，如果实现不了零蒸发控制技术，我们又该怎么办？

C 在轨补加的推进剂到底该从哪里获取呢？

如果还是采用化学推进技术的话，那么从地球出发去火箭的出发质量要到1000吨左右，如果都靠火箭一个个发射到近地轨道组装然后再去的的话，规模庞大，发射次数任务多，一旦出现故障，前面发射入轨的飞行器就需要在轨等待，出故障的概率就大大增加了。一个好的想法就是在轨进行补加。那么从地球到火星，能补的推进剂可以从哪儿来呢？无外乎就是地球、月球、小行星或者火星及其卫星。如果从地球进行补加，你看到的就是MUSK的方案，一艘BFR为另一艘BFR进行补加；如果从火星表面进行补加，那么就是BFR在火星表面补加液氧甲烷的方案；通过地火两头进行补加，所以MUSK可以把去火星的规模控制的比较小，这就是ITS方案跟洛马方案给我们感觉上总质量相差很大的原因。洛马的方案就不需要推进剂补加了吗？不是，为了MADV的重复使用，它是在火星大本营，也就是地火空间站上进行补加液氢液氧，液氢液氧是怎么来的呢？可以是从地球上带来的，也可以是从月球南极或者小行星上采集来的，通过火星大本营强大的电力系统电解后，补加到MADV的。所以说，无论从哪里弄到推进剂，原位资源利用产生推进剂+在轨补加技术，都是很好的降低系统规模的办法。

D 原位资源利用技术到底靠不靠谱？？

关于这个问题，小编还真是认真思考过，计划年底出一本翻译书《面向载人月球及火星探测的原位资源利用技术》的翻译书。首先人类对外太空资源的开发和利用，到目前为止，除了利用太阳能利用的比较成功外，还没有利用什么更好的资源。那么面对HEO项目，无论是去月球，还是火星，都必须要使用到ISRU技术。MUSK的方案之所以用到液氧甲烷发动机，看中的就是火星大气里有甲烷，火星南北极有固态二氧化碳可以提取氧。洛马公司的方案没有那么激进，实在不行就从地球上往大本营运水。如果ISRU技术验证可行的话，也可以把月球或者小行星的水通过大本营电解后，补加给MADV。

这两个方案中都没有提到的是，人在火星长期生活所需的水、空气、食物从哪里来？毫无疑问，只能依靠ISRU，因为从地球带是带不起的。所以无论目前来看，ISRU技术靠不靠谱，未来的移民其它星球计划，都离不开ISRU。这个技术是使人类成为多星球物种的必备技术。

E 火星的进再入和返回地球的气动外形如何可以通用？

这个问题主要是MUSK的方案存在的问题，火星的大气密度只有地球大气密度的1%，95.32%是二氧化碳，2.7%是氮，1.6%是氩，还有0.13%的氧合成。由于火星的气温较低，由于引力比较小，大气层厚度也比较薄。火星大气总质量为25兆吨，而地球是5148兆吨；火星的大气层200公里以上，大气渐渐过度到太空，无明显外层边界。而地球大气层厚度大约在1000公里以上，过渡到外太空，也无明显外层边界。

好了，掌握了这个常识之后，我们知道飞行器外形设计主要考虑到再入高度、再入倾角，根据气动外形设计和制导控制率设计，我们通常会给出一条再入走廊，飞行器的再入如果在这个范围内，那么与大气摩擦产生的总加热量都是在飞船热防护材料可以承受的范围内的。

所以我们的理解是，MUSK的BFR外形设计如果能够满足地球再入的要求，那么用于火星再入应该是可承受的。

而洛马的设计则是为了火星的单级入轨，可重复使用的要求，而采用的有翼外形设计，MADV的方案应该是不考虑回地球的了。

现在讨论最后一个问题：

F 理想和现实之间相差多远？

无论是洛马公司的基于现有成熟技术的方案，还是SPACE X公司的激进型ITS方案。理想和现实的差距都是资本。有了资本，就可以大胆去试错；努力试错就有找到正解的那一天。什么都不做，永远只是纸上谈兵。因此，对于HEO的美好愿景，永远只有一个主题，就是谁能找到资本，谁能控制进度，谁才能真正推动技术的发展。

（全文完）

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