火星女王阿爱里塔:苏联早期载人火星探测计划

来源:网络整理   发表日期:2017-10-10 15:43  

火星梦想


1924 年 9 月 25 日,十月革命后的第七年,莫斯科的影院上映了一部苏联梅兹拉庞电影制片厂拍摄的科幻电影《阿爱里塔:火星女王》。该片由雅可夫·A·普洛塔萨洛夫导演,根据大作家阿列克谢·尼古拉耶维奇·托尔斯泰 (1883—1945)的著名小说《阿爱里塔》(Aelita)改编。电影立刻掀起了观映热潮,观众蜂拥而至,争睹这部情节新奇、构思大胆、场景壮丽的大片。这部影片讲的是一位莫斯科工程师罗斯和同事建造了一艘飞船来到火星,与火星女王阿爱里塔坠入爱河。这时,同船去的红军士兵古谢夫鼓动火星工人反抗骑在他们头上的统治阶级,火星爆发了革命,罗斯与阿爱里塔不得不洒泪分别。


这部小说和电影产生了巨大影响,苏联后来设立的科幻书籍奖就以“阿爱里塔”命名。电影还打入了西方市场,同样引起了轰动。在很多人的心目中,“阿爱里塔”成了火星和探索火星的代名词。


这部小说和电影让人人都议论起火星这颗红色的星球。苏联星际探索的先驱之一弗里德里希·仓德尔(Friedrikh Tsander,1887-1933,行星际通信研究会的发起者之一、反作用推进研究小组领导人)在这时提出了著名的口号:向火星进军!


当然,对当时的人类来说,这还只是一个振奋人心的远大目标,脱离地球引力飞向遥远行星的伟大工程要一步一步来。



《阿爱里塔》海报


初露端倪:TMK 方案


1959 年 2 月 16 日,科罗廖夫和苏联科学院院长凯尔迪什联名致信最高当局,呼吁研制重型运载火箭,发射载人飞船,进行星际探索。


与此同时,科罗廖夫第一试验设计局(OKB-1)第三部的马科西莫夫开始领导一个小组研究用 N-1 发射的“重型载人行星际飞船”:TMK。首次飞行计划在 1971 年 6 月 8 日开始,经过 3 年 1 个月 2 天后,航天员们于 1974 年 7 月 10 日回到地球。这艘庞大的飞船由新开发的 N-1 巨型运载火箭发射入轨,同时 N-1 也是苏联登月计划使用的运载工具。实际上,后来苏联在登月竞赛中败给美国,原因之一就是 N-1 火箭的原始设计更适合发射 TMK 去火星,而不是发射登月飞船去月球。


设计师们设想了 TMK 的两种发射方式,一种是直接用 N-1 发射载人的 TMK,另一种是用 N-1 发射不载人的 TMK,然后发射载有乘员组的联盟飞船与之对接,再飞往火星。TMK 上有一个使用液氧/煤油的推进级,它将飞船从地球轨道推向火星。在它耗尽推进剂结束工作后,TMK 的重量也由开始的 75 吨降至 30 吨了。


经过 10 个半月的日夜兼程,飞船飞临火星上空,航天员投下一个遥控着陆器,然后利用火星的引力加速,将自己抛入返航轨道,只需很小的中段轨道机动,就能飞回地球。


在加速期间,返回舱顶在驾驶舱头上。快到火星时,乘员舱从防护罩下探出头来,返回舱则被移到 TMK 的另一头。天线和太阳能帆板展开,整个飞船开始围绕重心旋转,制造人工重力。乘员舱长 12 米,直径 6 米,重 15 吨。


1961 年 10 月 12 日,在 OKB-1 几乎所有部门的共同努力下,TMK 飞船的设计草图终于完成了。飞船重 75 吨,长达 12 米,最大直径 6 米,乘员组 3 人,自持力 1,095 昼夜,使用液氧/煤油发动机。


飞船从头到尾是这样布置的:


1、居住舱,内部容积 25 立方米。

2、工作/设备舱,包括太阳风暴掩蔽所,内部容积也是 25 立方米。

3、生物系统舱,SOZh 闭循环环境控制系统就装在这里,内部容积 75 立方米。

4、杂舱,火星探测器、轨道修正发动机、SOZh 系统的太阳光聚能器、太阳能电池阵和无线电天线都装在这里。

5、返回舱,直径 4 米,外形就像一艘倒过来的联盟飞船。


猜猜这些设备里谁的研制难度最大?


