1、設(shè)計(jì)報(bào)告一一實(shí)現(xiàn)火星著陸探測(cè)與返回的方案千百年來(lái)，人類(lèi)一直夢(mèng)想的飛天夢(mèng)正在逐漸實(shí)現(xiàn)。從齊奧爾科夫斯基的偉大 構(gòu)想到航天員加加林的飛繞地球，從阿姆斯特朗跨出人類(lèi)登月的第一步到各種系 列探測(cè)器。人類(lèi)對(duì)宇宙空間的深空探測(cè)活動(dòng)方興未艾，并且已從地球空間探測(cè)擴(kuò) 展到火星空間探測(cè)。作為距離地球次近的一顆行星，火星有著許多與地球相似的地理環(huán)境特征， 蘊(yùn)藏著巨大的探索價(jià)值。迄今人類(lèi)對(duì)火星的探測(cè)已達(dá)40余次。隨著世界航天強(qiáng) 國(guó)和新興國(guó)家深空探測(cè)計(jì)劃的實(shí)施，將有越來(lái)越多的空間探測(cè)器飛往火星，并將 掀起新一輪火星探測(cè)的高潮?！笆晃濉逼陂g，在中俄兩國(guó)政府航天合作框架協(xié)議的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了中俄 聯(lián)合火星探測(cè)項(xiàng)目。中方獨(dú)

2、立研制的“螢火一號(hào)”火星探測(cè)器將搭載俄羅斯“福 布斯”探測(cè)器飛向火星，實(shí)現(xiàn)環(huán)繞火星的科學(xué)探測(cè)。我國(guó)參與的“火星一500” 項(xiàng)目也正在有序的開(kāi)展。但是，火星探測(cè)是一項(xiàng)浩大的工程，探測(cè)火星的難點(diǎn)在于飛行速度、持續(xù)飛 行時(shí)間和推進(jìn)系統(tǒng)。因?yàn)閭€(gè)人水平原因，本設(shè)計(jì)報(bào)告不論述探測(cè)器著陸，而簡(jiǎn)單 論述火星往返方案中的關(guān)鍵技術(shù)與組成一一核推進(jìn)器火箭技術(shù)與空間交會(huì)與對(duì) 接技術(shù)。核推力器火箭技術(shù)對(duì)遠(yuǎn)征火星而言是十分具有可實(shí)行性的。雖然核推力器火 箭并非不可或缺，但是它和其他新研究一起可以讓整個(gè)行動(dòng)更安全、更有效。核 推力器火箭的原理非常簡(jiǎn)單，事實(shí)上就是一個(gè)將冷卻氣體變成火箭排氣流的氣冷 核反應(yīng)堆。對(duì)于那些對(duì)核反應(yīng)

3、堆的印象來(lái)自核電站的人而言，將核反應(yīng)堆縮小到 可以裝入火箭內(nèi)的想法似乎很荒謬。事實(shí)上，核推力器相當(dāng)小。我們被兩個(gè)因素 所迷惑：冷戰(zhàn)期間出于安全原因故意混淆了反應(yīng)堆所需的鈾的數(shù)量以及發(fā)電站和 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)核能的不同要求。出于經(jīng)濟(jì)性考慮，核發(fā)電站需要連續(xù)運(yùn)行了 20 年以上，并且要裝在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，因此核發(fā)電站需要大量核燃料和減速劑，以 及大量屏蔽設(shè)備。核推力器火箭僅在太空中使用，總共只運(yùn)行大約1小時(shí)。需要 的核燃料和屏蔽設(shè)備要少得多。20世紀(jì)60年代研發(fā)出的試驗(yàn)性核推力器并不比 當(dāng)時(shí)普通的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)大。美國(guó)和蘇聯(lián)都研制出了核推力器火箭，并在美國(guó)的內(nèi) 華達(dá)沙漠和蘇聯(lián)的某地做過(guò)試驗(yàn)。是禁止核試驗(yàn)協(xié)定

4、中止了這些計(jì)劃，因?yàn)?這些試驗(yàn)會(huì)排放少量放射性物質(zhì)到大氣中。核推力器對(duì)遠(yuǎn)征火星的可實(shí)行性在于它結(jié)合了化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的高推力和 穩(wěn)定的高排氣速度一一大約是航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)的2倍。假設(shè)質(zhì)量為M的火箭攜 帶推進(jìn)劑質(zhì)量為P，那么它所能達(dá)到的最大速度v = v0lnQ，V0是燃料噴射速 M度?；瘜W(xué)火箭燃料噴射速度在4500m/s至5000m/s之間難以存在提升，所以如果 使用化學(xué)燃料火箭，增大速度的唯一途徑就是增加化學(xué)燃料比重，然而由上公式， 要攜帶M質(zhì)量的有效載荷，欲提升速度，所需化學(xué)燃料與速度呈現(xiàn)e的指數(shù)遞增 關(guān)系。通過(guò)單純?cè)黾踊瘜W(xué)燃料量來(lái)使增大速度顯然作用不大。但如果使用核推力 器，就可以比較容易

