想載人登陸火星，一定要突破「化學能動力時代」才行嗎？

「載人登陸火星」在化學能動力時代是不切實際，甚至可以說是戰略欺騙嗎？為什麼？Kenneth Pan

簡單的說：單純使用化學火箭，是可以實現載人火星任務的。

化學火箭的劣勢是比沖不如更先進的技術，如核火箭、霍爾推進器那樣的離子電推進系統、及VASIMR（可變比沖磁控等離子體推進）。也就是說，推進劑的利用率不高。化學火箭真空中的比沖大概是 400 到 450 左右；核火箭是 800 起，可以達到 1200；離子電推目前已有的型號，如NASA的 NEXT，是 3000 到 4500，可見的未來可以到 10000；而 VASIMR 則是 3 萬起。

所以，簡單的說，用化學能火箭，只是需要從地球表面多發射些燃料上去，略費錢而已。開貼問題中的「不切實際」或者「戰略欺騙」並不成立。

而且，更先進的推進技術也都各自有各自的優缺點。如同很多工程系統集成上的問題一樣，需要作出取捨，也需要看效費比。

核火箭，或者具體說核熱能火箭，是一項非常接近成熟的技術。Nuclear Thermal Rocket,NTR（汗... NTR 是 NTR，但是，不是另外那個 NTR 哦，大家心中有沒有突然一萬隻謝霆鋒跑過...）其實在 1960 年代已經完成了地面試車，可以進入飛行實驗。當年的阿波羅計劃，第二級引擎的其中一個選項就是核火箭。但是，核火箭本身也有中子屏蔽的重量問題，以及萬一出事故時，核裂變燃料的安全問題。加上去月球，核火箭相對於傳統的化學火箭優勢並不明顯。最後還是選擇了成熟的化學火箭。

離子電推（Ion Thruster）目前也是成熟的技術，它的問題在於推力低，所以加速度慢。對於時效性較強的任務，如載人火星任務而言，並不是一個好選項。但是貨運則是一個可行的選項，多個離子電推進器並聯的設計，NASA 本身和米國航太界的其他技術人員也都考慮過。一年多前，在參加一個 NASA 的公眾設計項目時，我的團隊就設計過 29 個電推並聯的推進級。紙面數據是貨運飛船重量為 6.8 噸時，初始加速度為每天增加 90m/s（見圖 0，不是吃毒蘋果掛掉的那個圖靈哦）

VASIMR則是還在非常非常非常早期的預研階段，連實驗室樣機都還沒出來。只是用實驗證明過原理基本可行。

火星任務這一塊，我個人有一些經驗，過去一兩年里做過幾個 NASA（美國太空總署，又稱我大拿沙）發放、跟火星有關的公眾設計項目。雖然沒有拿到大獎，但是其中一個項目拿到過 Top 10，所以看過一些 NASA 目前及近未來的火星任務的設計及計劃。目前 NASA 的計劃依然是 2030 年代，也就是 2030 至 2039 年之間，實現載人火星任務。而目前的計劃中，用於去火星時從近地軌道進入地球 - 火星軌道的變軌機動（Trans-Mars Injection）、以及從火星軌道返回時使用的引擎技術有兩個選項，其中一個是傳統的化學火箭。另一個引擎選項就是核火箭。

目前，對於載人火星任務，NASA 在用的任務設計參考仍然是 2009 年版的 DRA 5.0。（封面見圖 3）之後對這份 DRA 出過兩份補充文件，最新的一份是 2014 年的，但是基本的思路沒有大改。而 NASA 最近的一系列關於火星的研究和任務都是符合 DRA5.0 這份設計參考，或者說圍繞著 DRA5.0 中的目標穩步前進的。例如，在載人任務之前，必須在火星表面的預置一些設備，必須用到高超音速的氣球型減速降落傘（ballute，DRA5.0 中的構想圖見圖 1）。所以，過去一年，NASA 都在用小型探空火箭在即將離開地球大氣層、大氣環境比較像火星大氣高層的地方試驗這個東西，而且，在 2020 年將會發射一次火星任務，實驗用這種減速傘進入火星大氣層。我在三個月前 JPL 開放日的時候，就在他們的裝配車間看到了火星實驗將會用到的飛行器。（見圖 2）

圖 0，本人團隊喪心病狂的並聯離子電推推進級設計：29 個推進器並聯。（大家看這 4 張圖，有沒有自帶背景音樂 -- 「登！登！登！登登！登登登登登登登登...」）

圖 1，DRA5.0 中的氣球型減速降落傘

圖 2，JPL 裝配車間里的實驗飛行器，將於 2020 年測試氣球型減速降落傘。微博賬號 @panzerkom ，歡迎大家來粉哦

圖 3，DRA5.0 封面

那麼，具體一點說，目前 NASA 的火星任務將會是什麼樣子的。執行任務的太空船又會是什麼樣子的呢？下面會慢慢看圖說話，詳細掰掰。

其實，《火星救援》那本小說號稱是近年來最「硬」的硬科幻，是有道理的。其中的很多理念都符合 DRA5.0 的計劃。（該不會是照抄的吧... >_ˋ