本文作者：一起剥坚果
作者：激箭流星远
前一段时间，有个荷兰的私营公司推出了载人登火计划，并在全世界招募志愿者。据按照该公司的计划，将在全球招募一批志愿者，经筛选培训后将踏上登陆火星的单程旅行。媒体报道，报名者踊跃，中国大概是全球报名者第二多的国家，仅次于美国。微博上讨论的人很多，也有很多博友私信询问我的意见。那么，载人登火到底技术上能否实现？世界各航天大国对载人登火又持什么观点态度呢？
火星是太阳系中和地球非常相似的姐妹星。人类之所以对载人登火非常感兴趣是因为一直希望在地外天体上找到生命。地球内侧的金星、水星，由于距离太阳的距离太近，星表温度非常高，蛋白质不可能存在。而且由于太阳巨大的引力作用，不可能有气态大气层存在，因此传统上被认为是生命的禁区。地球外侧较远的木星、土星、天王星等是气态行星，也不具备生命存在的基本条件。而火星的特点和地球相似，距离太阳的距离既不太近又不太远，温度不至于高得蛋白质会分解，也不至于低得没有液态水的存在。而且火星具有稠密大气，可以保护星表不受陨石等直接撞击，火星的表面有河流冲刷的痕迹等等。科学家认为，火星上可能存在生命和液态水，寻找生命和水就成为世界科学家一个巨大的梦想。如果火星上有生命和水，它可能就是适合人类居住的另一颗行星，人类也就也可能向火星移民，开辟新的生存空间。所有这一切都决定了火星是除月球之外，载人深空探测的重要目标，也是人类以后太空移民的重要目标和重要中转站。
火星是从太阳往外数的第四颗行星，其平均赤道半径为3390km，仅为地球的0.51，月球的1.88倍。火星的运行轨道为明显的椭圆形，其绕太阳的公转周期为687天，即1.861个地球年，半长轴为1.524AU，近日点和近地点分别为1.381AU和1.666AU。火星的自转轴倾角和轨道偏心率都会发生周期性变化。自转轴倾角变化周期为120万年，偏心率变化周期为200万年。公转和自转参数的变化对火星地质作用和火星气候有很大的影响。
从上世纪60年代开始，美、苏、欧以及日本竞相开展了火星探测的历程。自1964年11月5日以来，人类总共向火星发射了30多颗火星探测器，但三分之二以失败而告终。这还是无人探测器的发射成功率，更遑论载人登火了。
那么载人登火的技术难点到底在哪儿呢？
首先，由于火星距离地球的距离非常遥远（相对于地月距离三十六万公里而言），载人登火的探测器所需燃料、能源等数量要求远大于载人登月，目前世界上还没有能够直接发射载人登火的运载火箭。大家知道，在阿波罗计划中所采用的土星五号运载火箭起飞重量约3000吨，其LEO轨道运载能力大约100吨，地月转移轨道的运载能力大概是42吨（我记忆的数，大概数），由地球发射起飞到进入环月轨道大概需要7~8天时间。而如果要进行载人登火，简单估算，由于地球和火星的公转角速度不同，地球-火星有一个780天（约26个月）的重访周期。即使选择合适的相位，地-火转移时间最少大约需要258天（这还是最优的霍曼转移轨道）。进入地球LEO轨道进行奔火飞行的入轨质量（采用常规推进剂）简单估算大约需要1200吨左右。即使采用核热推进装置，动力系统质量可减少300~500吨，LEO入轨质量也达700~900吨。这意味着什么？这意味着即使采用土星五号火箭来完成这个任务，也需要八次发射七次空间交会对接或者十次发射九次空间交会对接。这在工程中不具有可行性。因为所有的环节都是串联环节，即使两次发射和一次交会对接的可靠性为0.9，简单估算，0.9的六次方是0.531，0.9的八次方是0.430。也就是说，八次发射七次交会对接成功的概率大约是0.5，十次发射九次交会对接的成功率不大于0.4。这种项目谁当总指挥和总设计师都不会同意此方案的。因为风险超出了可承受的范围。而运载能力比土星五更大的运载火箭现在世界上还没有。
其次，火星着陆不同于月面着陆。由于火星有稠密大气，登火飞行器在再入过程中将经历类似于再入地球大气类似的再入热问题。而载人飞船整个飞行段最危险、最复杂的就是再入飞行段。经历再入飞行烧蚀后还具备从火星表面起飞并返回地球的飞行器，目前看还不具备研制基础。这项技术的难度比神舟飞船着陆后再让它点火起飞进入轨道还要大些。至少没听说有哪个国家在从事类似的技术研究。