是 SOZh 闭循环环境控制系统。


在长达 3 年的航行中,航天员们始终生活在封闭的飞船内,必须有完善可靠的环境控制系统。SOZh 系统模仿地球生态系统,采用生物流程,辅以物理-化学方法。蓝绿色藻类将人体排出的二氧化碳转化成氧气。乘员组排出的水份也会被回收,经过离子交换树脂流进叶绿素罐。航天员的食品 20%到 50%要靠船上的无土培养温室生产。让上述设想成为现实是一个巨大的挑战。比如,要有一个巨大的复杂的太阳光聚能器,以便为一个面积有限的区域提供高强度的阳光照射。


航天医学问题是火星任务最有挑战性的难题。


如何防御辐射?怎样循环和再生使用空气与水?航天员长期在失重环境下能否生存?是否有必要制造人工重力?怎样制造人工重力?怎样保证乘员组在长期飞行中的心理健康?


有关人员进行了一系列研究、试验,召开了很多会议。1963 年 7 月 22 日,凯尔迪什、科罗廖夫、沃洛宁和卡马宁就参加了一次飞船生态环境问题研讨会。与会者在会上提出了各种问题,也给出了各种解决的建议。例如,有一份报告指出,一千克绿藻一天可以生产 27 千克氧气,一个人一天要消耗 27 千克氧气,因此按每人配 2 千克绿藻就可以解决供氧问题。


由于原研制单位工作不力导致进度延误,生物医学问题研究院(IMBP)和星辰设计局加入进来,与 OKB-1 共同研制 SOZh 系统。进度大大加快,一座名为 NEK(或称 SU-100)的地球环地面境模拟训练装置建成。1967 年 3 月 5 日,乌里比谢夫等 3 位研究人员进入该封闭环境呆了整整一年,美国类似的试验直到 1970 年 7 月才开始,而且只持续了 90 天。


关于辐射防护问题,根据卫星数据的分析结果,一般情况下,在整个火星任务期间,太阳风和宇宙射线的累计剂量仍在可接受的范围内。但是在太阳活动高峰期,航天员们还是需要找个地方避一避。设计师们在设备舱设立了一个太阳风暴掩蔽所,里面有一个“掩蔽坑道”,里面专门设了一套简化的飞船控制系统帮助航天员控制飞船。


另外一个特别的问题是长期失重对航天员的影响。设计师们对此一无所知。他们考虑是否能让飞船旋转产生重力来解决这个问题。但是由于飞船的直径只有区区 6 米,科里奥利效应将十分明显,它给航天员带来的麻烦可能会比失重还大——他们会恶心、呕吐得无法正常生活、工作。设计师们最后决定让飞船隔一段时间转一会儿,让航天员们适应重力。


为尽可能减少乘员数量,自动设施将代替人工监测系统操作。各系统的状态会集中显示在主仪表板上。电子和电气系统安装在一根轻质悬梁上,以方便航天员接近、检修。


TMK 飞船参数:


乘员:3 人,设计寿命:1,095 天,长:12 米,最大直径:6 米,翼展:12 米,重量:75 吨,主发动机推进剂:液氧/煤油,比冲 350 秒,电力供应:太阳能电池和太阳能动力。



TMK,飞向火星!

TMK 释放火星登陆舱


小资料:N-1火箭


N-1 火箭是苏联用于和美国土星 5 号火箭竞争的巨型运载火箭,用于发射登月飞船、行星际探测器和地球轨道重型航天器。1969~1972 年发射 4 次均失败,遂中止研制。


N-1 有很多型号,发射重量 1,012~3,000 吨,最大直径 17 米,全长 105~125 米,起飞推力 4,500~5,250 吨,低轨道运载能力 82~125 吨。



发射台上的 N-1 运载火箭



“火星特快”:TMK-E 方案


设计局第九部的费奥季斯托夫认为 TMK 设计方案局限性太大,过于乐观。单次发射飞船的方案不现实,无法抵达火星。他领导的设计小组在 1960 年拿出了自己的方案:核反应堆供电,电推进技术,6 人乘员组,各个舱段分别用 N-1 发射,在地球轨道组装完成后飞向火星。


费奥季斯托夫研究了离子发动机方案,它可以减少 N-1 发射次数,或者增加火星飞船的重量。梅尔尼科夫领导的第十二部 1957 年就在科罗廖夫的要求下开始研制离子发动机了。这种推力为 7.5 千克力的发动机,推动火星飞船沿一条螺旋轨道以不大的加速度缓慢但后劲十足地提速,直到达到逃逸速度,奔向火星。