5、的增大燃料比重。這意味著大型航天器用適量核推進(jìn)劑就可 以加速到很高的速度。所以核推力器火箭技術(shù)不僅解決了持續(xù)飛行續(xù)航能力，而 且對(duì)于飛行速度也有很大改善。當(dāng)然，過(guò)去50年的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)必須銘記于心。航天員和大眾的安全毫無(wú)疑問(wèn) 是最重要的，即使最小的核推力器放射性事故也是我們無(wú)法接受的。不幸的是， 使用化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的事故記錄也并不光彩，就連最新的設(shè)計(jì)也經(jīng)歷過(guò)重大事故， 造成運(yùn)載火箭巨大的損失和破壞。所以我們必須保證攜帶惰性核反應(yīng)堆的運(yùn)載火 箭發(fā)生故障時(shí)不會(huì)造成任何與人員相關(guān)的危險(xiǎn)。核反應(yīng)堆和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)必須裝備 自動(dòng)防故障裝置，任何重大事故隱患都必須根除，這是可以實(shí)現(xiàn)的。核推力器火 箭核推力器以惰性

6、狀態(tài)發(fā)射，在空間中僅發(fā)生一次裂變，惰性核裂變不具有放射 性。它由濃縮鈾構(gòu)成，放射性不比花崗巖鋪路石料大，只有反應(yīng)堆工作時(shí)它才會(huì) 具有放射性。運(yùn)載火箭如果發(fā)生故障，不會(huì)因?yàn)閿y帶惰性核推力器給人類(lèi)帶來(lái)更 多的危害。為了避免核推力器火箭在大氣層內(nèi)出現(xiàn)事故和探測(cè)器從火星返回地球，我們 可以采用空間交會(huì)與對(duì)接技術(shù)?？臻g交會(huì)對(duì)接是指兩個(gè)航天器（宇宙飛船、航天飛機(jī)等）在空間軌道上會(huì)合并 在結(jié)構(gòu)上連成一個(gè)整體的技術(shù)，它是實(shí)現(xiàn)航天站、航天飛機(jī)、太空平臺(tái)和空間運(yùn) 輸系統(tǒng)的空間裝配、回收、補(bǔ)給、維修、航天員交換及營(yíng)救等在軌道上服務(wù)的先 決條件。交會(huì)對(duì)接過(guò)程分4個(gè)階段：地面導(dǎo)引，自動(dòng)尋的，最后接近和?？浚瑢?duì)接 合攏。

7、在導(dǎo)引階段，追蹤航天器在地面控制中心的操縱下，經(jīng)過(guò)若干次變軌機(jī)動(dòng)， 進(jìn)入到追蹤航天器上的敏感器能捕獲目標(biāo)航天器的范圍（一般為15100千米）。 在自動(dòng)尋的階段，追蹤航天器根據(jù)自身的微波和激光敏感器測(cè)得的與目標(biāo)航天器 的相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，自動(dòng)引導(dǎo)到目標(biāo)航天器附近的初始瞄準(zhǔn)點(diǎn) （距目標(biāo)航天器 0.51千米），由此開(kāi)始最后接近和停靠。追蹤航天器首先要捕獲目標(biāo)的對(duì)接軸， 當(dāng)對(duì)接軸線不沿軌道飛行方向時(shí)，要求追蹤航天器在軌道平面外進(jìn)行繞飛機(jī)動(dòng)， 以進(jìn)入對(duì)接走廊，此時(shí)兩個(gè)航天器之間的距離約100米，相對(duì)速度約31米/ 秒。追蹤航天器利用由攝像敏感器和接近敏感器組成的測(cè)量系統(tǒng)精確測(cè)量?jī)蓚€(gè)航 天器的距離、相對(duì)速度和

8、姿態(tài)，同時(shí)啟動(dòng)小發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行機(jī)動(dòng)，使之沿對(duì)接走廊向 目標(biāo)最后逼近。在對(duì)接合攏前關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，以0.150.18米/秒的停靠速度與目 標(biāo)相撞，最后利用栓一錐或異體同構(gòu)周邊對(duì)接裝置的抓手、緩沖器、傳力機(jī)構(gòu)和 鎖緊機(jī)構(gòu)使兩個(gè)航天器在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)硬連接，完成信息傳輸總線、電源線和流體 管線的連接。我們可以通過(guò)并發(fā)展此項(xiàng)技術(shù)，一次性發(fā)射兩艘化學(xué)火箭，分別運(yùn)載探測(cè) 器與核推力器，讓核推力器在繞地球軌道上與探測(cè)器進(jìn)行交會(huì)對(duì)接之后，再奔向 火星。等探測(cè)器將要完成探測(cè)火星任務(wù)時(shí)，再?gòu)牡厍虬l(fā)射兩艘化學(xué)火箭，都運(yùn)載 核推力器，核推力器在繞地球軌道交會(huì)對(duì)接成功后，用核推力器將另一個(gè)核推力 器運(yùn)向火星，解離后再與探測(cè)器對(duì)接，將探測(cè)器運(yùn)載回來(lái)。理論上說(shuō)，將探測(cè)器 換成飛行器、貨運(yùn)飛行器乃至載人飛行器也可。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，火星探測(cè)對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)不再困難。但是人類(lèi)是否可以踏上 火星，就靠我們這一代人或者下一代人的努力了。參考文獻(xiàn)：【1】遠(yuǎn)征火星/（英）特納著；陳昌亞，方寶東，俞潔譯一北京：中國(guó)宇航 出版社，2011.7【2