第三，如果考虑登火人员不再返回地球，则奔火质量大约可减少350吨。这无疑可大幅降低载人登火的任务规模。但这带来一个伦理问题，有去无回的火星之旅是否符合人类探索宇宙的初衷？要知道，为了保证航天员的安全，各国载人航天计划中都考虑了非常复杂的应急救生措施。比如：火箭除大量采用冗余技术以提高可靠性外，还增加逃逸系统和故障检测处理系统。确保一度故障完成任务，二度故障不危及航天员安全。中国的CZ-2F和神舟飞船以及俄罗斯的联盟号都是这个设计原则。美国航天飞机由于无法采用逃逸系统，在两次失利损失14名航天员后不得不黯然退役。我想说的是，那种明知有去无回的载人航天计划对于一个有良知的航天工程师而言恐怕都很难赞成。因为它不符合伦理，没有体现出尊重生命这一最起码的科学原则。
好了，说到这可以不说技术问题了，说说别的事情。阿波罗计划历时十年，耗资250亿美元，共有四十多万人参与，是人类最大的一项航天工程。如果载人登火的话，我个人估计耗资乘以十，时间加倍，人员加倍也难以保证能够按时实现。实际上，当前各国载人登火都还停留在概念论证阶段。因为载人登火的规模实在太大，技术途径上现在更多地是考虑以月球为中转站或者以小行星为中转站，直接奔火的模式是不经济和较难实现的。这也是为什么美国重返月球计划终止后把载人小行星探测作为主要目标的原因之一。实际上，为了降低载人登火的规模，航天工程师甚至考虑登陆火星后利用火星洞穴作为藏身之所。
象载人登月、载人登火这样的任务离开国家的组织是不可想象的。因为发射、测控、应急救生、再入搜救等涉及一系列工程组织实施和国与国间外交协调。这些都不是一个私营公司可以解决的问题。比如：发射逃逸可能进入别国领土、领空、领海，没有政府间协议，这就是入侵行为。比如：深空探测需要规模浩大的全球测控网，没有各国政府的协同，这是不可能实现的。所有这一切就决定了载人登月、载人登火靠私营公司是较难完成的。私营公司中做得最好的是SPACE-X公司，其猎鹰九运载火箭和龙飞船都已飞行成功，距离载人飞行可能还有一步之遥。但近地轨道载人飞行的难度系数如果是1的话，我个人认为载人登月的难度系数是5，载人登火的难度系数是15。荷兰那个私营公司我不是太了解。但我个人认为它不可能具备把人送上火星的能力，送上火车应该可以。即使是SPACE-X公司能把人送入近地轨道，也不具备把人送上月球或火星的能力。这就好比星期天刚刚爬了香山，登顶一看就有了攀登珠穆朗玛峰的冲动。这根本就是两回事，不在一个数量级上，不可同日而语。当今世界上，美国、俄罗斯、中国、欧洲还都不具备把人送上火星再安全返回的能力，即使是联合国也不具备这个能力。
美、俄、欧等未来火星探测的具体框架大同小异，主要围绕四个框架：寻找逝去的生命迹象；探索热液生命环境；寻找现在生命；研究火星演化。都对载人登火持谨慎的态度。
作为一个航天工程师，我们比谁都更渴望把人类送上遥远的外星。但当前的技术基础决定了还实现不了。作为报名参加该活动的志愿者，我表示真心的敬佩。因为他们具备舍生探索的牺牲精神。万户被人记住是因为他探索了，也牺牲了。但志愿者这种牺牲的愿望是否有机会实施，我要表示怀疑。
我时常在想，宇宙是如此的浩渺，即使是距离我们最近的火星，登上去看一看都是如此之难。以后航天技术应该怎么发展？可能要寄希望于原理性的创新。依靠现在化学推进的方法确实太让人悲观，基本没有实现的可能。类似土星五的重型火箭都超过了一百米高，起飞重量都在三千吨左右，我们还能做更大的火箭？说不定真是把人解码，然后用无线电发射到太空，在外太空布置一台3D打印机，接收到信号后再把人和太空设施三维打印出来？也许地外生命不是依据地球生物以碳和液态水为基础，那也未可知。但至少目前，外太空移民在现有科学基础上还有相当的难度。作为航天工程师，我的思想可能现实和保守了些，实际上我非常乐于看见有国家或者组织在载人登火上迈出伟大的一步，让我们拭目以待！
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原载于新浪微刊《航天知识》，本站获得作者授权转载