不过费奥季斯托夫遇到了一个难题,这样的推进系统要有强大的电力供应,如果用当时的太阳能电池,其面积将达到 36,000 平方米,即使搁在如今,这也是能让设计师和工程师吓破胆的数字,何况是 1959 年。费奥季蒂斯托夫另辟蹊径,采用核反应堆为离子发动机供电。由此,TMK-E 成为世界上第一种核反应堆供电-离子推进火星飞船。最初设计使用一台 7 兆瓦功率的反应堆驱动 7.5 千克力推力的离子发动机,发动机比冲高达 10,000 秒。


费奥季蒂斯托夫的飞船重 150 吨,长 175 米,最大直径 19.6 米。它可以载着 3 人乘员组在太空飞行 2 到 3 年,完成各种任务,包括探索火星。它有一个双层防辐射外壳保护乘员免受宇宙射线伤害,靠旋转制造人工重力,生活区直径 6 米。


飞船从头到尾是这样布置的:


1、一个拉长了的 TMK 居住舱,直径仍为 6 米,但乘员增至 6 人,它的最前方是一个防护罩。

2、一条细一些的加压通道,上面对接着 2 个带乘员返回舱的火星登陆器和 1 个“联盟”衍生型地球返回舱。

3、一根很长的格子桁架,整个飞船的质心位于其中一点,就在这里布置了离子发动机组和 2 个推进剂罐。

4、4 个包含“火星特快”的其余部分火星着陆器,也连在格子桁架上。

5、一面大直径辐射防护罩,保护乘员免受核反应堆威胁。

6、格子桁架的最末端,也是整艘飞船最末端,就是在发射后被逐渐推离其他舱段的反应堆,它由两根支杆固定在桁架上。


TMK-E 飞船剖面图


火星着陆飞行器每个约 10 吨重,直径 5.5 米,高 9 米,里面装着构成“火星特快”的机动平台。带有圆锥型空气整流头罩和钝状尾底。整流头罩在着陆后会分开,其中一块将作为保护壳,成为机动平台一部分。


最让人惊叹的是它的着陆复合体的设计,足以与科幻作家最大胆的想象匹敌——着陆器由 5 节机动平台组成,在火星表面登陆后,将成为一列火星列车。第一节是驾驶舱兼地表钻探车;第二节是火星大气飞行器(垂直起飞,水平降落)发射平台;第三、四节是主力和备用返航舱火箭发射平台,载人着陆器每个载 3 人,有 4 条支撑腿,高 5.4 米,支撑腿跨径 7 米;最后一节是电源车,上面是一座核反应堆。


这列“火星特快”在火星表面组装完成后,探险乘员组会乘坐它在火星漫游一年,从北极到南极,覆盖整个火星,钻探地表,分析大气,搜集标本,向火星轨道上的母船发回数据,再转发回地球。探险任务结束后,航天员们带上标本和研究成果,登上返航舱,升空,与轨道上等待已久的母船会合、对接,然后踏上回家的路程。


TMK-E 飞船参数:


乘员:6 人,自持力:1,000 天,长:175 米,最大直径:6 米,翼展:20 米,重量:150 吨,主发动机推力:74 牛,主发动机推进剂:氙,比冲 10,000 秒,电力供应:平均功率 7 兆瓦的核反应堆。




轨道上的 TMK-E 飞船

“火星特快”,出发!

火星表面运输车模型


优化设计:KK 方案(载人火星探索空间复合体)


TMK 方案在继续研究,包括轨道取舍研究和方案优化。1966 年 5 月,被称为 KK(载人火星探索空间复合体)的方案出笼。


KK 飞船包含 6 部分:


1、EK:远征飞行器,是飞行任务期间的指挥中心

2、OK:轨道复合体,包括居住舱、工作舱和生活支持系统

3、SA:着陆舱,用于乘员登陆火星,既可从环绕火星的轨道上,也可直接从飞向火星的轨道上

4、AV:上升舱,乘员靠它从火星表面返回远征飞行器

5、RV:上升火箭级,将上升舱从火星带回在环绕火星轨道或者飞向火星的轨道上的远征飞行器

6、PS:行星站,火星表面的前进基地,保障后勤和科研


有几种火星考察方案:


