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陳藍(lán):致敬“祝融號(hào)”,中國火星探索或?qū)?shí)現(xiàn)超越式發(fā)展
最后更新: 2023-03-17 09:02:14再來說說中國。
“祝融號(hào)”在休眠前工作十分順利。2021年11月,歐洲航天局火星快車軌道器用“盲聽”形式成功接收“祝融號(hào)”信號(hào)并發(fā)回地球,最終轉(zhuǎn)發(fā)至北京航天飛行控制中心?!疤靻栆惶?hào)”軌道器在2021年11月完成“祝融號(hào)”中繼任務(wù)后變軌轉(zhuǎn)入遙感軌道,最終完成了火星全球中分辨率影像數(shù)據(jù)的獲取和一系列工程試驗(yàn)?!白H谔?hào)”停止工作后,“天問一號(hào)”軌道器將長期聚焦于遙感觀察和工程試驗(yàn)。
我國也計(jì)劃了火星采樣返回任務(wù)。它就是“天問三號(hào)”(“天問二號(hào)”為小行星探測任務(wù)),預(yù)期將于2028年發(fā)射兩個(gè)航天器:著陸器—上升器組合體、軌道器—返回器組合體。
它們都將于2029年抵達(dá)火星。“著上”組合體將實(shí)施火星軟著陸。著陸器將用機(jī)械臂在火星表面采集樣本,完成后由上升器將樣本于2030年發(fā)射至軌道,和“軌返”組合體進(jìn)行對(duì)接并把樣本轉(zhuǎn)移到返回器。2031年7月,返回器將回到地球,實(shí)現(xiàn)樣本回收。
“天問三號(hào)”飛行計(jì)劃(圖源:CNSA)
我們的方案其實(shí)和NASA的計(jì)劃很類似,難度和風(fēng)險(xiǎn)也相當(dāng)大。但我們有不少有利因素。
首先,“天問三號(hào)”的樣本采集方式直接簡單,不涉及多臺(tái)探測器的交互,風(fēng)險(xiǎn)大大減少。
其次,我們有“嫦娥五號(hào)”月面采樣返回的成功經(jīng)驗(yàn)。中國是世界上唯一實(shí)現(xiàn)無人航天器從地外天體起飛以及地外軌道無人交會(huì)對(duì)接的國家。和月球相比,火星采樣返回只是規(guī)模更大、航程更遠(yuǎn)、著陸和起飛難度增加(由于火星大氣層)、一次發(fā)射變成了兩次而已?!版隙鹞逄?hào)”有大量經(jīng)驗(yàn)可繼承和參照。
再次,我們有制度優(yōu)勢。只要目標(biāo)明確,我們就有意志和能力將它長期執(zhí)行下去。中國載人航天和月球探測計(jì)劃就是最好的例子。
所以,中國極有可能在火星采樣返回上實(shí)現(xiàn)對(duì)美國的超越。我們不僅在時(shí)間上提早兩年(我國2031年,美國2033年),我們計(jì)劃采集的樣本也更多(我國一公斤,美國600克)。而且,相信中國的火星采樣返回任務(wù)將會(huì)把載人登陸火星的相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證考慮進(jìn)去,就像“嫦娥五號(hào)”作為未來載人登月的技術(shù)驗(yàn)證(縮小版)一樣。
2021年6月,中國在當(dāng)年的全球太空探索大會(huì)上,公布了我們自己的載人登火計(jì)劃。這又是一個(gè)屢試不爽的“三步走”計(jì)劃:近期取樣返回,中期載人登火,遠(yuǎn)期火星基地和大規(guī)模開發(fā)。
如果說第一步取樣返回,我們?cè)诳赡茉跁r(shí)間和采樣重量上超越NASA,那么第二步載人登火計(jì)劃中,我們不僅會(huì)有和SpaceX火星計(jì)劃相當(dāng)?shù)木扌突鸺?、可?fù)用軌道轉(zhuǎn)移級(jí)和單級(jí)登火艙,而且在地火轉(zhuǎn)移中會(huì)使用堪稱科幻、讓星艦也黯然失色的核熱和核電推進(jìn),從而實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的超越。
說起星艦,它已經(jīng)越來越可能是美國載人登火的希望所在,因?yàn)镾LS雖然歷經(jīng)無數(shù)次延遲,終于成功完成了“阿爾忒彌斯一號(hào)”試射任務(wù),登上了人類在役最大火箭的寶座。但是,它復(fù)雜而昂貴的弱點(diǎn)也暴露無遺。不要說火星,就是基于SLS的載人登月計(jì)劃也將無比昂貴,未來十年美國能否持續(xù)支持這樣一個(gè)沒有短期產(chǎn)出的巨型項(xiàng)目,已經(jīng)是一個(gè)很大的問號(hào)。
超重/星艦的可復(fù)用和低成本有著極大的競爭力,大概率會(huì)在未來某一天替代SLS。很難想象NASA會(huì)并行于SpaceX執(zhí)行另一個(gè)更昂貴的載人火星計(jì)劃。但星艦設(shè)計(jì)過于激進(jìn),隱含的風(fēng)險(xiǎn)極大,最后能否成功仍然有很大的不確定因素。
長九、超重/星艦、SLS Block 2比較(圖源:NASA/SpaceX/網(wǎng)絡(luò))
中國的策略更為穩(wěn)妥。
載人登月用“長征十號(hào)”替代了“長征九號(hào)”,讓我們有更多時(shí)間優(yōu)化“長九”的設(shè)計(jì)。龍樂豪總師一年披露一版的長九方案讓我們看到了其優(yōu)化的脈絡(luò)。
2月28日龍老透露的“長九”最新方案再次用上了200噸級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)。安裝30臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的光桿“長九”第一級(jí)將實(shí)現(xiàn)復(fù)用,使得它和超重/星艦的差距進(jìn)一步減小。
事實(shí)上,低成本發(fā)射系統(tǒng)不僅是火星計(jì)劃的關(guān)鍵,也是人類大規(guī)模進(jìn)入太空的基礎(chǔ)。讓人欣慰的是,中國正在這方面急起直追。
正如我在一年半前的文章中所說的,我們也許有機(jī)會(huì)(也有幸)看到一場波瀾壯闊的火星競賽。那將是一場決定未來百年地球格局和太陽系力量對(duì)比的大國競賽。
順便說,在這之前,也就是接下去的十年里,我們將目睹一場同樣精彩的中美載人登月競賽。其實(shí)這種和平方式的科技競爭未嘗不是壞事。當(dāng)初美蘇的太空競賽極大地促進(jìn)了科技的發(fā)展,轉(zhuǎn)化的技術(shù)造福經(jīng)濟(jì)和民生,至今仍在受益。希望中美太空競爭也能造福全人類。
未來幾個(gè)月,也許火星上會(huì)出現(xiàn)一場沙塵暴,將“祝融號(hào)”電池板上的灰塵吹落,電力得到恢復(fù)。也許隨著火星溫度變化,系統(tǒng)終于突破閾值恢復(fù)工作。也許,環(huán)境變化會(huì)導(dǎo)致未知的隨機(jī)性故障自行修復(fù)。如果這樣,我們就把它當(dāng)作意外的驚喜好了。
不管發(fā)生什么情況,“祝融號(hào)”終將在火星上一直沉睡下去,直到有一天我們的后人們來到它的身邊。那時(shí),它將成為一個(gè)重要的歷史遺跡,會(huì)被小心地保護(hù)起來,長期存在下去。它身上的那面五星紅旗,將永遠(yuǎn)和火星同在。
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