1、直接下降方案 ——整个复合体不进入火星轨道,直接从(飞向火星的)行星际轨道靠气动制动减速在火星着陆,考察任务结束后又直接进入(飞回地球的)行星际轨道。这种方案赞同者最少。它需要的能量最大,而且着陆点很受限制。核-电推进也无法采用,因为它虽然比冲大,但推力太小。与它特点正好相反的化学推进倒正合适。


2、轨道-下降方案 ——首先,复合体进入环绕火星轨道。然后,需要的部分与 EK 脱离,在火星着陆。考察任务结束后,乘员与等待在轨道上的 EK 对接。最后,乘员乘返航舱进入(飞回地球的)行星际轨道。这种方案好处很多,因此赞同者最多。缺点是火星轨道上的会合、对接过程复杂、难度大;由于离子发动机推力小,加速和制动费时很长。


3、轨道方案 ——EK 只环绕火星飞行,不着陆。这是一种可供选择的或者初期的任务。


4、直接下降变种方案 ——也是不进入环绕火星轨道,直接从行星际轨道着陆和返航。不同的是,不是复合体整体着陆、返回,而是各舱各自着陆,完成任务后,分别进入行星际轨道,对接,返航。这种方案耗费能量最少,但除此之外就乏善可陈了。着陆地点选择限制很大不算,在行星际轨道会合、对接难度很大,而这又直接关系到乘员的生存。


当 KK 方案设计完成时,苏联登月目标已定,OKB-1 全力投入到 N1-L3 登月飞行器的研制中。苏联的火星计划在与美国的登月竞赛中,被搁置了。


KK 任务总结:

发射年份:1980 年

乘员:3 人

去程:300 天

火星逗留时间:30 天

归程:300 天

总耗时:630 天

总重量:150 吨

推进剂:24 吨

推进剂系数:0.16

主发动机推力:61 牛

工作介质:氙

比冲:8,000 秒

电力系统平均功率:15,000 千瓦

发射次数:2 次

运载火箭:N-1

最后一搏:MEK(火星探险复合体)方案


转眼已是 60 年代末。1966 年,科罗廖夫故去,第一试验设计局也改名为中央机械制造试验设计局,总设计师是科罗廖夫生前的副手瓦西里·米申。这时,美国人已经抢先登上了月球,苏联必须为庞大的航天工业寻找一个周期长、影响大的新目标。于是,大型空间站、永久月球基地和登陆火星等雄心勃勃的项目出现在绘图板上。和以前的设想一样,登火飞船依然用反应堆供能的电火箭推进,巨大的飞船各舱段分别发射、在轨组装,不过运载火箭改用 N-1M 了。1969 年 5 月 28 日,米申批准研制 N-1 火箭的改进型号 N-1M。费奥季斯托夫受命充分利用 N-1M 火箭大大提高的运载能力,设计新的 OKB-1 的火星探测计划。新方案称作 MEK(火星探险复合体)方案,乘员 3~6 人,任务时间 630 天,其中火星轨道 30 天,火星表面 5~7 天,主动力依然是 15 兆瓦核-电发动机。


MEK 飞船全长 175 米,包含 6 部分,从头至尾分别是:


1、火星登陆舱(MPK)直径 11 米,高 8.5 米,大约 20 吨重。它的头部有一块大型减速板,进入火星大气层后,它起减速作用。在落地前,着陆液体火箭缓冲发动机点火,进一步降低着陆速度。大型减速板后面是圆柱形的居住舱、气闸/过渡舱、上升级及其球状驾驶舱。


2、火星轨道飞行器(MOK)包括乘员组座舱和基本的系统。与早期的 TMK 方案不同的是,它直径 4.1 米(TMK 直径 6 米),长 23 米,大约 40 吨重。


飞船从头至尾包括:


仪器工作段,包括返回舱(VA)和火星登陆舱(MPK)的对接口

工作段

实验室段

生物技术段

居住段

乘员组起居室

动力组,包括定位发动机


3、返回舱(VA) 乘员组从火星返回后乘坐它回到地球。它是“联盟”飞船返回舱的放大型,重 10 吨,直径 4.35 米、高 3.15 米,有一个直径 6 米透镜形的防热大底。设计人员精心设计了返回舱的外形,使返回时的过载只有 0.45G。


4、大型盘状辐射防护罩 保护乘员组区域免受核反应堆辐射的伤害。


5、两根细长的散热器(另一方案是类似长筒望远镜结构的套筒状圆柱体),发射后逐渐伸长将反应堆推至飞船尾部,远离其他舱段。


6、发动机舱 包括推进剂贮箱(可装 25 吨推进剂)、液锂反应堆冷却系统,2 座 YaE-2 型核反应堆(总输出功率 15,000 千瓦),离子火箭发动机推力 6.2 千克力,比冲 8,000 秒。


MEK 飞船组件由 N-1M 火箭进行 2 次发射,一次发射火星登陆舱和火星轨道飞行器,另二次发射动力部分,在轨自动组装,总重 150 吨。MEK 飞船会慢慢地加速直到达到地球逃迤速度。乘员组有足够时间充分地检查系统,遇到危险不得不弃船时,可以乘坐返回舱逃生。


MEK任务总结:


发射年份:1980 年

乘员:3 人

去程:300 天

火星逗留时间:30 天

归程:300 天

总耗时:630 天

总重量:150 吨

推进剂:24 吨

推进剂系数:0.16

主发动机推力:61 牛

工作介质:氙

比冲:8,000 秒

电力系统平均功率:15,000 千瓦

发射次数:2 次

运载火箭:N-1M


多让人神往的火星探险计划啊。可惜,科学与探险要让位于政治和军备竞赛,苏联航天导弹工业当时的重点是尽快增加洲际导弹的数量,同时推进联盟号飞船、礼炮号和钻石号空间站等更现实的计划。登陆火星?请再等等吧。


1969 年 7 月 3 日,在科罗廖夫以前的办公室里,一群苏联航天界的大人物坐在一起讨论登陆火星计划。讨论焦点逐渐集中到问题不断的 N-1 火箭上。在凯尔迪什的要求下,米申整理出一份设计局关于登火计划的报告。据代表米申出席会议的鲍里斯·切尔托克回忆,与会者对该计划没什么热情。尽管米申保证登火计划不会影响正在进行的 N-1 火箭研制工作,但官员们还是被登月计划的麻烦深深困扰,看不到希望。果然,N-1 火箭四次发射全部失败,没有运载能力足够强劲的巨型火箭,大型空间站、永久月球基地和登陆火星都化成了泡影。



MEK 飞船像一支巨大的注射器


小资料:N-1M 火箭


N-1M 火箭是苏联第一种使用液氧液氢燃料的运载火箭,1966 年开始研制,它可以发射 LEK 登月飞船(2 人登陆月球)、月面长期基地(DLB)、重型地球同步轨道航天器和行星际探测器。最初设计每级均使用液氧液氢低温发动机,但是由于库兹涅佐夫设计局的 200 吨级液氧液氢发动机无法赶上进度,所以第一级沿用 N-1 火箭第一级,第二级(V-III级)、第三级(S 级)采用 RD-57 液氧液氢发动机、第四级(R 级)采用 RD-56 液氧液氢发动机。1967 年 6 月 15 日,进行了苏联首次低温发动机试车。1971 年中止研制,但是部分重要技术的研究没有停止,如第四级(R 级)的研制一直在继续,研究成果后用于能源火箭的低温发动机。


N-1M 有很多型号,发射重量 4,950~5,350 吨,全长 135~165 米,起飞推力从 5,250~7,500 吨,低轨道运载能力从 150~230 吨。



可以从 N1(左)和 N-1M 火箭(右)模型上对比出很多不同


后话


时间走到 80 年代。


1986 年,能源火箭与航天公司(第一试验设计局的新名字)开始修改 60 年代的火星探测计划。应用苏联在长期载人空间计划中获得的经验,修改系统设计,双反应堆动力系统提供了更高的可靠性。


1987 年,苏联新一代巨型运载火箭“能源”首次试飞,将一个至今依然保密的军用载荷“极地”号(大部分人相信这是一座战斗空间站)射入太空,虽然由于“极地”号上的发动机故障导致它未能入轨,但“能源”火箭本身的表现是完美的。它可以将 100 吨以上的物体送入低地球轨道,是进行载人星际飞行的绝好运载工具。


到 1989 年,能源公司的火星探测计划进一步修订为三级跳方案,循序渐进地积累经验,建造设施。


第一步,在和平号空间站上组装并发射小型无人火星探测器,它携带 1.3 吨科学探测仪器。


第二步,发射携带着陆器的无人火星探测器,着陆器上携带数个漫游机器人。


最后一步,发射 350 吨重的载人火星飞船,它将用 2 年时间完成火星探险。这一次,核反应堆被更先进、更安全的薄膜太阳能电池取代了。


不过,这一切只是梦想。地球人何时能与火星人见面,还在未定之天。

 

    贵州都市报